Foxp3轉錄調控的探究論文
Foxp3，叉頭/翼狀螺旋轉錄因子3，是調節(jié)性T細胞關鍵性的轉錄因子，賦予調節(jié)性T細胞抑制功能。這個轉錄因子也通過與其他轉錄因子相互作用調節(jié)相關基因的表達，如NFAT(T細胞活化核因子)、NF-κB(核因子κB)、Runxl(runt相關轉錄因1)/AML1(急性白血病1)。盡管人們對于Foxp3進行了許多的研究，但是Foxp3是如何調節(jié)自身轉錄并未分析透徹。什么信號促使Foxp3自身轉錄，這是調節(jié)性T細胞在生物學領域的一個關鍵問題。最近的研究表明，通過T細胞受體(TCR)信號通路啟動，白細胞介素2受體(IL-2R)信號轉導和轉錄激活因子(STAT)途徑、轉化生長因子β(TGF-β)/Smad通路、Notch信號通路、干擾素(IFN)/干擾素調節(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)/哺乳動物雷帕霉素靶(mTOR)軸，均參與Foxp3轉錄調控。
1、Foxp3結構和功能
Foxp3是調控調節(jié)性T細胞(Treg)功能的關鍵性的轉錄因子，但其調控的分子機制仍待進一步闡明。Foxp3由一個氨基末端脯氨酸富集的區(qū)域(氨基酸1～193)和3個可辨別的功能結構域，羧基末端叉頭域(氨基酸338～421)，一個單一的C2H2型鋅指基序(氨基酸200-223)和一個亮氨酸拉鏈樣基序(氨基酸240～261)組成。X染色體性聯遺傳癥候群(IPEX)的患者，體內存在突變的Foxp3，這些患者表現出的癥狀與調節(jié)性T細胞缺陷疾病所表現的癥狀相一致。這一現象提示，突變的Foxp3可導致調節(jié)性T細胞功能的喪失。Foxp3結構中可能發(fā)生突變的區(qū)域已經被發(fā)現，包括上述除鋅指基序以外的每個結構域。若其羧基末端叉頭域發(fā)生突變，Foxp3與DNA結合能力減弱，而在亮氨酸拉鏈結構域的2個各自突變則會影響Foxp3同源和異源二聚體的形成。同時，關于Foxp1和Foxp2的相關研究也進一步證實亮氨酸拉鏈域的重要性，刪除亮氨酸拉鏈域會喪失其作為轉錄抑制因子的能力。
能與Foxp3關聯的蛋白復合物包括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協同結合于IL-2啟動子。經結構分析預測，Foxp3叉頭域的殘基直接與NFAT作用，當Foxp3殘基發(fā)生誘變后，其抑制IL-2產生的能力降低。Lee等證實Foxp3可與磷酸化c-Jun相互作用，從而改變Foxp3的核定位和抑制轉錄因子活化蛋白-1(AP-1)的DNA 結合能力。除此以外，Foxp3 能夠與Runx1/AML1 相互作用。RUNX家族成員(Runx1，2，3)對于造血發(fā)育至關重要，在CD4+T細胞中執(zhí)行多種功能。Shameli等發(fā)現Foxp3和Runx1對IL-2啟動子的作用方式與Foxp3-NFAT作用方式存在區(qū)別。Foxp3與Runx1相互作用位點并不在DNA結合域，而且啟動子上每個轉錄因子結合位點之間均間隔一定的距離。
2、參與Foxp3轉錄的主要信號通路
2.1、IL-2R/STAT通路
IL-2在效應T細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鍵因子。根據目前的研究，IL-2R，而不是IL-2，是調節(jié)性T 細胞分化和Foxp3轉錄所必須的。IL-2R復合物的組分基因缺陷導致IL-2R信號傳導途徑的破壞，造成了嚴重的由T細胞介導的自身免疫，而不是免疫缺陷。IL-2-/-小鼠盡管易發(fā)生自身免疫，但Foxp3+ 調節(jié)性T細胞的數量相對正常。通過IL-2R/γ復雜的細胞因子信號通路，以促進調節(jié)性T細胞的分化。IL-2R下游信號可以通過Janus激酶(JAK)/STAT通路活化。STATs是擁有幾個轉錄因子的超家族，可由多種細胞因子，激素和生長因子活化。STATs通過酪氨酸磷酸酶激活，主要由Janus激酶(JAK)導致STATs二聚化，核轉移和參與靶基因轉錄調控。其中STAT5分子是IL-2信號通路的關鍵成分，它的不足使得天然的CD4+CD25+ Treg細胞數量減少從而導致自身免疫性疾病。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CD4+ T細胞Foxp3的轉錄。在此過程中，這些活化的轉錄因子移到核內，結合至高度保守的位于Foxp3基因啟動子區(qū)或第一內含子的STAT結合基序，導致Foxp3的轉錄增加。IL-2R信號通路除了正調控Foxp3的轉錄水平以外，同時也可以負性調節(jié)Foxp3轉錄。蛋白酪氨酸磷酸酶使相關細胞因子如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結構域結合至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)也導致其他信號通路激活，包括PI3K/Akt/mTOR途徑和促分裂原活化蛋白激酶(MAPK)途徑。但是，有研究表明盡管調節(jié)性T細胞中具有明顯的IL-2R信號圖譜，但其下游調節(jié)者PI3K卻沒有被激活，而JAK/STAT依賴的信號仍然存在。這些說明了IL-2主要誘導JAK/STAT信號而非PI3K信號，這可能解釋了IL-2對Treg和效應T細胞的一些不同功能。
2.2、TGF-β/SMAD通路
轉化生長因子β(TGF-β)是參與調節(jié)細胞生長和分化的重要細胞因子。TGF-β1通過與絲氨酸/蘇氨酸激酶受體結合，誘導Smad2/3磷酸化，磷酸化的Smad2/3與Smad4形成蛋白復合物，隨后轉入細胞核內，通過招募共活化劑如CBP/p300，調節(jié)靶基因的轉錄。Smad7蛋白也參與靶基因的轉錄調節(jié)，但主要發(fā)揮抑制作用。大量的研究結果已表明：TGF-β在調節(jié)性T細胞分化和增殖過程中發(fā)揮著不可替代的作用。TGF-β對于維持外周淋巴組織中Treg的細胞數量是必不可少的，同時TGF-β能增強初始T細胞轉化成Treg細胞的能力。作為TGF-β信號轉導器，Smad蛋白，尤其是Smad3，能調節(jié)大部分TGF-β的活性。Anthoni等運用Smad3敲基因小鼠模型，研究Smad3在接觸性超敏反應中的作用，發(fā)現由于Smad3-TGF-β信號缺失導致炎癥的增加，Th2和Th17型免疫應答下調以及淋巴結中Foxp3的mRNA表達下降。Tone和同事研究發(fā)現Foxp3相對保守的增強子位點可與轉錄因子Smad3和NFAT結合，表明TGF-β是通過該位點來調節(jié)Foxp3的轉錄。而且Smad3和NFAT的結合，對誘導增強子區(qū)域組蛋白乙�；虵oxp3轉錄是不可或缺的。但Smad3結合于增強子只發(fā)生在TGF-β依賴性誘導Foxp3表達的早期階段，而在后期可能不發(fā)揮重要的作用，而NFAT與增強子結合在誘導Foxp3表達的整個期間均發(fā)揮關鍵性的作用。這些發(fā)現，從Foxp3的轉錄水平闡明了TGF-β對Foxp3+Treg細胞功能上的影響。
2.3、NOTCH1通路
Notch和其配體與T細胞成熟的調控和分化等多個過程有關。研究證實Notch信號參與調節(jié)性T細胞的分化和Foxp3轉錄。運用抗Notch1的配體(anti-Jagged1)或阻斷性抗Notch1抗體來阻斷Notch1信號，可體外抑制調節(jié)性T細胞的抑制功能。同時，Notch信號可以通過RBP-J(recombination signal sequence binding protein J)和HES1(hairy and enhancer of split-1)依賴機制調節(jié)Foxp3啟動。在調節(jié)性T細胞中，Notch胞內段(NICD)轉入細胞核，與Foxp3結合并反式激活RBP-J。RBP-J識別一段保守DNA序列，其存在于多個下游基因包括HES家庭成員HES1。研究者認為Notch信號可以雙向調節(jié)Foxp3啟動子：在低濃度Notch信號通過NICD-RBP-J復合物激活Foxp3的啟動子，而在高濃度，它通過HES1抑制Foxp3啟動子。
Notch信號通路的信號模式和TGF-β信號通路有相似之處，他們均通過NICD和Smad3蛋白相互作用來實現對靶基因的調控。過表達NICD便于pSmad3易位至細胞核，并且由于Treg細胞對Smad蛋白敏感而增強啟動子上pSmad3轉錄活性。γ-分泌酶(GSI)通過抑制Notch信號通路，從而阻斷由TGF-β1誘導的Foxp3轉錄和表達。此外，GSI還可以抑制NICD，核轉錄因子CSL和Smad結合于Foxp3的啟動子保守的結合位點。另外，體內實驗也證實GSI可以通過抑制Foxp3轉錄水平，引起與TGF-β的信號傳導和Treg調節(jié)功能異常所導致的自身免疫性肝炎一致的癥狀。這些實驗數據表明Notch1信號能促進TGF-β介導的Treg抑制功能和Foxp3轉錄。總之，Notch和TGF-β的信號通路共同調節(jié)在體內外Foxp3轉錄，并且參與維持Treg功能。
2.4、IFN/IRF及IFN/NO
IFN-γ是一個標志性的促炎細胞因子，啟動干擾素調節(jié)基因，包括干擾素調節(jié)因子1(IRF1)的轉錄，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節(jié)過程的多效轉錄因子，IRF1是CD4+CD25+Foxp3+Treg細胞Foxp3轉錄的直接負調節(jié)者。通過特異性抑制Foxp3的轉錄和表達，IRF1負性調控CD4+CD25+Treg細胞的發(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細胞顯著增加。此外，IRF1-/-來源的`CD4+CD25-T細胞易分化成CD4+CD25+Foxp3+Treg細胞，而IRF1-/-來源的CD4+CD25- T 細胞，若恢復其IRF1的表達，則分化為CD4+CD25+Foxp3+Treg細胞的能力受損。在功能上，與野生型Treg細胞相比，從IRF1-/-小鼠分離的和TGF-β誘導的CD4+CD25+Treg細胞都表現出更強的抑制活性。IRF1結合于體內Foxp3基因啟動子一個高度保守的IRF共識元件序列，并負性調控其轉錄活性。IRF4是干擾素調節(jié)因子中另一家庭成員，IRF-4與NFATc2(Nuclear factorof activated T-cells cytoplasmic 2)協同作用，加強NFATc2驅使的IL-4啟動子轉錄激活，從而抑制Foxp3的轉錄。NO是一個多種生物功能的關鍵調節(jié)者，同時參與一些重要的免疫病理反應。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活性的有效誘導劑。實驗表明，STAT1磷酸化可以導致NOS轉錄。值得注意的是，在缺乏IFN-γ的情況下，通過抑制NOS可阻止Foxp3的轉錄和NO合成，證實了IFN-γ-STAT1-NO在Foxp3的轉錄中的重要作用。Farrow等發(fā)現NO可以誘導CD4+CD25-T細胞轉化為CD4+CD25+ Foxp3-Tregs細胞。也有證據表明IFN-γ通過抑制IL-4從而上調Foxp3的表達。IFN-γ作為免疫應答和炎癥的主要調節(jié)者，具有雙向免疫調節(jié)的功能。
2.5、PI3K/Akt/mTOR
PI3K和蛋白激酶B(PKB或Akt)信號軸在細胞增殖和生長信號中起重要作用。對于免疫系統(tǒng)，大量數據闡明此信號通路在淋巴細胞發(fā)育中的作用。PI3K/Akt通路是由TCR復合物(TCR/CD3)介導的T細胞活化所必需的。通過免疫受體中基于酪氨酸活化的基序中的CD3胞質尾，TCR/CD3復合物刺激信號進行轉導。許多證據表明PI3K/Akt/mTOR信號網絡參與調節(jié)性T 細胞分化和功能：在P110δ(PI3K的催化亞基)缺陷的小鼠胸腺中，調節(jié)性T細胞數量增加;雷帕霉素可以促進在特定環(huán)境中Treg細胞的分化，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誘導的Foxp3轉錄和表達。Sauer等所提供的遺傳學和藥理學數據表明，TCR信號的終止和PI3K的P110α，P110δ/Akt/mTOR的抑制，促進Foxp3的表達。相反，持續(xù)的TCR信號和PI3K/AKT/mTOR活化，阻止Foxp3的誘導。在染色質水平，二-和三-甲基化的組蛋白H3K4位于Foxp3的轉錄起始位點附近，5'端非編碼區(qū)激活Foxp3的轉錄，誘導Foxp3表達。這些數據證實，TCR/PI3K/Akt/mTOR信號參與Foxp3的轉錄調控。在TGF-β刺激下，能檢測到pSmad2(S465/467)的表達，但在TCR 信號剝奪或PI3K 和mTOR的抑制時則無表達。運用中和TGF-β的抗體和Smad激酶抑制劑，阻斷由TGF-β誘導的Foxp3的表達，但并沒有影響由PI3K/mTOR 抑制劑誘導的Foxp3 表達。因此，即使TGF-β是Foxp3轉錄的一個功能強大的誘導劑并且與PI3K/mTOR的抑制劑發(fā)揮協同作用，但目前沒有任何證據表明，PI3K/mTOR的Foxp3轉錄調節(jié)系統(tǒng)中TGF-β是必不可少的。PI3K/Akt/mTOR信號通路的抑制代表了對自身免疫性疾病另一種有效的治療策略。
3、結語
Foxp3作為調節(jié)性T細胞的分化、增殖和功能的調節(jié)者，其轉錄的抑制/促進因子，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。在轉錄水平，Foxp3與NFAT、AML1等其他因子相互作用結合于Treg細胞重要基因的啟動子區(qū)域，以上調或下調重要分子(表面標志、細胞因子)的表達。另外，Foxp3本身的表達水平受外界因素的影響，如TCR的活化信號、重要細胞因子(IL-2，TGF-β，IFN-γ等)的表達水平、重要轉錄因子(NFAT，Smad，STAT，PI3K，Akt)通過相互作用調節(jié)Foxp3基因調控元件。
總之，研究有關Foxp3的上游信號分子，通過調節(jié)Foxp3+Treg細胞，將有助于對自身免疫性疾病，炎性疾病，移植排斥，感染和腫瘤發(fā)病機制的進一步認識。
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