ABSTRACT Cytokines dimerize/oligomerize surface receptors to activate signaling. While cytokine receptors preferentially bind only one member of the JAK family, ancestral cytokine receptors, such as Gp130, promiscuously recruit different JAKs to elicit their activities. Here, we have explored how the identity of JAKs in Gp130 signaling complexes can regulate functional outcomes. Using a synthetic biology approach, we show that Gp130 bound to different JAKs propagates distinct STAT activation profiles. While Gp130-JAK1 complexes activated both, STAT1 and STAT3 very potently, Gp130-JAK2 complexes exhibited a clear preference for STAT3 activation. Gp130-TYK2 complexes triggered overall weaker signaling but with diminished STAT specificity. The three JAKs competed for binding to Gp130 and led to differential activation of phospho-Tyr in the Gp130 intracellular domain. JAK1, JAK2 and to a lower extent TYK2 bound with comparable affinities to Gp130, and in response to IL-6 stimulation efficiently drove Gp130 dimerization. However, the three JAKs differentially affected Gp130 surface expression, identifying JAK-dependent receptor trafficking as a critical determinant of signaling plasticity. Our results provide new mechanistic insights into how differential functional coupling in Gp130-JAK complexes translates into unique signaling signatures that likely contribute to its large functional diversity.

Promiscuous binding of different Janus kinases (JAKs) to class I/II cytokine receptors has been reported, yet its role in signaling is unclear. To systematically explore JAK pairing in type I interferon (IFN-I) signaling, we generated an artificial IFN-I receptor (AIR) by replacing the extracellular domains of IFNAR1 and IFNAR2 with anti mEGFP and mCherry nanobodies. The heterodimeric AIR restored near-native IFN-I activity, while the homomeric variant of IFNAR2 (AIR-dR2) initiated much weaker signaling despite harboring docking sites for signal transducer and activator of transcription (STAT) proteins. AIR-dR1 was signaling inactive, yet, pulldown uncovered its ICD to bind both TYK2 and JAK1. To further investigate the roles of JAKs on the receptors, knockout (KO) JAK1, JAK2, TYK2, and JAK2/TYK2 were generated. JAK1 KO led to complete loss of IFN-I signaling, which was partially restored by TYK2 overexpression. TYK2 KO cells retained partial activity, which was elevated by JAK1 overexpression, suggesting both JAKs to partially substitute each other. Conversely, JAK2 KO only moderately impacted the biological activity of IFN-Is, even in JAK2/TYK2 KO cells. Live cell micropatterning confirmed promiscuous binding of JAK1, JAK2 and TYK2 to IFNAR1 and IFNAR2, in line with an AlphaFold model that shows JAKs interchangeability on IFNAR ICDs. Similar promiscuity of JAK binding was observed for TPOR and GHR but not EPOR, accompanied by different downstream signaling activity. The competitive binding of JAKs to cytokine receptors together with the highly diverse absolute and relative JAK expression levels can account for cell typedependent signaling pleiotropy observed for cytokine receptors.

Interleukin-10 is a dimeric cytokine with both immune-suppressive and immune-stimulatory activities. Despite its immuno-modulatory potential, IL-10-based therapies have shown only marginal benefits in the clinic. Here we have explored whether the stability of the IL-10-receptor complex contributes to IL-10 immuno-modulatory potency. For that, we have generated an IL-10 mutant with greatly enhanced affinity for its IL-10Rβ receptor via yeast surface display. The affinity enhanced IL-10 variants recruited IL-10Rβ more efficiently into active cell surface signaling complexes than the wild-type cytokine and triggered more potent STAT1 and STAT3 activation in human monocytes and CD8 T cells. This in turn led to more robust induction of IL-10-mediated gene expression programs at a wide range of ligand concentrations in both human cell subsets. IL-10 regulated genes are involved in monocyte energy homeostasis, migration and trafficking, and genes involved in CD8 T cell exhaustion. Interestingly, at non-saturating doses, IL-10 lost key components of its gene-expression program, which may explain its lack of efficacy in clinical settings. Remarkably, our engineered IL-10 variant exhibited a more robust bioactivity profile than IL-10 wt at all the doses tested in monocytes and CD8 T cells. Moreover, CAR-modified T cells expanded with the engineered IL-10 variant displayed superior cytolytic activity than those expanded with IL-10 wt. Our study provides unique insights into how IL-10-receptor complex stability fine-tunes IL-10 biology, and opens new opportunities to revitalize failed IL-10 therapies.