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题目：FOXP3 recognizes microsatellites and bridges DNA through multimerization
期刊：Nature
IF：69.504
发表时间：2023年11月29日
通讯作者单位：波士顿儿童医院
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06793-z
主要内容：
人体免疫系统旨在保护身体免受细菌和病毒等病原体的侵害。然而，当免疫系统出现问题时，它会开始攻击身体本身，导致自身免疫性疾病，如1型糖尿病和类风湿性关节炎。为了防止这种情况发生，免疫系统具有一种制动机制，其形式为调节性T（Treg）通过抑制其他免疫细胞的活性来控制有害免疫反应的细胞。Treg细胞的分化来自前体细胞的依赖于一种叫做FOXP3的转录因子，它通过与DNA结合来打开或关闭基因。作者描述了由十个 FOXP3 蛋白和两个 DNA 分子组成的复合物的阶梯状结构，这些复合物可能负责将 DNA 的远程区域聚集在一起以控制基因表达。
大多数 Treg细胞与其他T细胞一起出现在胸腺中;其余部分在身体的外围发育，例如小肠和大肠。Treg的关键一步细胞发育是 FOXP3 的表达，它启动分化。这导致一组Treg细胞特异性基因的表达，称为特征基因，使它们能够执行免疫抑制功能。
FOXP3基因最初是通过绘制导致人类严重自身免疫性疾病和突变小鼠品系类似疾病的突变来鉴定的。它属于一个由至少 40 种“叉头盒”蛋白组成的家族，所有这些蛋白质都包含一个叉头 DNA 结合域，该结构域可识别称为叉头基序的短 DNA 序列。当 FOXP3 首次结晶时，它被认为形成了一种二聚体，其中来自每种蛋白质的相同结构域被交换。然而，去年的一项结构研究表明，FOXP3蛋白在与DNA结合时实际上会形成头对头二聚体。
与其他叉头盒蛋白一样，FOXP3 已被证明在体外与叉头基序结合。然而，当研究人员在体内对FOXP3结合的DNA基序进行测序时，叉头基序几乎没有出现。这一结果提出了一个有趣的问题，即FOXP3是否在Treg细胞中通过与叉头基序以外的DNA序列结合起作用。
在目前的研究中，Zhang及其同事开始通过寻找与FOXP3结合的小鼠基因组中的序列来解决这个问题。令人惊讶的是，他们发现FOXP3与含有几个胸腺嘧啶（T）核苷酸重复序列的DNA片段密切相关，其次是一个鸟嘌呤（G）核苷酸（表示为TnG），而不是预期的叉头图案。值得注意的是，重复序列，例如 TnG通常被认为是无功能的，并被序列分析程序作为垃圾DNA（没有明显生物学功能的序列）丢弃，这解释了为什么以前的研究在寻找与FOXP3结合的DNA片段时忽略了这些序列。
使用冷冻电子显微镜，作者解析了FOXP3蛋白在含有18 T的DNA分子的复合物中的结构nG 重复。该复合物的结构非常精致，呈梯状：两个双链DNA分子形成梯形的“侧轨”，由五对FOXP3蛋白拉在一起，这些蛋白充当“梯级”。这代表了 FOXP3-DNA 组装的新几何形状，这与 FOXP3 蛋白在与单个 DNA 分子结合时形成的简单头对头二聚体形成鲜明对比（图 1）。
FOXP3-DNA复合物的阶梯状结构表明，FOXP3可以充当将两个T延伸拉在一起的系绳n原本相距很远的G重复序列，从而产生并稳定了长距离DNA相互作用。事实上，Zhang等人发现nG 重复序列经常出现在 FOXP3 结合的长距离 DNA 到 DNA 接触位点，其中许多位点位于 Treg细胞附近的特征基因。T 的位置nG 重复序列还与 FOXP3 结合的 DNA 区域相关，其中“增强子”和“启动子”DNA 序列被认为相互作用以允许基因转录。
测试阶梯状复合物是否对 Treg 中 FOXP3 的功能至关重要，Zhang及其同事将突变引入FOXP3，这些突变会破坏构成阶梯“梯级”的蛋白质对之间的相互作用，从而阻止DNA桥接。Treg细胞携带这些突变显示 Treg 表达降低特征基因，因此免疫抑制功能较弱，比 FOXP3 未发生突变的细胞更弱——这表明 FOXP3 促进的长距离 DNA 到 DNA 相互作用对正常 Treg是很重要细胞功能。
Zhang等人还发现，FOXP3在小鼠、斑马鱼（Danio rerio）、鸭嘴兽（Ornithorhynchus anatinus）和人类中都显示出与T相似的结合nG 重复序列和 DNA 桥接活性，表明 FOXP3 和 DNA 的阶梯状组装在进化上是保守的——并且可能与 Treg细胞同时出现和FOXP3在鱼类中进化。作者评估了其他叉头盒蛋白与T结合的能力nG重复并发现另外三个FOXP家族成员（FOXP1，FOXP2和FOXP4）具有这种能力，这表明FOXP蛋白作为系绳的功能是保守的。
FOXP3 的两个作用正变得明显。第一种是作为打开或关闭基因表达的经典转录因子。第二种是作为绳索，使两个DNA分子靠近。这可能有助于塑造染色质（与支持蛋白复合物中核DNA的包装形式）的3D结构，从而使远程增强子序列能够与启动子序列密切相互作用以调节基因表达。需要更多的研究来梳理 FOXP3 的这些作用如何促进 Treg细胞的发育和功能。
Zhang及其同事的研究重点是FOXP3本身的结构。然而，FOXP3 在 Treg细胞中形成大型多蛋白复合物。与 FOXP3 相互作用的其他蛋白质如何参与 DNA 拴系活动仍有待确定。此外，这项工作将受益于使用携带突变的小鼠模型的进一步研究，这些突变阻止FOXP3能够拴住DNA，以探索对Treg细胞和体内免疫系统的平衡。
这项研究还将重新点燃人们对DNA重复序列功能的好奇心。重复多次的短 DNA 序列（如nG）被称为微卫星序列，约占人类基因组的3%。因为微卫星的突变率高于DNA的其他区域（例如，编码蛋白质的区域），个体人类基因组中微卫星序列之间的差异可用于法医中的遗传指纹识别和种群遗传变异分析。微卫星的生物学功能尚未得到广泛研究。Zhang及其同事发现FOXP3和其他FOXP家族成员可以识别Tn桥接DNA分子的G重复序列表明，微卫星可能是基因表达的关键调节因子。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06793-z
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