Nature:Foxo蛋白家族新成员Foxo1调控Treg细胞功能

调节性T细胞(Regulatory cell ,简称Treg )的调节以转录因子Foxp3的表达(Foxp3)为特征,它通过抑制自身破坏性免疫响应,来维持免疫稳态。然而,Foxo蛋白是否可以超越Treg细胞定型阶段以控制Treg细胞稳态和功能还不清楚。纪念斯隆-凯特琳癌症中心的Ming O. Li教授以及清华大学生物信息学部张奇伟教授带领研究人员,通过小鼠Foxo1特异性沉默分析和Foxo1结合位点全基因组分析发现了Foxo转录调节因子家族成员:Foxo1在调控调节性T细胞行使功能中所发挥的重要作用。该成果发表在201211月《Nature》杂志上。

研究人员通过表达Foxo1的基因标记细胞,设计一个Foxo1等位基因编码含有绿色荧光蛋白的框内融合蛋白标签,发现Foxo1 蛋白是调节性T细胞行使功能的一个重要调节因子,调节性T细胞能表达大量的Foxo1 蛋白,这些蛋白能调节调节性T细胞(Treg)相关的基因,这表明Foxo 蛋白是调节Treg分化的关键基因。

1 |Treg细胞FOXO1表达和T细胞受体诱导的FOXO1核排斥。

研究人员设计的Foxo1等位基因编码含有绿色荧光蛋白的框内融合蛋白标签(GFP),该标记和生物素标记的肽使在的birA转基因小鼠Foxo1的生物素化的框内融合蛋白标记,表达细菌生物素连接酶生物素化酶BirACD127T细胞表达(也称为IL7R),先前已鉴定的Foxo1的靶基因的产物,没有受到影响在Foxo1tag/tag的小鼠,表明该蛋白质标记不改变Foxo1的功能。利用GFP作为标记,研究人员发现,未成熟的胸腺细胞表达少量的Foxo1

2|Foxo1Treg细胞功能调控中起重要作用

为研究Foxo1的对Treg细胞的功能,研究人员通过敲入Foxo1等位基因和 Foxp3cre 小鼠发现了淋巴组织增生疾病是因为Treg细胞缺失的一个功能引起的,而不是缺失Treg细胞。例如:从CD4+  CD8+未成熟的T细胞中产生去除损害Treg细胞分化的Foxo1。然而,胸腺和脾Treg细胞数在12天龄的Foxp3creFoxo1fl/fl小鼠是未受影响的。20天龄,在外周淋巴组织的Foxp3creFoxo1fl/fl小鼠Treg细胞数增加。这些发现暗示,淋巴组织增生疾病是由一个损失的Treg细胞功能,而不是Treg细胞的损失。

在研究中观测到的Treg细胞对TCR诱导Foxo1的核排斥的不太敏感,表明Foxo1的依赖性转录调控为调节性T细胞的功能是至关重要的。然而,胞浆Foxo1的通过转录独立的机制调节细胞自噬。为了区分核Foxo1的和胞质Foxo1的诱导Akt激活的活动,研究人员插入一个互补的DNA片段编码。携带突变等位基因(Foxo1AAA)的小鼠与雌激素受体酶CrecreER)小鼠交叉。野生型T细胞和先前的creER Foxo1AAA/+小鼠T细胞用它莫昔芬诱导HA-hFoxo1(AAA)的表达刺激CD3CD28抗体治疗。正如研究人员预期的,在野生型Foxo1从细胞核易位到细胞质过程中,HA-hFoxo1AAA)突变体表达在核出口是有缺陷的。在交叉Foxo1AAA/+小鼠Foxp3cre小鼠中,确认具体的HA-hFoxo1AAA)表达的调节性T细胞。A-Foxo1的异位表达(AAA)不影响调节性T细胞的分化或稳态。在育种的FOXO1AAA等位基因到Foxp3cre Foxo1fl/fl小鼠,致死炎性表型完全获救,表明Treg细胞缺陷是由核Foxo1的活性损失引起的。

Foxp3作为后起作用的分化因子控制Treg细胞稳态和功能,而早期Treg细胞系定型受到Akt激酶和头叉盒O(Foxo)转录因子家族的调控。研究人员通过小鼠Foxo1特异性沉默分析,也发现这种缺陷型小鼠会发展出一种致命的炎症疾病,其严重程度与Foxp3缺陷型小鼠相似,但是不会出现调节性T细胞缺失。

3| Treg细胞中FOXO1依赖性转录

研究人员进行了Foxo1结合位点全基因组分析,通过交叉参考此数据组的Foxo1的结合的基因的数据集,发现了大约300Foxo1结合靶基因,其中24070个基因分别由Foxo1被激活或抑制的,比如促炎症细胞因子Ifng。并指出了保守性AktFoxo1 信号能调控一种调节性T细胞行使功能所必需的遗传进程。

研究人员分析了Foxo1的靶基因的基因本体和BioCarta通路关联,深入了解该进程的一般功能特点。推定Foxo1直接靶基因与信息传递,信号转导,转录和代谢有关,特别是富集在Jak-STATTCR基因和胰岛素信号传导途径中。然而,类似于野生型Treg细胞,Foxo1缺陷型Treg细胞无法产生白细胞介素(IL-2,可能是由Foxp3调控的。研究人员通过共同培养的野生型调节性T细胞和从无病creER Foxo1小鼠中预先用它莫昔芬进行急性删除Foxo1处理的Treg细胞,确定了Foxo1在细胞内是否有抑制IFN-γ表达的作用。在Foxo1的缺陷型大部分野生型调节性T细胞没产生的IFN-γ在IL-12IFN-γ刺激的条件下。野生型和Foxo1的缺陷型常规下CD4+T细胞产生相似量的IFN-γ,表明了Foxo1Treg细胞抑制IFN-γ的表达。

4 |在缺乏IFN-γ时Foxo1缺陷调节性T细胞的功能的修复

为了研究IFN-γ产量Foxo1的缺陷Treg细胞是否有助于抑制功能的他们的损失,研究人员建立了Foxp3cre Foxo1小鼠缺乏IFN-γ的背景。并使用结肠炎的传递模型评估由Foxo1的缺陷Treg细胞产生的IFN-γ中的具体功能。结果表明抑制活性在很大程度上恢复了Foxo1IFN-γ调节性T细胞,支持IFN-γ作为一个重要的Foxo1的靶基因的调节性T细胞功能的控制。

本研究结果表明,FOXO蛋白控制Foxp3的表达和调节性T细胞分化。AKT-Foxo1的信号通路进行调制,成熟Treg细胞维持高核Foxo1的活动; IFN-γ抑制一部分Foxo1的表达是调节性T细胞的功能至关重要。

研究人员还提示:通过Treg细胞产生的IFN-γ可以激活常规T细胞或抗原呈递细胞损害Treg细胞的功能,但确切的机制仍有待确定。减少的T细胞受体诱导Akt的活化已经在人类Treg细胞被观察到,这表明Foxo调控人类Treg细胞的功能。有趣的是,从感染弓形虫小鼠调节性T细胞产生IFN-γ。 IFN-γ-分泌Treg细胞的频率增加存在于多发性硬化症和糖尿病患者。将来的研究将确定Foxo1的功能的丧失是否占这些病理状况下Treg细胞可塑性和Akt-Foxo1的信号通路是否可以操纵对调节性T细胞相关的免疫疾病的治疗。

参考文献:

Novel Foxo1-dependent transcriptional programs control Treg cell function.Michael Q. Zhang, et al. Nature.2012 Nov.

作者简介:

张奇伟:清华大学信息学院与医学院双聘教授,清华信息国家实验室合成与系统生物实验室主任,首批千人计划教授。清华973国家重点基础研究发展计划项目《基于新一代测序的生物信息学理论与方法》第三课题组负责人。主要科研领域与方向:计算生物学与生物信息学;合成生物与系统生物学。