后生动物IL6-IL6R-JAK-STAT信号通路的演化

《Biology》：The Evolution of IL6-IL6R-JAK-STAT Signaling Pathway in Metazoan Hong Yu, Renle Chang, Houyou Wang, Muchun He, Jiejie Sun and Linsheng Song

　　

背景：白细胞介素6（IL6）-白细胞介素6受体（IL6R）-Janus激酶（JAK）-信号转导与转录激活因子（STAT）信号通路在先天免疫中发挥关键作用，可诱导多种免疫效应分子产生，但该通路在后生动物中的逐步演化组装过程尚未完全明确。方法：本研究系统筛查18个后生动物门或亚门的IL6家族细胞因子、其受体、JAK及STAT的存在情况，采用邻接法构建系统发育关系，通过SMART工具预测结构域架构。结果：IL6仅在脊椎动物中检测到，IL6R可追溯至软体动物门；JAK和STAT早在海绵动物门已出现；IL6R、JAK1/2、STAT1及STAT5A/B首次共存于软体动物门，标志着核心受体-激酶-转录因子模块的最早出现；IL6共受体gp130在鱼类中被检测到，但在现有爬行动物和鸟类基因组中未可靠检出，后在哺乳动物中重新检出；多数IL6家族细胞因子、IL6R、JAK及STAT在鱼类中首次检出或重新检出。结论：IL6-IL6R-JAK-STAT通路呈渐进式组装：JAK和STAT最早见于海绵动物门，软体动物门新增IL6R形成IL6R-JAK-STAT模块，最终多数IL6家族细胞因子出现于脊椎动物（鱼类）。这些发现或为后续脊椎动物完整通路的演化提供了预存的分子框架，共同构建了后生动物中该通路逐步组装的综合演化框架。

研究背景与意义

IL6-IL6R-JAK-STAT信号通路是后生动物中高度保守的关键免疫调控通路，参与细胞增殖、先天免疫应答、干细胞发育等核心生物学过程。该通路的核心组件包括IL6家族细胞因子、IL6R、gp130等受体、JAK家族激酶及STAT家族转录因子，其功能异常与炎症、感染及肿瘤发生密切相关。尽管已有研究报道JAK-STAT模块在果蝇、刺胞动物等低等生物中存在，但该通路从原始后生动物到脊椎动物的完整演化组装路径仍存在诸多空白：例如IL6配体的起源时间、IL6R与下游激酶的协同演化规律、不同门类生物中通路组件的丢失与重获事件等均不明确。此前研究多聚焦于单一组件（如JAK-STAT模块或单个受体）的演化，缺乏对配体-受体-激酶-转录因子全轴的同步追踪。本研究由Hong Yu、Renle Chang等学者完成，发表于《Biology》期刊，通过跨18个后生动物门类的系统性比较，首次构建了该通路的渐进式演化模型，为理解先天免疫通路的起源与多样化提供了关键框架。

关键技术方法

研究人员选取覆盖后生动物主要分支的物种（包括哺乳动物、鸟类、爬行动物、鱼类、圆口类、头索动物、尾索动物、半索动物、棘皮动物、腕足动物、环节动物、节肢动物、软体动物、线虫动物、扁形动物、腔肠动物、海绵动物），基于NCBI数据库的高质量基因组与蛋白序列数据开展研究。关键技术包括：1. 序列筛选与比对：以人、小鼠、斑马鱼的注释序列为查询序列，通过tBLASTn和BLASTp（E值≤1×10^-5，序列一致性≥30%）在各物种基因组中检索通路组分；2. 系统发育分析：采用Clustal W进行多序列比对并手动修剪模糊区域，通过MEGA 7.0软件以邻接法（Neighbor-Joining）构建系统发育树，使用p距离模型计算进化距离，经1000次自举检验评估节点支持率；3. 结构域预测：通过SMART工具解析各组分的结构域架构；4. 演化路径重建：结合组分存在/缺失模式与系统发育关系，推导通路的逐步组装过程。

研究结果

3.1 IL6家族细胞因子及其受体的序列演化分析与结构域预测

IL6家族细胞因子（IL6、IL11、IL27、IL31、CNTF、CLCF-1、CT-1）在脊椎动物中未表现出高度保守性。IL6R与gp130的演化树显示，人、小鼠、鱼类的IL6R与尾索动物门Ciona intestinalis、半索动物门Saccoglossus kowalevskii、棘皮动物门Strongylocentrotus purpuratus的IL6R亲缘关系较近；gp130则与鸟类、爬行动物、两栖动物、鱼类及圆口类的IL6R聚为一支，节肢动物门的Domeless（IL6R同源物）与软体动物门的IL6R分别单独聚类。结构域分析表明，IL6R与gp130均包含信号肽、免疫球蛋白（Ig）结构域、IL6R结构域、3-4个纤连蛋白III型（FN3）结构域、跨膜区及胞质尾区。IL11R、IL27R等其他受体的演化关系基本符合物种演化规律，其中IL27R、OSMR、LIFR均缺失Ig结构域，仅OSMR、LIFR及CRLF1包含IL16R结构域。全受体演化树可分为三大分支：无脊椎动物（除文昌鱼外）IL6R聚为一支；脊椎动物受体无明显亚支；IL6R、gp130、IL31R、LIFR、OSMR聚为一支，IL6R、IL11R、IL27R、CNTFR聚为另一支，其中LIFR与OSMR亲缘关系最近，IL6R与gp130和IL31R、CNTFR亲缘关系较近。

3.2 JAK的序列演化分析与结构域预测

JAK演化树分为脊椎动物JAK1、脊椎动物JAK2/3及无脊椎动物JAK三大分支，无脊椎动物JAK与脊椎动物JAK1亲缘关系更近；脊椎动物TYK2与人、小鼠的TYK2与有颌鱼类TYK2聚为一支。脊椎动物JAK通常包含FERM结构域、SH2结构域、STYKc-TyrKc结构域或两个TyrKc结构域，结构高度保守；而部分无脊椎动物JAK结构域存在缺失，如半索动物Saccoglossus kowalevskii的JAK仅含TyrKc结构域，环节动物Owenia fusiformis的JAK缺失FERM与TyrKc结构域。

3.3 STAT的序列演化分析与结构域预测

脊椎动物7种STAT分为STAT1/2/3/4与STAT5/6两大分支，脊椎动物STAT5/6与无脊椎动物STAT聚于STAT5/6分支。STAT结构域在不同物种中高度保守，通常包含ND、CCD、DNA结合域（DNA-BD）、LKD、SH2结构域及转录激活域（TAD）；部分物种STAT存在结构域缺失，如腕足动物Lingula anatine与脊索动物Petromyzon marinus的STAT缺失ND结构域，海绵动物Geodia barretti的STAT缺失TAD结构域。

3.4 IL6家族细胞因子、其受体、JAK及STAT的演化

IL6家族细胞因子仅存在于脊椎动物中：IL6、IL11、IL27、CNTF、CLCF1最早见于鱼类；LIF最早见于两栖动物；IL31与OSM仅存在于哺乳动物；CT-1见于圆口类及高等脊椎动物（除两栖动物与鱼类）。除IL6R外，其余IL6家族受体仅存在于脊椎动物：IL11R、IL31R、LIFR、CNTFR最早见于圆口类；gp130与IL27R最早见于鱼类（gp130在现有爬行类与鸟类基因组中未可靠检出，后在哺乳动物中重新检出）；IL6R可追溯至软体动物门。JAK与STAT最早见于海绵动物门，JAK在腔肠动物门、扁形动物门、线虫动物门、圆口类中被检出，扁形动物门与线虫动物门基于现有数据未检出STAT。IL6R、JAK、STAT首次共存于软体动物门，IL6仅存在于有颌脊椎动物；无脊椎动物中虽未检出IL6，但节肢动物门昆虫存在Upd1/2/3配体，头虾纲存在IL-CTL配体。

讨论与结论

讨论部分指出，本研究提出的渐进式组装模型揭示了该通路的功能创新与结构演化关联：海绵动物门已出现JAK-STAT核心模块，软体动物门新增IL6R形成完整的受体-激酶-转录因子单元，为后续脊椎动物中配体多样性扩张奠定基础。gp130在鱼类出现后在部分羊膜动物谱系中丢失，可能与不同类群的免疫适应性选择相关。结构域分析显示，无脊椎动物中IL6R同源物的结构简化（如果蝇Domeless缺失IL6R结构域）可能通过替代配体（如C型凝集素）实现信号激活，体现了演化过程中的功能代偿机制。JAK结构域的缺失（如环节动物缺失FERM结构域）暗示早期JAK可能依赖非经典方式结合受体，而STAT结构域的高度保守性（尤其DNA结合域与SH2结构域）保证了信号转导机制的跨物种稳定性。

结论部分明确：IL6-IL6R-JAK-STAT通路并非单次起源，而是通过数百年的渐进式组装形成——JAK与STAT最早见于海绵动物门，软体动物门形成核心受体-激酶-转录因子模块，鱼类阶段完成多数配体与受体的扩增，最终建立完整的脊椎动物通路。该研究为理解先天免疫通路的演化提供了综合框架，未来可通过配体-受体结合实验、扩大低等后生动物基因组采样进一步验证演化假说。