Mutationen im JAK-STAT-Signalweg und ihre klinischen Konsequenzen

DOI: https://doi.org/10.47184/ti.2021.01.02

Der JAK-STAT-Signalweg spielt eine entscheidende Rolle bei der Zytokin-Signalübertragung in den Bereichen Entwicklung, Immunkompetenz und Tumorgenese für fast jeden Zelltyp. Aufgrund der übersichtlichen Mechanismen der Signaltransduktion erscheint dieser Signalweg auf den ersten Blick wenig komplex. Bei genauerer Betrachtung finden sich jedoch viele verschiedene Faktoren, die die JAK- und STAT-Proteine beeinflussen, aber dennoch die Vielfalt der Zellantworten auf die große Anzahl von Zytokinen nicht ausreichend erklären können. Alle beteiligten Moleküle, angefangen vom Zytokin und seinem Rezeptor über die Tyrosinkinasen und die STAT-Moleküle bis hin zu molekularen Feedbackmechanismen (z. B. SOCS- und PIAS-Proteine) und dazugehörigen epigenetischen Veränderungen, können in ihrer Funktion ausfallen und damit die Ursache für die Entstehung vieler verschiedener Krankheiten darstellen. Der JAK-STAT-Signalweg war und ist Gegenstand der Grundlagenforschung und bietet über den Einsatz von JAK-Inhibitoren hinaus ein enormes Potential für die Entwicklung neuer Methoden der personalisierten Medizin und damit der Translation von molekularer Grundlagenforschung in die klinische Praxis.

Schlüsselwörter: JAK-STAT-Signalweg, LOF-Mutationen, GOF-Mutationen, Immundefizienz, Autoimmunität, Hyper-IgE-Syndrom, Tumorgenese, Personalisierte Medizin

Mechanismen des JAK-STAT-Signalwegs

Der JAK-STAT-Signalweg ist ein Paradebeispiel für die Übertragung von Signalen extrazellulärer Liganden zum Zellkern. Mit ihm lässt sich erklären, wie Botenstoffe wie Zytokine und Wachstumsfaktoren ihre Funktionen auf vielfältige, aber spezifische Weise in die Zelle vermitteln können. STAT-Signalübertragung ist bei allen Säugetierarten und in abgewandelter, aber hochgradig vergleichbarer Form auch bei wirbellosen Tieren wie dem Modellorganismus Drosophila zu finden [1]. Sowohl der hohe Grad an Konservierung im Laufe der Evolution als auch die Vielfalt der Signalmoleküle, die vom JAK-STAT-Signalweg genutzt werden, unterstreichen die Bedeutung und Effizienz dieses Signalweges in vielen Organismen. Bis heute sind mehr als 50 Zytokine, Wachstumsfaktoren und Hormone bekannt, die nach dem gleichen Grundprinzip Zellantworten auslösen [2]. In der Regel führt die Bindung eines extrazellulären Liganden an einen Zytokinrezeptor zur Aktivierung von rezeptorassoziierten JAKs. Diese Tyrosinkinasen phosphorylieren dann sich selbst (Autophosphorylierung) und ihre assoziierten Rezeptoren (Transphosphorylierung), um die Rekrutierung von inaktiven STAT-Monomeren mittels der SH2-Domänen der STATs zu ermöglichen. STATs liegen normalerweise als inaktive Monomere im Zytoplasma vor, bevor sie an den JAK/Rezeptor-Komplex rekrutiert werden. Unmittelbar nachdem die STAT-Moleküle an den JAK/Rezeptor-Komplex gebunden haben, werden diese selbst phosphoryliert und dimerisieren aufgrund ihrer räumlichen Nähe. STAT-Dimere können dann in den Zellkern translozieren, wo sie an spezifische DNA-Sequenzen der Promotoren von Zielgenen des Signalwegs binden und dort Transkription aktivieren (Abb. 1) [3].

Struktur und Funktion der Janus-Kinasen (JAKs)

Vier verschiedene Varianten der Janus-Tyrosinkinasen (JAK1, JAK2, JAK3, TYK2) sind an der Phosphorylierung und damit initialen Aktivierung von STAT-Molekülen in Säugetieren beteiligt. Dabei sind sie an die zytoplasmatische Seite transmembranärer Typ I- und Typ II-Zytokinrezeptoren assoziiert [4]. Klassischerweise haben Janus-Kinasen einen ähnlichen Aufbau (Abb. 2).

Eine oder mehrere JAK-Homologie(JH)-Domänen können die vier unterschiedlichen funktionellen Hauptdomänen des Proteins bilden. Die JH-Domänen werden vom C-Terminus zum N-Terminus durchnummeriert [5].

  • Kinase-Domäne (JH1): die katalytisch aktive Domäne des JAK-Moleküls, die für die Auto- und Transphosphorylierung und Phosphorylierung von STATs verantwortlich ist [6]
  • Pseudokinase-Domäne (JH2): eine katalytisch inaktive Domäne; trotzdem wirkt die Domäne als wichtige Regulationseinheit auf die Kinase-Domäne und verhindert so überschießende Phosphorylierungen; historisch hat die Kombination der zwei c-terminalen (Pseudo-)Kinase-Domänen zur Benennung nach dem römischen doppelgesichtigen Gott Janus geführt [6]
  • SH2-Domäne (JH3, JH4): Eine enge räumliche Beziehung zur FERM-Domäne unterstützt die Rezeptorbindung [5, 6]
  • FERM-Domäne (JH5, JH6, JH7): Vermittelt die Interaktion zu den Zytokin-Rezeptor-Untereinheiten und so die Bindung an sogenannte intrazelluläre Box1- und Box2-Peptid-Motife des Rezeptors [7]; kann die Kinase-Domäne positiv regulieren; das Akronym FERM steht für die vier Proteine, in denen diese Domäne ursprünglich beschrieben wurde (Band 4.1 (F), Ezrin (E), Radixin (R), und Moesin (M)) [5, 6].

Durch Mutations- und Knockout-Analysen lassen sich verschiedene Funktionen für die JAKs feststellen. Während JAK2 insbesondere für die Hämatopoese wichtig ist, sind JAK1, JAK3 und TYK2 an der Ausbildung des Immunsystems beteiligt. Dabei haben letztere zumindest teilweise redundante Funktionen [8].

Struktur und Funktion der Signal Transducers and Activators of Transcription (STATs)

STAT-Moleküle nehmen eine entscheidende Rolle im Signaltransduktionsprozess ein. In negativen Feedbackschleifen ermöglichen negative Regulatoren wie SOCS und PIAS eine Feinjustierung der Signalstärke, indem sie den Grad der STAT-Aktivierung regulieren. Das STAT-Molekül setzt sich aus verschiedenen Proteindomänen zusammen [9] (Abb. 3):

  • N-terminale Domäne: wichtige Rolle bei der Interaktion zweier phosphorylierter STAT-Homodimere; essentiell für die kooperative DNA-Bindung; nicht primär für die STAT-Dimerisierung verantwortlich; Ort möglicher Proteininteraktionen wie der Regulation des Kernimports [10]
  • Coiled-coil-Domäne: Interaktion mit anderen Proteinen wie DNA-bindenden Proteinen und Transkriptions-Coaktivatoren; enthält nukleare Exportsequenz (NES); Funktionen bei der Rezeptorbindung und Tyrosinphosphorylierung von STAT [11]
  • DNA-Bindedomäne: spezifische Erkennung von DNA-Zielsequenzen und daraus resultierende DNA-Bindung von STAT-Proteinen; enthält nukleare Exportsequenz (NES) und Kern-Lokalisierungssignal (NLS) [12, 13]
  • Linkerdomäne: Verbindung zur SH2-Domäne
  • SH2-Domäne: die am stärksten konservierte Domäne der STAT-Familie; ist in der Lage, phosphorylierte Tyrosine zu erkennen; dadurch ist die Rekrutierung an phosphorylierte membrangebundene Tyrosinkinase-Rezeptoren, die Erkennung von Janus-Kinasen und die Dimerisierung von phosphorylierten STAT-Monomeren zu Homo- oder Heterodimeren möglich [14]
  • Transaktivierungsdomäne: die am geringsten konservierte Domäne der STAT-Proteine, assoziiert mit unterschiedlichen Intensitäten der transkriptionellen Aktivität der einzelnen Mitglieder der STAT-Familie, Modulation der transkriptionellen Aktivität durch Phosphorylierung an Serin727 [15].

Die Immunhomöostase beim Menschen ist wichtig, um die beiden Extreme Immundefizienz und Autoimmunität/Autoinflammation zu vermeiden. Signaltransducers and Activators of Transcription-Moleküle (STATs) fungieren als Rheostaten des Immunsystems, die solche Krankheiten verhindern, indem sie das angeborene und adaptive Immunsystem regulieren [16]. Die Regulationsmechanismen des STAT-Gleichgewichts sind komplex. Man kann jedoch die möglichen pathologischen Veränderungen in ein Spektrum von unzureichenden bis überschießenden Immunreaktionen einordnen (Abb. 4).

Beispielhaft sollen im Folgenden sechs dieser krankheitsverursachenden Mutationen einschließlich ihrer klinischen Manifestationen beschrieben werden (Tab. 1).

Tab. 1: Übersicht der mit JAK/STAT-Mutationen assoziierten Phänotypen. Bestimmte Loss-of-Function- und Gain-of-Function-Mutationen führen zu typischen Phänotypen. Die resultierenden Störungen sind aufgelistet. Einige Mutationen sind beim Menschen noch nicht beschrieben worden.
LOF: Loss-of-Function, GOF: Gain-of-Function, AR: autosomal-rezessiv, AD: autosomal-dominant, CMC: Chronische mukokutane Candidiasis, IPEX: Immundysregulation-Polyendokrinopathie-Enteropathie-X-chromosomal, LGL: Large granular lymphocyte, AML: Akute myeloische Leukämie, ALL: Akute lymphoblastische Leukämie, PCV: Polycythaemia vera, PMF: Primäre Myelofibrose, ET: Essentielle Thrombozythämie, CML: Chronische myeloische Leukämie, SCID: Schwerer kombinierter Immundefekt

MolekülMutationPhänotyp
STAT1LOFUnvollständig AR: leichte mykobakterielle und virale Infektionen
Vollständig AR: tödlich verlaufende mykobakterielle und virale Infektionen
AD: mykobakterielle Infektionen
GOFChronische mukokutane Candidiasis (CMC)
Erhöhte Anfälligkeit für bakterielle oder virale Infektionen
Autoimmunität
IPEX-ähnlicher Phänotyp
STAT2LOFVirale Infektionen
GOFAutoinflammation (letal)
STAT3LOFAD-Hyper-IgE-Syndrom
GOFMultisystem-Autoimmunität
LGL-Leukämie
STAT4PolymorphismenRheumatoid Arthritis
Systemischer Lupus erythematosus
STAT5a/5bLOFAR: Wachstumsstörungen, Immundefizienzen (z. B. generalisierte Ekzeme, Thrombozytopenische Purpura, respiratorische Infektionen)
Autoimmunität
GOF

LGL-Leukämie

STAT6

Polymorphismen

Asthma, Atopie, erhöhte IgE-Level

JAK1LOFBei Mäusen nicht mit dem Leben vereinbar
GOF

AML, ALL, andere Malignitäten

JAK2LOFNicht mit dem Leben vereinbar
GOF

PCV, PMF, ET, CML

JAK3LOFSCID
GOFMalignitäten

TYK2

LOF

AR-Hyper-IgE-Syndrom

GOF

Malignitäten

 

Heterozygote STAT3-loss-of-function-Mutationen

Von den sieben STAT-Molekülen ist STAT3 ein bedeutender Transkriptionsfaktor für das Immunsystem. So ist STAT3 für die Differenzierung von naiven CD4+-T-Zellen zu TH17-Helferzellen von entscheidender Bedeutung [17]. TH17-Zellen tragen wesentlich zur Rekrutierung von Effektorzellen an Entzündungsherden bei, die durch bakterielle und fungale Krankheitserreger verursacht werden. Durch die Aktivierung von neutrophilen Granulozyten ermöglicht diese Zellgruppe beispielsweise eine effektive Bekämpfung von Bakterien und Pilzen bei gesunden Individuen [18]. Es können jedoch Mutationen in STAT3 auftreten, welche die Funktion des Genprodukts auf unterschiedliche Weise beeinträchtigen: STAT3-gain-of-function-Mutationen haben offenkundig einen grundlegend anderen Einfluss auf das Immunsystem des Patienten als STAT3-loss-of-function-Mutationen. Die meisten STAT3-loss-of-function-Mutationen sind Missense-Mutationen, aber auch In-Frame-Deletionen, In-Frame-Insertionen, essentielle Spleißstellen-Mutationen oder sogar Frameshift-Mutationen wurden bereits beschrieben [19]. Die meisten der autosomal-dominanten Loss-of-function-Mutationen befinden sich in der DNA-Bindungsdomäne oder SH2-Domäne und beeinträchtigen die Fähigkeit von STAT3-Homodimeren, an DNA zu binden, um die Transkription zu aktivieren [20]. Da STAT3 Homodimere bildet, können mutierte STAT3-Moleküle durch Bindung an funktionsfähige Wildtyp-STAT3-Moleküle einen dominant-negativen Effekt auf diese ausüben und so die Signalgebung von Zytokinen über STAT3 schwächen [21]. Die gestörte Transduktion von extrazellulären Zytokinen führt zu einem typischen Phänotyp, der als Job-Syndrom oder Hyper-IgE-Syndrom (HIES) bezeichnet wird. Die klinischen Manifestationen des Syndroms wurden 1966 erstmalig beschrieben [22]. Seitdem konnten weitere charakteristische Symptome identifiziert werden [23]. Der primäre Immundefekt HIES umfasst verschiedene Merkmale: extrem erhöhte IgE-Werte, zystenbildende Pneumonien, Eosinophilie, Ekzeme und typischerweise rezidivierende Staphylokokken-Hautabszesse mit fehlender Entzündungsreaktion, die daher als kalte Abszesse bezeichnet werden [22]. Nicht alle Fälle von HIES werden durch Loss-of-function-Mutationen in STAT3 verursacht. Vielmehr können auch Defekte in anderen Molekülen, welche die STAT3-Signalübertragung transduzieren oder modulieren, einen Phänotyp verursachen, der an das Erscheinungsbild von HIES erinnert. In den letzten Jahren wurden weitere monogenetische Defekte wie eine autosomal-rezessive Loss-of-function-Mutation im ZNF341-Protein oder verschiedenen Untereinheiten des IL-6-Rezeptors (IL6ST, IL6R) beschrieben, welche die STAT3-Funktion beeinträchtigen [24–28]. Da STAT3 nicht nur Schlüsselfunktionen im Immunsystem einnimmt, sondern auch für die Entwicklung und das Zellüberleben essentiell ist, sind biallelische homozygote Loss-of-function-Mutationen nicht mit dem Leben vereinbar [29].

Heterozygote STAT3-gain-of-function-Mutationen

Aktivierende STAT3-Mutationen in der Keimbahn von Patienten wurden in der DNA-Bindedomäne, der SH2-Domäne, der Transaktivierungsdomäne und der Coiled-coil-Domäne dokumentiert [30]. GOF-Mutationen können schon in frühster Kindheit zu einem breiten Spektrum von Autoimmunerkrankungen (z. B. Diabetes Typ I, Arthritis, Enteropathien, Autoimmun-Zytopenie, Interstitielle Lungenerkrankung) und Entwicklungsstörungen führen [31, 32]. Dabei kann die Überaktivität von STAT3 eher durch eine verstärkte intrinsische transkriptionelle Aktivität des STAT3-Dimers als durch eine verstärkte Phosphorylierung erklärt werden [30]. Wegen der erhöhten Expression der Zielgene von STAT3 wird auch vermehrt der negative Regulator SOCS3 produziert, der nicht nur STAT3, sondern auch STAT5b in seiner Funktion inhibiert. Man nimmt deshalb an, dass manche Symptome durch eine verminderte Funktion von STAT5b zu erklären sind. So führt die Abschwächung von STAT5b zu einer eingeschränkten Entwicklung von Treg-Zellen, was möglicherweise Autoimmunitätsprozesse über die mangelnde Negativregulation von TH17-Zellen erklären könnte [33]. Somatische STAT3-GOF-Mutationen können für Tumorentstehung prädisponieren, indem prokanzerogene Proteine übermäßig exprimiert werden (siehe unten T-LGL).

Heterozygote STAT1-gain-of-function-Mutationen

Mutationen in anderen STAT-Molekülen können ebenfalls autosomal-dominante oder autosomal-rezessive Erkrankungen verursachen. STAT1 ist maßgeblich an der IFN-α/β-, IFN-γ-, IFN-λ-, IL-6-, IL-21- und IL-27-Signaltransduktion beteiligt [34]. IFN-α/β, IFN-γ und IL-27 gelten als typische Zytokine, welche die Entwicklung von sogenannten TH17-Zellen, die IL-17A, IL-17F und IL-22 produzieren, verhindern. Für STAT1 wurden aktivierende Gain-of-function- aber auch Loss-of-function-Mutationen beschrieben. GOF-Mutationen entfalten ihre Wirkung hauptsächlich durch die Modulation der Coiled-coil-Domäne, was wiederum zu einer Verminderung der nukleären Dephosphorylierung von STAT1 führt [34, 35]. STAT1 verbleibt daher länger aktiviert an seiner DNA-Bindungsstelle und hemmt Gene, die für die TH17-Entwicklung notwendig sind. TH17-Zellen sind essentiell für die Produktion einer adäquaten Immunantwort insbesondere gegen extrazelluläre Bakterien und Hefen wie Candida albicans, indem sie neutrophile Granulozyten aktivieren [18]. Die klinischen Befunde bei Patienten mit chronischer mukokutaner Candidiasis (CMC) einschließlich der ösophagealen Candidiasis stimmen mit diesem Pathomechanismus überein: Unabhängig von der genetischen Ursache zeigen Patienten mit CMC im Allgemeinen niedrigere IL-17- und IL-22-Antworten als gesunde Probanden. Aus klinisch-wissenschaftlicher Sicht sind autosomal-dominante STAT1-gain-of-function-Mutationen die häufigste genetische Ursache für CMC [34–36].
Trotz aller diagnostischen und therapeutischen Möglichkeiten zeigen Patienten mit autosomal-dominantem STAT1-GOF insgesamt ein schlechtes klinisches Outcome [36]. Die Patienten leiden nicht nur an einer Vielzahl von Infektionen (meist bakteriell und mykotisch), sondern auch an Autoimmunerkrankungen. CMC manifestiert sich meist in der frühen Kindheit und hat eine 98-prozentige Lebenszeitpenetranz [36]. Chronische Haut- und Atemwegsinfektionen mit Staphylococcus aureus können die Entwicklung des Kindes beeinträchtigen. Daher ist eine interdisziplinäre Betreuung durch medizinisches Fachpersonal erforderlich, vorzugsweise in einem Klinikzentrum mit Erfahrung auf dem Gebiet der chronischen Immundefekte. Patienten mit autosomal-dominantem STAT1-GOF können auch an Malignomen und Aneurysmen erkranken, die zu einem vorzeitigen Tod beisteuern [36]. Die Behandlung von Patienten mit STAT1-GOF-Mutationen reicht von antimykotischen Medikamenten und Zytokintherapie (GM-CSF, G-CSF zur Steigerung der IL-17-T-Zelldifferenzierung) bis hin zu JAK1/2-Inhibitoren. Weitere mögliche Alternativen der Immuntherapie mit rekombinantem IL-17A/IL-17F oder STAT1-Inhibitoren befinden sich zurzeit in Entwicklung. Während die letztere Methode bisher noch nicht effektiv in der Klinik eingesetzt wurde, stellen spezifische STAT1-Inhibitoren aber offensichtlich ein optimales pharmakologisches Ziel dar, um die Überaktivierung der STAT1-vermittelten Signalübertragung zu verringern.

Homozygote und heterozygote STAT1-loss-of-function-Mutationen

Weil STAT1 an der Integrität des Immunsystems beteiligt ist, können sich STAT1-loss-of-function-Mutationen auch auf charakteristische Weise auf die Immun­antworten des Patienten auswirken. Die auftretenden Defekte können in drei Gruppen eingeteilt werden: die autosomal-rezessive vollständige STAT1-Defizienz, die autosomal-rezessive unvollständige STAT1-Defizienz und die autosomal-dominante STAT1-Defizienz [37]. Die Ausgeprägtheit des klinischen Bildes ist hierbei von der Stärke des Defekts und der Fähigkeit der Zelle abhängig, extrazelluläre Signale über STAT1 zu mediieren.
Nur wenige Patienten mit einer autosomal-rezessiven vollständigen STAT1-Defizienz sind bekannt, vermutlich auch wegen der schwerwiegenden Folgen für das Immunsystem. Von sechs Patienten erreichte nur ein Patient das erste Lebensjahr und profitierte von einer Stammzelltransplantation, die auch die zurzeit einzige Therapiemöglichkeit der Erkrankung darstellt [37]. Patienten mit solchen Mutationen leiden an massiven Infektionen intrazellulärer Bakterien (vor allem Mykobakterien) und Viren (typischerweise Herpesviren), die größtenteils tödlich enden. Pathomolekular ist die fehlende STAT1-Antwort auf IFN-γ, IFN-α/β, IFN-λ und IL-27 ursächlich für eine inadäquate Aktivierung von Effektorzellen, die die eigentlich schwach virulenten Erreger bekämpfen sollten (i.e. Mycobacterium kansasii, HSV-1, CMV) [38].
Darüber hinaus wurden Patienten mit einer milderen Form von STAT1-LOF beschrieben [39]. Zwar liegen bei der milderen, unvollständigen Variante wie auch bei der vollständigen STAT1-LOF biallelische Mutationen vor. Allerdings führen diese nicht zu einem totalen Loss-of-expression oder Loss-of-function, sondern vielmehr zu einer reduzierten Produktion und abgeschwächten Funktion des STAT1-Proteins [37]. Wie vermutet ist die Fähigkeit der Patientenzellen, virale Erreger (vor allem Herpesviren) und in­tra­zelluläre Bakterien (vor allem Mykobakterien) abzuwehren, abgeschwächt, aber nicht verloren. Dabei ist die Ausprägung der Immunantwort und damit auch die Klinik des Patienten abhängig von der Mutation und dem Grad an verbleibender STAT1-Aktivität. Offensichtlich ist die Erkrankung aber bei Patienten mit partiellem STAT1-LOF weniger schwerwiegend als bei vollständigem STAT1-LOF, sodass die Symptomatik der Betroffenen durch gute Therapiemöglichkeiten verbessert werden kann.
Seit 2001 werden Patienten mit einer autosomal-dominanten STAT1-Defizienz beschrieben [40]. Die Patienten weisen heterozygote Mutationen in der DNA-Bindedomäne, der SH2-Domäne oder dem Tyrosin-Rest Y701 auf, der hauptverantwortlich für die Aktivierung des Proteins durch Phosphorylierung ist. Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Gruppen leiden diese Patienten ausschließlich an mykobakteriellen Infektionen, die zumeist wenig schwer verlaufen. Die dominant-negativen STAT1-Allele zeigen keine Prädisposition für virale Infektionen, was mit einer durch die Mutation nicht betroffenen Antwort auf IFN-α/β in heterozygoten Zellen erklärbar ist. Die IFN-γ-Antwort hingegen scheint durch eine heterozygote Mutation eingeschränkt zu sein. Jene ist physiologischerweise hauptverantwortlich für die Abwehr intrazellulärer Bakterien und damit pathomolekulare Ursache für die Infektionen der Patienten [37].
Wie man sieht, ist zu wenig STAT1-Immunität (durch biallelische oder dominant-negative Mutationen) mit einem Phänotyp mykobakterieller und viraler Infektionen verbunden, während umgekehrt STAT1-GOF typischerweise zu Autoimmunität und CMC führt. Auch bei STAT1 ist ein balanciertes Gleichgewicht notwendig, um erhebliche und mitunter lebensbedrohliche Infektionen zu vermeiden.

Wie ist die STAT-Gentranskription reguliert?

Obwohl der Hyper-IgE-Phänotyp hauptsächlich durch sporadische LOF-Mutationen im STAT3-Gen verursacht wird, welche die Struktur und Funktion des Transkriptionsfaktors beeinträchtigen, können nicht alle Fälle durch diese Mutationen erklärt werden. Stattdessen können autosomal-rezessive Mutationen in verschiedenen Genen wie TYK2, DOCK8 und ZNF341 zu einem ähnlichen Krankheitsbild führen. DOCK8 und ZNF341 wirken als Regulatoren der STAT3-Aktivität und können daher in die STAT-Signalübertragung eingreifen.
ZNF341 ist ein Zinkfinger-Transkriptionsfaktor mit zwölf Zinkfinger-Domänen, der an mehr als 1600 Regionen im menschlichen Genom binden kann [27, 28]. Dieser Transkriptionsfaktor ist in der Lage, eine hochspezifische Genomsequenz zu erkennen und reguliert daher eine bestimmte Anzahl von Genen, da­runter STAT3 mit der stärksten DNA-Bindungsaffinität. Patienten mit homozygoten Nonsense-Mutationen in ZNF341 zeigen signifikant reduzierte STAT3-mRNA-Spiegel aufgrund einer beeinträchtigten Bindefähigkeit des ZNF341-Proteins an den STAT3-Promotor. Die dadurch beeinträchtigte positive Regulation der Transkription von STAT3 imitiert einen Mangel an STAT3. Klinisch zeigen die Patienten ähnliche Symptome, wie sie bei Patienten mit STAT3-LOF-Mutationen beschrieben sind. Daher werden biallelische ZNF341-loss-of-function-Mutationen als autosomal-rezessive Ursache des Hyper-IgE-Syndroms angesehen. Wie oben beschrieben, leiden diese Patienten häufig an CMC, sekundären bakteriellen Infektionen, rezidivierenden kalten Hautabszessen und Infektionen der unteren Atemwege. Ebenso typisch sind erhöhte IgE-Spiegel, niedrige B-Gedächtnis-Zellzahlen, Eosinophilie und niedrige TH17-Zellzahlen, wobei letztere sich durch eine gestörte TH17-Zelldifferenzierung erklären lassen, wie sie bei Patienten mit STAT3-LOF-Mutationen zu beobachten ist [27, 28].
Zusammengefasst ist ZNF341 ein Transkriptionsfaktor mit regulatorischer Wirkung auf die STAT3-Expression und -funktion. Die Mutationen im ZNF341-Protein stehen exemplarisch dafür, dass die Regulation von STAT3 für die Integrität des Immunsystems ebenso entscheidend ist wie die JAK- und STAT-Moleküle selbst. Der bekannte HIES-Phänotyp ist nicht nur mit dominant-negativen STAT3-Mutationen assoziiert, sondern kann auch aus unzureichenden Spiegeln von ansonsten unbeeinträchtigten STAT3-Molekülen resultieren.

JAK/STAT-Signalübertragung und Krebs

Diverse Studien aus den letzten Jahren und Jahrzehnten weisen mit zunehmender Evidenz auf den Zusammenhang zwischen Entzündung und Tumorentstehung hin. Chronische Entzündungsreaktionen können durch die Rekrutierung von Immunzellen für onkogene Transformationen prädisponieren [41]. Einerseits produzieren Makrophagen, T-Zellen und andere Immuneffektorzellen reaktive Sauerstoff- und Stickstoffintermediate (ROS, RNI), die tumorauslösende DNA-Schäden und epigenetische Veränderungen verursachen können [42]. Andererseits können sie Zytokine wie TNF, IL-1 und IL-6 sezernieren, die wiederum eine Mikroumgebung schaffen, welche die Tumorpromotion und -progression begünstigt [43].
Der JAK-STAT-Signalweg und insbesondere STAT3 als Signaltransduktor spielt eine wichtige Rolle bei biologischen Prozessen wie Zellproliferation, Überleben, Differenzierung und Angiogenese. Alle diese Prozesse sind an der Tumorentstehung beteiligt, sodass eine Dysregulation der im Gleichgewicht befindlichen Signalwege erheblich zur Tumorentstehung beitragen kann. Eine Überaktivierung einzelner Effektoren im Signalweg führt zu einer überschießenden Signalantwort und einer erhöhten Prädisposition für die Entwicklung bestimmter Malignome. Insbesondere für gastrointestinale Tumoren, aber auch für Brustkrebs ist der Zusammenhang zwischen Entzündung und Tumorgenese vielfach dokumentiert [44, 45]. Es konnte gezeigt werden, dass eine Überaktivierung von STAT3 in Tumoren (z. B. durch Verlust negativer Regulationsmechanismen, übermäßige Zytokinstimulation oder Aktivierung positiver Feedbackschleifen, seltener STAT3-gain-of-function-Mutationen) häufig mit einer schlechteren Prognose und einer beschleunigten Krankheitsprogression assoziiert ist [46]. Hier soll kurz die LGL-Leukämie (Large Granuloma Lymphocytic) erwähnt werden. Diese seltene lymphoproliferative Erkrankung lässt sich nach der WHO morphologisch in zwei Subtypen einteilen: die T-Zell-LGL-Leukämie (T-LGL) und die Chronische Lymphoproliferative NK-Zell-Erkrankung (NK-LGL) [47]. Beides sind phänotypisch ähnliche Subtypen, die eine klonale Expansion des jeweiligen Zelltyps (z. B. CD3+ großgranuläre Lymphozyten bei T-LGL) verursachen können [48, 49]. Die Anhäufung von großgranulären Lymphozyten hat eine große zytotoxische Wirkung auf Zellen [50]. Der klinische Phänotyp der Patienten ist gekennzeichnet durch rezidivierende Infektionen, Anämie, Neutropenie, Splenomegalie und Autoimmunerkrankungen, insbesondere rheumatoide Arthritis [51]. In 30 bis 40 Prozent der untersuchten Fälle wurde eine STAT3-Mutation nachgewiesen, wobei die Mutation einheitlich in der SH2-Domäne zu finden war. Dies führt zu einer verstärkten Dimerisierung und Aktivierung des STAT3-Proteins [50, 52].  
Diese Beobachtung steht im Einklang mit den Faktoren, die mit STAT3 interagieren, z. B. Rezeptoren für proonkogene Zytokine wie IL-6, EGF, HGF und VEGF, sowie Onkoproteine, die dem Signalweg nachgeschaltet sind, wie Src-Kinasen [53]. Darüber hinaus ist STAT3 ein potentieller Aktivator von Genen, die Proliferation, Überleben, Angiogenese, Apoptose und Metastasierung onkogen beeinflussen.
Im Gegensatz dazu werden STAT3 neben seinen krebsfördernden Effekten auch tumorsuppressive Eigenschaften zugeschrieben. Studien mit STAT3-defizienten Mausmodellen deuten darauf hin, dass der Transkriptionsfaktor bei bestimmten Tumorentitäten (z. B. Prostatakrebs [54], Glioblastom [55], Darmkrebs [56], Lungenkrebs [57] und Schilddrüsenkrebs [58]) als negativer Regulator wirken kann. Aus dieser Perspektive scheint es, als sei STAT3 bei bestimmten Krebsarten als Tumorsuppressor aktiv und mit einer reduzierten Krebsprogression und einem verlängerten Überleben assoziiert.
Die Tatsache, dass insbesondere STAT3 aus der STAT-Familie gegensätzliche Funktionen als Tumorpromotor und -suppressor haben kann, hat die Forschung auf diesem Gebiet in den letzten Jahren stark intensiviert. Da STAT3 Teil eines komplexen Netzwerks aus verschiedenen Akteuren ist, gibt es keine einfache Antwort auf die Frage, wie STAT3 zur Krebsentstehung beiträgt [53]. Vielmehr bedarf es eines wachsenden Verständnisses der Vielfalt der Faktoren, die STAT3 beeinflussen können (z. B. Zytokine und Wachstumsfaktoren, posttranslationale Modifikationen), um die Beziehung zwischen STAT3 und der Krebserkrankung im konkreten Fall zu verstehen. Letztendlich könnte sich die Behandlung von Krebspatienten in Richtung personalisierter Medizin weiterentwickeln, indem man nach der Tumorentität und der genauen pathomolekularen Ursache sucht und dabei STAT als Promotor oder Suppressor der Tumorgenese identifiziert. Dies würde die Ausweitung der Krebstherapie auf eine nächste Ebene ermöglichen, z. B. könnten bereits entwickelte STAT3-Inhibitoren (Peptide, Nicht-Peptide, Oligo-Nukleotide) oder in Entwicklung befindliche Inhibitoren in die Krebstherapie integriert werden [46].

Klinische Relevanz und Konsequenzen für therapeutische Ansätze

Die pathomolekularen Ursachen für Erkrankungen, die mit dem JAK/STAT-Signalweg assoziiert sind, sind zum Teil sehr detailliert untersucht und verstanden. In der Grundlagenforschung werden jedoch permanent neue Erkenntnisse gewonnen. Die Integration klinischer Studien und grundlagenwissenschaftlicher Forschung schafft ein Verständnis der pathomolekularen Prozesse und macht so eine patientenzentrierte und -individualisierte Therapie möglich. Weil das Gleichgewicht zwischen den beiden Extremen Immundefizienz und Autoimmunität durch eine überschießende STAT-Antwort außer Kontrolle geraten kann, haben JAK-Inhibitoren bereits erfolgreich Einzug in die Klinik gehalten [59]. Diese Inhibitoren unterdrücken die JAK-STAT-Antwort upstream, um einen Überschuss des aktivierten STAT-Signals weiter downstream im Signalweg zu verhindern. Diese Medikamente werden daher bei einer überhöhten JAK-STAT-Aktivität eingesetzt. Wie bei vielen Medikamenten, die in einen so wesentlichen Steuerungsmechanismus der Zelle eingreifen, ist besonders entscheidend, das Gleichgewicht zwischen Wirksamkeit und Nebenwirkungen zu finden. Neben den kleinen Molekülen, die JAKs direkt hemmen, existieren auch Interleukin-Inhibitoren und Interleukin-Rezeptor-Inhibitoren (meist Antikörper) sowie STAT-Inhibitoren, die sich derzeit in unterschiedlichen Entwicklungsstadien (präklinische und klinische Studien) befinden. Die Einführung von STAT-Inhibitoren ist von besonderer Bedeutung in der Krebsforschung, einem Bereich mit großem Potential für die Entwicklung von Medikamentenanwendungen. Bislang gibt es für ein abgeschwächtes JAK/STAT-Signal (z. B. aufgrund einer STAT3-loss-of-function-Mutation) außer der Stammzelltransplantation (SCT), die mit erheblichen Nebenwirkungen und Risiken verbunden ist, keine Behandlungsmöglichkeiten. Das finale Ziel wird höchstwahrscheinlich der Ersatz der SCT durch gentherapeutische Ansätze sein. Dabei könnten die krankheitsverursachenden Mutationen ausgeschaltet und durch DNA-Sequenzen ersetzt werden, die für die gesunde Sequenz der betroffenen Proteine kodieren. Auf dem Gebiet des JAK/STAT-Signalwegs würde sich dann die personalisierte Medizin etablieren, die vielen Patienten zu einer Verbesserung ihrer Lebensqualität verhelfen würde.
Da der JAK/STAT-Signalweg eine zentrale Rolle in grundlegenden biologischen Prozessen wie Entwicklung und im Immunsystem spielt, können genetische Defekte dieser Akteure zu schwerwiegenden klinischen Konsequenzen führen. Durch ein besseres wissenschaftliches Verständnis der physiologischen Vorgänge in diesem Signalweg können pathomolekulare Ursachen für verschiedene Krankheiten entdeckt und erforscht werden. Ziel dieser Untersuchungen ist es, die Ergebnisse zur Entwicklung von personalisierten Therapieansätzen zu nutzen, wodurch die Medizin in Zukunft noch mehr Fortschritt in Diagnose und Therapie erfahren wird.

Autoren
Nils Ott
Institut für Immundefizienz Centrum für Chronische Immundefizienz
Universitätsklinikum Freiburg
Dr. Virginia Andreani
Institut für Immundefizienz Centrum für Chronische Immundefizienz
Universitätsklinikum Freiburg
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