ABSTRACT Cytokines elicit pleiotropic and non-redundant activities despite strong overlap in their usage of receptors, JAKs and STATs molecules. We use IL-6 and IL-27 to ask how two cytokines activating the same signaling pathway have different biological roles. We found that IL-27 induces more sustained STAT1 phosphorylation than IL-6, with the two cytokines inducing comparable levels of STAT3 phosphorylation. Mathematical and statistical modelling of IL-6 and IL-27 signaling identified STAT3 binding to GP130, and STAT1 binding to IL-27Rα, as the main dynamical processes contributing to sustained pSTAT1 by IL-27. Mutation of Tyr613 on IL-27Rα decreased IL-27-induced STAT1 phosphorylation by 80% but had limited effect on STAT3 phosphorylation. Strong receptor/STAT coupling by IL-27 initiated a unique gene expression program, which required sustained STAT1 phosphorylation and IRF1 expression and was enriched in classical Interferon Stimulated Genes. Interestingly, the STAT/receptor coupling exhibited by IL-6/IL-27 was altered in patients with Systemic lupus erythematosus (SLE). IL-6/IL-27 induced a more potent STAT1 activation in SLE patients than in healthy controls, which correlated with higher STAT1 expression in these patients. Partial inhibition of JAK activation by sub-saturating doses of Tofacitinib specifically lowered the levels of STAT1 activation by IL-6. Our data show that receptor and STATs concentrations critically contribute to shape cytokine responses and generate functional pleiotropy in health and disease.

Cytokines activate downstream signaling networks via assembly of cell surface receptors, but it is unclear whether modulation of cytokine-receptor binding parameters can modify biological outcomes. We have engineered variants of IL-6 with different affinities to the gp130 receptor chain to investigate how cytokine receptor binding kinetics influence functional selectivity. Engineered IL-6 variants showed a range of signaling amplitudes, from minimal to full agonist, and induced biased signaling, with changes in receptor binding kinetics affecting more profoundly STAT1 than STAT3 phosphorylation. We show that this differential signaling arises from defective translocation of ligand-gp130 complexes to the endosomal compartment and competitive STAT1/STAT3 binding to phospho-tyrosines in gp130, and results in unique patterns of STAT3 binding to chromatin. This, in turn, leads to a graded gene expression response and substantial differences in ex vivo differentiation of Th17, Th1 and Treg cells. These results provide a molecular understanding of signaling biased by cytokine receptors, and demonstrate that manipulation of signaling thresholds is a useful strategy to decouple cytokine functional pleiotropy.

Cytokines are highly pleiotropic ligands that critically contribute to a balanced immune response. We have an incomplete understanding of how cytokines elicit their functional pleiotropy, which has limited their therapeutic use. Here, using Interleukin-6 (IL-6) as a model system, we have performed detailed phosphoproteomic and transcriptomic studies in human Th-1 cells to address the molecular bases defining cytokine functional pleiotropy. We have identified CDK8 as a new negative regulator of STAT3 transcriptional activities that contributes to the diversification of IL-6 responses. We found that CDK8 is a major regulator of the IL-6 phosphoproteome and interacts with STAT3 in the nucleus upon IL-6 stimulation. Inhibition of CDK8 activity, using specific small molecules inhibitors, reduced the IL-6-induced phosphoproteome by 23% in Th-1 cells, including STAT3 Ser727 phosphorylation. This, in turn, resulted in retention of tyrosine phosphorylated STAT3 in the nucleus, which increased the binding of STAT3 to target DNA sites in the genome with a concomitant increase in STAT3 mediated transcriptional activity. Importantly, inhibition of CDK8 activity under Th-17 polarizing conditions resulted in an enhancement of Th-17 differentiation. Our results support a model where CDK8 regulates STAT3 transcriptional processivity via modulation of its gene loci resident time, critically contributing to tuning STAT3 mediated responses.

Lysosomes are subcellular compartments characterised by an acidic pH, containing an ample variety of acid hydrolases involved in the recycling of biopolymers. Among these hydrolases, lysosomal proteases have merely been considered as end-destination proteases responsible for the digestion of waste proteins, trafficked to the lysosomal compartment through autophagy and endocytosis. However, recent reports have started to unravel specific roles for these proteases in the regulation of initially unexpected biological processes, both under physiological and pathological conditions. Furthermore, some lysosomal proteases are no longer restricted to the lysosomal compartment, as more novel non-canonical, extralysosomal targets are being identified. Currently, lysosomal proteases are accepted to play key functions in the extracellular milieu, attached to the plasma membrane and even in the cytosolic and nuclear compartments of the cell. Under physiological conditions, lysosomal proteases, through non-canonical, extralysosomal activities, have been linked to cell differentiation, regulation of gene expression, and cell division. Under pathological conditions, these proteases have been linked to cancer, mostly through their extralysosomal activities in the cytosol and nuclei of cells. In this review, we aim to provide a comprehensive summary of our current knowledge about the extralysosomal, non-canonical functions of lysosomal proteases, both under physiological and pathological conditions, with a particular interest in cancer, that could potentially offer new opportunities for clinical intervention.