Da JAK3 in hämatopoetischen und epithelialen Zellen exprimiert wird, geht man davon aus, dass ihre Rolle bei der Zytokin-Signalgebung begrenzter ist als die anderer JAKs. Es wird am häufigsten in T-Zellen und NK-Zellen exprimiert, wurde aber auch in Darmepithelzellen gefunden. JAK3 ist an der Signaltransduktion durch Rezeptoren beteiligt, die die gemeinsame Gamma-Kette (γc) der Typ-I-Zytokinrezeptorfamilie nutzen (z. B. IL-2R, IL-4R, IL-7R, IL-9R, IL-15R und IL-21R). Mutationen, die die Funktion der Janus-Kinase 3 außer Kraft setzen, verursachen eine autosomale SCID (schwere kombinierte Immunschwäche), während aktivierende Janus-Kinase-3-Mutationen zur Entwicklung von Leukämie führen.
Zusätzlich zu seiner bekannten Rolle in T-Zellen und NK-Zellen wurde festgestellt, dass JAK3 die IL-8-Stimulation in menschlichen Neutrophilen vermittelt. IL-8 induziert in erster Linie die Chemotaxis in Neutrophilen und Lymphozyten, und das Silencing von JAK3 hemmt die IL-8-vermittelte Chemotaxis stark.
Intestinale EpithelzellenEdit
Jak3 interagiert mit dem Aktin-bindenden Protein Villin und erleichtert dadurch den Umbau des Zytoskeletts und die Reparatur von Schleimhautwunden. Strukturelle Determinanten, die die Wechselwirkungen zwischen Jak3 und Zytoskelettproteinen der Villin/Gelsolin-Familie regulieren, wurden ebenfalls charakterisiert. Die funktionelle Rekonstitution der Kinaseaktivität durch rekombinantes Jak3 unter Verwendung von Jak3-wt oder Villin/Gelsolin-wt als Substrat zeigte, dass die Autophosphorylierung von Jak3 der ratenlimitierende Schritt während der Interaktionen zwischen Jak3 und Zytoskelettproteinen ist. Kinetische Parameter zeigten, dass phosphoryliertes (P) Jak3 an P-Villin mit einer Dissoziationskonstante (Kd) von 23 nM und einem Hill’s Koeffizienten von 3,7 bindet. Die paarweise Bindung zwischen Jak3-Mutanten und Villin zeigte, dass die FERM-Domäne von Jak3 mit einer Kd von 40,0 nM für die Bindung an P-Villin ausreichend war. Die SH2-Domäne von Jak3 verhinderte jedoch die Bindung von P-Villin an die FERM-Domäne des nicht phosphorylierten Proteins. Die intramolekulare Interaktion zwischen der FERM- und der SH2-Domäne von nicht phosphoryliertem Jak3 verhinderte die Bindung von Jak3 an Villin, und die Tyrosin-Autophosphorylierung von Jak3 an der SH2-Domäne verringerte diese intramolekularen Interaktionen und erleichterte die Bindung der FERM-Domäne an Villin. Dies zeigt den molekularen Mechanismus der Interaktionen zwischen Jak3 und Zytoskelettproteinen, bei dem die Tyrosinphosphorylierung der SH2-Domäne als intramolekularer Schalter für die Interaktionen zwischen Jak3 und Zytoskelettproteinen fungiert.
Die anhaltende Schädigung der Schleimhaut bei Patienten mit entzündlichen Darmerkrankungen (IBD) erleichtert die Verlagerung von Darmmikroben auf submuköse Immunzellen, was zu chronischer Entzündung führt. IL-2 spielt eine Rolle bei der Homöostase von Darmepithelzellen (IEC) durch konzentrationsabhängige Regulierung der IEC-Proliferation und des Zelltods. Die Aktivierung durch IL-2 führte nur bei niedrigen Konzentrationen zu tyrosinphosphorylierungsabhängigen Interaktionen zwischen Jak3 und p52ShcA. Höhere IL-2-Konzentrationen verringerten die Phosphorylierung von Jak3, störten seine Interaktionen mit p52ShcA, verteilten Jak3 in den Zellkern und induzierten Apoptose in IEC. IL-2 führte auch zu einer dosisabhängigen Herunterregulierung der Jak3-mRNA. Konstitutive Überexpression und mir-shRNA-vermittelte Knockdown-Studien zeigten, dass die Expression von Jak3 für die IL-2-induzierte Proliferation von IEC notwendig war. Darüber hinaus war die IL-2-induzierte Herunterregulierung der jak3-mRNA für eine höhere IL-2-induzierte Apoptose in IEC verantwortlich. Somit wird die IL-2-induzierte mukosale Homöostase durch posttranslationale und transkriptionelle Regulierung von Jak3 beeinflusst.
Jak3 ist auch an der mukosalen Differenzierung und der Prädisposition für entzündliche Darmerkrankungen im Mausmodell beteiligt. Diese Studien zeigen, dass Jak3 in der Dickdarmschleimhaut von Mäusen exprimiert wird, und der Verlust der mukosalen Expression von Jak3 führt zu einer verminderten Expression von Differenzierungsmarkern für die Zellen sowohl der enterozytären als auch der sekretorischen Linie. Jak3-KO-Mäuse zeigten eine verringerte Expression von Kolon-Villin, Kohlensäureanhydrase und dem sekretorischen Mucin Muc2 sowie eine erhöhte basale Kolonentzündung, die sich in erhöhten Spiegeln der pro-inflammatorischen Zytokine IL-6 und IL-17A im Kolon zusammen mit einer erhöhten Myeloperoxidase-Aktivität im Kolon widerspiegelte. Die Entzündungen in KO-Mäusen waren mit einer Verkürzung des Dickdarms, einer verringerten Länge des Zökums, einer verringerten Höhe der Krypten und einem erhöhten Schweregrad der Dextransulfat-Natrium-induzierten Kolitis verbunden. In differenzierten menschlichen Kolonepithelzellen verteilte sich Jak3 auf die basolaterale Oberfläche und interagierte mit dem Adherens Junction (AJ) Protein β-Catenin. Die Expression von Jak3 in diesen Zellen war wesentlich für die AJ-Lokalisierung von β-Catenin und die Aufrechterhaltung der epithelialen Barrierefunktionen. Insgesamt zeigen diese Ergebnisse die wesentliche Rolle von Jak3 im Dickdarm, wo es die Schleimhautdifferenzierung durch die Förderung der Expression von Differenzierungsmarkern erleichtert und die Barrierefunktionen des Dickdarms durch die AJ-Lokalisierung von β-Catenin verbessert.
Obwohl die konstitutive Aktivierung der Janus-Kinase 3 (Jak3) zu verschiedenen Krebsarten führt, wurde der Mechanismus der transmolekularen Regulierung der Jak3-Aktivierung erst kürzlich berichtet. Diese Studie zeigte, dass die Jak3-Autophosphorylierung der geschwindigkeitsbeschränkende Schritt während der Jak3-Transphosphorylierung von Shc war, wobei Jak3 zwei Tyrosinreste in der SH-2-Domäne und jeweils einen Tyrosinrest in der CH-1- und der PID-Domäne von Shc direkt phosphorylierte (P). Direkte Wechselwirkungen zwischen Jak3- und Shc-Mutanten zeigten, dass die FERM-Domäne von Jak3 für die Bindung an Shc ausreichend war, während die CH-1- und PID-Domänen von Shc für die Bindung an Jak3 verantwortlich waren. Funktionell wurde Jak3 unter IL-2-Stimulation in Epithelzellen autophosphoryliert. Shc rekrutierte jedoch die Tyrosinphosphatase SHP-2 und PTP-1B an Jak3 und dephosphorylierte Jak3 dadurch. Somit wurde in der Studie nicht nur die Interaktion von Jak3 mit Shc charakterisiert, sondern auch der Mechanismus der intrazellulären Regulierung der Jak3-Aktivierung aufgezeigt, bei dem die Interaktion von Jak3 mit Shc als Regulator der Dephosphorylierung von Jak3 durch direkte Interaktion von Shc sowohl mit Jak3 als auch mit Tyrosinphosphatasen fungiert.
Chronische niedriggradige Entzündung (CLGI) spielt eine Schlüsselrolle bei der Verschlechterung des Stoffwechsels in der fettleibigen Bevölkerung. Die Expression und Aktivierung von Jak3 bietet Schutz vor der Entwicklung von CLGI und den damit verbundenen gesundheitlichen Komplikationen. Studien an Nagetiermodellen zeigen, dass der Verlust von Jak3 zu erhöhtem Körpergewicht, basaler systemischer CLGI, beeinträchtigter glykämischer Homöostase, Hyperinsulinämie und frühen Symptomen von Lebersteatose führt. Das Fehlen von Jak3 führt auch zu übertriebenen Symptomen des metabolischen Syndroms durch westliche fettreiche Ernährung. Auf mechanistischer Ebene konnte gezeigt werden, dass Jak3 für eine verringerte Expression und Aktivierung von Maut-ähnlichen Rezeptoren (TLRs) in der Darmschleimhaut von Mäusen und in menschlichen Darmepithelzellen unerlässlich ist. Jak3 interagierte mit p85, der regulatorischen Untereinheit der PI3K, und aktivierte diese durch Tyrosinphosphorylierung des Adapterproteins Insulinrezeptorsubstrat (IRS1). Diese Wechselwirkungen führten zu einer Aktivierung der PI3K-Akt-Achse, die für eine verringerte TLR-Expression und eine TLR-assoziierte NF-κB-Aktivierung wesentlich war. Insgesamt spielt Jak3 eine wesentliche Rolle bei der Förderung der Schleimhauttoleranz durch unterdrückte Expression und begrenzte Aktivierung von TLRs, wodurch intestinale und systemische CLGI und damit verbundene Fettleibigkeit und MetS verhindert werden.
Eine Beeinträchtigung der Adhärenzverbindungen (AJs) wird mit mehreren chronischen Entzündungskrankheiten in Verbindung gebracht. Die funktionelle Charakterisierung zeigte, dass die Jak3-Autophosphorylierung der ratenlimitierende Schritt während der Jak3-Transphosphorylierung von β-Catenin war, wobei Jak3 drei Tyrosinreste, nämlich Tyr30, Tyr64 und Tyr86 in der N-terminalen Domäne (NTD) von β-Catenin direkt phosphorylierte. Die vorherige Phosphorylierung von β-Catenin an Tyr654 war jedoch für die weitere Phosphorylierung von β-Catenin durch Jak3 unerlässlich. Interaktionsstudien zeigten, dass phosphoryliertes Jak3 an phosphoryliertes β-Catenin mit einer Dissoziationskonstante von 0,28 μm gebunden war, und obwohl sowohl die Kinase- als auch die FERM-Domäne (Band 4.1, Ezrin, Radixin und Moesin) von Jak3 mit β-Catenin interagierten, erleichterte die NTD-Domäne von β-Catenin dessen Interaktionen mit Jak3. Physiologisch gesehen unterdrückte die Jak3-vermittelte Phosphorylierung von β-Catenin die EGF-vermittelte epithelial-mesenchymale Transition (EMT) und erleichterte die epithelialen Barrierefunktionen durch die AJ-Lokalisierung von phosphoryliertem β-Catenin durch seine Interaktionen mit α-Catenin. Darüber hinaus führte der Verlust von Jak3-vermittelten Phosphorylierungsstellen in β-Catenin zur Aufhebung seiner AJ-Lokalisierung und zur Beeinträchtigung der epithelialen Barrierefunktionen. In dieser Studie wurde nicht nur die Interaktion von Jak3 mit β-Catenin charakterisiert, sondern auch der Mechanismus des molekularen Zusammenspiels zwischen AJ-Dynamik und EMT durch Jak3-vermittelte NTD-Phosphorylierung von β-Catenin aufgezeigt.
Brustkrebs-Resistenzprotein (BCRP) ist ein Mitglied der ATP-bindenden Kassetten (ABC)-Transporterproteine, deren primäre Funktion darin besteht, an die Plasmamembran gebundene Substrate auszuschleusen. Beeinträchtigte Funktionen der Darmbarriere spielen eine wichtige Rolle bei der mit chronischer Low-Grade-Entzündung (CLGI) assoziierten Fettleibigkeit, aber die Regulierung von BCRP während der Fettleibigkeit und seine Rolle bei der Aufrechterhaltung der Darmbarrierefunktion während CLGI-assoziierter Fettleibigkeit waren bisher unbekannt. Jüngste Studien haben mit Hilfe verschiedener Methoden wie Efflux-Assays, Immunopräzipitation/Blotting/Histochemie, parazellulärem Permeabilitätstest, fluoreszenzaktivierter Zellsortierung, Zytokin-Assay und Immunfluoreszenzmikroskopie gezeigt, dass fettleibige Personen eine beeinträchtigte BCRP-Funktion im Darm aufweisen und dass diätinduzierte fettleibige Mäuse diese Ergebnisse rekapitulieren. Es wurde auch gezeigt, dass die beeinträchtigten BCRP-Funktionen während der Adipositas auf den Verlust der durch Januskinase 3 (JAK3) vermittelten Tyrosinphosphorylierung von BCRP zurückzuführen sind. Die Ergebnisse der Studien deuten darauf hin, dass die JAK3-vermittelte Phosphorylierung von BCRP seine Interaktionen mit membranlokalisiertem β-Catenin fördert, das nicht nur für die BCRP-Expression und -Oberflächenlokalisierung, sondern auch für die Aufrechterhaltung des BCRP-vermittelten intestinalen Medikamenten-Effluxes und der Barrierefunktionen wesentlich ist. Es wurde beobachtet, dass eine reduzierte intestinale JAK3-Expression während menschlicher Adipositas oder ein JAK3-Knockout bei Mäusen oder ein siRNA-vermittelter β-Catenin-Knockdown in menschlichen Darmepithelzellen zu einem signifikanten Verlust der intestinalen BCRP-Expression und zu einer Beeinträchtigung des Medikamenten-Effluxes und der Barrierefunktionen des Dickdarms führen. Diese Ergebnisse decken einen Mechanismus des BCRP-vermittelten intestinalen Medikamenten-Effluxes und der Barrierefunktionen auf und etablieren eine Rolle für BCRP bei der Verhinderung von CLGI-assoziierter Fettleibigkeit sowohl beim Menschen als auch bei Mäusen. Diese Studien haben weitreichende Auswirkungen nicht nur auf unser Verständnis der physiologischen und pathophysiologischen Mechanismen der Darmbarrierefunktionen und der CLGI-assoziierten chronischen Entzündungskrankheiten, sondern auch auf die pharmakokinetischen und pharmakodynamischen Eigenschaften oraler Arzneimittelformulierungen, die durch Protein-vermittelten Arzneimittelefflux entstehen.