NFAT - NFAT
Ядерный фактор активированных Т-клеток ( NFAT ) - это семейство факторов транскрипции, которые играют важную роль в иммунном ответе . Один или несколько членов семейства NFAT экспрессируются в большинстве клеток иммунной системы. NFAT также участвует в развитии сердечной, скелетной мускулатуры и нервной системы. NFAT был впервые обнаружен как активатор транскрипции IL-2 в Т-клетках (как регулятор иммунного ответа Т-клеток), но с тех пор было обнаружено, что он играет важную роль в регулировании многих других систем организма. Факторы транскрипции NFAT участвуют во многих нормальных процессах организма, а также в развитии нескольких заболеваний, таких как воспалительные заболевания кишечника и несколько типов рака. NFAT также исследуется как лекарственная мишень для нескольких различных заболеваний.
Члены семьи
Фактор транскрипции семейства NFAT состоит из пяти членов NFATc1 , NFATc2 , NFATc3 , NFATc4 и NFAT5 . NFATc1 - NFATc4 регулируются кальциевой передачей сигналов и известны как классические члены семейства NFAT. NFAT5 - это недавно обнаруженный член семейства NFAT, обладающий особыми характеристиками, которые отличают его от других членов NFAT.
Передача сигналов кальция имеет решающее значение для активации NFATc1-4, поскольку кальмодулин (CaM), известный белок-сенсор кальция, активирует серин / треонинфосфатазу кальцинейрин (CN). Активированный CN связывается со своим сайтом связывания, расположенным в N-концевом регуляторном домене NFATc1-4, и быстро дефосфорилирует богатую серином область (SRR) и SP-повторы, которые также присутствуют на N-конце белков NFAT. Это дефосфорилирование приводит к конформационному изменению, которое демонстрирует сигнал ядерной локализации, который способствует ядерной транслокации.
С другой стороны, у NFAT5 отсутствует критическая часть N-концевого регуляторного домена, который в вышеупомянутой группе содержит важный сайт связывания CN. Это делает активацию NFAT5 полностью независимой от передачи сигналов кальция. Однако он контролируется MAPK во время осмотического стресса. Когда клетка попадает в гипертоническую среду, NFAT5 транспортируется в ядро, где активирует транскрипцию нескольких осмозащитных генов. Следовательно, он экспрессируется в мозговом веществе почки, коже и глазах, но также может быть обнаружен в тимусе и активированных лимфоцитах.
Сигнализация и привязка
Каноническая сигнализация
Хотя фосфорилирование и дефосфорилирование являются ключевыми для контроля функции NFAT путем маскировки и демаскирования сигналов ядерной локализации, как показано большим количеством сайтов фосфорилирования в регуляторном домене NFAT, это дефосфорилирование не может происходить без притока ионов кальция.
Классическая передача сигналов основана на активации PLC через различные рецепторы, такие как TCR ( PLCG1 ) или BCR ( PLCG2 ). Эта активация приводит к высвобождению инозитол-1,4,5-трифосфата (IP3) и диацилглицерина (DAG). IP3 особенно важен для притока кальция, потому что он связывается с рецептором IP3, расположенным в мембране ER . Это вызывает кратковременное резкое увеличение концентрации кальция в цитозоле, поскольку ионы покидают ЭР через рецептор IP3. Однако этого недостаточно для активации сигнализации NFAT. Высвобождение ионов кальция из ER определяется белками STIM, которые являются трансмембранными белками ER. В нормальных условиях белки STIM связывают ионы кальция, но если большая часть из них высвобождается из ER, связанные ионы также высвобождаются из белков STIM. Это заставляет их олигомеризоваться и впоследствии взаимодействовать с ORAI1, который является незаменимым белком комплекса CRAC . Этот комплекс служит каналом, который избирательно допускает приток ионов кальция извне клетки. Это явление называется поступлением кальция с накоплением ( SOCE ). Только этот более длительный приток ионов кальция способен полностью активировать NFAT через CaM / CN-опосредованное дефосфорилирование, как указано выше.
Альтернативная сигнализация
Хотя SOCE является основным механизмом активации большинства белков семейства NFAT, они также могут быть активированы альтернативным путем. До сих пор этот путь был проверен только для NFATc2. В этом альтернативном варианте активация SOCE незначительна, о чем свидетельствует тот факт, что циклоспорин (CsA), который ингибирует опосредованное CN дефосфорилирование, не отменяет этот путь. Причина этого в том, что он активируется посредством IL7R, что приводит к последующему фосфорилированию отдельного тирозина в NFAT, опосредованному киназой Jnk3, членом подсемейства киназ MAPK.
Связывание ДНК
Ядерный импорт NFAT и его последующий экспорт зависят от уровня кальция внутри клетки. Если уровень кальция падает, экспортирующие киназы в ядре, такие как PKA , CK1 или GSK-3β, рефосфорилируют NFAT. Это приводит к тому, что NFAT возвращается в свое неактивное состояние и экспортируется обратно в цитозоль, где поддерживающие киназы завершают рефосфорилирование, чтобы сохранить его в инактивированном состоянии.
Белки NFAT обладают слабой ДНК-связывающей способностью. Следовательно, для эффективного связывания ДНК белки NFAT должны кооперироваться с другими резидентными ядерными факторами транскрипции, обычно называемыми NFATn. Эта важная особенность факторов транскрипции NFAT обеспечивает интеграцию и обнаружение совпадений сигналов кальция с другими сигнальными путями, такими как ras-MAPK или PKC. Кроме того, эта сигнальная интеграция участвует в тканеспецифической экспрессии генов во время развития. Экран из ncRNA последовательностей , определенных в EST секвенирования проектов обнаружил «ncRNA репрессор ядерного фактора активированных Т - клеток» под названием NRON .
NFAT-зависимые промоторы и энхансеры, как правило, имеют 3-5 сайтов связывания NFAT, что указывает на то, что для эффективной транскрипции необходимы синергетические взаимодействия более высокого порядка между соответствующими белками в кооперативном комплексе. Самый известный класс этих комплексов состоит из NFAT и AP-1 или других белков bZIP. Этот комплекс NFAT: AP-1 связывается с сайтами связывания ДНК обычных белков семейства Rel и участвует в транскрипции генов в иммунных клетках.
Функция NFAT в разных типах клеток
Т-клетки
Стимуляция TCR, как указано выше, вызывает дефосфорилирование NFAT, который почти во всех типах Т-клеток затем образует комплекс с AP-1 (кроме Treg). Этот комплекс в зависимости от цитокинового контекста затем активирует ключевые факторы транскрипции различных субпопуляций Т- клеток: T-bet для Th1 , GATA3 для Th2 , RORγ для Th17 и BATF для Tfh . Т-клетки экспрессируют почти всех членов семейства NFAT (кроме NFAT3). Однако не все NFAT имеют одинаковое значение для каждой субпопуляции Т-клеток.
При стимуляции TCR и после последующей активации T-bet в условиях цитокина Th1 комплекс, состоящий из фактора транскрипции T-bet и NFAT, стимулирует выработку IFN-γ, наиболее заметного цитокина клеток Th1. Активация TCR также запускает через комплекс NFAT: AP-1 продукцию NFAT2 / αA, которая представляет собой короткую изоформу NFATc2, в которой отсутствует C-концевой домен и которая выполняет роль ауторегулятора, поскольку дополнительно усиливает активацию всех эффекторов. Т - CEL Ls. Для ответа Th1 NFATc1, по-видимому, является наиболее незаменимым, поскольку нокаут NFATc1 у мышей приводит к чрезвычайно искаженному ответу Th2 .
В условиях стимуляции Th2 активируется GATA3. Впоследствии он также взаимодействует с NFAT и запускает выработку типичных цитокинов Th2, таких как IL-4 , IL-5 и IL-13 . NFATc2, по-видимому, является наиболее важным для Th2-опосредованного ответа, поскольку его нарушение снижает количество вышеупомянутых цитокинов, а также снижает количество IgG1 и IgE . NFATc1 также играет важную роль, поскольку он образует комплекс с GATA3, как и NFATc2. Кроме того, он опосредует производство цитокинов Th2 опосредованно через регуляцию CRTh2 .
В соответствии с ответом Th1 и Th2 стимуляция TCR в условиях Th17 вызывает экспрессию RORγ. Впоследствии он связывается с NFAT и стимулирует выработку специфичных для Th17 цитокинов, таких как IL-17A , IL-17F , IL-21 , IL-22 . В ответе Th17, вероятно, ключевую роль играет NFATc2, поскольку у мышей с нокаутом NFATc2 наблюдается снижение RORγ, а также IL-17A, IL-17F и IL-21.
Treg- клетки являются единственными исключениями для образования комплекса NFAT: AP-1, поскольку после их стимуляции TCR NFAT связывается с SMAD3 вместо AP-1. Затем этот комплекс активирует транскрипцию FOXP3 , регулятора главного гена в Tregs. Комплекс NFAT: FOXP3 затем регулирует продукцию цитокинов, специфичных для Treg. Существует две основные популяции Treg-клеток: естественные Treg ( nTreg ) клетки, которые развиваются в тимусе, и индуцированные Treg ( iTreg ) клетки, которые развиваются из наивных CD4 + T-клеток на периферии после их стимуляции. Клетки iTreg, по-видимому, сильно зависят от NFATc1, 2 и 4, поскольку делеция любого из этих генов или их комбинации вызывает почти полную потерю клеток iTreg, но не клеток nTreg.
В клетках Tfh, как и в клетках Th1, Th2 и Th17, образуется комплекс NFAT: AP-1. Этот комплекс впоследствии активирует транскрипцию BATF, который затем также связывается с NFAT и вместе с другими белками, такими как IRF4, начинает производство незаменимых молекул Tfh : CXCR5 , ICOS , Bcl6 и IL-21 . Клетки Tfh экспрессируют высокие уровни NFATc1 и особенно NFATc2 и NFAT2 / αA, что указывает на важную роль NFATc2. Делеция NFATc2 в Т-клетках способствует увеличению количества Tfh-клеток и более высокому ответу зародышевого центра, вероятно, из-за нарушения регуляции CXCR5 и уменьшения количества Т-фолликулярных регуляторных (Tfr) клеток. Поскольку Tfh тесно связаны с гуморальным ответом, любой их дефект будет проецироваться в B-клетки. Следовательно, неудивительно, что специфическая абляция лимфоцитов NFAT2 вызывает дефект BCR-опосредованной пролиферации, но неясно, вызван ли этот фенотип только нарушением регуляции Tfh или B-клеток или их комбинацией.
В-клетки
Хотя он обнаружен в Т-клетках, становится все более очевидным, что NFAT также экспрессируется в разных типах клеток. В B-клетках в основном экспрессируются NFATc1, а после активации также NFATc2 и NFAT2 / αA, которые выполняют важные функции, такие как презентация антигена, пролиферация и апоптоз . Хотя нарушение пути NFAT имеет серьезные последствия для Т-клеток, для В-клеток они кажутся довольно легкими. Если, например, выполняется специфический нокаут B-клетками обоих белков STIM, SOCE полностью отменяется, а значит, и передача сигналов NFAT. Хотя в этих нокаутированных В-клетках результирующий гуморальный ответ очень похож на В-клетки без нокаута, полное отмена NFAT также привело к снижению IL-10 . Однако некоторые исследования предполагают более важную роль NFAT в В-клетках, и поэтому эта тема все еще недостаточно изучена и требует дальнейших исследований.
Т-клеточная анергия и истощение
Анергия Т-клеток вызывается субоптимальными условиями стимуляции, когда, например, TCR стимулируется без соответствующих костимулирующих сигналов. Из-за отсутствия костимуляции AP-1 отсутствует и образуется комплекс NFAT: NFAT. Этот комплекс активирует связанные с анергией гены, такие как убиквитинлигазы E3 ( Cbl-b , ITCH и GRAIL ), диацилглицеринкиназа α (DGKα) и каспаза 3, которые способствуют индукции анергии Т-клеток. Подобно анергии Т-клеток, истощение Т-клеток, которое также вызвано нарушением образования комплекса NFAT: AP-1, но основная индукция состояния истощения происходит за счет хронической стимуляции, а не субоптимальной стимуляции. Как в анергии, так и в истощении, NFATc1, по-видимому, играет ключевую роль. В общем, NFATc2 вместе с NFAT2 / αA необходимы для восстановления состояния анергии или истощения.
Передача сигналов NFAT в нейронном развитии
Было обнаружено, что Са 2+ -зависимый сигнальный путь кальциневрина / NFAT важен для роста нейронов и управления аксонами во время развития позвоночных. Каждый отдельный класс NFAT вносит свой вклад в разные этапы нейронного развития. NFAT работает с нейротрофической передачей сигналов, чтобы регулировать отрастание аксонов в нескольких популяциях нейронов. Кроме того, комплексы транскрипции NFAT интегрируют рост нейронов с управляющими сигналами, такими как нетрин, для облегчения образования новых синапсов, помогая строить нейронные цепи в головном мозге. NFAT, как известно, играет важную роль в нервной системе как развивающегося, так и взрослого человека.
Клиническое значение
Воспаление
NFAT играет роль в регуляции воспаления при воспалительном заболевании кишечника (ВЗК). В гене, кодирующем LRRK2 (киназа 2 с высоким содержанием лейцина), был обнаружен локус восприимчивости к IBD. Киназа LRRK2 является ингибитором разновидности NFATc2 , поэтому у мышей, лишенных LRRK2, повышенная активация NFATc2 была обнаружена в макрофагах. Это привело к увеличению количества NFAT-зависимых цитокинов, которые вызывают тяжелые приступы колита.
NFAT также играет роль в ревматоидном артрите (РА), аутоиммунном заболевании, которое имеет сильный провоспалительный компонент. TNF-α , провоспалительный цитокин, активирует путь кальциневрин-NFAT в макрофагах . Кроме того, ингибирование пути mTOR уменьшает воспаление и эрозию суставов, поэтому известное взаимодействие между путем mTOR и NFAT является ключом к воспалительному процессу RA.
Как мишень для наркотиков
Благодаря своей важной роли в продукции пролиферативного цитокина Т-клеток IL-2, передача сигналов NFAT является важной фармакологической мишенью для индукции иммуносупрессии . CN ингибиторы, которые предотвращают активацию NFAT, в том числе CsA и такролимус (FK506), используются в лечении ревматоидного артрита , рассеянного склероза , болезни Крона и язвенного колита и предотвратить отказ от трансплантации органов . Однако существует токсичность, связанная с этими препаратами из-за их способности ингибировать CN в неиммунных клетках, что ограничивает их использование в других ситуациях, которые могут потребовать иммунодепрессивной лекарственной терапии, включая аллергию и воспаление. Существуют и другие соединения, которые напрямую нацелены на NFAT, в отличие от нацеливания на фосфатазную активность кальциневрина, которые могут иметь широкие иммуносупрессивные эффекты, но не обладают токсичностью CsA и FK506. Поскольку отдельные белки NFAT существуют в определенных типах клеток или влияют на определенные гены, может оказаться возможным ингибировать отдельные функции белков NFAT для еще более избирательного иммунного эффекта.