2023年11月29日，来自哈佛医学院和霍华德·休斯医学研究所的Sun Hur团队（由张文翔和冷方伟担任第一作者）在Nature上发表了文章FOXP3 recognizes microsatellites and bridges DNA through multimerization【1】，揭示了调节性T细胞（Tregs）的关键转录因子FoxP3的新型DNA识别与结合模式，并阐明了FoxP3在Tregs功能调控中的新机制。这一发现对理解免疫系统如何维护自我耐受性和治疗自身免疫疾病具有重要意义。
调节性T细胞（Tregs）是T细胞的一个分支，主要功能是抑制各种免疫反应，以防止自身免疫和过度炎症反应。转录因子FoxP3对Tregs的正常功能至关重要。该团队在2022年发表于Immunity的研究【2】（BioArt: Immunity | 冷方伟/张文翔揭示FoxP3两种不同的二聚化状态对调节性T细胞功能的影响）中报道，FoxP3以一种特殊的头对头（Head-to-Head, H-H）二聚体形式与DNA结合，这一发现颠覆了过去十多年来普遍接受的交换二聚体（swap-dimer）模式。这不仅为我们对FoxP3的理解带来了新的视角，而且为进一步深入研究FoxP3的转录机制奠定了基础。
本次在Nature上发表的研究进一步揭示了FoxP3与TnG重复微卫星DNA序列（TnG repeat microsatellites）结合时形成的高聚体构型。研究团队首次运用FoxP3 pulldown-seq方法（图1a），揭示了FoxP3能够识别并结合TnG重复微卫星序列（图1b），并在这些序列上形成一种独特的梯子状结构。深入分析确认，该TnG重复微卫星序列在生物体内同样与FoxP3结合。
图1. FoxP3蛋白与DNA识别序列的探究。1a, FoxP3 pulldown-seq实验流程图。1b, FoxP3新型DNA识别序列——TnG重复微卫星序列。
在这种梯形结构中，两条双链DNA充当“边栏”，而成对的FoxP3分子则如梯子的“横档”，连接这两条DNA链（图2）。单个FoxP3分子单元特异性地结合于微卫星中的特定序列（TGTTTGT），其结合方式与传统的FKH motif（TGTTTAC）的结合方式相似。研究还发现，FoxP3对TnG重复序列的识别具有一定灵活性，能适应序列间的特定间隔，这可能是其在Tregs中调控广泛基因网络的关键。
图2. FoxP3与TnG重复微卫星序列形成梯子状结构（十聚体）。
研究的另一重大发现是，FoxP3通过其独特的多聚体结构桥接DNA，可能在Tregs功能调控中发挥关键作用。通过分析3D基因组数据，研究表明FoxP3的多聚体结构能够桥接TnG重复微卫星，介导增强子-启动子环（Enhancer-promoter loop, EPL），从而调控靶基因表达（图3）。
图3. FoxP3多聚体通过桥接TnG重复微卫星，形成增强子-启动子环（EPL），进而调控靶基因表达。
同时，研究发现FoxP3这种结合模式在不同物种中具有较强的保守性，暗示这可能是其古老的特性。这种独特结构不仅挑战了我们对FoxP3蛋白功能的传统认识，也为理解Tregs在免疫应答中如何调控基因表达提供了新视角。例如，FoxP3能识别并结合各种TnG重复序列，表明其在T细胞中可能调控着比已知更为广泛的基因网络。
此外，这一发现对于理解T细胞在肿瘤微环境中的行为提供了新的视角。肿瘤免疫逃逸是癌症治疗中的一个重要问题，Tregs在其中发挥关键作用。调控FoxP3的活性和功能可能为设计新的肿瘤免疫治疗策略提供新途径。
研究团队指出，尽管这些研究成果在生物学领域和临床应用方面展现出巨大的潜力，但同时也带来了新的挑战和课题。例如，如何精准地调控FoxP3的活性，以及这种调控对免疫系统其他组成部分的影响，都是需要进一步研究的问题。此外，这一研究强调了生物医学领域中跨学科研究的重要性，特别是生物化学、生物信息学、结构生物学、3D基因组学和功能相关性研究的综合应用。通过这种跨学科的研究方法，我们能够更全面地理解蛋白质及其他生物大分子的功能，为理解其生物学奥秘和发展创新的治疗方案奠定了坚实的基础。
哈佛医学院的张文翔和冷方伟为本文的共同第一作者，Sun Hur教授是通讯作者。Sun Hur团队的王曦提供了生信分析支持，哈佛医学院的Ricardo N. Ramirez、Jinseok Park和Christophe Benoist也为研究做出贡献。MSKCC的Alexander Rudensky教授和上海交通大学的钟怡研究员提供了帮助和建议。
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06793-z
1. Wenxiang Zhang*, Fangwei Leng*, Xi Wang, Ricardo N. Ramirez, Jinseok Park, Christophe Benoist and Sun Hur. FOXP3 recognizes microsatellites and bridges DNA through multimerization. Nature, 2023. Doi: https://www.nature.com/articles/s41586-023-06793-z2. Fangwei Leng*, Wenxiang Zhang*, Ricardo N. Ramirez, Juliette Leon, Yi Zhong, Lifei Hou, Koichi Yuki, Joris van der Veeken, Alexander Y Rudensky, Christophe Benoist, Sun Hur. The transcription factor FoxP3 can fold into two dimerization states with divergent implications for regulatory T cell function and immune homeostasis [J]. Immunity, 2022, 55(8): 1354-1369.
