STAT3信号通路及其肿瘤分子靶向治疗的研究进展☆

刘俊 冯学泉 王金环

肿瘤分子靶向治疗是针对可能导致细胞癌变的环节，如细胞信号传导通路、原癌基因和抑癌基因、细胞因子及受体、抗肿瘤血管形成、自杀基因等，从分子水平来逆转这种恶性生物学行为，从而抑制肿瘤细胞生长，甚至使其完全消退的一种全新的生物治疗模式。近年来，酪氨酸激酶(jauns kinase，JAK)-信号转导和转录活化因子(signal transducer and activators of transcription，STAT)通路与肿瘤分子靶向治疗的相关研究备受瞩目。其中，STAT3作为JAK-STATs转导通路的重要成员，是联系胞外信号与细胞应答的桥梁分子，与众多的上游及旁路信号形成网络，作用于下游信号分子，参与调节肿瘤的增殖、生存、转移、血管生成、免疫应答等过程。下面，本文就STAT3信号通路的激活途径、在肿瘤发生发展中的作用及肿瘤分子靶向治疗研究进展做一综述。

1 STAT3的结构及其信号通路

STAT3是一种具有致癌潜能的转录因子，未活化时位于胞浆，分子量89 kD左右，具有5个保守的结构域:①N-端结构域，与STAT3蛋白的二聚体化有关;②DNA结合区，决定了STAT3能够特异性的与5'-TTn4AA-3'序列相结合，从而启动抗凋亡基因Bcl-2、Bcl-XL和Mcl-1的转录;③连接结构域，功能尚不明确;④SH2(Src同源区域2)/酪氨酸磷酸化位点区，有助于STAT3停泊于酪氨酸磷酸化的受体，而且该区还包括STAT3活化所必须的高度保守的酪氨酸残基Y705;⑤C-末端转录激活结构域，在转录激活域内的丝氨酸(S727)或接近C端的酪氨酸(Y705)被磷酸化后，STAT3即被激活。其中SH2区是STAT3结构中最保守的部分，它通过识别已激活受体特定的SH2结构域向受体方向集聚，激活JAKs家族，参与STAT3同源或异源二聚体的形成，在信号转导中起重要功能［1］。

1.1 STAT3的激活途径 STAT3能够被许多配体激活，如细胞因子类 IL-6、IL-10 等，生长因子类 EGF、HGF、HER2/Neu、VEGF等以及其他如EPO、GM-CSF等。当细胞外配体与膜受体结合时引起受体亚基的多聚化，然后JAKs蛋白在受体的胞浆侧募集，发生磷酸化，磷酸化的JAKs可以使STAT3通过SH2区域发生同源二聚化，这一过程促使STAT3磷酸化，活化的STAT3借助于核转运蛋白α转移到细胞核，进而与特异性核酸序列结合，调节靶基因的转录。不同的配体通过不同的转导途径激活STAT3［2］，表现为:①生长因子类经RTK途径激活STAT3。通常条件下，受体酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinases，RTK)激活经典的 Ras-Raf-MEK-ERK信号通路，但是如果该通路过度活化，则会诱导JAK-STAT通路的激活，可能有两种机制参与这一过程:RTK的直接激活包括表皮生长因子受体(EGFR)、血小板源性生长因子受体(PDGFR)能够引起非JAK依赖性的STAT3活化，推测此活化可能与Src激酶(SFK)有关。另为RTK/Ras通路的刺激引起MAPKs活化，MAPKs能够特异性地将STAT3 C末端的丝氨酸727磷酸化，进而激活STAT3。②c-Src可以直接激活STAT3。原癌蛋白c-Src是一种非受体酪氨酸激酶，它能够不依赖于JAKs直接活化 STAT3。同时，异常激活的 c-Src蛋白依靠活化的STAT3发挥致瘤效应，而且病毒通过c-Src蛋白引发的细胞转化也依赖于活化的STAT3［3］，因此，c-Src成为肿瘤分子治疗的理想靶点。但最近发现，头颈肿瘤细胞可表现出针对c-Src抑制剂Dasatinib的耐受，研究显示，Dasatinib可抑制STAT3的表达，但持续作用之后STAT3却出现了重新的活化，引起肿瘤细胞继续存活，而且此过程依赖于JAKs，若Dasatinib联合敲除STAT3，发现肿瘤的抑制作用得到了明显的提高［4］，这一发现再次表明了c-Src通过调节STAT3的表达发挥致癌作用，并且c-Src/STAT3与JAKs/STAT3相互代偿，提示联合c-Src和STAT3的分子靶向治疗可成为新的肿瘤治疗途径。③以IL-6为代表的细胞因子类激活STAT3。作为最重要的STAT3调节物，IL-6家族包括LIF、CNTF、CT-1、Oncostatin M以及IL-27。IL-6受体由特异性的α亚基与gp130信号转导蛋白组成。所有的家族蛋白共用gp130作为受体亚单位。IL-6刺激STAT3的活化可通过经典的 IL-6/JAKs途径实现，这一过程表现为:IL-6与特异性IL-6Rα亚基结合，引起 gp130同源二聚化，然后 JAKs(JAK1、JAK2、TYK2)在gp130的胞质区交联，引起gp130自身的酪氨酸残基磷酸化，gp130胞质尾区的四个酪氨酸残基Y767、Y814、Y905及Y915磷酸化可以促进STAT3通过SH-2而激活。另外，酪氨酸磷脂酶SHP2与gp130胞质区近端的YxxV motif结合，导致人Y759或鼠Y757的磷酸化，激活SHP2-Gab-Ras-ERK-MAPK通路。同时YxxQ motif也是STAT3负性调节物SOCS3的停泊位点，特异性敲除Y757的小鼠Y757F(苯丙氨酸替代缬氨酸)由于SOCS3丧失停泊位点，不能发挥负性调节活化STAT3的作用，导致STAT3过度活化，从而引起炎症以及肿瘤的发生［5］。

1.2 STAT3信号通路与其他转录因子、信号通路的关系 肿瘤的形成和发展是众多致癌因子和抑癌因子相互作用的最终结果。活化的STAT3通过与其他的转录因子相互作用，使得JAKSTAT3与其他信号转导通路相互关联成为网络，共同促进肿瘤的形成发展。这些转录因子包括 c-Jun、干扰素调节因子9(IRF9)、c-Fos、NF-KappaB、Sma、MAD 相关蛋白(SMAD)、转录因子 SP1、辅因子 p300、CBP、BRCA1 和 MCM5 等。

其中NF-KappaB与JAK-STAT3通路最为密切。在胶质母细胞瘤(GBM)中，NF-KappaB不但是过度活化的，而且与胶质瘤的分级密切相关。TNF-α可以活化NF-KappaB，游离的NF-KappaB进入胞核，上调许多促炎性靶向基因的转录，如IL-6、IL-8、MCP-1等。其中IL-6又能以自分泌或旁分泌形式活化通过经典的IL-6/JAKs通路活化 STAT3，这样IL-6就成为联系STAT3和 NFKappaB的纽带，发挥致癌作用。另外大量的与肿瘤相关的细胞因子和生长因子如 TNF-α、IL-6、IL-1β、EGF、PDGF 能够通过JAKs-PI3K-AKT-IKK途径激活NF-KappaB，而且在胶质瘤中，由于抑癌基因PTEN的缺失使得丧失了对AKT的负性调节，从而在细胞外因子的刺激下，形成了一个正反馈环路，PI3K-AKT-IKK持续活化，使得NF-KappaB过度激活［6］。最近的研究也发现，活化的STAT3能够通过P-300引起胞核内NF-KappaB的乙酰化从而延长NF-KappaB在胞核中的定位，促进NF-KappaB的转录活性［7］。因此STAT3与NF-KappaB相互促进，共同参与肿瘤发生发展。

近年来，人们在许多实体瘤中包括GBM、乳腺癌、肺癌、结肠癌等发现了一种高表达的小分子MicroRNA-21，这种的小RNA被认为是一种新的癌基因参与调节肿瘤细胞的凋亡，增殖，以及迁移等［8］，通过抑制胶质母细胞瘤高表达的MicroRNA-21，肿瘤细胞出现生长抑制、细胞凋亡、周期阻滞等［9］，后续的研究也发现，下调MicroRNA-21，会增加多形性胶质母细胞瘤对泰素的敏感性，而且这种协同现象是通过抑制STAT3活化实现的［10］，这也说明STAT3作为下游转录因子，起到了汇合众多调节激酶和转录因子的作用。

2 STAT3的异常活化对肿瘤发生发展的影响

STAT3在多种细胞和组织中都有表达，对调节正常细胞的增殖、分化、生存、凋亡均具有重要的作用。敲除了STAT3基因的纯合子小鼠在胚胎期即死亡，提示STAT3在胚胎发育中起着关键作用;STAT3基因缺陷的T淋巴细胞丧失对IL-6刺激的增殖反应;另外，在特异性敲除STAT3基因的肠上皮细胞，不但对DSS引起的炎症性肠病易感，而且病变的愈合速度也明显减慢［11］。尽管STAT3对维持正常生理具有重要作用，但是在正常细胞和组织中，它的活化状态是短暂而且被精确调控，而与正常细胞相比，由于失去了精确的负性调控，STAT3不仅在许多肿瘤细胞高表达，而且在肿瘤细胞或者间质中持续活化，因而促进肿瘤的发生和发展。在肿瘤细胞中，由于负性调节蛋白的抑制或缺失，加上细胞内外因子的过度刺激，使得STAT3成为RTK/Ras/ERK、IL-6/JAKs、Src以及众多转录因子，致癌蛋白汇聚的焦点。

2.1 STAT3抑制肿瘤细胞凋亡 STAT3通过直接上调抗凋亡蛋白Bcl-2家族Bcl-XL、Mcl-1和Bcl-w的表达，或者间接通过诱导热休克蛋白Hsp70、RegIIIβ的表达发挥其抗肿瘤细胞凋亡的特性。另外，活化的STAT3也能够诱导NF-KappaB2(p100/p52)的产生，引起既发的抗凋亡，也有研究发现，活化的STAT3通过促进与p53启动子的结合抑制p53基因的转录，从而抑制p53介导的凋亡活性［12］。

2.2 STAT3促进肿瘤细胞增殖 STAT3通过上调cyclinB1、cdc2、c-myc、cyclinD1、c-jun和 c-fos的表达，下调细胞周期素依赖性激酶抑制物(CDKI)p21、p27的表达使得细胞快速持续通过G1/S检测点促进肿瘤细胞增殖。有趣的是，尽管人们发现，STAT3上调cyclinD1，但是在cyclinD1高表达的HepG2细胞中，STAT3的表达受到了抑制，在人工诱导cyclinD1高表达的乳腺癌细胞中，也同样发现了这一点，于是推测过度活化的cyclinD1能够负反馈的抑制STAT3活性。这也同时解释了为什么高表达的cyclinD1有益于乳腺癌的预后［13］。

2.3 STAT3介导肿瘤细胞血管发生和迁移 过度活化的STAT3通过增加VEGF、HIF1α的表达促进肿瘤细胞的血管形成。HIF(hypoxia-inducible factor)通过与缺氧相关元件(hypoxiaresponsive element，HRE)结合［14］，促进至少 100 个与缺氧相关的基因表达，其中最主要的就是VEGF，VEGF既可以通过IL-6等细胞因子活化STAT3直接转录而来，也可以间接通过缺氧诱导的HIFα转录而产生，同时在正常的星形细胞和GBM中发现，IL-6能够与STAT3-SP1复合体直接相互作用促进VEGF的产生［15］。

另外，活化的 STAT3能够促进金属基质蛋白酶 MMP-2、MMP-9的产生，分解细胞外基质。基质金属蛋白酶几乎能降解细胞外基质的所有成分，其与肿瘤的浸润转移密切相关［16－17］。最新发现，胶质瘤相关的小胶质细胞能够通过toll样受体和P38-MAPK途径过度上调MT1-MMP的表达，从而促进STAT3靶向转录产物MMP-2的活化，实现胶质瘤的侵袭［18］。

2.4 STAT3参与肿瘤细胞免疫调控 与正常的细胞相比，肿瘤细胞在免疫特征上的变化使得机体的免疫系统不能及时有效的识别并杀伤之，表现为:低表达MHCI分子，导致CD8+细胞毒性T淋巴细胞(CTL)无法识别和杀伤肿瘤细胞;低表达共刺激分子CD80、CD86，不能提供T细胞活化的第二信号;高表达抑制性免疫因子如IL-10、TGF-β;并且在肿瘤间质中浸润的调节性T细胞(Treg)数量也是增多的，这样肿瘤细胞能够逃脱免疫系统的监视，实现免疫逃逸。

肿瘤细胞和相关的免疫细胞均发现有STAT3的过度活化。STAT3参与肿瘤免疫逃逸主要涉及以下几个方面:①大量表达抑制炎性介质(INF-β、TNF-α、IL-6等)和炎性趋化因子(RANTES和IP-10等)，从而不能刺激固有免疫和适应性免疫应答。②上调VEGF、IL-10的表达，抑制DC的成熟和T细胞的活化。例如，发现负性表达STAT3的荷瘤小鼠有利于DC细胞的成熟，另外，在缺乏STAT3的造血干细胞中，发现MHCII、CD80、CD86均得以上调。③上调TGF-β，通过CD4+CD25+T细胞直接与DC细胞接触，使得肿瘤间质中浸润的调节性T细胞(Treg)数量增多，研究发现，选择性敲除间质DC和巨噬细胞STAT3基因的小鼠，浸润的CD4+CD25+/Foxp3+/Lag-3+Tregs数量降低，同时CD8+T细胞数量增加［19］。

2.5 STAT3参与正常细胞线粒体呼吸链传递 最新的研究显示STAT3不仅通过进入胞核参与肿瘤细胞发生发展，而且STAT3能够参与构成和调节正常细胞线粒体氧化磷酸化过程。

活化的STAT3位于线粒体内膜，其量为胞质中的十分之一，用免疫共沉淀方法检测发现，活化的STAT3能与复合体Ⅰ、Ⅱ结合，参与构成氧化呼吸链传递电子，在STAT3－/－细胞，复合体Ⅰ、Ⅱ参与的电子链传递效应明显减弱，产生的ATP也显著下降，并且在STAT3－/－细胞重新上调STAT3的表达，能恢复电子链的传递与ATP的合成［20］。另外，在特异性敲除STAT3基因的星形细胞中，发现活性氧的产生增加，谷胱甘肽水平，线粒体膜电位以及ATP合成下降，也有研究发现线粒体内的STAT3是Ras介导的细胞恶性转化所需［21］，这或许能够提示人们，STAT3可能通过一种未知的信号转导通路，调节正常细胞的能量供应，增加氧化应激能力。由此可能启发，除了在增殖，生存，血管发生和免疫调节方面发挥致癌作用，过度活化的STAT3会不会影响着肿瘤细胞的生物能量代谢及氧化应激呢?这一方向值得探索。

3 STAT3信号通路与肿瘤分子靶向治疗

尽管STAT3在胚胎发生中的作用是必须的，但是在成人的正常细胞和组织中，STAT3在很大程度上是可有可无的，用STAT3的抑制剂，能够显著的抑制肿瘤细胞的存活，但是对于正常的细胞，这种抑制效应却是极微的，虽然机理尚不明确，但是至少表明阻断STAT3的表达在肿瘤分子靶向治疗中是合理的。

3.1 靶向STAT3上游激酶的抑制剂 JAKs是一个理想的靶点，AG490能够抑制 JAKs的磷酸化从而下调 STAT3，而上调p21waf1/cip1、p27kip1进而抑制了细胞系的生存增加了细胞周期阻滞。JSI-124能够特异性的抑制 JAK2-STAT3活性，而对AKT、ERK和c-Jun氨基末端激酶无影响，有报道JSI-124抑制了裸鼠A549肺腺癌和MDA-MB-468乳癌的生存［22］。

3.2 靶向STAT3的抑制剂 干扰STAT3的二聚化以及与DNA的结合也是理想的靶点。G-四联体寡核苷酸类(G-quartet oligonucleotides)，通过形成一个复杂的三级结构抑制STAT3的二聚化从而在体外和小鼠模型中抑制了鳞癌的生长［23］，IS3 295作为新型的铂类，能够直接与STAT3结合并干扰其与DNA的结合，抑制 STAT3，下调 cyclin D1、Bcl-XL、VEGF 等的表达。

3.3 其他靶向抑制STAT3的植物类药物 许多天然的植物提取物也有抑制STAT3活化发挥抗肿瘤的特性。例如，姜黄素通过抑制包括STAT3在内的众多靶点，抑制肿瘤的生长［24］，尽管它对人体是安全的，但由于生物利用度低，选择性差限制了它在临床中的应用，而FLLL32，一种姜黄素的结构类似物，能够不依赖于JAK1、JAK2的减少特异性的下调pSTAT3的表达，导致人类黑色素细胞瘤细胞系出现了Caspase依赖性的凋亡以及线粒体膜电位的下降。令人可喜的是，FLLL32并没有降低人外周单核细胞对INF-γ、IL-2等免疫因子的反应［25］，这或许也提示人们，在未来的分子靶向治疗中，人们需要更精细更特异的分子在不影响有益免疫刺激反应的情况下杀伤肿瘤细胞。

4 展望

以STAT3信号通路为靶点的肿瘤分子靶向治疗研究已经取得了初步的成果，但是，由于STAT3同样也参与调节正常细胞的功能，例如，介导G-CSF刺激中性粒细胞的增殖，介导线粒体呼吸链的电子传递，促进心肌细胞生存和血管发生等。因此，进一步明确STAT3信号通路与肿瘤细胞中其他信号通路的关系，进一步明确STAT3信号通路在某些特定肿瘤形成中的作用程度，筛选出特异性更强、效果更加显著的单独或联合作用靶点，更加精确的阻断STAT3信号通路，进而深入探讨与STAT3信号通路相关肿瘤发病机制及其分子靶向治疗效果将成为今后研究的方向。

［1］Darnell JE Jr.Transcription factors as targets for cancer therapy［J］.Nat Rev Cancer，2002，2(10):740 －749.

［2］Lin Q，Lai R，Chirieac LR.Inhibition of JAK3/STAT3 Signaling Induces Apoptosis and Cell Cycle Arrest of Colon Carcinoma Cells［J］.Am J Pathol，2005，167(4):969 －980.

［3］Haura EB.SRC and STAT pathways［J］.J Thorac Oncol，2006，1(5):403－405.

［4］Sen B，Saigal B，Parikh N，et al.Sustained Src inhibitionResultsin signal transducer and activator of transcription 3(STAT3)activation and cancer cell survival via altered Janus-activated kinase-STAT3 binding［J］.Cancer Res，2009，69(5):1958 － 1965.

［5］Yu H，Pardoll D，Jove R.STATs in cancer inflammation and immunity:a leading role for STAT3［J］.Nature Reviews Cancer，2009，9(11):798－809.

［6］Atkinson GP，Nozell SE，Benveniste ET.NF-kappaB and STAT3 signaling in glioma:targets for future therapies［J］.Expert Rev Neurother，2010，10(4):575 －586.

［7］Lee H，Herrmann A，Deng JH，et al.Persistently activated STAT3 maintains constitutive NF-kB activity in tumors［J］.Cancer Cell，2009，15(4):283 －293.

［8］Volinia S，Calin GA，Liu CG，et al.A microRNA expression signature of human solid tumors defines cancer gene targets［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2006，103(7):2257－2261

［9］Thales P，Alice Sh，Kenneth SK.MicroRNA-21 Targets a Network of Key Tumor-Suppressive Pathways in Glioblastoma Cells［J］.Cancer Research，2008，68(19):8164－8172.

［10］Iliopoulos D，Jaeger SA，Hirsch HA，et al.STAT3 activation of miR－21 and miR－181b-1 via PTEN and CYLD are part of the epigenetic switch linking inflammation to cancer［J］.Mol Cell，2010，39(4):493－506.

［11］Pickert G，Neufert C，Leppkes M，et al.STAT3 links IL-22 signaling in intestinal epithelial cells to mucosal wound healing［J］.J Exp Med，2009，206(7):1465－1472.

［12］Niu G，Wright KL，Ma Y，et al.Role of Stat3 in regulating p53 expression and function［J］.Mol Cell Biol，2005，25(17):7432－7440.

［13］Ishii Y，Pirkmaier A，Alvarez JV，et al.Cyclin D1 overexpression and response to bortezomib treatment in a breast cancer model［J］.Natl Cancer Inst，2006，98(17):1238 – 1247.

［14］Kim HL，Cassone M，Otvos L Jr，et al.HIF-1alpha and STAT3 client proteins interacting with the cancer chaperone Hsp90:therapeutic considerations［J］.Cancer Biol Ther，2008，7(1):10 －14.

［15］Loeffler S，Fayard B，Weis J，et al.Interleukin-6 induces transcriptional activation of vascular endothelial growth factor(VEGF)in astrocytes in vivo and regulates VEGF promoter activity in glioblastoma cells via direct interaction between STAT3 and Sp1［J］.Int J Cancer，2005，115(2):202－213.

［16］宋云朋，刘哲，钟岳，等.PI3K抑制剂联合Ad-PTEN对裸鼠移植胶质瘤的治疗作用［J］.中国神经精神疾病杂志，2010，36(2):104－107.

［17］宋剑，焦保华，王惊涛，等.应用siRNA敲低MMP-9基因表达后对人U251胶质瘤细胞增殖和侵袭的作用［J］.中国神经精神疾病杂志，2008，34(5):299－302.

［18］Markovic DS，Vinnakota K，Chirasani S，et al.Gliomas induce and exploit microglial MT1-MMP expression for tumor expansion［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2009，106(30):12530－12535.

［19］Luo X，Tarbell KV，Yang H，et al.Dendritic cells with TGF-betal differentiate naive CD4+CD25－T cells into islet-protective Foxp3+regulatory T cells［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2007，104(8):2821－2826.

［20］Wegrzyn J，Potla R，Chwae YJ，et al.Function of mitochondrial Stat3 in cellular respiration ［J］.Science，2009，323(5915):793－797.

［21］Gough DJ，Corlett A，Schlessinger K，et al.Mitochondrial STAT3 supports Ras-dependent oncogenic transformation ［J］.Science，2009，324(5935):1713－1716.

［22］Germain D，Frank DA，Targeting the cytoplasmic and nuclear functions of signal transducers and activators of transcription 3 for cancer therapy［J］.Clin Cancer Res，2007，13(19):5665 －5669.

［23］Iwamaru A，Szymanski S，Iwado E，et al.A novel inhibitor of the STAT3 pathway induces apoptosis in malignant glioma cells both in vitro and in vivo［J］.Oncogene，2007，26(17):2435 －2444.

［24］Goel A，Kunnumakkara AB，Aggarwal BB.Curcumin as“Curecumin”:from kitchen to clinic［J］.Biochem Pharmacol，2008，75(4):787－809.

［25］Lin L，Hutzen B，Zuo M，et al.Novel STAT3 phosphorylation inhibitors exhibit potent growth-suppressive activity in pancreatic and breast cancer cells［J］.Cancer Res.，2010，70(6):2445 －2454.