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Janus kinase 2 activation mechanisms revealed by analysis of suppressing mutations - 04/04/19

Doi : 10.1016/j.jaci.2018.07.022 
Henrik M. Hammarén, PhD a, , Anniina T. Virtanen, PhD a, , Bobin George Abraham, PhD a, , Heidi Peussa, BSc a, Stevan R. Hubbard, PhD b, c, Olli Silvennoinen, MD, PhD a, d, e,
a Faculty of Medicine and Life Sciences, University of Tampere, Tampere, Finland 
b Kimmel Center for Biology and Medicine at the Skirball Institute, New York, NY 
c Department of Biochemistry and Molecular Pharmacology, New York University School of Medicine, New York, NY 
d Fimlab Laboratories, Tampere, Finland 
e Institute of Biotechnology, University of Helsinki, Helsinki, Finland 

Corresponding author: Olli Silvennoinen, MD, PhD, Arvo Ylpön katu 34, 33014 Tampere, Finland.Arvo Ylpön katu 34Tampere33014Finland

Abstract

Background

Janus kinases (JAKs; JAK1 to JAK3 and tyrosine kinase 2) mediate cytokine signals in the regulation of hematopoiesis and immunity. JAK2 clinical mutations cause myeloproliferative neoplasms and leukemia, and the mutations strongly concentrate in the regulatory pseudokinase domain Janus kinase homology (JH) 2. Current clinical JAK inhibitors target the tyrosine kinase domain and lack mutation and pathway selectivity.

Objective

We sought to characterize mechanisms and differences for pathogenic and cytokine-induced JAK2 activation to enable design of novel selective JAK inhibitors.

Methods

We performed a systematic analysis of JAK2 activation requirements using structure-guided mutagenesis, cell-signaling assays, microscopy, and biochemical analysis.

Results

Distinct structural requirements were identified for activation of different pathogenic mutations. Specifically, the predominant JAK2 mutation, V617F, is the most sensitive to structural perturbations in multiple JH2 elements (C helix [αC], Src homology 2–JH2 linker, and ATP binding site). In contrast, activation of K539L is resistant to most perturbations. Normal cytokine signaling shows distinct differences in activation requirements: JH2 ATP binding site mutations have only a minor effect on signaling, whereas JH2 αC mutations reduce homomeric (JAK2-JAK2) erythropoietin signaling and almost completely abrogate heteromeric (JAK2-JAK1) IFN-γ signaling, potentially by disrupting a dimerization interface on JH2.

Conclusions

These results suggest that therapeutic approaches targeting the JH2 ATP binding site and αC could be effective in inhibiting most pathogenic mutations. JH2 ATP site targeting has the potential for reduced side effects by retaining erythropoietin and IFN-γ functions. Simultaneously, however, we identified the JH2 αC interface as a potential target for pathway-selective JAK inhibitors in patients with diseases with unmutated JAK2, thus providing new insights into the development of novel pharmacologic interventions.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Key words : Janus kinase, JAK2 V617F, cytokine signaling, myeloproliferative neoplasm, kinase activation, drug design

Abbreviations used : CFP, EPO, EPOR, FERM, FRET, GOF, HA, IRF1, JAK, JH, pJAK2, pSTAT, qPCR, SH2, STAT, TYK2, WT, YFP


Plan


 H.M.M., B.G.A., A.T.V., and O.S. report grants from the Academy of Finland, the Sigrid Jusélius Foundation, the Jane and Aatos Erkko Foundation, the Finnish Cancer Foundation, the Prostate Cancer Foundation, Tampere Tuberculosis Foundation, and Tampere University Hospital District competitive research funding. S.R.H reports National Institutes of Health grant R01AI101256.
 Disclosure of potential conflict of interest: H. M. Hammarén, A. T. Virtanen, B. G. Abraham, and O. Silvennoinen report grants from the Academy of Finland, the Sigrid Jusélius Foundation, the Jane and Aatos Erkko Foundation, the Finnish Cancer Foundation, the Prostate Cancer Foundation, and Tampere University Hospital District competitive research funding during the conduct of the study. S. R. Hubbard reports National Institutes of Health grant R01AI101256. In addition, H. M. Hammarén reports personal fees from Pfizer Oy, Finland outside the submitted work. O. Silvennoinen has a patent (US patent no. 8,841,078, AU 2011214254, CAN 2789186, EPO 11741946.5) issued. H. Peussa declares that she has no relevant conflicts of interest.


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Vol 143 - N° 4

P. 1549 - avril 2019 Retour au numéro
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