Rola czynnika transkrypcyjnego FOXP3 w rozwoju i funkcjonowaniu

Rola czynnika transkrypcyjnego FOXP3 w rozwoju i funkcjonowaniu

diagnostyka laboratoryjna Journal of Laboratory Diagnostics
2011 • Volume 47 • Number 3 • 335-340
Praca poglądowa • Review Article
Rola czynnika transkrypcyjnego FOXP3 w rozwoju
i funkcjonowaniu regulatorowych limfocytów T
Role of transcriptional factor FOXP3 in development
and function of regulatory T lymphocytes
Katarzyna Boryczka1, Piotr Kuna2, Mirosława Pietruczuk1
1
Zakład Diagnostyki Laboratoryjnej, II Katedra Chorób Wewnętrznych, 2Klinika Chorób Wewnętrznych, Astmy i Alergii, II Katedra Chorób
Wewnętrznych, Uniwersytet Medyczny w Łodzi
Streszczenie
Czynnik transkrypcyjny FOXP3, powstający w wyniku translacji genu FOXP3 zlokalizowanego w chromosomie X, jest członkiem rodziny fork-head/winged helix czynników transkrypcyjnych zaangażowanej w rozwój i funkcjonowanie regulatorowych
limfocytów T (Treg). Białko FOXP3 posiada kilka funkcjonalnych domen, których budowa ma kluczowe znaczenie dla pełnionych przez nie funkcji. FOXP3 może także współdziałać z innymi czynnikami transkrypcyjnymi. Jego ekspresję wykazują
limfocyty regulatorowe Treg, głównie CD4+CD25+, posiadające zdolność immunosupresji względem innych komórek układu
immunologicznego i odgrywające ważną rolę w utrzymaniu homeostazy i tolerancji immunologicznej. Dowiedziono na modelu
mysim, że czynnik transkrypcyjny Foxp3 pełni bardzo ważną rolę w powstawaniu i różnicowaniu limfocytów regulatorowych T.
Stwierdzono, że myszy z defektem w genie Foxp3 wykazywały hiperatywację limfocytów T CD4+, nadprodukcję cytokin prozapalnych, a w efekcie końcowym mutacja tego genu była letalna. Badania pokazują, że mutacje w poszczególnych domenach
czynnika transkrypcyjnego FOXP3 prowadzą do rozwoju chorób z autoagresji nie tylko u myszy, ale również u człowieka.
W pracy przedstawiono przegląd najważniejszych doniesień dotyczących czynnika transkrypcyjnego FOXP3 w funkcjonowaniu limfocytów Treg.
Summary
Transcription factor FOXP3, translation product of the gene FOXP3, located on the X chromosome, is a member of a forkhead/winged helix family transcription factors involved in the development and functioning of regulatory T cells (Treg). Protein
FOXP3 has several functional domains, whose structure is crucial for it functions. Transcription factor Foxp3 may also interact
with other transcription factors. Regulatory Treg cells CD4+CD25+ which have ability to immunosuppress other immunological
cells, and play an important role in maintaining homeostasis and immunological tolerance show expression of transcriptional
factor FOPX3. It is proved (mouse model) that FOXP3 plays very important role in the formation and differentiation of regulatory T cells. It was shown that mice with a defect in Foxp3 gene demonstrated hiperactivation of lymphocytes T CD4+, overproduction of proinflammatory cytokines and were lethal. Data show that mutations in specific domains of the transcription factor
FOXP3 lead to the development of autoimmune disease in mice but also in humans. The paper presents an overview of the
major reports on the transcriptional factor FOXP3 in Treg functioning.
Słowa kluczowe:czynnik transkrypcyjny, FOXP3, limfocyty regulatorowe, Treg
Key words:czynnik transkrypcyjny, FOXP3, regulatory lymphocytes, Treg
Lokalizacja i budowa genu Foxp3
Gen Foxp3 został po raz pierwszy zidentyfikowany u myszy szczepu Scurfy. Mutacja tego genu powodowała, że
osobniki męskie charakteryzowały się hiperaktywacją limfocytów T CD4+ i nadprodukcją cytokin. Hemizygotyczne
myszy przeżywały około jednego miesiąca [39]. Ludzki
gen FOXP3 jest zlokalizowany w krótkim ramieniu chromosomu X (Xq11.23-Xq13.3.). Zawiera on 11 eksonów
kodujących i 3 eksony niekodujące (ekson pierwszy, koniec 5’ eksonu drugiego i koniec 3’ eksonu dwunastego
są niekodujące). Odgrywa on rolę głównego regulatora
rozwoju limfocytów regulatorowych (Treg). Jego konstytutywna ekspresja jest niezbędna do ujawnienia się funkcji
supresorowych limfocytów Treg [14]. Gen ten jest matrycą
do powstania białka FOXP3 – molekuły zbudowanej z 431
aminokwasów.
335
Rola czynnika transkrypcyjnego FOXP3 w rozwoju i funkcjonowaniu regulatorowych limfocytów T
Produkt translacji genu FOXP3 i jego budowa
Produktem translacji genu FOXP3 jest białko FOXP3 o masie cząsteczkowej 48 kD należące do rodziny Forkhead/winged helix czynników transkrypcyjnych. U myszy wykrywa się
jedynie jedną postać białka Foxp3, natomiast u ludzi obecne
są dwie izoformy tego czynnika transkrypcyjnego – FOXP3a
i FOXP3b. Izoforma FOXP3b (FOXP3Δ2) pozbawiona jest
eksonu drugiego, który koduje region niezbędny do interakcji z jądrowymi receptorami sierocymi (retinoid-related
orphan receptor) RORα i RORγ [38]. Białko FOXP3 zawiera cztery potencjalnie funkcjonalne domeny: represorową,
domenę palca cynkowego, domenę zamka leucynowego
oraz domenę FKH (fork-head) [28]. Domena represorowa,
bogata w reszty prolinowe jest charakterystyczną cechą białka FOXP3 – motyw ten nie występuje w FOXP1, FOXP2
i FOXP4. Zlokalizowana jest w N-końcowym regionie
FOXP3. Jej obecność jest niezbędna do represji aktywności
transkrypcyjnej wywołanej oddziaływaniem NFAT (nuclear
factor of activated T cells - jądrowy czynnik aktywowanych
limfocytów T). Najważniejszym elementem budowy czynnika
FOXP3 jest domena C-końcowa fork-head, która składa się
z sekwencji 80-100 aminokwasów tworzących motyw odpowiedzialny za wiązanie się białka do DNA oraz jego lokalizacji jądrowej [20, 28]. Wiązanie się białka FOX do DNA
wpływa na regulowanie ekspresji genów zaangażowanych
we wzrost, proliferację, różnicowanie i przeżywalność komórek. Białko FOXP3 jest zaangażowane także w różnorakie
interakcje białko-białko dzięki obecności charakterystycznych domen. Wysoką ekspresję czynnika FOXP3 wykazują
regulatorowe limfocyty T CD4+CD25+. Czynnik transkrypcyjny FOXP3 jest niezbędny w procesie powstawania i prawidłowego funkcjonowania regulatorowych limfocytów T, które
spełniają bardzo ważną rolę w tolerancji immunologicznej
[8]. Ta subpopulacja limfocytów T bierze udział w ograniczaniu odpowiedzi immunologicznej innych komórek, np. efektorowych limfocytów T [5].
Mechanizmy działania FOXP3
Podobnie jak w konwencjonalnych limfocytach T, aktywacja
limfocytów regulatorowych CD4+ CD25+ prowadzi do indukcji czynnika transkrypcyjnego NFAT. W konwencjonalnych
limfocytach T wiązanie NFAT do AP-1 (activator protein 1 –
białko aktywatora 1) jest zależne od aktywacji receptora
TCR (T cell receptor – receptor limfocytów T) wraz z równoczesną kostymulacją i powoduje transkrypcję genów zaangażowanych w aktywację limfocytów T. W regulatorowych
limfocytach T CD4+CD25+, NFAT preferencyjnie wiąże się
z FOXP3 powodując transkrypcję całkiem innego zestawu
genów, co w efekcie prowadzi do supresji immunologicznej
limfocytów T [16, 28]. Ważną rolą FOXP3 jest regulowanie
produkcji cytokin poprzez interakcje z wieloma białkami,
w tym także innymi czynnikami transkrypcyjnymi, np. NFAT,
NF-кB (nuclear factor kappa B – czynnik jądrowy kappa B),
Runx1/AML1 (Runt‐related transcription factor 1/acute myeloid leukemia 1 – osteogenny czynnik transkrypcyjny 1).
336
Zarówno NFAT, jak i Runx1/AML1 są niezbędne do produkcji
IL-2 po stymulacji receptora TCR. Asocjacja FOXP3 z NFAT
lub Runx1/AML1 powoduje zahamowanie ekspresji prozapalnych cytokin - IL-2, IL-4 oraz IFN-γ. W bezpośrednich interakcjach z czynnikiem trankrypcyjnym NFAT, które są wymagane do przyłączenia się do proksymalnego odcinka
promotora interleukiny 2 (IL-2) in vivo, bierze udział domena
FKH. Interakcje FOXP3 z NFAT poprzez domenę FKH są
także niezbędne do stymulacji ekspresji niektórych antygenów limfocytów T regulatorowych, np. CTLA-4 (cytotoxic Tlymphocyte antigen 4 – antygen 4 cytotoksycznych limfocytów T) i CD25 [1, 12, 20]. FOXP3 przyłącza się także
w dalszym odcinku promotora IL-2, w kompleksie z czynnikiem transkrypcyjnym AML1/Runx1. Odmiennie od interakcji
z NFAT, interakcja z AML1 odbywa się za pośrednictwem
regionu FOXP3 pomiędzy domenami zamka leucynowego
i FKH [6]. FOXP3 wchodzi w interakcje także z innymi członkami rodziny FOXP i formuje kompleksy, które są zdolne do
aktywnego hamowania ekspresji niektórych genów [33]. Do
formowania kompleksów homodimerycznych i potencjalnie
również heterotetramerycznych, z pochodzącym z tej samej
rodziny czynników transkrypcyjnych białkiem FOXP1, wykorzystywany jest zamek leucynowy. Obecność tej domeny,
a co jest z tym związane formowanie kompleksów, jest niezbędne aby FOXP3 przyłączył się do promotora genu IL-2 in
vivo. Mimo, że nie jest pewne czy istnieją różnice pomiędzy
regulacją przez homodimer FOXP3 czy heterotetramer FOXP1-FOXP3 udowodniono, że multimeryzacja FOXP3 jest
istotna dla prawidłowego funkcjonowania limfocytów Treg,
ponieważ mutacje w domenie leucynowej uniemożliwiające
tworzenie kompleksów FOXP3 obserwowane są u pacjentów z syndromem IPEX. Amino-końcowy region FOXP3 ma
właściwości hamowania aktywności transkrypcyjnej NFAT
oraz jest niezbędny do hamowania produkcji IL-2 przez limfocyty T [14, 32, 40]. Domena ta prawdopodobnie funkcjonuje poprzez bezpośrednie interakcje z deacetylazą histonów
7 (HDAC7 - histone deacetylase 7). Dowiedziono, że łączenie się FOXP3 z promotorami dla IL-2 oraz IFN-γ koreluje
z hipoacetylacją histonów w skondensowanej chromatynie.
Niewiele wiadomo na temat mechanizmów funkcjonowania
FOXP3 jako aktywatora transkrypcji [8, 24]. Amino-końcowy
region FOXP3 jest również niezbędny do stymulowania ekspresji cząsteczek CD25 i CTLA-4 na limfocytach T CD4+.
Przyłączanie się FOXP3 do promotorów cd25 i ctla4 w korelacji z hipoacetylacją histonów w skondensowanej chromatynie sugeruje bezpośredni mechanizm aktywacji transkrypcji. FOXP3 występuje w limfocytach regulatorowych Treg
jako część dużego kompleksu, w którego skład wchodzą
także acetylotransferazyzy histonów (HAT – histone acetyltransferase) i deacetylazy histonów (HDAC – histone deacetylase). Cały ten kompleks reguluje acetylację FOXP3. Acetylacja jest bardzo ważną modyfikacją potranslacyjną, która
determinuje funkcje białka. Dowiedziono, że acetylacja
FOXP3 jest związana z jego funkcją w regulatorowych limfocytach T. Wśród enzymów zaangażowanych w proces ace-
K. Boryczka, P. Kuna i M. Pietruczuk
tylacji FOXP3 i jego regulację można wyróżnić: TIP60 (Tatinteractive protein, 60kDa), p300 (300 kDa protein), HDAC7,
HDAC9 oraz SIRT1 (sirtuin 1 – sirtuina 1). Enzym TIP60,
z rodziny białek MYST (jej nazwa pochodzi od pierwszych
liter przedstawicieli (MOZ, Ybf2-Sas3, Sas2, Tip60) i białko
p300, z rodziny p300/CBP, powodują, że czynnik FOXP3
jest acetylowany, natomiast SIRT1 jest regulatorem negatywnym tego procesu. Główną acetylotransferazą odpowiedzialną za acetylację FOXP3 jest TIP60, która kolokalizuje
się z FOXP3 w jądrze poprzez interakcje z N-końcowym regionem czynnika FOXP3 [29]. Aktywowana TIP60 wykazuje
aktywność acetylotransferazy względem wielu białek, jak np.
histony H2A, H3 i H4, kinazy białkowej ATM (ataxia telangiectasia mutated), czynniki transkrypcyjne c-myc i p53.
Może funkcjonować także jako korepresor transkrypcji zależnej od STAT-3 (signal transducer and activator of transcription 3 - przekaźnik sygnału i aktywator transkrypcji 3).
Różne acetylotransferazy modyfikują inne miejsca w czynniku FOXP3, czego skutkiem jest inna aktywność modyfikowanego białka. Stabilność FOXP3 jest znacznie większa
w obecności p300, czego nie zauważa się jeśli chodzi
o TIP60. Czynnik ten po acetylacji wykazuje większe powinowactwo do chromatyny DNA, natomiast gdy acetylowane
FOXP3 jest w kompleksie z TIP60, zwiększa się jego powinowactwo do promotora IL-2. Analiza strukturalna dowodzi,
że K250 i K252 odgrywają znaczącą rolę w w regulacji dimeryzacji FOXP3. Acetylacja tych dwóch kluczowych miejsc
może modyfikować stabilność dimeru FOXP3. Mutacje
w miejscach K250 i K252 obniżają zdolność do formowania
struktur dimerycznych FOXP3 [33]. Przyłączenie grupy acetylowej w tych miejscach przez p300 funkcjonuje jako molekularny przełącznik regulujący formowanie się struktur dimerycznych FOXP3 lub kompleksów z innymi czynnikami
transkrypcyjnymi. Rola HDAC7 i HDAC9 w acetylacji FOXP3
jest znacząca, jednak słabiej poznana, ze względu na fakt,
że klasa II HDAC nie posiada wewnętrznej funkcjonalnej aktywności katalitycznej i prawdopodobnie działa poprzez rekrutowanie HDAC klasy I do kompleksu [33]. Efekt działania
HDAC na ekspresję FOXP3 jest złożony, a poszczególne
HDAC mogą różnie wpływać na funkcjonowanie FOXP3
[27]. W większości przypadków TIP60 funkcjonuje jako aktywator transkrypcji, ale także hamuje transkrypcję niektórych
genów, co wskazuje na selektywną koregulatorową rolę
TIP60 w transkrypcji specyficznych genów. TIP60 ma zdolność do bezpośredniego wzmacniania aktywności czynników transkrypcyjnych lub funkcjonując jako korepresor tego
procesu. Pośredniczy także w hamowaniu transkrypcji poprzez rekrutowanie innych kompleksów białkowych. Przy
stymulacji IL-9, TIP60 rekrutuje HDAC7 do kompleksu jądrowego TIP60/STAT-3, przez co moduluje aktywność STAT-3
i hamuje regulowaną przez to białko transkrypcję [27]. Badania wskazały, że N-końcowy region FOXP3 jest niezbędny
do wchodzenia w interakcje z acetylotransferazą histonów TIP60. HDAC7, która jest zawsze w kompleksie z TIP60,
także wchodzi w interakcje z FOXP3. Tak powstały kompleks
uczestniczy w hamowaniu transkrypcji. Połączenie TIP60
i HDAC7 jest niezbędne dla hamowania transkrypcji IL-2
przez FOXP3. Badania in vivo wskazują, że nadekspresja
TIP60 lub HDAC7 zmniejsza całkowitą sprawność hamowania ekspresji genów, a wyłączenie endogennej TIP60 ogranicza hamowanie ekspressji zależne od FOXP3. Przypuszcza
się że HDAC7 może grać ważniejszą rolę w funkcjonowaniu
FOXP3. Prawdopodobne wydaje się, że HDAC7 przyciąga
inne komponenty do kompleksu z FOXP3 i wpływa na aktywność czynnika FOXP3 bezpośrednio. Rekrutacja HAT
i kompleksu HDAC do docelowych genów przez czynniki
transkrypcyjne jest istotna zarówno dla aktywacji transkrypcji, jak i jej represji. Funkcja represorowa FOXP3 jest wyraźnie rozwinięta przez rekrutację HAT i HDAC. Wiadomo, że
korepresory HAT TIP60 i HDAC7 oraz HDAC9 są niezbędne
do funkcjonowania FOXP3 in vivo [37]. Acetylotransferazy
HAT mogą bezpośrednio współdziałać z korepresorem
HDAC in vivo, choć mechanizmy molekularne i skutki takiego współdziałania są obecnie niejasne. Zwłaszcza TIP60
i zaasocjowany z N-końcem FOXP3 korepresor HDAC7 są
niezbędne dla represji transkrypcji przez Foxp3. N-końcowy
region FOXP3 (pomiędzy 106 i 190 aa) jest niezbędny i konieczny do represji transkrypcji indukowanej przez domenę
FKH [18] (Ryc.1). Tak więc FOXP3 reguluje transkrypcję poprzez łączenie się z odpowiednimi promotorami, poprzez
interakcje ze specyficznymi dla danego locus czynnikami
transkrypcyjnymi oraz poprzez rekrutację deacetylaz i acetylotransferaz histonów, co skutkuje reorganizacją chromatyny
i hamuje lub inicjuje transkrypcję [5, 18, 24].
Mutacje w Foxp3
Dotychczas zidentyfikowano 20 mutacji w genie FOXP3.
U pacjentów z zespołem immunodysregulacji, poliendokrynopatii i enteropatii (immunodysregulation, polyendocrinopathy, enteropathy, X-linked syndrome – IPEX syndrome)
większość z nich powoduje zmianę w sekwencji aminokwasów w domenie wiążącej białka FOXP3. Mutacje w dome-
Rycina 1.
Miejsca przyłączania się czynników transkrypcyjnych i korepresorów do Foxp3 (Pro – region bogaty w reszty prolinowe – domena represorowa, Zn – region palca cynkowego, ZL – zamek leucynowy, FKH – domena fork-head).
337
Rola czynnika transkrypcyjnego FOXP3 w rozwoju i funkcjonowaniu regulatorowych limfocytów T
nie FKH kolidują z importem jądrowym i wiązaniem do DNA
koniecznych dla aktywności supresyjnej FOXP3, podczas
gdy mutacje w zamku leucynowym upośledzają dimeryzację
FOXP3, a w związku z tym wiązanie się do DNA (Ryc. 2).
Stwierdzono również, że niektóre mutacje mogą prowadzić
do wydłużenia odcinka karboksylowego FOXP3, czego
skutkiem jest zmiana przestrzennej struktury i pozycji domeny FKH, lub prowadzi do spadku stabilności mRNA dla
FOXP3. Wśród pacjentów z zespołem IPEX u 60% zidentyfikowano mutację genu FOXP3. Zespół IPEX jest letalnym
schorzeniem po raz pierwszy opisanym w 1982 roku przez
Powell’a i współpracowników [2, 30]. Najczęściej objawia się
na samym początku występowaniem insulino-zależnej cukrzycy typu I, ostrej wodnistej lub krwistej biegunki i współistniejącymi zaburzeniami rozwoju oraz zapaleniami skóry.
Pozostałe cechy kliniczne są bardziej zmienne. Większość
chorych dzieci umiera w ciągu pierwszych 2 lat życia. IPEX
jest recesywnym zaburzeniem związanym z chromosomem
X, występującym wyłącznie u chłopców. Badania pokazały,
że bezpośrednią przyczyną tej choroby są mutacje w genie
FOXP3 kodującym białko FOXP3. Należą do nich mutacje
zmiany sensu, insercje lub delecje w miejscach splicingu,
delecje i zmiany ramki odczytu. Większość mutacji ma miejsce w 3 domenach funkcjonalnych: domeny bogatej w reszty
proliny, zamku leucynowym, domenie FKH. Delecje powyżej
pierwszego eksonu powodują powstawanie nieprawidłowego
białka. Większość pacjentów cierpiących na syndrom IPEX z mutacjami zmiany sensu oraz wszyscy pacjenci ze stwierdzonymi delecjami i mutacjami w miejscach splicingowych
nie posiadają limfocytów Treg CD4+CD25+FOXP3+ [3]. Z zasady, osoby z mutacjami, które zaburzają ekspresję funkcjonalnego białka FOXP3 (mutacje nonsensowne, zmiany ramki odczytu lub mutacje podczas splicingu) posiadają ciężką
odmianę zespołu IPEX [28]. Mutacja pierwszego sygnału
poliadenylacji genu prowadzi do niskiego poziomu ekspresji prawidłowego mRNA dla FOXP3 i zazwyczaj powoduje
ciężkie choroby immunologiczne we wczesnym okresie
dzieciństwa. Model zwierzęcy tego schorzenia wskazał jako
przyczynę mutację w genie Foxp3 w chromosomie X. Jest
to również region blisko położony genu WAS, którego mutacja prowadzi do braku prawidłowo funkcjonującego białka
WASP, czego skutkiem jest powstawanie syndromu WiskottAldrich’a [15, 28]. Gen FOXP3 należy do rodziny genów silnie związanych z odpowiedzią immunologiczną i rozwojem
grasicy. W zespole IPEX obserwuje się wysokie stężenie
Rycina 2.
Miejsca mutacji czynnika transkrypcyjnego Foxp3.
338
immunoglobulin IgE i IgA oraz eozynofilię, ale nie są one
generalnie występującymi objawami. Aktywność neutrofili
i stężenie dopełniacza są przeważnie prawidłowe, mimo
że występuje neutropenia. Podobnie, stężenie immunoglobulin IgG i IgM mogą być prawidłowe, chociaż często są
nieznacznie obniżone w przypadku dzieci starszych, prawdopodobnie na skutek utraty białka w wyniku zapalenia jelit
[15, 22]. Pacjenci z objawami przypominającymi IPEX mogą
mieć podobne mutacje w sekwencjach regulatorowych genu
FOXP3.
Rola FOXP3 w powstawaniu i różnicowaniu limfocytów T
Regulatorowe limfocyty T (Treg) kontrolują aktywność autoreaktywnych limfocytów T nie eliminowanych w grasicy i są
odpowiedzialne za utrzymanie homeostazy układu odpornościowego. Są one heterogenną grupą komórek zawierającą
takie podtypy jak: limfocyty CD4+, CD8+ i komórki NK (natural
killer). Spośród nich niezbędnymi do utrzymania równowagi
immunologicznej są limfocyty wykazujące ekspresję czynnika FOXP3. Składają się głównie z limfocytów CD4+ i mogą
być podzielone na dwie podgrupy: naturalnie występujące,
pochodzące z grasicy limfocyty CD4+, które wykazują ekspresję cząsteczki CD25 (łańcuch α receptora interleukiny 2)
(nTreg) i adaptacyjne (indukowane) limfocyty CD4+CD25+,
które powstają z prekursorowych limfocytów CD4+CD25poza grasicą (iTreg) [4, 9, 26]. Zarówno limfocyty naturalne
nTreg i indukowane iTreg mają podobny fenotyp i mechanizm działania, który jest jednak słabo poznany. Naturalne
limfocyty nTreg wykazują ekspresję antygenu CTLA-4 (Cytotoxic T-Lymphocyte Antigen 4 – antygen 4 cytotoksycznych
limfocytów T), GITR (gluccorticoid induced tumor necrosis
factor receptor – receptor czynnika martwicy guza wywołanej glukokortykoidem), CCR4 (receptor chemokiny) oraz
CD62L (L-selektyna). Zarówno IL-2 i TGF-β są niezbędne
do powstawania limfocytów nTreg i iTreg [7, 21, 35]. Podobieństwem jest kluczowa rola obu tych cytokin w utrzymaniu
i przetrwaniu obu podgrup limfocytów regulatorowych. Naturalne limfocyty nTreg rozwijają się w odpowiedzi na kontakt
z antygenami własnymi w grasicy, natomiast iTregs przez
antygeny środowiskowe przedstawione przez komórki dendrytyczne (DC) w obwodowych narządach limfatycznych.
Naturalne limfocyty Treg wymagają interakcji o wysokim
powinowactwie pomiędzy własnymi antygenami a kompleksami MHC, prawdopodobnie dlatego iż powstają z ciągle proliferujących komórek prekursorowych. Wymagają
K. Boryczka, P. Kuna i M. Pietruczuk
one również silnej kostymulacji poprzez cząsteczkę CD28
(znaczne zmniejszenie ich ilości obserwuje się u myszy
z niedoborem CD28). W przeciwieństwie do tego mechanizmu, konwersja limfocytów CD4+CD25- do limfocytów iTreg
Foxp3+CD25+ wymaga słabszej, niepełnej stymulacji TCR.
U myszy z genetycznymi brakami TGF-β, CTLA-4 i Foxp3
szybko rozwija się śmiertelny autoimmunologiczny zespół
limfoproliferacyjny, natomiast u osobników z niedoborem
IL-2 rozwija się wielonarządowa choroba autoimmunologiczna. W grasicy myszy z niedoborem TGF-β i IL-2 nTreg
są obecne, ale komórki CD25 w obwodowych narządach
limfatycznych potrzebują tych cytokin do przekształcenia się
w limfocyty iTreg Foxp3+ [13, 36]]. Wyjątkiem może być
tkanka limfatyczna jelit (gut-associated lymphoid tissues GALT), gdzie kwas retinowy może być substytutem IL-2.
Obecnie wiele dowodów wskazuje na kluczowe znaczenie
TGF-β i IL-2 w tworzeniu iTreg. U myszy mechanizm ten wydaje się być dwuetapowy. Po pierwsze, negatywne działanie
sygnalizacji TGF-β i CTLA-4 zrównoważone przez pozytywne efekty IL-2 indukuje dzielące się limfocyty T do ekspresji
Foxp3. TGF-β musi być dostępny wkrótce po stymulacji TCR
dla maksymalnego zróżnicowania naiwnych limfocytów T
w limfocyty Treg Foxp3+. Komórki dendrytyczne mogą przekształcić witaminę A w kwas retinowy, a ten z kolei może
zastąpić IL-2 wymaganą przez TGF-β, aby indukować limfocyty iTreg Foxp3+ [10]. Badania wykazały, że obwodowe
limfocyty T CD25+CD4+ i tymocyty CD4+CD25+CD8- u prawidłowych myszy wykazują ekspresję Foxp3, podczas gdy
inne tymocyty/limfocyty T, zarówno w stanie spoczynku jak
i stanie aktywacji, nie wykazują ekspresji tego czynnika transkrypcyjnego [11, 31]. Wprowadzenie mRNA białka Foxp3,
z wykorzystaniem wektora retrowirusowego, naiwnym limfocytom T CD25-CD4+ powoduje przejście ich w stan anergii
i nabycie cech fenotypowych oraz czynnościowych komórek
Treg CD4+CD25+, ze zdolnością do hamowania proliferacji innych limfocytów T in vitro. Limfocyty, którym udało się
wprowadzić mRNA dla białka Foxp3, przeciwdziałały rozwojowi chorób z autoagresji. Potwierdzono również znaczenie
ekspresji FOXP3 w rozwoju chorób autoimmunologicznych
u ludzi. Transdukcja Foxp3 do naiwnych limfocytów T zwiększa również ekspresję CD25 i molekuł powierzchniowych
Treg, takich jak CTLA-4 i GITR, równocześnie tłumiąc produkcję IL-2, IFN-γ i IL-4 przez limfocyty efektorowe [19].
Zarówno u myszy z niedoborem Foxp3 i myszy Scurfy, w których białku Foxp3 brakuje domeny FKH, podanie limfocytów Treg CD4+CD25+ wyizolowanych od zdrowych myszy
zapobiega ciężkim zapaleniom układowym [17, 25]. Stwierdzono, że w przypadku chimery z mieszaniną komórek
z niedoborem Foxp3 i typu dzikiego wykazują one niezależne działanie i komórki z obecnym czynnikiem Foxp3 generowały powstawanie Treg, które posiadały zdolności hamowania procesu chorobowego. U myszy transgenicznych
z nadekspresją Foxp3, liczba limfocytów T CD25+ CD4+ jest
zwiększona i mają one zdolność do hamowania odpowiedzi
immunologicznej. Ostatnie badania pokazały, że limfocyty
Treg wykazujące ekspresję Foxp3 pojawiają się wkrótce po
urodzeniu oraz że rozwój chorób autoimmunologicznych/zapalnych następuje po ich wyczerpaniu [23, 34]]. Tak więc,
czynnik transkrypcyjny Foxp3 jest niezbędny dla limfocytów
T α/β TCR-pozytywnych do różnicowania się w limfocyty regulatorowe T w grasicy. Wysoka ekspresja Foxp3 gwarantuje działanie supresyjne. Podobieństwo w zakłóceniach genu
Foxp3 u ludzi i myszy dostarczyło dowodów, że dominująca
autotolerancja działa podobnie u obu gatunków. Foxp3 jest
najbardziej wiarygodnym markerem molekularnym naturalnych limfocytów regulatorowych T.
Piśmiennictwo
1. Bacchetta R, Gambineri E, Roncarolo MG Role of regulatory
T cells and FOXP3 in human diseases. J Allergy Clin Immunol
2007; 227-235.
2. Bennett CL, Christie J, Ramsdell F i wsp. The immune dysregulation, polyendocrinopathy, enteropathy, X-linked syndrome
(IPEX) is caused by mutations of FOXP3. Nat Genet 2001; 2021.
3. Bennett CL, Brunkow ME, Ramsdell F i wsp. A rare polyadenylation signal mutation of the FOXP3 gene (AAUAAA-->AAUGAA)
leads to the IPEX syndrome. Immunogenetics 2001; 6: 435439.
4. Bluestone JA, Abbas AK. Natural versus adaptive regulatory T
cells. Nat Rev Immunol 2003; 3: 253-257.
5. Buckner JH, Ziegler SF Functional analysis of FOXP3. Ann N Y
Acad Sci 2008; 151-169.
6. Chorąży-Massalska M, Kontny E, Maśliński W. Kontrola odpowiedzi immunologicznej przez naturalne (CD4+CD25+) komórki
regulatorowe. Postępy Biologii Komórki 2006; 4: 771-789.
7. Davidson TS, DiPaolo RJ, Andersson J i wsp. Cutting Edge:
IL-2 is essential for TGF-beta-mediated induction of Foxp3+ T
regulatory cells. J Immunol 2007; 7: 4022-4026.
8. Hill JA, Feuerer M, Tash K i wsp. Foxp3 Transcription-FactorDependent and -Independent Regulation of the Regulatory T
Cell Transcriptional Signature. Immunity 2007; 786-800.
9. Hoffmann P, Eder R, Boeld TJ i wsp. Only the CD45RA+ subpopulation of CD4+CD25high T cells gives rise to homogeneous
regulatory T-cell lines upon in vitro expansion. Blood 2006; 13:
4260-4267.
10. Horwitz DA, Zheng SG, Gray JD. Natural and TGF-beta-induced
Foxp3(+)CD4(+) CD25(+) regulatory T cells are not mirror images of each other. Trends Immunol 2008; 9: 429-435.
11. Jagła M, Cichocka-Jarosz E. Limfocyty regulatorowe. Alergia
Astma Immunologia 2007; 1: 22-29.
12. Kaur G, Goodall JC, Jarvis LB i wsp. Characterisation of Foxp3
splice variants in human CD4+ and CD8+ T cells--identification
of Foxp3Delta7 in human regulatory T cells. Mol Immunol 2010;
1-3: 321-332.
13. Kretschmer K, Apostolou I, Hawiger D i wsp. Inducing and expanding regulatory T cell populations by foreign antigen. Nat Immunol 2005; 12: 1219-1227.
14. Lal G, Bromberg JS. Epigenetic mechanisms of regulation of
Foxp3 expression. Blood 2009; 18: 3727-3735.
15. Le Bras S, Geha RS. IPEX and the role of Foxp3 in the development and function of human Tregs. J Clin Invest 2006; 14731475.
16. Lee SM, Gao B, Fang D. FoxP3 maintains Treg unresponsiveness by selectively inhibiting the promoter DNA-binding activity
of AP-1. Blood 2008; 7: 3599-3606.
17. Lewkowich IP, Herman NS, Schleifer KW i wsp. CD4+CD25+
T cells protect against experimentally induced asthma and alter pulmonary dendritic cell phenotype and function. J Exp Med
2005; 1549-1561.
339
Rola czynnika transkrypcyjnego FOXP3 w rozwoju i funkcjonowaniu regulatorowych limfocytów T
18. Li B, Samanta A, Song X i wsp. FOXP3 interactions with histone
acetyltransferase and class II histone deacetylases are required
for repression. PNAS 2007; 11: 4571-4576.
19. Lopes JE, Soper DM, Ziegler SF. Foxp3 is required throughout
the life of a regulatory T cell. Sci STKE 2007; 393: e3620. Lopes JE, Torgerson TR, Schubert LA i wsp. Analysis of FOXP3
reveals multiple domains required for its function as a transcriptional repressor. J Immunol 2006; 5: 3133-A3142.
21. Marie JC, Letterio JJ, Gavin M i wsp. TGF-beta1 maintains suppressor function and Foxp3 expression in CD4+CD25+ regulatory T cells. J Exp Med 2005; 7: 1061-1067.
22. Owen CJ, Jennings CE, Imrie H i wsp. Mutational Analysis of
the FOXP3 Gene and Evidence for Genetic Heterogeneity in
the Immunodysregulation, Polyendocrinopathy, Enteropathy
Syndrome. The Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism
2003; 12: 6034-6039.
23. Palomares O, Yaman G, Azkur AK i wsp. Role of Treg in immune regulation of allergic diseases. Eur J Immunol 2010;
1232-1240.
24. Sakaguchi S, Wing K, Onishi Y i wsp. Regulatory T cells: how
do they suppress immune responses? International Immunology 2009; 10: 1105-1111.
25. Sakaguchi S, Yamaguchi T, Nomura T i wsp. Regulatory T cells
and immune tolerance. Cell 2008; 5: 775-787.
26. Shevach EM, DiPaolo RA, Andersson J i wsp. The lifestyle of
naturally occurring CD4+ CD25+ Foxp3+ regulatory T cells. Immunol Rev 2006; 60-73.
27. Tao R, de Zoeten EF, Ozkaynak E i wsp. Deacetylase inhibition
promotes the generation and function of regulatory T cells. Nat
Med 2007; 11: 1299-1307.
28. van der Vliet HJJ, Nieuwenhuis EE. IPEX as a Result of Mutations in FOXP3. Clinical and Developmental Immunology 2007;
29. van LJ, Vercoulen Y, Guichelaar T i wsp. Regulation of Treg
functionality by acetylation-mediated Foxp3 protein stabilization. Blood 2010; 5: 965-974.
30. Wildin RS, Ramsdell F, Peake J i wsp. X-linked neonatal diabetes mellitus, enteropathy and endocrinopathy syndrome is the
human equivalent of mouse scurfy. Nat Genet 2001; 18-20.
31. Wojas J, Pajtasz-Piasecka E. Oddzialywanie komórek dendrytycznych z limfocytami T regulatorowymi. Postepy Hig Med
Dosw 2010; 167-174.
32. Wu Y, Borde M, Heissmeyer V i wsp. FOXP3 controls regulatory T cell function through cooperation with NFAT. Cell 2006;
2: 375-387.
33. Xiao Y, Li B, Zhou Z i wsp. Histone acetyltransferase mediated
regulation of FOXP3 acetylation and Treg function. Curr Opin
Immunol 2010; 5: 583-591.
34. Yagi H, Nomura T, Nakamura K i wsp. Crucial role of FOXP3 in
the development and function of human CD25+CD4+ regulatory
T cells. International Immunology 2004; 11: 1643-1656.
35. Zheng SG, Wang J, Wang P i wsp. IL-2 is essential for TGFbeta to convert naive CD4+. J Immunol 2007; 4: 2018-2027.
36. Zheng SG, Wang JH, Stohl W i wsp. TGF-beta requires CTLA-4
early after T cell activation to induce FoxP3 and generate adaptive CD4+CD25+ regulatory cells. J Immunol 2006; 6: 33213329.
37. Zhou Z, Song X, Berezov A i wsp. Structural aspects of the
FOXP3 regulatory complex as an immunopharmacological target. Int Immunopharmacol 2009; 5: 518-520.
38. Zhou Z, Song X, Li B i wsp. FOXP3 and its partners: structural
and biochemical insights into the regulation of FOXP3 activity.
Immunol Res 2008; 1-3: 19-28.
39. Ziegler SF. FOXP3: Of Mice and Men. Annu Rev Immunol 2006;
209-226.
40. Ziegler SF, Buckner JH. FOXP3 and the regulation of Treg/Th17
differentiation. Microbes and Infection 2009; 594-598.
340
Adres do korespondencji:
Zakład Diagnostyki Laboratoryjnej
II Katedra Chorób Wewnętrznych
Uniwersytet Medyczny w Łodzi
90-153 Łódź, ul. Kopcińskiego 22
e-mail: [email protected]
Zaakceptowano do publikacji: 29.04.2011