Das Protein Januskinase 2 (JAK2) vermittelt die Signalübertragung von mehreren Zytokinrezeptoren bei der Regulierung der Hämatopoese und Immunantworten. Somatische Mutationen im menschlichen JAK2 führen zu konstitutiver Aktivierung und zytokinunabhängiger Signalübertragung und liegen mehreren hämatologischen Malignitäten zugrunde, von myeloproliferativen Neoplasien (MPN) bis hin zu akuter Leukämie und Lymphomen. JAK2 enthält eine aktive Kinasedomäne und eine inaktive Pseudokinasedomäne. Interessanterweise treten pathogene Mutationen hauptsächlich in der regulatorischen Pseudokinasedomäne auf.
Aufgrund seiner entscheidenden pathogenen Rolle ist JAK2 zu einem wichtigen therapeutischen Ziel geworden. Die vier derzeit zugelassenen JAK2-Inhibitoren lindern die Symptome, heilen den Patienten jedoch nicht und haben keinen Einfluss auf das Überleben. Diese Medikamente zielen auf die hochkonservierte Kinasedomäne ab und wirken sich sowohl auf normales als auch auf mutiertes JAK2 aus. Aufgrund von Nebenwirkungen sind sie mit einer Black-Box-Warnung versehen, die ihre Anwendung bei älteren Patienten, Herz- und Krebspatienten einschränkt. Die selektive Hemmung des pathogenen JAK2 ist ein wichtiges bevorstehendes Ziel in der Arzneimittelentwicklung, das ein genaues mechanistisches Verständnis der Regulierung der JAK2-Aktivierung erfordert.
„Um die molekularen und strukturellen Grundlagen der physiologischen und pathogenen Aktivierung von JAK2 zu verstehen, verwendeten wir Einzelmolekülmikroskopie und Erythropoietin-Rezeptor (EpoR) als Modellsystem. Im Gegensatz zu mehreren früheren Studien konnten wir zeigen, dass der JAK2-EpoR-Komplex vorhanden ist.“ „Es handelt sich nicht um ein vorgefertigtes Dimer. Stattdessen erfolgt die JAK2-Aktivierung über die ligandeninduzierte Dimerisierung von EpoR-Monomeren“, sagt Academy Research Fellow Teemu Haikarainen von der Universität Tampere.
Die JAK2-EpoR-Dimerisierung ist ein häufiger Mechanismus für die normale und pathogene Aktivierung durch JAK2-Mutationen. Wichtig ist, dass die neue Studie herausfand, dass alle wichtigen JAK2-Mutationstypen – Exon 12 (verursacht Polyzythämie vera), V617F (80 % aller drei Arten von MPN) und Exon 16 (akute lymphatische Leukämie) – eine durch Pseudokinasedomänen vermittelte JAK2-Dimerisierung nutzen ein Mechanismus zur pathogenen Aktivierung.
Die detailliertere Analyse der pathogenen Aktivierungsmechanismen gelang durch eine Kombination aus Röntgenkristallographie, molekulardynamischen Simulationen und KI-gesteuerter Modellierung. Die Analysen ergaben unterschiedliche Pseudokinase-Dimerisierungsschnittstellen für die pathogenen Mutanten und lieferten eine Erklärung für ihre unterschiedlichen Aktivierungsmechanismen. Darüber hinaus deuteten die Studien darauf hin, dass die einzelnen Aminosäuremutationen in der Pseudokinasedomäne unterschiedliche Konformationen in JAK2 voller Länge verursachen, was ihre unterschiedlichen klinischen Erscheinungen erklären könnte.
„Die Ergebnisse erweitern unser Verständnis der normalen und pathogenen JAK2-Aktivierung erheblich. Dieses Projekt begann vor 30 Jahren, als wir das JAK2-Gen klonten und seine Funktion bei der Zytokinsignalisierung zeigten. Unsere nachfolgenden Studien konzentrierten sich auf die Pseudokinasedomäne und entdeckten ihre regulatorische Funktion bei Zytokinen.“ Wir glauben, dass die neuen strukturellen Erkenntnisse über die molekularen Veränderungen bei der mutationsbedingten JAK2-Hyperaktivierung nun neue Möglichkeiten für das selektive Targeting der Pseudokinasedomäne und der pathogenen JAK2-Signalübertragung bei verschiedenen Krankheiten eröffnen Einheiten”, sagt Professor Olli Silvennoinen von der Universität Tampere.
Abraham BG, Haikarainen T, Vuorio J, Girych M, Virtanen AT, Kurttila A, Karathanasis C, Heilemann M, Sharma V, Vattulainen I, Silvennoinen O.
Molekulare Grundlagen der JAK2-Aktivierung im Erythropoietin-Rezeptor und der pathogenen JAK2-Signalübertragung.
Sci Adv. 8. März 2024;10(10):eadl2097. doi: 10.1126/sciadv.adl2097
