NFAT - NFAT

Nukleární faktor aktivovaných T-buněk ( NFAT ) je rodina transkripčních faktorů, u nichž se ukazuje, že jsou důležité pro imunitní odpověď . Jeden nebo více členů rodiny NFAT je exprimováno ve většině buněk imunitního systému. NFAT se také podílí na vývoji srdečního, kosterního svalstva a nervového systému. NFAT byl poprvé objeven jako aktivátor pro transkripci IL-2 v T buňkách (jako regulátor imunitní odpovědi T buněk), ale od té doby bylo zjištěno, že hraje důležitou roli při regulaci mnoha dalších tělesných systémů. Transkripční faktory NFAT se podílejí na mnoha normálních tělesných procesech a také na vývoji několika chorob, jako jsou zánětlivá onemocnění střev a několik typů rakoviny. NFAT je také zkoumán jako drogový cíl pro několik různých poruch.

Členové rodiny

Rodina transkripčních faktorů NFAT se skládá z pěti členů NFATc1 , NFATc2 , NFATc3 , NFATc4 a NFAT5 . NFATc1 až NFATc4 jsou regulovány vápníkovou signalizací a jsou známé jako klasické členy rodiny NFAT. NFAT5 je nověji objevený člen rodiny NFAT, který má speciální vlastnosti, které jej odlišují od ostatních členů NFAT.

Signalizace Vápník je kritická pro aktivaci NFATc1-4 protože kalmodulin (CAM), dobře známý senzor vápník protein aktivuje serin / threonin fosfatázy kalcineurinu (CN). Aktivovaný CN se váže na své vazebné místo umístěné v N-terminální regulační doméně NFATc1-4 a rychle defosforyluje oblast bohatou na serin (SRR) a SP-repetic, které jsou také přítomny na N-konci proteinů NFAT. Tato defosforylace má za následek konformační změnu, která vystavuje signál jaderné lokalizace, který podporuje jadernou translokaci.

Na druhé straně NFAT5 postrádá klíčovou část regulační domény N-konce, která ve výše uvedené skupině obsahuje esenciální vazebné místo pro CN. Díky tomu je aktivace NFAT5 zcela nezávislá na vápníkové signalizaci. Je však řízen MAPK během osmotického stresu. Když se buňka setká s hypertonickým prostředím, NFAT5 je transportován do jádra, kde aktivuje transkripci několika osmoprotektivních genů. Proto je exprimován v medulle ledvin, kůži a očích, ale lze jej nalézt také v brzlíku a aktivovaných lymfocytech.

Signalizace a vazba

Kanonická signalizace

Přestože jsou fosforylace a defosforylace klíčové pro řízení funkce NFAT maskováním a demaskováním signálů lokalizace jader, jak ukazuje vysoký počet fosforylačních míst v regulační doméně NFAT, tato defosforylace nemůže nastat bez přílivu vápenatých iontů.

Klasická signalizace závisí na aktivaci PLC prostřednictvím různých receptorů, jako je TCR ( PLCG1 ) nebo BCR ( PLCG2 ). Tato aktivace vede k uvolnění inositol-1,4,5-trifosfátu (IP3) a diacylglycerolu (DAG). IP3 je zvláště důležitý pro příliv vápníku, protože se váže na receptor IP3 umístěný v membráně ER . To způsobí krátké prudké zvýšení koncentrace vápníku v cytosolu, protože ionty opouštějí ER přes receptor IP3. K aktivaci signalizace NFAT to však nestačí. Uvolňování iontů vápníku z ER je snímáno proteiny STIM, což jsou transmembránové proteiny ER. Za normálních okolností proteiny STIM vážou ionty vápníku, ale pokud se většina z nich uvolňuje z ER, vázané ionty se uvolňují také z proteinů STIM. To způsobí, že oligomerizují a následně interagují s ORAI1, což je nepostradatelný protein komplexu CRAC . Tento komplex slouží jako kanál, který selektivně umožňuje příliv vápenatých iontů zvenčí buňky. Tento jev se nazývá vstup vápníku provozovaný z obchodu ( SOCE ). Pouze tento delší příliv iontů vápníku je schopen plně aktivovat NFAT prostřednictvím defosforylace zprostředkované CaM/CN, jak je uvedeno výše.

Alternativní signalizace

Ačkoli SOCE je hlavním aktivačním mechanismem většiny proteinů z rodiny NFAT, mohou být také aktivovány alternativní cestou. Tato cesta byla dosud ověřena pouze pro NFATc2. V této alternativní aktivaci je SOCE bezvýznamný, jak ukazuje skutečnost, že cyklosporin (CsA), který inhibuje defosforylaci zprostředkovanou CN, tuto cestu neruší. Důvodem je to, že je aktivován prostřednictvím IL7R, což vede k následné fosforylaci jednoho tyrosinu v NFAT zprostředkované Jnk3 kinázou, členem podskupiny kináz MAPK.

Vazba DNA

Jaderný import NFAT a jeho následný export závisí na hladině vápníku uvnitř buňky. Pokud hladina vápníku klesne, exportující kinázy v jádru, jako je PKA , CK1 nebo GSK-3β rephosphorylate NFAT. To způsobí, že se NFAT vrátí do neaktivního stavu a je exportován zpět do cytosolu, kde udržovací kinázy dokončují reposforylaci, aby se udržely v deaktivovaném stavu.

Proteiny NFAT mají slabou schopnost vazby na DNA. Aby tedy mohly účinně vázat DNA, NFAT proteiny musí spolupracovat s jinými nukleárně rezidentními transkripčními faktory obecně označovanými jako NFATn. Tato důležitá vlastnost transkripčních faktorů NFAT umožňuje integraci a detekci koincidence vápníkových signálů s jinými signálními cestami, jako je ras-MAPK nebo PKC. Tato signální integrace se navíc během vývoje podílí na tkáňově specifické genové expresi. Na obrazovce sekvencí ncRNA identifikovaných v sekvenčních projektech EST byl objeven „ncRNA represor jaderného faktoru aktivovaných T buněk“ nazývaný NRON .

NFAT-dependentní promotory a enhancery mívají 3-5 vazebných míst NFAT, což naznačuje, že pro efektivní transkripci jsou zapotřebí synergické interakce vyšších řádů mezi relevantními proteiny v kooperativním komplexu. Nejznámější třídou těchto komplexů jsou NFAT a AP-1 nebo jiné bZIP proteiny. Tento komplex NFAT: AP-1 se váže na konvenční vazebná místa DNA proteinů rodiny Rel a podílí se na genové transkripci v imunitních buňkách.

Funkce NFAT v různých typech buněk

T buňky

Stimulace TCR, jak je uvedeno výše, způsobuje defosforylaci NFAT, která téměř v každém druhu T buněk tvoří komplex s AP-1 (kromě Tregs). Tento komplex v závislosti na cytokinů kontextu pak aktivuje klíčové transkripční faktory z výrazných subpopulace T-buněk: T-bet pro Th1 , GATA3 na Th2 , RORγ pro Th17 a BATF pro TFH . T buňky exprimují téměř všechny členy rodiny NFAT (kromě NFAT3). Ne každý NFAT má však stejný význam pro každou subpopulaci T buněk.

Po stimulaci TCR a po následné aktivaci T-bet za podmínek Th1 cytokinů komplex, který se skládá z transkripčního faktoru T-bet a NFAT, stimuluje produkci IFN-y, nejvýznamnějšího cytokinu buněk Th1. Aktivace TCR také spouští prostřednictvím komplexu NFAT: AP-1 produkci NFAT2/αA, což je krátká izoforma NFATc2, která postrádá C-koncovou doménu a plní roli autoregulátoru, protože dále zvyšuje aktivaci všech efektorů T cel ls. Pro odpověď Th1 se NFATc1 jeví jako nejnutnější, protože knock -out NFATc1 u myší vede k extrémně zkreslené reakci Th2 .

Za stimulačních podmínek Th2 je aktivován GATA3. Následně také interaguje s NFAT a spouští produkci Th2 typických cytokinů jako IL-4 , IL-5 a IL-13 . NFATc2 se zdá být nejdůležitější pro odpověď zprostředkovanou Th2, protože jeho poškození snižuje množství výše uvedených cytokinů a také snižuje množství IgG1 a IgE . NFATc1 také hraje zásadní roli, protože tvoří komplex s GATA3 stejně jako NFATc2. Dále zprostředkovává produkci Th2 cytokinů nepřímo prostřednictvím regulace CRTh2 .

V souladu s odpovědí Th1 a Th2 stimulace TCR za podmínek Th17 vyvolává expresi RORy. Následně se váže na NFAT a stimuluje produkci Th17 specifických cytokinů jako IL-17A , IL-17F , IL-21 , IL-22 . V reakci Th17 pravděpodobně hraje klíčovou roli NFATc2, protože myši s knockoutem NFATc2 vykazují snížení RORy i IL-17A, IL-17F a IL-21.

Buňky Treg jsou jedinou výjimkou z tvorby komplexu NFAT: AP-1, protože po jejich stimulaci TCR se NFAT místo AP-1 váže na SMAD3 . Tento komplex pak aktivuje transkripci FOXP3 , hlavní genový regulátor v Tregs. Komplex NFAT: FOXP3 pak reguluje produkci specifických cytokinů Treg. Existují dvě hlavní populace Treg buněk: přirozené Treg ( nTreg ) buňky, které se vyvíjejí v brzlíku, a indukované Treg ( iTreg ) buňky, které se vyvíjejí z naivních CD4+ T buněk na periferii po jejich stimulaci. Buňky iTreg se zdají být vysoce závislé na NFATc1, 2 a 4, protože delece jakéhokoli z těchto genů nebo jejich kombinace způsobuje téměř úplnou ztrátu buněk iTreg, ale ne buněk nTreg.

V buňkách Tfh se stejně jako v buňkách Th1, Th2 a Th17 vytváří komplex NFAT: AP-1. Tento komplex poté aktivuje transkripci BATF, která se pak také váže na NFAT a společně s dalšími proteiny, jako je IRF4, zahajuje produkci Tfh nepostradatelných molekul: CXCR5 , ICOS , Bcl6 a IL-21 . Buňky Tfh exprimují vysoké hladiny NFATc1 a zejména NFATc2 a NFAT2/αA, což naznačuje důležitou roli NFATc2. Delece NFATc2 v T buňkách usnadňuje zvýšený počet Tfh buněk a vyšší odpověď zárodečného centra pravděpodobně v důsledku dysregulace CXCR5 a sníženého počtu T folikulárních regulačních buněk (Tfr). Vzhledem k tomu, že Tfh jsou úzce spojeny s humorální reakcí, jakýkoli jejich defekt bude promítat do B buněk. Proto není překvapující, že specifická ablace NFAT2 lymfocytů způsobuje defekt proliferace zprostředkované BCR, ale zda je tento fenotyp způsoben jedinou dysregulací Tfh nebo B buněk nebo kombinací obou, není jisté.

B buňky

Přestože byl objeven v T buňkách, je stále více zřejmé, že NFAT je také exprimován v různých typech buněk. V B buňkách jsou exprimovány hlavně NFATc1 a po aktivaci také NFATc2 a NFAT2/aA a plní důležité funkce, jako je prezentace antigenu, proliferace a apoptóza . Ačkoli poškození dráhy NFAT má vážné důsledky pro T buňky, v B buňkách se jeví spíše mírné. Pokud je například provedeno vyřazení specifických B buněk z obou proteinů STIM, SOCE je zcela zrušen, a tedy i NFAT signalizace. Ačkoli v těchto knockoutovaných B buňkách je výsledná humorální odpověď velmi podobná B buňkám bez knockoutu, úplné zrušení NFAT také přineslo pokles IL-10 . Některé studie však naznačují důležitější roli NFAT v B buňkách, a proto toto téma stále není dobře pochopeno a vyžaduje další výzkum.

Anergie a vyčerpání T buněk

Anergie T buněk je indukována suboptimálními stimulačními podmínkami, když je například TCR stimulován bez příslušných kostimulačních signálů. Kvůli chybějící společné stimulaci chybí AP-1 a vytváří se komplex NFAT: NFAT. Tento komplex aktivuje geny asociované s anergií, jako jsou E3 ubikvitin ligázy ( Cbl-b , ITCH a GRAIL ), diacylglycerol kináza α (DGKα) a kaspáza 3, které podporují indukci anergie T-buněk. Anergie T buněk je podobná vyčerpání T buněk, které je také způsobeno zhoršenou tvorbou komplexu NFAT: AP-1, ale základní indukcí stavu vyčerpání je spíše chronická stimulace než suboptimální stimulace. Zdá se, že NFATc1 hraje v anergii i vyčerpání klíčovou roli. Naopak NFATc2 spolu s NFAT2/αA jsou potřebné k navrácení stavu anergie nebo vyčerpání.

Signalizace NFAT v neurálním vývoji

Bylo zjištěno, že signální dráha kalcineurinu/NFAT závislá na Ca ²⁺ je důležitá pro růst neuronů a vedení axonů během vývoje obratlovců. Každá jiná třída NFAT přispívá k různým krokům v nervovém vývoji. NFAT pracuje s neurotrofickou signalizací k regulaci růstu axonů v několika neuronálních populacích. Transkripční komplexy NFAT navíc integrují růst neuronů s vodícími narážkami, jako je netrin, aby usnadnily tvorbu nových synapsí, což pomáhá budovat nervové obvody v mozku. NFAT je známý důležitý hráč v nervové soustavě vyvíjející se i dospělých.

Klinický význam

Zánět

NFAT hraje roli v regulaci zánětu zánětlivého onemocnění střev (IBD). V genu, který kóduje LRRK2 (opakující se kináza 2 bohatá na leucin), byl nalezen lokus citlivosti na IBD. Kináza LRRK2 je inhibitorem pro odrůdu NFATc2 , takže u myší postrádajících LRRK2 byla u makrofágů zjištěna zvýšená aktivace NFATc2. To vedlo ke zvýšení cytokinů závislých na NFAT, které vyvolaly závažné záchvaty kolitidy.

NFAT také hraje roli u revmatoidní artritidy (RA), autoimunitního onemocnění, které má silnou prozánětlivou složku. TNF-a , prozánětlivý cytokin, aktivuje dráhu kalcineurin-NFAT v makrofágech . Inhibice dráhy mTOR navíc snižuje zánět a erozi kloubů, takže známá interakce mezi cestou mTOR a NFAT představuje klíč k zánětlivému procesu RA.

Jako drogový cíl

Vzhledem ke své zásadní roli v produkci proliferativního cytokinu IL-2 T buněk je NFAT signalizace důležitým farmakologickým cílem pro indukci imunosuprese . CN inhibitory, které zabraňují aktivaci NFAT, včetně CsA a takrolimus (FK-506), se používají k léčbě revmatoidní artritidy , roztroušené sklerózy , Crohnovy nemoci a ulcerózní kolitidy a zabránit odmítnutí z transplantace orgánů . S těmito léky je však spojena toxicita kvůli jejich schopnosti inhibovat CN v neimunitních buňkách, což omezuje jejich použití v jiných situacích, které mohou vyžadovat imunosupresivní medikamentózní terapii, včetně alergie a zánětu. Existují další sloučeniny, které cílí na NFAT přímo, na rozdíl od zaměřování fosfatasové aktivity kalcineurinu, které mohou mít široké imunosupresivní účinky, ale postrádají toxicitu CsA a FK506. Protože jednotlivé NFAT proteiny existují ve specifických typech buněk nebo ovlivňují specifické geny, může být možné inhibovat funkce jednotlivých NFAT proteinů pro ještě selektivnější imunitní účinek.

Reference