Aangezien JAK3 tot expressie komt in hematopoietische en epitheelcellen, wordt aangenomen dat de rol ervan in cytokinesignalering beperkter is dan die van andere JAK’s. Het komt het meest tot expressie in T-cellen en NK-cellen, maar is ook aangetroffen in intestinale epitheelcellen. JAK3 is betrokken bij signaaltransductie door receptoren die gebruik maken van de gemeenschappelijke gamma keten (γc) van de type I cytokine receptor familie (b.v. IL-2R, IL-4R, IL-7R, IL-9R, IL-15R, en IL-21R). Mutaties die de Janus kinase 3 functie ondermijnen veroorzaken een autosomale SCID (severe combined immunodeficiency disease), terwijl activerende Janus kinase 3 mutaties leiden tot de ontwikkeling van leukemie.
Naast zijn bekende rol in T cellen en NK cellen, is van JAK3 ook gevonden dat het IL-8 stimulatie in menselijke neutrofielen medieert. IL-8 induceert voornamelijk chemotaxis in neutrofielen en lymfocyten, en het uitschakelen van JAK3 remt sterk de IL-8-gemedieerde chemotaxis.
Intestinale epitheelcellenEdit
Jak3 interageert met het actine-bindende eiwit villin, en vergemakkelijkt zo de cytoskeletale remodellering en het herstel van mucosale wonden. Structurele determinanten die de interacties reguleren tussen Jak3 en cytoskelet eiwitten van de villin / gelsolin familie zijn ook gekarakteriseerd. Functionele reconstructie van kinase activiteit door recombinant Jak3 met Jak3-wt of villin/gelsolin-wt als substraat toonde aan dat autofosforylering van Jak3 de snel-limiterende stap was tijdens interacties tussen Jak3 en cytoskelet-eiwitten. Kinetische parameters toonden aan dat gefosforyleerd (P) Jak3 bindt aan P-villine met een dissociatieconstante (Kd) van 23 nM en een Hill’s coëfficiënt van 3.7. Paarsgewijze binding tussen Jak3 mutanten en villine toonde aan dat het FERM domein van Jak3 voldoende was voor binding aan P-villine met een Kd van 40.0 nM. Het SH2-domein van Jak3 verhinderde echter de binding van P-villine aan het FERM-domein van het niet-gefosforyleerde eiwit. De intramoleculaire interactie tussen de FERM en SH2 domeinen van niet-gefosforyleerd Jak3 verhinderde binding van Jak3 aan villine en tyrosine autofosforylering van Jak3 op het SH2 domein verminderde deze intramoleculaire interacties en vergemakkelijkte binding van het FERM domein aan villine. Dit toont het moleculaire mechanisme aan van interacties tussen Jak3 en cytoskeletale eiwitten, waarbij tyrosine fosforylering van het SH2 domein fungeert als een intramoleculaire schakelaar voor de interacties tussen Jak3 en cytoskeletale eiwitten.
Door aanhoudende schade aan het slijmvlies bij patiënten met inflammatoire darmziekten (IBD) wordt translocatie van intestinale microben naar submucosale immuuncellen vergemakkelijkt, wat leidt tot chronische ontsteking. IL-2 speelt een rol in de intestinale epitheliale cel (IEC) homeostase door concentratie-afhankelijke regulatie van IEC proliferatie en celdood. Activering door IL-2 leidde alleen bij lagere concentraties tot tyrosine fosforylatie-afhankelijke interacties tussen Jak3 en p52ShcA. Hogere concentraties IL-2 verminderden de fosforylering van Jak3, verstoorden de interacties met p52ShcA, herverdeelden Jak3 naar de celkern en induceerden apoptose in IEC. IL-2 induceerde ook dosis-afhankelijke downregulatie van jak3-mRNA. Constituerende overexpressie en mir-shRNA-gemedieerde knockdown studies toonden aan dat expressie van Jak3 noodzakelijk was voor IL-2-geïnduceerde proliferatie van IEC. Bovendien was IL-2-geïnduceerde downregulatie van jak3-mRNA verantwoordelijk voor hogere IL-2-geïnduceerde apoptose in IEC. Dus IL-2-geïnduceerde mucosale homeostase door posttranslationele en transcriptionele regulatie van Jak3.
Jak3 is ook betrokken bij mucosale differentiatie en aanleg voor inflammatoire darmziekte in muizenmodel. Deze studies tonen aan dat Jak3 tot expressie komt in colon mucosa van muizen, en het verlies van mucosale expressie van Jak3 resulteert in verminderde expressie van differentiatie markers voor de cellen van zowel enterocytaire en secretorische lineages. Jak3 KO muizen vertoonden verminderde expressie van colon villine, koolzuuranhydrase, secretorisch mucine muc2, en verhoogde basale colonontsteking weerspiegeld door verhoogde niveaus van pro-inflammatoire cytokines IL-6 en IL-17A in het colon samen met verhoogde colon myeloperoxidase activiteit. De ontstekingen in KO muizen werden geassocieerd met verkorting van de lengte van de dikke darm, verminderde cecumlengte, verminderde crypthoogte, en verhoogde ernst in de richting van dextran sulfaat natrium-geïnduceerde colitis. In gedifferentieerde humane colon epitheliale cellen, herverdeelde Jak3 zich naar basolaterale oppervlakken en interageerde met adherens junction (AJ) proteïne β-catenine. Jak3 expressie in deze cellen was essentieel voor AJ lokalisatie van β-catenine en het behoud van epitheliale barrièrefuncties. Deze resultaten tonen de essentiële rol aan van Jak3 in het colon, waar het de differentiatie van het slijmvlies vergemakkelijkt door de expressie van differentiatie-markers te bevorderen en de barrièrefuncties van het colon te verbeteren door AJ-lokalisatie van β-catenine.
Hoewel constitutieve activatie van Janus kinase 3 (Jak3) leidt tot verschillende kankers, is het mechanisme van trans-moleculaire regulatie van Jak3-activatie pas recent gerapporteerd. Deze studie toonde aan dat autofosforylering van Jak3 de snelheidslimiterende stap was tijdens Jak3 trans-fosforylering van Shc, waarbij Jak3 direct twee tyrosine residuen in het SH-2-domein fosforyleerde (P), en één tyrosine residu elk in de CH-1, en PID domeinen van Shc. Directe interacties tussen mutanten van Jak3 en Shc toonden aan dat, terwijl het FERM-domein van Jak3 voldoende was voor binding aan Shc, CH-1 en PID-domeinen van Shc verantwoordelijk waren voor binding aan Jak3. Jak3 werd onder IL-2 stimulatie in epitheelcellen auto-gefosforyleerd. Echter, Shc rekruteerde tyrosine fosfatase SHP-2 en PTP-1B aan Jak3 en de-fosforyleerde zo Jak3. De studie karakteriseerde dus niet alleen Jak3-interactie met Shc, maar toonde ook het mechanisme van intracellulaire regulatie van Jak3-activering aan, waarbij Jak3-interacties met Shc fungeerden als regulator van Jak3-defosforylering door directe interacties van Shc met zowel Jak3 als tyrosinefosfatasen.
Chronische laaggradige ontsteking (CLGI) speelt een sleutelrol in metabole verslechtering bij de zwaarlijvige bevolking. Jak3 expressie en activatie bieden bescherming tegen de ontwikkeling van CLGI en de daarmee gepaard gaande gezondheidscomplicaties. Studies in knaagdiermodellen tonen aan dat het verlies van Jak3 resulteert in een verhoogd lichaamsgewicht, basale systemische CLGI, gecompromitteerde glycemische homeostase, hyperinsulinemie, en vroege symptomen van leversteatose. Gebrek aan Jak3 leidt ook tot overdreven symptomen van het metabool syndroom door westerse vetrijke voeding. Mechanistisch is aangetoond dat Jak3 essentieel is voor verminderde expressie en activatie van toll like receptors (TLRs) in murine darm mucosa en humane darm epitheliale cellen waar Jak3 interageerde met en p85 activeerde, de regulerende subeenheid van het PI3K, via tyrosine fosforylering van adapter eiwit insuline receptor substraat (IRS1). Deze interacties resulteerden in activatie van de PI3K-Akt as, die essentieel was voor verminderde TLR expressie en TLR geassocieerde NF-κB activatie. Jak3 speelt een essentiële rol in het bevorderen van mucosale tolerantie door onderdrukking van de expressie en beperking van de activatie van TLR’s, waardoor intestinale en systemische CLGI en daarmee gepaard gaande obesitas en MetS worden voorkomen.
Compromise in adherens junctions (AJs) is geassocieerd met verschillende chronische ontstekingsziekten. Functionele karakterisering toonde aan dat autofosforylering van Jak3 de snelheidslimiterende stap was tijdens Jak3 trans-fosforylering van β-catenine, waarbij Jak3 direct drie tyrosineresiduen fosforyleerde, te weten Tyr30, Tyr64, en Tyr86 in het N-terminale domein (NTD) van β-catenine. Echter, voorafgaande fosforylering van β-catenine op Tyr654 was essentieel voor verdere fosforylering van β-catenine door Jak3. Interactiestudies toonden aan dat gefosforyleerd Jak3 zich bindt aan gefosforyleerd β-catenine met een dissociatieconstante van 0,28 μm, en hoewel zowel de kinase- als de FERM (Band 4.1, ezrin, radixin, en moesin) domeinen van Jak3 interacteerden met β-catenine, vergemakkelijkte het NTD-domein van β-catenine de interacties met Jak3. Fysiologisch, Jak3-gemedieerde fosforylering van β-catenine onderdrukt EGF-gemedieerde epitheliale-mesenchymale transitie (EMT) en vergemakkelijkt epitheliale barrière functies door AJ lokalisatie van gefosforyleerd β-catenine door zijn interacties met α-catenine. Bovendien verminderde het verlies van Jak3-gemedieerde fosforylatieplaatsen in β-catenine de AJ-lokalisatie ervan en werden epitheliale barrièrefuncties in het gedrang gebracht. Deze studie karakteriseerde niet alleen de Jak3 interactie met β-catenine, maar toonde ook het mechanisme aan van de moleculaire wisselwerking tussen AJ dynamiek en EMT door Jak3-gemedieerde NTD fosforylering van β-catenine.
Breast cancer resistance protein (BCRP) is een lid van de ATP-bindende cassette (ABC) transporter-eiwitten met als voornaamste functie het uitscheiden van substraten die gebonden zijn aan het plasmamembraan. Verminderde darmbarrière functies spelen een belangrijke rol in chronische laaggradige ontsteking (CLGI)-geassocieerde obesitas, maar de regulatie van BCRP tijdens obesitas en zijn rol in het behoud van de darmbarrière functie tijdens CLGI-geassocieerde obesitas waren onbekend. Met behulp van verschillende benaderingen, waaronder efflux assays, immunoprecipitatie/-blotting/-histochemie, paracellulaire permeabiliteit assay, fluorescentie geactiveerde celsortering, cytokine assay, en immunofluorescentiemicroscopie, suggereren recente studies dat zwaarlijvige individuen gecompromitteerde intestinale BCRP functies hebben en dat dieet-geïnduceerde zwaarlijvige muizen deze uitkomsten recapituleren. Er werd ook aangetoond dat de verminderde BCRP functies tijdens obesitas te wijten waren aan het verlies van Janus kinase 3 (JAK3)-gemedieerde tyrosine fosforylering van BCRP. De resultaten van de studies toonden aan dat JAK3-gemedieerde fosforylering van BCRP zijn interacties met membraan-gelokaliseerd β-catenine bevordert, wat niet alleen essentieel is voor BCRP expressie en oppervlakte lokalisatie, maar ook voor het behoud van BCRP-gemedieerde intestinale drug efflux en barrière functies. Er werd vastgesteld dat verminderde intestinale JAK3 expressie tijdens menselijke obesitas of JAK3 knock-out in de muis of siRNA-gemedieerde β-catenine knockdown in menselijke darmepitheelcellen alle resulteren in een significant verlies van intestinale BCRP expressie en gecompromitteerde colon drug efflux en barrière functies. Deze resultaten leggen een mechanisme bloot van BCRP-gemedieerde intestinale drug efflux en barrière functies en stellen een rol vast voor BCRP in het voorkomen van CLGI-geassocieerde obesitas, zowel bij mensen als bij muizen. Deze studies hebben bredere implicaties, niet alleen voor ons begrip van fysiologische en pathofysiologische mechanismen van intestinale barrièrefuncties en CLGI-geassocieerde chronische ontstekingsziekten, maar ook voor eiwit-gemedieerde drug-efflux farmacokinetische en farmacodynamische eigenschappen van orale geneesmiddelformuleringen.