Activación de JAK2 por hormona de crecimiento

Un buen número de receptores citoquina clase I utilizan la Janus quinasa 2 (JAK2) para su señalización intracelular. Los primeros de esos receptores en ser reportados fueron los de hormona de crecimiento (GH) y eritropoyetina (EPO), posteriormente se reportó que los receptores de prolactina (PRL), interleuquina 3, 5 y 6, factor estimulante de colonias granulocito-macrófago (GM-CSF), interferón γ (IFNγ), trombopoyetina (TPO) y leptina también reclutan JAK2. El espectro de procesos fisiológicos  regulados por la JAK2, por tanto, es bastante amplio, variando desde el crecimiento postnatal, la reproducción y la lactancia hasta la regulación del metabolismo y la composición corporal, la formación de hueso, la activación de la stem cell neural, la eritropoyesis, la mielopoyesis, la trombopoyesis y la respuesta inflamatoria.  Estos receptores transmembrana usan primariamente la JAK2 para activar los reguladores STAT de la transcripción de genes, pero también  disparan otras rutas de señalización como proteína quinasa activada por mitogenos (MAPK) y  Akt/fosfoinositosido 3-quinasa (PI3K). El esquema del proceso de activación de la JAK2 señala que la citoquina posee múltiples sitios de unión  para su receptor y esa unión facilita  la dimerización o multimerización  del receptor citoquina clase I. Esto resulta en la íntima aposición dentro de la célula  de los dominios quinasa  de  dos JAK 2 asociadas a receptor de membrana proximal  y por consiguiente en su transactivación. La activación de la JAK2  es seguida por la fosforilación de tirosinas en el dominio citoplasmático del receptor lo cual genera  sitios para proteínas que contienen dominios SH2 como STAT3 o STAT5 que son fosforiladas y activadas. La fosforilación del receptor  es acompañada por la fosforilación directa de otras proteínas por la JAK2. Este esquema simple proporciona una explicación para los cambios genómicos y en el citoesqueleto inducidos por citoquinas.

Los receptores citoquina clase I tienen un dominio extracelular (ECD) que contiene al menos un dominio de homología de receptor citoquina (CRH) que a su vez posee dos dominios similares a fibronectina III (FNIII), cada uno con un dominio similar a inmunoglobulina β con siete hebras en dos capas. El dominio proximal de membrana contiene un segmento que crea un nicho aromático necesario para la expresión y estabilidad del receptor. En el caso del receptor de GH, la hormona tiene dos sitios de unión asimétricamente colocados, un sitio 1 de alta afinidad  y un sitio 2 de baja afinidad, los cuales son suplementados por la unión receptor-receptor en el dominio FNIII más bajo (sitio 3). La interacción del sitio 3  es esencial para la transmisión de la señal hormonal.  Una segunda característica es el segmento intracelular Box1 rico en prolina, el cual junto con la secuencia  Box2 distal de residuos aromáticos y ácidos sirve para unir a la JAK2 cerca de la membrana celular interna.  Aunque todos los receptores citoquina clase I tienen la estructura característica de dos dominios FNIII usada para capturar al ligando, hay variaciones entre grupos similares de receptores. Los tipos más simples solo tienen dos dominios FNIII y son homodiméricos cuando se unen a su ligando, mientras otros requieren la interacción de dos subunidades del receptor donde una subunidad forma parte de diferentes complejos citoquina-receptor. En general, estos receptores son activados por asociación de receptores dependiente de ligando. Los dominios transmembrana (TMD) y la secuencia yuxtamembrana  (JM) son los responsables de la formación constitutiva del receptor dimérico.

El modelo de asociación  de receptor inducida por ligando indica que el ECD del receptor de GH puede ser dimerizado por la hormona. Esta dimerización induce la proximidad de la JAK2 asociada y por consiguiente  su transactivación  y el inicio de la señal intracelular. Sin embargo, estudios recientes demuestran que la dimerización de EDC solamente es insuficiente para disparar la activación del receptor por lo que es necesario la alineación o el cambio conformacional del receptor.  La realineación de subunidades del receptor en un dímero pre-existente parece ser el mejor candidato para la generación de señal por el receptor de GH. La unión bivalente de la GH reorienta y rota subunidades del receptor  resultando en una transición  a partir de una forma con  TMD paralelos (estado 1) a una  de TMD entrecruzados en el punto de entrada en el citoplasma (estado 2).  Surge aquí la pregunta clave: ¿cómo la separación de los TMD más bajos  resulta en la activación  de la JAK2 asociada  con el Box1 del receptor? De particular relevancia es la existencia de un dominio pseudoquinasa (PK) adyacente al dominio quinasa, el cual es conocido por ser inhibitorio. De las 518 proteínas quinasa conocidas, 48 contiene dominios PK, pero solo cinco de ellas  (las cuatro JAK y la quinasa serina/treonina GCN2) contienen un dominio quinasa adicional. Por lo tanto, cualquier modelo para la activación  de JAK debe remover el dominio PK del dominio quinasa. El proceso de activación es un evento trans con un dímero receptor/JAK2 más que un proceso de cis-activación. Si el dominio inhibidor PK de una JAK2  bloquea al dominio quinasa  de la otra JAK2 podría remover la inhibición trans  y colocar los dos dominios quinasa en proximidad lo cual podría inducir la activación trans. De acuerdo con el modelo trans, en el estado inactivo, dos moléculas JAK2, cada una unida  a un dominio intracelular del receptor de GH, interactúan de tal manera que el dominio quinasa de una JAK2  es inhibido por el dominio PK de la otra JAK2. La unión de la GH al receptor homodimérico  causa en el dominio intracelular la separación de BOX1 y provoca la separación de la interacción trans PK-quinasa, lo cual resulta en una trans-interacción quinasa-quinasa  y por lo tanto en la activación de JAK2.  Esto resulta en la fosforilación y activación de STAT y otras rutas de señalización relacionadas con el receptor de GH. El modelo trans  del proceso de activación de JAK2 contrasta con las propuestas previas de autoinhibición  con desplazamiento  del módulo inhibitorio PK.

La inhibición de JAK2 es un importante blanco clínico, particularmente para desordenes mieloproliferativos. Estos desordenes comúnmente  resultan de la activación constitutiva  de la señal JAK2 a través de mutaciones de la quinasa, frecuentemente vía mutación JAK2 V617F (especialmente en policitemia vera). Se ha hecho un considerable esfuerzo para desarrollar inhibidores de JAK2 terapéuticamente efectivos, pero hasta la fecha los resultados son limitados. Solamente el ruxolitinib (inhibidor selectivo de JAK1 y JAK2) ha recibido la aprobación  de la Administración  de Alimentos y Drogas (FDA) para el tratamiento  de la mielofibrosis, mientras otros compuestos han sido  discontinuados debido a su toxicidad. El ruxolitinib mejora los síntomas constitucionales  y la esplenomegalia pero no reduce sustancialmente la carga de alelos mutantes en los pacientes y sus beneficios frecuentemente tienen el costo de anemia y trombocitopenia.  

Varios miembros  de la familia de receptores citoquina clase I (especialmente PRLR y EPOR) existen como dímeros inactivos constitutivos,  lo que implica que su activación debe resultar a partir de cambios estructurales  en el receptor transmitidos  a través de los TMD. Dada la naturaleza de la transición de la hélice del dímero  de una forma paralela  a una forma entrecruzada que resulta en la aposición  N-terminal y la rotación de la hélice,  cualquier hélice que pueda encajar en la estructura será capaz de disparar la señal. Esto ha sido comprobado reemplazando la hélice TMD del receptor de GH por la hélice TMD del receptor LDL. Es de hacer notar que todos los receptores clase I  examinados tienen residuos ácidos proximales a la membrana externa, lo cual hace pensar en la posibilidad de un mecanismo de activación similar al descrito con el receptor de GH, una hipótesis que aún no ha sido confirmada.

En conclusión, el receptor de GH y citoquinas estructuralmente relacionadas  interviene en numerosos procesos fisiológicos y patológicos. Estos receptores citoquina clase I hacen eso  acoplando su dominio transmembrana a tirosina quinasas citoplasmáticas. Estudios recientes han revelado que muchos de estos receptores existen como dímeros constitutivos  más que  dimerizados  como consecuencia de la unión de ligando, lo cual ha dado lugar a un nuevo paradigma para describir el proceso de activación. La activación de receptores citoquina clase I por la unión de ligando requiere la activación de la señal a ser transmitida a la JAK intracelular asociada por rearreglos estructurales de  ECD y TMD. Por lo tanto, las moléculas que se unen a la secuencia ECD y/o TMD son potenciales modificadores  de la señal,  inhibiendo la activación o activando al receptor en ausencia de ligando.  Sobre la base de datos bioquímicos  y simulaciones dinámicas moleculares  se propone un modelo para la activación  de la JAK2 por el receptor de GH homodimérico. Según este modelo, la unión del ligando (GH) bivalente reorienta y rota subunidades del receptor, lo cual resulta en una transición  de una forma con TMD paralelos a otra forma con TMD entrecruzados en el punto  de entrada al citoplasma. Este movimiento desliza el dominio PK de una JAK del dominio quinasa de la otra JAK en el complejo receptor dimérico-JAK, permitiendo la interacción de los dos dominios quinasa  y su transactivación. Esto resulta en la fosforilación  y activación  de STAT y otras rutas de señalización  relacionadas con el receptor  de GH para la regulación  del crecimiento postnatal, el metabolismo y la activación de stem cell.

Fuente: Waters MJ y Brooks AJ (2015). JAK2 activation by growth hormone and other cytokines. Biochemical Journal 466: 1-11.