Role of JAK/STAT signalling pathway in PAH

Abstract

Pulmonary arterial Hypertension (PAH) is a progressive disease which is characterized by the elevated level of mean pulmonary arterial pressure. Increased pulmonary arterial pressure is the consequence of vasoconstriction, pulmonary vascular remodelling and in-situ thrombosis of medium and small size arteries and arterioles (Humbert et al. 2004). The term "vascular remodelling" describes structural changes of vasculature, in particular occlusions or hypertrophy. In normal conditions, there is a balance between proliferation and apoptosis of vascular cells, namely fibroblasts, endothelial cells or, the most relevant for our studies, pulmonary arterial smooth muscle cells (PASMCs). In pulmonary hypertension, the balance is disturbed in favor of proliferation. Janus Kinases, JAK1, JAK2, JAK3 and TYK2, are the family of tyrosine kinases, which mediate cytokine and growth factors signalling. The main downstream target of JAK is STAT, Signal transducers and activators of transcription, the transcription factors (Laurence 2012). After STAT is phosphorylated by JAK, it dimerizes and transclocates to the nucleus, where it interacts with the promoter regions of genes and regulates the transcription. Aberrant activation of the JAK/STAT pathway has been reported in a variety of disease states, including inflammatory conditions, hematologic malignancies, and solid tumors. A series of agents with different specificities against different members of the JAK family of proteins is currently undergoing evaluation in clinical trials for patients with myeloproliferative neoplasms (MPN), lymphoma, solid tumors such as breast or pancreatic cancer. STATs play an important role in cellular functions and it seems there are no exclusive upstream regulators. The cross-interaction between JAK, Src and STATs can explain the downregulation of phospho-STAT3 and STAT5 levels after inhibition of both Src and JAK, as well as comparable effects on PASMC proliferation and migration. It seems that Src and JAK act in concert with each other, maintaining the balance of common downstream targets.In our research we have confirmed the role of PDGF in regulating JAK and Src signal induction. Furthermore we have also demonstrated the interference of canonical JAK/STAT pathway with Src kinase and tight cooperation between JAK, Src and their downstream target STATs. More important, our study has demonstrated a positivetherapeutic effect of JAK1 and JAK2 inhibition by Momelotinib (CYT387). By comparing the result to another JAK inhibitor Pyridone 6 and Src inhibitor PP2, we conclude that targeting JAK decrease the proliferation and migration rates of human PASMCs, which is a therapeutic angle for PAH. Die pulmonale arterielle Hypertonie (PAH) ist eine progressive Erkrankung, die durch den erhöhten mittleren pulmonal-arteriellen Druck charakterisiert ist. Ein erhöhter pulmonal-arterieller Druck ist die Folge von pulmonaler Vasokonstriktion, Remodelling der Lungengefäße und in-situ Thrombosen der mittleren und kleinen Arterien bzw. Arteriolen. Die Begriffe Remodelling der Lungengefäße beschreibt strukturelle Veränderungen der Gefäße. Unter normalen Bedingungen besteht ein Gleichgewicht zwischen Proliferation und Apoptosis der Gefäßzellen namens Fibroblasten, Endothelzellen oder glatte Gefäßmuskelzellen (PASMC). Von besonderer Relevanz in unserer Studie sind die PASMCs. Bei der pulmonalen arteriellen Hypertonie ist dieses Gleichgewicht zugunsten der Proliferation gestört. Janus Kinasen, JAK1, JAK2, JAK3 und TYK2, sind die Familien der Tyrosinkinasen, die die Zytokin- und Wachstumsfaktor-Signalwege vermitteln. Das hauptsächliche nachgeschaltete Zielprotein von JAK ist STAT (Signal transducers and activators of transcription). STAT sind die Transkriptionsfaktoren. Nach der Phosphorylierung von STAT durch JAK, kommt es zur Dimerisierung und Translokation in den Nukleus, wo es mit der Promotorregion der Gene interagiert und die Transkription reguliert. Fehlerhafte Aktivierung von JAK/STAT Signalwege wurden bei verschiedenen Erkrankungen dokumentiert, z.B. bei Entzündungen, malignen hämatologischen Erkrankungen sowie soliden Tumoren. Eine Serie von substanzen mit verschiedenen Spezifitäten gegen unterschiedliche Proteine der JAK Familie werden aktuell in klinischen Studien bei Patienten mit myeloproliferativen Neoplasien (MPN), Lymphomen sowie soliden Tumoren (z.B. Mammakarzinom, Pankreaskarzinom) evaluiert. STATs spielen eine wichtige Rolle in Zellfunktionen. Es wird vermutet, dass es keinen exklusiven vorgeschalteten Regulator gibt. Die gegenseitige Interaktion zwischen JAK, Src und STATs könnte sowohl die Runterregulation von Phospho-STAT3 und STAT5 nach Inhibition von Src und JAK, als auch die vergleichbaren Effekte in der Proliferation und Migration von PASMC, erklären. Es scheint, dass Src und JAK miteinander interagieren, um das Gleichgewicht von gemeinsamen nachgeschalteten Zielproteinen zu erhalten.In dem vorliegenden Projekt konnten wir die Rolle von PDGF in der Regulation von JAK und Src Signalinduktion bestätigen. Weiterhin konnten wir die Interferenz zwischen dem kanonischen JAK/STAT Signalweg mit Src Kinasen sowie die enge Kooperation von JAK und Src mit den nachgeschalteten Zielproteinen STATs demonstrieren. Von Bedeutung ist, dass wir in unserem Projekt den positiven therapeutischen Effekt von JAK1- und JAK2-Inhibition durch Momelotinib (CYT387) zeigen konnten. Durch den Vergleich der Resultate mit denen eines anderen JAK Inhibitor namens Pyridone 6 und eines anderen Src Inhibitor namens PP2, schlußfolgern wir, dass die Steuerung von JAK zu einer Abnahme der Proliferation und Migration der humanen PASMCs führt und somit einen therapeutischen Aspekt für die PAH darstellt.