Foxp3轉(zhuǎn)錄調(diào)控的探究論文
Foxp3，叉頭/翼狀螺旋轉(zhuǎn)錄因子3，是調(diào)節(jié)性T細(xì)胞關(guān)鍵性的轉(zhuǎn)錄因子，賦予調(diào)節(jié)性T細(xì)胞抑制功能。這個(gè)轉(zhuǎn)錄因子也通過與其他轉(zhuǎn)錄因子相互作用調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達(dá)，如NFAT(T細(xì)胞活化核因子)、NF-κB(核因子κB)、Runxl(runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因1)/AML1(急性白血病1)。盡管人們對(duì)于Foxp3進(jìn)行了許多的研究，但是Foxp3是如何調(diào)節(jié)自身轉(zhuǎn)錄并未分析透徹。什么信號(hào)促使Foxp3自身轉(zhuǎn)錄，這是調(diào)節(jié)性T細(xì)胞在生物學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵問題。最近的研究表明，通過T細(xì)胞受體(TCR)信號(hào)通路啟動(dòng)，白細(xì)胞介素2受體(IL-2R)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子(STAT)途徑、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β(TGF-β)/Smad通路、Notch信號(hào)通路、干擾素(IFN)/干擾素調(diào)節(jié)因子(IRF)和IFN/一氧化氮(NO)軸以及磷脂酰肌醇3 激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)/哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶(mTOR)軸，均參與Foxp3轉(zhuǎn)錄調(diào)控。
1、Foxp3結(jié)構(gòu)和功能
Foxp3是調(diào)控調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(Treg)功能的關(guān)鍵性的轉(zhuǎn)錄因子，但其調(diào)控的分子機(jī)制仍待進(jìn)一步闡明。Foxp3由一個(gè)氨基末端脯氨酸富集的區(qū)域(氨基酸1～193)和3個(gè)可辨別的功能結(jié)構(gòu)域，羧基末端叉頭域(氨基酸338～421)，一個(gè)單一的C2H2型鋅指基序(氨基酸200-223)和一個(gè)亮氨酸拉鏈樣基序(氨基酸240～261)組成。X染色體性聯(lián)遺傳癥候群(IPEX)的患者，體內(nèi)存在突變的Foxp3，這些患者表現(xiàn)出的癥狀與調(diào)節(jié)性T細(xì)胞缺陷疾病所表現(xiàn)的癥狀相一致。這一現(xiàn)象提示，突變的Foxp3可導(dǎo)致調(diào)節(jié)性T細(xì)胞功能的喪失。Foxp3結(jié)構(gòu)中可能發(fā)生突變的區(qū)域已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，包括上述除鋅指基序以外的每個(gè)結(jié)構(gòu)域。若其羧基末端叉頭域發(fā)生突變，F(xiàn)oxp3與DNA結(jié)合能力減弱，而在亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)域的2個(gè)各自突變則會(huì)影響Foxp3同源和異源二聚體的形成。同時(shí)，關(guān)于Foxp1和Foxp2的相關(guān)研究也進(jìn)一步證實(shí)亮氨酸拉鏈域的重要性，刪除亮氨酸拉鏈域會(huì)喪失其作為轉(zhuǎn)錄抑制因子的能力。
能與Foxp3關(guān)聯(lián)的蛋白復(fù)合物包括NFAT和NF-κB、磷酸化c-Jun、Runx1/AML1。NFAT和NF-κB能與Foxp3發(fā)生免疫共沉淀，且Foxp3和NFAT協(xié)同結(jié)合于IL-2啟動(dòng)子。經(jīng)結(jié)構(gòu)分析預(yù)測(cè)，F(xiàn)oxp3叉頭域的殘基直接與NFAT作用，當(dāng)Foxp3殘基發(fā)生誘變后，其抑制IL-2產(chǎn)生的能力降低。Lee等證實(shí)Foxp3可與磷酸化c-Jun相互作用，從而改變Foxp3的核定位和抑制轉(zhuǎn)錄因子活化蛋白-1(AP-1)的DNA 結(jié)合能力。除此以外，F(xiàn)oxp3 能夠與Runx1/AML1 相互作用。RUNX家族成員(Runx1，2，3)對(duì)于造血發(fā)育至關(guān)重要，在CD4+T細(xì)胞中執(zhí)行多種功能。Shameli等發(fā)現(xiàn)Foxp3和Runx1對(duì)IL-2啟動(dòng)子的作用方式與Foxp3-NFAT作用方式存在區(qū)別。Foxp3與Runx1相互作用位點(diǎn)并不在DNA結(jié)合域，而且啟動(dòng)子上每個(gè)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)之間均間隔一定的距離。
2、參與Foxp3轉(zhuǎn)錄的主要信號(hào)通路
2.1、IL-2R/STAT通路
IL-2在效應(yīng)T細(xì)胞的分化和增殖中起重要作用，也是建立和維持免疫耐受的關(guān)鍵因子。根據(jù)目前的研究，IL-2R，而不是IL-2，是調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞分化和Foxp3轉(zhuǎn)錄所必須的。IL-2R復(fù)合物的組分基因缺陷導(dǎo)致IL-2R信號(hào)傳導(dǎo)途徑的破壞，造成了嚴(yán)重的由T細(xì)胞介導(dǎo)的自身免疫，而不是免疫缺陷。IL-2-/-小鼠盡管易發(fā)生自身免疫，但Foxp3+ 調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的數(shù)量相對(duì)正常。通過IL-2R/γ復(fù)雜的細(xì)胞因子信號(hào)通路，以促進(jìn)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的分化。IL-2R下游信號(hào)可以通過Janus激酶(JAK)/STAT通路活化。STATs是擁有幾個(gè)轉(zhuǎn)錄因子的超家族，可由多種細(xì)胞因子，激素和生長(zhǎng)因子活化。STATs通過酪氨酸磷酸酶激活，主要由Janus激酶(JAK)導(dǎo)致STATs二聚化，核轉(zhuǎn)移和參與靶基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控。其中STAT5分子是IL-2信號(hào)通路的關(guān)鍵成分，它的不足使得天然的CD4+CD25+ Treg細(xì)胞數(shù)量減少從而導(dǎo)致自身免疫性疾病。Alahgholi-Hajibehzad等研究表明，IL-2在體外通過激活JAK1和JAK3，STATs發(fā)生磷酸化，尤其是STAT5，從而上調(diào)CD4+ T細(xì)胞Foxp3的轉(zhuǎn)錄。在此過程中，這些活化的轉(zhuǎn)錄因子移到核內(nèi)，結(jié)合至高度保守的位于Foxp3基因啟動(dòng)子區(qū)或第一內(nèi)含子的STAT結(jié)合基序，導(dǎo)致Foxp3的轉(zhuǎn)錄增加。IL-2R信號(hào)通路除了正調(diào)控Foxp3的轉(zhuǎn)錄水平以外，同時(shí)也可以負(fù)性調(diào)節(jié)Foxp3轉(zhuǎn)錄。蛋白酪氨酸磷酸酶使相關(guān)細(xì)胞因子如IFN-α的受體上的酪氨酸殘基和活化的STATs去磷酸化。STATs蛋白抑制劑通過SH2結(jié)構(gòu)域結(jié)合至IL-2受體或JAK的磷酸酪氨酸殘基，發(fā)揮抑制作用。IL-2R觸發(fā)也導(dǎo)致其他信號(hào)通路激活，包括PI3K/Akt/mTOR途徑和促分裂原活化蛋白激酶(MAPK)途徑。但是，有研究表明盡管調(diào)節(jié)性T細(xì)胞中具有明顯的IL-2R信號(hào)圖譜，但其下游調(diào)節(jié)者PI3K卻沒有被激活，而JAK/STAT依賴的信號(hào)仍然存在。這些說明了IL-2主要誘導(dǎo)JAK/STAT信號(hào)而非PI3K信號(hào)，這可能解釋了IL-2對(duì)Treg和效應(yīng)T細(xì)胞的一些不同功能。
2.2、TGF-β/SMAD通路
轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β(TGF-β)是參與調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)和分化的重要細(xì)胞因子。TGF-β1通過與絲氨酸/蘇氨酸激酶受體結(jié)合，誘導(dǎo)Smad2/3磷酸化，磷酸化的Smad2/3與Smad4形成蛋白復(fù)合物，隨后轉(zhuǎn)入細(xì)胞核內(nèi)，通過招募共活化劑如CBP/p300，調(diào)節(jié)靶基因的轉(zhuǎn)錄。Smad7蛋白也參與靶基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)，但主要發(fā)揮抑制作用。大量的研究結(jié)果已表明：TGF-β在調(diào)節(jié)性T細(xì)胞分化和增殖過程中發(fā)揮著不可替代的作用。TGF-β對(duì)于維持外周淋巴組織中Treg的細(xì)胞數(shù)量是必不可少的，同時(shí)TGF-β能增強(qiáng)初始T細(xì)胞轉(zhuǎn)化成Treg細(xì)胞的能力。作為TGF-β信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)器，Smad蛋白，尤其是Smad3，能調(diào)節(jié)大部分TGF-β的活性。Anthoni等運(yùn)用Smad3敲基因小鼠模型，研究Smad3在接觸性超敏反應(yīng)中的作用，發(fā)現(xiàn)由于Smad3-TGF-β信號(hào)缺失導(dǎo)致炎癥的增加，Th2和Th17型免疫應(yīng)答下調(diào)以及淋巴結(jié)中Foxp3的mRNA表達(dá)下降。Tone和同事研究發(fā)現(xiàn)Foxp3相對(duì)保守的增強(qiáng)子位點(diǎn)可與轉(zhuǎn)錄因子Smad3和NFAT結(jié)合，表明TGF-β是通過該位點(diǎn)來調(diào)節(jié)Foxp3的轉(zhuǎn)錄。而且Smad3和NFAT的結(jié)合，對(duì)誘導(dǎo)增強(qiáng)子區(qū)域組蛋白乙酰化和Foxp3轉(zhuǎn)錄是不可或缺的。但Smad3結(jié)合于增強(qiáng)子只發(fā)生在TGF-β依賴性誘導(dǎo)Foxp3表達(dá)的早期階段，而在后期可能不發(fā)揮重要的作用，而NFAT與增強(qiáng)子結(jié)合在誘導(dǎo)Foxp3表達(dá)的整個(gè)期間均發(fā)揮關(guān)鍵性的作用。這些發(fā)現(xiàn)，從Foxp3的轉(zhuǎn)錄水平闡明了TGF-β對(duì)Foxp3+Treg細(xì)胞功能上的影響。
2.3、NOTCH1通路
Notch和其配體與T細(xì)胞成熟的調(diào)控和分化等多個(gè)過程有關(guān)。研究證實(shí)Notch信號(hào)參與調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的分化和Foxp3轉(zhuǎn)錄。運(yùn)用抗Notch1的配體(anti-Jagged1)或阻斷性抗Notch1抗體來阻斷Notch1信號(hào)，可體外抑制調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的抑制功能。同時(shí)，Notch信號(hào)可以通過RBP-J(recombination signal sequence binding protein J)和HES1(hairy and enhancer of split-1)依賴機(jī)制調(diào)節(jié)Foxp3啟動(dòng)。在調(diào)節(jié)性T細(xì)胞中，Notch胞內(nèi)段(NICD)轉(zhuǎn)入細(xì)胞核，與Foxp3結(jié)合并反式激活RBP-J。RBP-J識(shí)別一段保守DNA序列，其存在于多個(gè)下游基因包括HES家庭成員HES1。研究者認(rèn)為Notch信號(hào)可以雙向調(diào)節(jié)Foxp3啟動(dòng)子：在低濃度Notch信號(hào)通過NICD-RBP-J復(fù)合物激活Foxp3的啟動(dòng)子，而在高濃度，它通過HES1抑制Foxp3啟動(dòng)子。
Notch信號(hào)通路的信號(hào)模式和TGF-β信號(hào)通路有相似之處，他們均通過NICD和Smad3蛋白相互作用來實(shí)現(xiàn)對(duì)靶基因的調(diào)控。過表達(dá)NICD便于pSmad3易位至細(xì)胞核，并且由于Treg細(xì)胞對(duì)Smad蛋白敏感而增強(qiáng)啟動(dòng)子上pSmad3轉(zhuǎn)錄活性。γ-分泌酶(GSI)通過抑制Notch信號(hào)通路，從而阻斷由TGF-β1誘導(dǎo)的Foxp3轉(zhuǎn)錄和表達(dá)。此外，GSI還可以抑制NICD，核轉(zhuǎn)錄因子CSL和Smad結(jié)合于Foxp3的啟動(dòng)子保守的結(jié)合位點(diǎn)。另外，體內(nèi)實(shí)驗(yàn)也證實(shí)GSI可以通過抑制Foxp3轉(zhuǎn)錄水平，引起與TGF-β的信號(hào)傳導(dǎo)和Treg調(diào)節(jié)功能異常所導(dǎo)致的自身免疫性肝炎一致的癥狀。這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明Notch1信號(hào)能促進(jìn)TGF-β介導(dǎo)的Treg抑制功能和Foxp3轉(zhuǎn)錄�？傊�，Notch和TGF-β的信號(hào)通路共同調(diào)節(jié)在體內(nèi)外Foxp3轉(zhuǎn)錄，并且參與維持Treg功能。
2.4、IFN/IRF及IFN/NO
IFN-γ是一個(gè)標(biāo)志性的促炎細(xì)胞因子，啟動(dòng)干擾素調(diào)節(jié)基因，包括干擾素調(diào)節(jié)因子1(IRF1)的轉(zhuǎn)錄，在炎癥和自身免疫疾病中起重要作用。IRF1是一種涉及各種免疫調(diào)節(jié)過程的多效轉(zhuǎn)錄因子，IRF1是CD4+CD25+Foxp3+Treg細(xì)胞Foxp3轉(zhuǎn)錄的直接負(fù)調(diào)節(jié)者。通過特異性抑制Foxp3的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，IRF1負(fù)性調(diào)控CD4+CD25+Treg細(xì)胞的發(fā)育和功能。IRF1-/-小鼠的胸腺和所有外周淋巴器官，其高度分化CD4+CD25+Foxp3+Treg細(xì)胞顯著增加。此外，IRF1-/-來源的`CD4+CD25-T細(xì)胞易分化成CD4+CD25+Foxp3+Treg細(xì)胞，而IRF1-/-來源的CD4+CD25- T 細(xì)胞，若恢復(fù)其IRF1的表達(dá)，則分化為CD4+CD25+Foxp3+Treg細(xì)胞的能力受損。在功能上，與野生型Treg細(xì)胞相比，從IRF1-/-小鼠分離的和TGF-β誘導(dǎo)的CD4+CD25+Treg細(xì)胞都表現(xiàn)出更強(qiáng)的抑制活性。IRF1結(jié)合于體內(nèi)Foxp3基因啟動(dòng)子一個(gè)高度保守的IRF共識(shí)元件序列，并負(fù)性調(diào)控其轉(zhuǎn)錄活性。IRF4是干擾素調(diào)節(jié)因子中另一家庭成員，IRF-4與NFATc2(Nuclear factorof activated T-cells cytoplasmic 2)協(xié)同作用，加強(qiáng)NFATc2驅(qū)使的IL-4啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄激活，從而抑制Foxp3的轉(zhuǎn)錄。NO是一個(gè)多種生物功能的關(guān)鍵調(diào)節(jié)者，同時(shí)參與一些重要的免疫病理反應(yīng)。NO由胍基氮原子和分子氧由一氧化氮合酶(NOS)催化而來。IFN-γ是NOS活性的有效誘導(dǎo)劑。實(shí)驗(yàn)表明，STAT1磷酸化可以導(dǎo)致NOS轉(zhuǎn)錄。值得注意的是，在缺乏IFN-γ的情況下，通過抑制NOS可阻止Foxp3的轉(zhuǎn)錄和NO合成，證實(shí)了IFN-γ-STAT1-NO在Foxp3的轉(zhuǎn)錄中的重要作用。Farrow等發(fā)現(xiàn)NO可以誘導(dǎo)CD4+CD25-T細(xì)胞轉(zhuǎn)化為CD4+CD25+ Foxp3-Tregs細(xì)胞。也有證據(jù)表明IFN-γ通過抑制IL-4從而上調(diào)Foxp3的表達(dá)。IFN-γ作為免疫應(yīng)答和炎癥的主要調(diào)節(jié)者，具有雙向免疫調(diào)節(jié)的功能。
2.5、PI3K/Akt/mTOR
PI3K和蛋白激酶B(PKB或Akt)信號(hào)軸在細(xì)胞增殖和生長(zhǎng)信號(hào)中起重要作用。對(duì)于免疫系統(tǒng)，大量數(shù)據(jù)闡明此信號(hào)通路在淋巴細(xì)胞發(fā)育中的作用。PI3K/Akt通路是由TCR復(fù)合物(TCR/CD3)介導(dǎo)的T細(xì)胞活化所必需的。通過免疫受體中基于酪氨酸活化的基序中的CD3胞質(zhì)尾，TCR/CD3復(fù)合物刺激信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)導(dǎo)。許多證據(jù)表明PI3K/Akt/mTOR信號(hào)網(wǎng)絡(luò)參與調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞分化和功能：在P110δ(PI3K的催化亞基)缺陷的小鼠胸腺中，調(diào)節(jié)性T細(xì)胞數(shù)量增加;雷帕霉素可以促進(jìn)在特定環(huán)境中Treg細(xì)胞的分化，Akt等位基因持續(xù)活化以激酶依賴方式和通過雷帕霉素敏感通路大大減少由TGF-β誘導(dǎo)的Foxp3轉(zhuǎn)錄和表達(dá)。Sauer等所提供的遺傳學(xué)和藥理學(xué)數(shù)據(jù)表明，TCR信號(hào)的終止和PI3K的P110α，P110δ/Akt/mTOR的抑制，促進(jìn)Foxp3的表達(dá)。相反，持續(xù)的TCR信號(hào)和PI3K/AKT/mTOR活化，阻止Foxp3的誘導(dǎo)。在染色質(zhì)水平，二-和三-甲基化的組蛋白H3K4位于Foxp3的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)附近，5'端非編碼區(qū)激活Foxp3的轉(zhuǎn)錄，誘導(dǎo)Foxp3表達(dá)。這些數(shù)據(jù)證實(shí)，TCR/PI3K/Akt/mTOR信號(hào)參與Foxp3的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。在TGF-β刺激下，能檢測(cè)到pSmad2(S465/467)的表達(dá)，但在TCR 信號(hào)剝奪或PI3K 和mTOR的抑制時(shí)則無表達(dá)。運(yùn)用中和TGF-β的抗體和Smad激酶抑制劑，阻斷由TGF-β誘導(dǎo)的Foxp3的表達(dá)，但并沒有影響由PI3K/mTOR 抑制劑誘導(dǎo)的Foxp3 表達(dá)。因此，即使TGF-β是Foxp3轉(zhuǎn)錄的一個(gè)功能強(qiáng)大的誘導(dǎo)劑并且與PI3K/mTOR的抑制劑發(fā)揮協(xié)同作用，但目前沒有任何證據(jù)表明，PI3K/mTOR的Foxp3轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)系統(tǒng)中TGF-β是必不可少的。PI3K/Akt/mTOR信號(hào)通路的抑制代表了對(duì)自身免疫性疾病另一種有效的治療策略。
3、結(jié)語
Foxp3作為調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的分化、增殖和功能的調(diào)節(jié)者，其轉(zhuǎn)錄的抑制/促進(jìn)因子，在自身免疫疾病和腫瘤發(fā)生、發(fā)展過程中發(fā)揮著重要的作用。在轉(zhuǎn)錄水平，F(xiàn)oxp3與NFAT、AML1等其他因子相互作用結(jié)合于Treg細(xì)胞重要基因的啟動(dòng)子區(qū)域，以上調(diào)或下調(diào)重要分子(表面標(biāo)志、細(xì)胞因子)的表達(dá)。另外，F(xiàn)oxp3本身的表達(dá)水平受外界因素的影響，如TCR的活化信號(hào)、重要細(xì)胞因子(IL-2，TGF-β，IFN-γ等)的表達(dá)水平、重要轉(zhuǎn)錄因子(NFAT，Smad，STAT，PI3K，Akt)通過相互作用調(diào)節(jié)Foxp3基因調(diào)控元件。
總之，研究有關(guān)Foxp3的上游信號(hào)分子，通過調(diào)節(jié)Foxp3+Treg細(xì)胞，將有助于對(duì)自身免疫性疾病，炎性疾病，移植排斥，感染和腫瘤發(fā)病機(jī)制的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。
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