-
肠缺血再灌注（ischemia/reperfusion，I/R）损伤是临床常见的肠道病理过程[1]，可继发于多种病理条件下，如急性休克、小肠移植、肠系膜血管栓塞等。肠道极易发生缺血性损伤，一方面，人体血供下降时，会优先将血液供应给心、脑等器官，肠道血供减少；另一方面，绒毛尖端的肠上皮细胞位于中央小动脉的末端位置，本身氧分压较低，所以更容易发生缺血损伤[1]。由于肠绒毛中毛细血管环的特殊分布，肠道对I/R敏感，常导致肠黏膜屏障损伤。肠道是休克中最早受损，最后恢复的器官。
-
缺血再灌注分为两个阶段：缺血阶段和再灌注阶段。在缺血阶段，局部细胞组织无法得到足够的氧，从而无法合成足够的三磷酸腺苷（ATP），使局部组织缺少运行所需的能量，同时，有氧代谢途径无法运行而进行无氧代谢，不仅无法提供足够的能量，而且引起乳酸等有害物质堆积，造成器官损伤。其次，血流再灌注和再充氧过程中产生的大量活性氧（reactive oxygen species，ROS），引发氧化应激反应，进而导致肠黏膜屏障破坏、血管通透性增加、细菌易位，以及炎症介质和凋亡因子的释放[2]。肠I/R损伤在组织学上可降低绒毛高度，增加细胞浸润，加重黏膜脱落[3]，破坏肠黏膜屏障功能。此外，肿瘤坏死因子（TNF）-α、白细胞介素（IL）-6、IL-1β等促炎因子被释放到血清中，可能会引发全身炎症反应综合征、多器官功能障碍综合征等[4]。
-
Janus激酶/信号转导与转录激活因子（janus kinase/signal transducers and activators of transcription，JAK/STAT）信号通路与肠I/R所致肠损伤的发生有密切的关系，通过氧化应激、中性粒细胞的聚集、肠屏障功能等影响肠I/R损伤[5]。与其他信号通路相比，JAK-STAT信号通路拥有相对简单与清晰的通路结构组成：首先是酪氨酸激酶受体接收信号，之后酪氨酸激酶JAK传递信号，最后转录因子STAT调控下游产生效应。JAK是一类非跨膜型的酪氨酸激酶，其活化受到配体与受体的影响，当二者结合后，JAK的活化可使自身磷酸化，此时的JAK使下游的酪氨酸残基磷酸化，从而完成信号传递的过程。在收到JAK磷酸化修饰后，转录因子STAT活化，其蛋白二聚并进入细胞核结合靶基因，以此调控下游基因的转录。
-
1 JAK-STAT概述
-
JAK-STAT信号转导通路家族，有典型和非典型两种激活途径[6]。典型激活途径中，细胞配体与其受体相互作用导致受体二聚，JAK在配体和受体结合诱导下磷酸化，结合受体在活化的JAK影响下使自身酪氨酸磷酸化，STAT被招募，在形成的STATs停靠位点上对接，并在受到JAK磷酸化后与受体分离，通过sh2结构域-磷酸酪氨酸相互作用形成同源二聚体或异源二聚体。这些二聚体转运到靶基因启动子上，调控靶基因的转录。非典型激活途径下，未磷酸化的STAT池的一部分位于与核中等位常染色体基因异染色质蛋白-1（HP1）相关的异染色质上。JAK或其他激酶诱导STAT的激活，使HP1与异染色质分离，磷酸化的STAT与常小体上的认知位点结合，调节基因转录。
-
JAK是一类非受体酪氨酸激酶家族，已发现的有4个成员：JAK1、JAK2、JAK3、TYK2。STAT为JAK的底物，已发现7个家族成员：STAT1、STAT2、STAT3、STAT4、STAT5a、STAT5b和STAT6，其N端具有SH2结构域和核定位信号（NLS），中间为DNA结合域，C端有保守的、对其活化至关重要的酪氨酸残基。STAT被JAK磷酸化后发生二聚化，然后穿过核膜进入核内调节相关基因的表达，这条信号通路即为JAK-STAT途径。
-
2 JAK-STAT信号通路与肠I/R损伤
-
2.1 炎症反应
-
炎症是肠I/R损伤的主要特征之一。肠I/R诱导的损伤有多种机制，促炎反应在其发病机制中起着重要作用。有证据表明，白细胞黏附会增加ROS和其他促炎介质的产生[7]。白细胞活化会引起强烈的血管收缩作用，导致低灌注甚至无复流现象，微循环完全停止[8]。减少ROS的产生和减轻促炎反应可以显著减少I/R引起的损伤。
-
JAK-STAT信号通路可以调节肠干细胞（ISCs）的增殖和肠道稳态。在炎症状态下，JAK-STAT通路被激活以促进ISCs的增殖和分化[9]。与此同时，损伤的肠道会产生大量ROS并以此来诱导氧化应激，导致肠上皮损伤和ISCs过度增殖[10]。肠I/R损伤中，胃肠道是ROS的主要来源，虽然有肠上皮的保护屏障，但摄入的物质和病原体可以通过激活上皮细胞、多形核中性粒细胞（PMNs）和巨噬细胞来产生炎症细胞因子，以及其他进一步促进氧化应激的介质而引起炎症[11]。JAK-STAT信号通路的激活与胃肠道炎症和ISCs增殖相关，这可能会加速炎症性肠病（inflammatory bowel disease，IBD）的发展[12]。通过降低炎症因子抑制JAK-STAT信号通路，可维持炎症环境下肠道稳态。
-
在肠道I/R损伤过程中，一系列趋化因子和炎症因子（如核因子-κB）的激活导致循环吞噬细胞的激活，放大肠道炎症级联反应，引发全身炎症反应和远端器官损伤。JAK2-STAT3是一种重要的免疫信号通路，其参与炎症反应并在其中起重要的作用。STAT3受JAK2介导的磷酸化刺激，缺血时，JAK2磷酸化增加，STAT3磷酸化增加，炎症因子释放增加[13]。JAK2/STAT3信号通路被激活，可增加炎症相关蛋白编码基因的表达（如高迁移率族蛋白B1）的表达，加重缺血后炎症反应[14]。抑制P65/JAK2/STAT3的磷酸化可减轻缺血后炎症反应。另外，有研究报道可以通过JAK2/STAT3信号通路调控NLRP3炎症小体，其激活与抑制可实现对炎症级联的增强与减弱[15]。
-
2.2 氧化应激
-
正常的细胞代谢会产生ROS，少量和适量的ROS对人体不仅没有危害，还有诸多好处，如杀死入侵人体的病原体，或是促进伤口愈合，加速组织的修复等；然而，在肠I/R过程中，脂质过氧化与炎症因子的释放产生过多的ROS，是导致再灌注后组织氧化和肠上皮细胞损伤的重要条件[16]。一方面，缺血阶段局部缺氧，合成障碍使ATP匮乏，细胞内酸性物质堆积导致酸中毒，再灌注后血供恢复，但细胞内钙超载和ROS生成会导致大量炎性细胞聚集，加重肠道内炎症反应和肠上皮细胞损伤[17]；另一方面，ROS大量产生，胞内DNA、脂质和蛋白质受氧化应激反应影响大量损伤，细胞结构受到破坏，引起细胞死亡[18]。当氧气在再灌注过程中恢复时，受损细胞和组织中大量的ROS可以攻击几乎所有的细胞内生物分子（如细胞膜、细胞器甚至DNA），这种氧化应激通过信号转导途径破坏上皮细胞的动态稳态，从而导致大量炎症介质的释放，诱导细胞凋亡，破坏肠屏障功能，加剧再灌注后的损伤。
-
线粒体在细胞的有氧代谢中扮演重要角色，线粒体DNA（mtDNA）参与细胞的氧化磷酸化，维持正常的线粒体功能。mtDNA被破坏后，ROS的产生增加，mtDNA释放到细胞质中诱导促炎介质和促凋亡因子的激活[19]。此外，线粒体呼吸链调节ROS的产生。线粒体复合物I和III在氧化过程中通过电子泄漏产生ROS[20]。在缺血过程中，线粒体氧化应激相当温和，但在再灌注开始时活性氧ROS爆发以及缺血后数小时和数天内更为明显[21]。
-
JAK-STAT信号通路中，除STAT4外的所有STATs都存在于线粒体中，它们对促进氧化磷酸化和膜通透性具有重要意义，抑制其发挥作用可以减轻肠I/R损伤过程中的氧化应激、保护肠道组织。STAT3定位于内质网，有助于抵抗氧化应激引起的细胞凋亡[6]。STAT信号通过JAK2途径作用于细胞内ROS，氧化应激激活JAK/STAT可加重肠I/R损伤；相反，JAK/STAT信号通路的抑制剂，如丙酮酸，不仅对氧化应激反应有抑制作用，还可以减少中性粒细胞浸润，调节微循环，抑制细胞凋亡[22]。通过抑制JAK/STAT信号通路，可以使细胞免受缺氧缺糖/再灌注损伤（OGD/RP）诱导的氧化应激、自噬和凋亡作用影响[23]，保护肠道屏障，从而减轻肠I/R损伤。Nrf2基因的过表达可对JAK2/STAT3信号通路起抑制作用，通过这种方法以抑制大鼠的氧化应激，同时减轻其炎症反应[24]，通过这两方面来达到减轻大鼠缺氧缺血性损伤的目的。
-
2.3 细胞自噬
-
自噬（autophagy，ATG）是细胞内物质周转的重要过程，线粒体自噬能够清除损伤、老化的线粒体，然后通过与线粒体生物合成相配合，从而对线粒体质量进行控制，最终起到调控线粒体的数量、分布及功能的作用，是选择性自噬的一种。研究认为器官I/R中，在线粒体分裂增加的情况下，其自噬减少因而引起数量平衡被打破，损伤的线粒体无法被及时清除而大量堆积从而造成细胞损伤[21]。肠I/R损伤过程中，缺血引发线粒体缺氧，在线粒体大量损伤的基础上，大量活性氧产生，进一步损伤线粒体的同时也使氧化应激更加严重，导致肠I/R造成的损伤进一步扩大。因此，肠I/R过程中，通过特定途径增强自噬，从而清除受损的线粒体，可以保持线粒体的质量和数量，减轻肠道组织损伤。
-
JAK2/STAT3参与自噬活动的调节，生理状态下非磷酸化的JAK2/STAT3在机体受到外界刺激时，可在短时间内发生磷酸化转化，通过酪氨酸蛋白激酶结合位点与IL-6、TNF-α等相应受体相结合，激活下游酪氨酸残基，发挥生物学效应[25]。因此，用JAK2抑制剂或STAT3 siRNA阻断STAT3磷酸化，对抑制JAK2/STAT3信号通路，降低肠黏膜上皮细胞凋亡水平、增强自噬，保护肠黏膜屏障，减轻肠I/R中肠道组织损伤有积极意义。此外，还有研究显示，IL-6激活JAK激酶，通过JAK-STAT信号通路，在I/R前以剂量依赖方式，增强体外自噬，而不影响其他激酶途径[26]。
-
2.4 巨噬细胞极化
-
巨噬细胞是先天免疫反应的重要成员，与组织的炎症反应程度有很大关联，同样在肠I/R损伤进展中发挥着重要作用。巨噬细胞可以表现出一系列不同的激活表型，以响应不同的微环境或外源性刺激。巨噬细胞极化并不是巨噬细胞的一种长期状态，而是巨噬细胞在某一时间点的激活状态。
-
当巨噬细胞暴露于入侵细胞的病原体或细菌时，它们通常极化为M1表型（经典激活表型）。M1巨噬细胞通常出现在由toll样受体（TLR）或干扰素（IFN）信号通路控制的促炎环境中，因此表达出促炎作用，通过促炎细胞因子和一氧化氮（NO）的分泌抑制细胞增殖并引起组织损伤[27]，在肠I/R进程中，M1表型可加重肠道炎症反应，破坏肠黏膜屏障，损伤肠道组织。M2巨噬细胞是另一种激活表型，存在于T2反应主导的环境中，由IL-4或IL-13诱导[28]。M2巨噬细胞表达高水平的精氨酸酶1（Arginase-1，Arg-1），它催化鸟氨酸的产生。鸟氨酸是细胞产生多胺的直接底物，是M2巨噬细胞完成胶原合成、增殖、组织重塑等功能所必需的[29]。这些细胞促进细胞增殖、组织修复、血管生成和吞噬作用，以降低炎症并在炎症事件后“清理”，在肠I/R损伤过程中，能够保护肠黏膜屏障，降低炎症反应造成的破坏，减轻肠道组织损伤。
-
经典激活（M1）巨噬细胞分泌促炎因子，并表现出增强的杀微生物活性和高抗原呈递能力[30]。这些特征是由IFN-γ介导的JAK/STAT信号促进的。IFN-γ是激活JAK-STAT信号通路的关键[31]。STAT1是M1巨噬细胞极化的重要中介，其活性对M1极化至关重要[32]。M1巨噬细胞极化的另一个关键机制是核因子-κB（NF-κB）信号通路。巨噬细胞细胞膜上TLR的激活启动了下游级联，激活NF-κB通路，并促进促炎介质的后续释放[33]。
-
肠I/R损伤激活JAK2/STAT3通路，通路的激活进一步加重肠道损伤，破坏肠道环境，损伤肠黏膜屏障，抑制其通路可减轻肠道损伤。肠I/R过程中JAK2/STAT3通路诱导巨噬细胞向M1极化。抑制JAK2/STAT3通路可诱导巨噬细胞M2极化，减轻Caco-2细胞的OGD/R损伤[34]。促进巨噬细胞由M1向M2表型的转变，可发挥抗炎作用，降低肠道炎症对肠黏膜屏障的破坏，保护肠道组织，对减轻肠I/R损伤具有重要作用。巨噬细胞中IL-6/STAT3信号通路的激活在巨噬细胞产生趋化因子中起着关键作用，并参与M1/M2巨噬细胞极化。此外，STAT3的磷酸化是与巨噬细胞激活状态相关的关键事件[35]。
-
3 结论与展望
-
肠I/R损伤是临床常见的病理改变，JAK/STAT信号通路在肠I/R损伤中发挥重要作用。通过JAK/STAT信号通路调节炎症反应、氧化应激、细胞自噬以及巨噬细胞极化等，对减轻肠I/R损伤有积极意义。JAK/STAT信号通路调控肠道I/R损伤的作用机制尚未完全阐明，深入研究有助于更好地了解肠I/R损伤的病理过程，以期为靶向药物治疗的研究提供分子基础。
-
参考文献
-
[1] Liao SS,Luo J,Kadier T,et al.Mitochondrial DNA release contributes to intestinal ischemia/reperfusion injury[J].Front Pharmacol,2022,13:854994.
-
[2] 许叶文,王琼,周国儿,等.莫达非尼对大鼠肠缺血再灌注损伤的保护作用研究[J].中国临床药理学杂志,2022,38(14)：1664-1667.
-
[3] Wang Y,Wen J,Almoiliqy M,et al.Sesamin protects against and ameliorates rat intestinal ischemia/reperfusion injury with involvement of activating Nrf2/HO-1/NQO1 signaling pathway[J].Oxid Med Cell Longev,2021,2021:5147069.
-
[4] Qiongyuan H,Huajian R,Jianan R,et al.Author Correction:Released mitochondrial DNA following intestinal ischemia reperfusion induces the inflammatory response and gut barrier dysfunction[J].Sci Rep,2022,12(1):2524.
-
[5] 李毅,李坤河,温仕宏,等.JAK/STAT通路在大鼠肠缺血再灌注所致肠损伤中的作用[J].中国病理生理杂志,2011,27(12):2338-2344.
-
[6] Hu XY,Li J,Fu MR,et al.The JAK/STAT signaling pathway:from bench to clinic[J].Signal Transduct Target Ther,2021,6(1):402.
-
[7] Wang H,Huang R,Guo W,et al.RNA-binding protein CELF1 enhances cell migration,invasion,and chemoresistance by targeting ETS2 in colorectal cancer[J].Clin Sci(Lond),2020,134(14):1973-1990.
-
[8] Cox DC,Guan XN,Xia Z,et al.Increased nuclear but not cytoplasmic activities of CELF1 protein leads to muscle wasting[J].Hum Mol Genet,2020,29(10):1729-1744.
-
[9] Moon SY,Kim KD,Yoo J,et al.Phytochemicals targeting JAK-STAT pathways in inflammatory bowel disease:insights from animal models[J].Molecules,2021,26(9):2824.
-
[10] Wisidagama DR,Thummel CS.Regulation of Drosophila intestinal stem cell proliferation by enterocyte mitochondrial pyruvate metabolism[J].G3(Bethesda),2019,9(11):3623-3630.
-
[11] Bhattacharyya A,Chattopadhyay R,Mitra S,et al.Oxidative stress:an essential factor in the pathogenesis of gastrointestinal mucosal diseases[J].Physiol Rev,2014,94(2):329-354.
-
[12] Yang S,Li X,Xiu M,et al.Flos puerariae ameliorates the intestinal inflammation of Drosophila via modulating the Nrf2/Keap1,JAK-STAT and Wnt signaling[J].Front Pharmacol,2022,13:893758.
-
[13] Yu L,Zhang Y,Chen Q,et al.Formononetin protects against inflammation associated with cerebral ischemia-reperfusion injury in rats by targeting the JAK2/STAT3 signaling pathway[J].Biomed Pharmacother,2022,149:112836.
-
[14] Li L,Sun L,Qiu Y,et al.Protective effect of stachydrine against cerebral ischemia-reperfusion injury by reducing inflammation and apoptosis through P65 and JAK2/STAT3 signaling pathway[J].Front Pharmacol,2020,11:64.
-
[15] Cao F,Tian XY,Li ZW,et al.Suppression of NLRP3 inflammasome by erythropoietin via the EPOR/JAK2/STAT3 pathway contributes to attenuation of acute lung injury in mice[J].Front Pharmacol,2020,11:306.
-
[16] Peng Z,Ban K,Wawrose RA,et al.Protection by enteral glutamine is mediated by intestinal epithelial cell peroxisome proliferator-activated receptor-γ during intestinal ischemia/reperfusion[J].Shock,2015,43(4):327-333.
-
[17] Nadatani Y,Watanabe T,Shimada S,et al.Microbiome and intestinal ischemia/reperfusion injury[J].J Clin Biochem Nutr,2018,63(1):26-32.
-
[18] 杨芃,魏明,李响,等.程序性坏死参与大鼠肠缺血再灌注所致肺损伤的发生[J].中山大学学报(医学科学版),2017,38(3):321-326.
-
[19] Mikhed Y,Daiber A,Steven S.Mitochondrial oxidative stress,mitochondrial DNA damage and their role in age-related vascular dysfunction[J].Int J Mol Sci,2015,16(7):15918-15953.
-
[20] Kalra RS,Kumar S,Tomar D.Editorial:Oxidative stress link associated with mitochondrial bioenergetics:relevance in cell aging and age-related pathologies[J].Front Cell Dev Biol,2023,11:1273420.
-
[21] Bugger H,Pfeil K.Mitochondrial ROS in myocardial ischemia reperfusion and remodeling[J].Biochim Biophys Acta Mol Basis Dis,2020,1866(7):165768.
-
[22] Li GY,Wang S,Fan Z.Oxidative stress in intestinal ischemia-reperfusion[J].Front Med(Lausanne),2022,8:750731.
-
[23] 巨虎,刘川川,王虎,等.岩藻多糖调节JAK2/STAT3信号通路保护神经元免受缺氧缺糖/再灌注损伤[J].中国高原医学与生物学杂志,2022,43(1):7-17.
-
[24] 刘庆,卢蓉,郝莉霞.Nrf2基因对缺氧缺血性脑损伤新生大鼠脑组织氧化应激和JAK2/STAT3信号通路的影响[J].局解手术学杂志,2020,29(8)：604-609.
-
[25] 彭成,刘佩雷,陶钧,等.急性脊髓损伤后炎症反应、自噬和凋亡相关因子的变化以及JAK2/STAT3信号通路研究[J].转化医学杂志,2021,10(2):83-88.
-
[26] Billah M,Ridiandries A,Allahwala UK,et al.Remote ischemic preconditioning induces cardioprotective autophagy and signals through the IL-6-dependent JAK-STAT pathway[J].Int J Mol Sci,2020,21(5):E1692.
-
[27] Xie J,Wu X,Zheng S,et al.Aligned electrospun poly(L-lactide)nanofibers facilitate wound healing by inhibiting macrophage M1 polarization via the JAK-STAT and NF-κB pathways[J].J Nanobiotechnology,2022,20(1):342.
-
[28] Kim SY,Nair MG.Macrophages in wound healing:activation and plasticity[J].Immunol Cell Biol,2019,97(3):258-267.
-
[29] Mai S,Liu L,Jiang J,et al.Oesophageal squamous cell carcinoma-associated IL-33 rewires macrophage polarization towards M2 via activating ornithine decarboxylase[J].Cell Prolif,2021,54(2):e12960.
-
[30] De Santa F,Vitiello L,Torcinaro A,et al.The role of metabolic remodeling in macrophage polarization and its effect on skeletal muscle regeneration[J].Antioxid Redox Signal,2019,30(12):1553-1598.
-
[31] 王羡,王红霞,潘俊斐,等.lncRNA Tmevpg1对小鼠自噬和JAK-STAT信号通路关键信号分子表达水平的影响[J].中国细胞生物学学报,2019,41(7):1308-1319.
-
[32] Chen R,Wang J,Dai X,et al.Augmented PFKFB3-mediated glycolysis by interferon-γ promotes inflammatory M1 polarization through the JAK2/STAT1 pathway in local vascular inflammation in Takayasu arteritis[J].Arthritis Res Ther,2022,24(1):266.
-
[33] Brennan JJ,Gilmore TD.Evolutionary origins of toll-like receptor signaling[J].Mol Biol Evol,2018,35(7):1576-1587.
-
[34] 张贻帼,景祎馨,廖师师,等.JAK2/STAT3通路通过调控巨噬细胞极化在肠缺血再灌注损伤中的作用[J].武汉大学学报(医学版),2023,44(3):286-292.
-
[35] Abousaad S,Ahmed F,Abouzeid A,Ongeri EM.Meprin β expression modulates the interleukin-6 mediated JAK2-STAT3 signaling pathway in ischemia/reperfusion-induced kidney injury[J].Physiol Rep,2022,10(18):e15468-e15468.
-
摘要
缺血再灌注（I/R）是指组织因各种原因引起缺血，一段时间后恢复血供，引起组织细胞再次损伤的临床症状。肠道是I/R损伤发生的常见器官，其发生具有突然性及多样性，临床难以精准预测及有效预防，因此目前研究多集中于再灌注期的症状缓解及组织保护策略上。多种信号通路参与肠I/R损伤的过程，本研究综述Janus激酶/信号转导与转录激活因子（JAK-STAT）信号通路在肠I/R损伤过程中的作用，以期为肠I/R相关治疗提供思路。