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《实验医学杂志》。2006年6月12日;203(6): 1493–1505.
数字对象标识:10.1084/jem.20060066
预防性维修识别码:项目经理2118309
PMID:16717115
第条

位于IFN-γ启动子的核小体的T辅助因子1型特异性Brg1募集和重塑依赖于Stat4

关联数据

补充资料

摘要

干扰素-γ(IFN-γ)基因座的转录能力随着Th1效应物从原始CD4 T淋巴细胞发育而增强;相反,该基因在Th2分化过程中受到抑制。我们现在发现Switch(Swi)–蔗糖非发酵剂(SNF)成分Brahma相关基因1(Brg1)被招募,定位核小体被重塑,以Th1特异的方式,依赖于转录因子Stat4和钙调神经磷酸酶活性。对哺乳动物Swi-SNF复合物特定成分的干扰降低了CD4 T细胞向IFN-γ阳性Th1细胞的分化。这些发现揭示了IFN-γ基因在Th1分化过程中调节的协同机制,并表明Th1特异性染色质结构是通过早期募集Swi-SNF复合物和依赖于Stat4和钙调神经磷酸酶激活的核小体重塑而产生的。

活化的CD4 T细胞有可能发展成功能不同的谱系,其特征是产生特定的细胞因子(1,2). Th1细胞产生大量IFN-γ,其中足够的水平对免疫细胞内病原体至关重要;Th2细胞产生IL-4、-5和-13来调节对细胞外寄生虫的反应或引起过敏性疾病(2). 在活化后早期,无论细胞是否处于促进Th1或Th2分化的条件下,原始CD4 T细胞转录低水平的mRNAs编码IFN-γ和IL-4(5). 在激活的CD4 T细胞的二次刺激下,支持高水平亚特异性细胞因子基因表达的能力随后出现。这种能力是通过来自TCR和细胞因子受体或类似配体的信号的协作来编程的(6,7). IL-12/-27或IL-2/-4分别强烈驱动Th1或Th2分化,而CD28、诱导性共刺激因子和作用于其受体的Notch配体也影响辅助性T细胞亚群的发育(68). 这些受体激活T细胞胞浆中以潜在形式存在的普遍表达的转录因子,包括细胞因子激活的Stat蛋白、NF-κB/Rel/IκB家族复合物和钙调神经磷酸酶调节的NFAT(911). 这些亚独立因素导致亚特异性激活剂的选择性增强,其中最关键的是T-bet和GATA-3(1216). 由IL-12受体信号激活的亚独立蛋白Stat4和T-bet对活化的CD4 T细胞有效分化为Th1谱系至关重要(7,15). Th1发育的这些机制与驱动Th2分化的因素相反,这些因素通过沉默IFN-γ基因限制CD4 T细胞的命运潜能(5). 因此,细胞因子基因表达的限制性Th2程序的极化涉及干扰素-γ位点转录能力的抑制。

表观遗传变化在控制许多发育调控基因的基因表达中起着至关重要的作用。DNA包装到核小体中的变化,如核小体位置、构象或组蛋白组成,介导表观遗传调控的关键方面(1721). 然而,对IFN-γ位点的表观遗传调控或Th1基因表达程序的其他方面知之甚少(17,22,23). 已确定IFN-γ基因周围的DNase I超敏位点,其中一些出现在激活和Th1分化6天后(22,24,25),但这些变化的具体分子基础尚不清楚。核小体在控制基因表达中起着核心作用,因为它们对转录的多个方面(转录激活物的结合以及RNA聚合酶沿着核小体包被DNA的加载或进展)构成障碍。对于核小体相对于转录起始位点占据规定位置的基因子集,有两种机制可以潜在地减轻这种抑制作用。在某些情况下,核小体被移除或重新定位,这可能会产生新的转录因子通路(20,26). 或者,改变核心组蛋白八聚体上DNA的包装可以使DNA更容易获得,而不会改变核小体的位置(20,21,27). 来自体外无细胞系统的证据表明,介导重新定位的重塑复合物不同于那些在不移动核小体的情况下影响包装变化的复合物(20,28). 然而,尚不清楚是否有任何Th1或Th2细胞因子基因被包装在原始或效应T细胞的定位核小体阵列中,或者这些启动子的包装在分化过程中可能如何改变。

由于转录染色质化DNA涉及到拓扑挑战,因此多分子机器对启动子染色质的重塑可能是增强基因表达能力的必要机制(如果不充分的话)(18,20,21). 同样,这些复合物的不同同源序列可能对基因抑制或沉默方面至关重要(29,30). 到目前为止,已经在哺乳动物中定义了三种生化和功能不同的染色质重塑复合物(19,20,24). 其中包括哺乳动物Switch(Swi)–蔗糖非发酵物(SNF)同源物、Mi-2/NuRD和ISWI复合物(1820). 每个多蛋白机器都包含一个基本的ATP酶成分,但每类复合物的ATP酶都不同。哺乳动物Swi–SNF复合体包含婆罗门或婆罗门相关基因1的同源物(Brg1;参考文献19,20,31)包括Brahma/Brg1相关因子(BAFs),如BAF57,这是一种能够结合DNA的成分,对Swi-SNF相关功能的一个子集很重要(32). 最近的工作为每个染色质重塑复合物提供了不同的调节作用和基因特异性功能的证据,特定的蛋白质或复合物可以根据靶点导致激活或抑制(33,34). 例如,SNF2同源物Brg1(31)可以与辅抑制蛋白相互作用并介导基因沉默(3538)或参与激活Swi–SNF复合物,促进基因表达增加(3941). 然而,在Th1或Th2细胞的发育过程中,是否有任何重塑因子被招募到IFN-γ位点或IL-4/-5/-13位点,目前尚无相关信息。同样,Th1分化过程的分子成分尚不清楚,其活性对于任何此类重塑因子的招募都是必要的。在这项研究中,我们分析了IFN-γ启动子处的核小体及其染色质结构的Th1特异性变化,并研究了参与Th1分化早期观察到的变化的重塑成分和转录因子。

结果

IFN-γ基因座能力变化的动力学

幼稚CD4 T淋巴细胞在TCR刺激后数小时内激活IFN-γ和Th2细胞因子mRNA的突然表达,随后仅在Th1条件下IFN-γmRNA的水平更高(,4). 此外,Th1克隆中的IFN-γ基因座在TCR刺激后比原始细胞更能支持转录,而Th2克隆中的基因座的能力远远低于原始细胞(4). 为了扩展这些发现,我们量化了第一个分化周期的转录能力。在TCR刺激后的恒定时间测量IFN-γmRNA水平:初始刺激CD4 T细胞(Th1或Th2条件下0.25 d)或初始激活后2、4或6 d的二次刺激。当细胞在Th1分化条件下生长2天时,TCR刺激的IFN-γ表达增加,随后在第2天到第6天出现显著和渐进性增加(图1). 因此,在Th1分化开始后2天,IFN-γ基因座的转录能力开始增加,然后加速。

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支持转录的IFN-γ位点能力的逐渐增加。直接分析或激活(抗CD3+抗CD28)天然CD4 T细胞,并在Th1或Th2条件下分化0.25、2、4或6天。对分化2、4或6天的样品进行冲洗、等分,并重新刺激(+)或不刺激(-)。(a) 用Northern blots检测IFN-γmRNA水平。(b) a组细胞中IFN-γmRNA水平的定量(原始和Th1条件)。PSL,像素标准级别。

IFN-γ启动子核小体定位阵列

干扰素-γ基因座转录能力的改变必须部分通过其启动子介导,该启动子的有限部分(~600 bp)包含高度保守的序列,足以指导转基因小鼠中Th1特异性基因的表达(42). 我们研究了启动子中是否存在转录不活跃状态的核小体,如果存在,它们是随机定位还是排列在指定位置。来自原始CD4的细胞核+用微球菌核酸酶(MNase)对T细胞进行有限消化,并使用启动子两侧的限制性内切酶位点进行间接末端标记法分析(27). 对于三种限制性内切酶(RE)中的每一种,使用与其中两种酶(HincII和EcoRI)的裂解位点邻接的探针,可以明显看出离散带的核小体阶梯,间距为160–200个核苷酸(图2,a–c). 尽管这种低分辨率方法不能精确定位核小体与核苷酸的位置,但结果表明至少有三个核小体位于1到−600 bp之间。

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CD4 T细胞中位于IFN-γ启动子染色质中的核小体。(a和b)用甲醛交联幼稚CD4 T细胞,并用MNase处理其染色质(5,7.5和10个酶单位)。然后纯化DNA,用指示的RE消化(或保留未消化;0),并使用面板c中指示的探针(直接靠近HincII-cut DNA的RE位点[a]或EcoRI消化物[b])通过Southern blots进行分析。(c) IFN-γ启动子的RE位点和推断核小体位置示意图。用于Southern印迹的探针片段和用于LM-PCR的引物显示在基因上方;转录起始位点(+1)用箭头表示。(d) IFN-γ启动子核小体边界的LM-PCR定位。从原始或Th1(6-d培养)CD4 T细胞的MNase(2.5和1酶单位)裂解染色质中纯化的DNA通过LM-PCR,使用引物x(核小体1)或y(核小体2)和连接物引物进行分析,并通过Southern blot用内部寡核苷酸(1和2用于核小体2)进行分析。作为对DNA中MNase切割偏好的控制,使用相同的MNase制备、连接物连接和PCR(裸DNA)分析纯细胞DNA。所示为代表五个独立实验的放射自显影。

对MNase处理的基因组DNA进行连接介导PCR(LM-PCR),以更精确地定位位于近端IFN-γ启动子的核小体边界。其中一个定位于相对于转录起始位点(核小体1;图2、c和d;示意图中的Nuc 1)。第二个核小体,核小体2,被定位到核苷酸70和220之间的边界;通过间接末端标记,在启动子区的核苷酸−370和−520之间发现了核小体−2。这些数据表明,IFN-γ启动子被包装在原始CD4 T细胞的核小体定位阵列中。对原始静止CD4 T细胞与Th1极化群体进行的比较分析表明,覆盖启动子保守近端调控元件的核小体1的位置没有差异,Th1与Th2群体的比较也没有差异(未公布的数据)。

Th1分化过程中IFN-γ启动子处核小体DNA可及性增加

为了进一步评估IFN-γ启动子的染色质在细胞激活和分化时是否发生改变,使用了RE可及性(REA)分析。细胞核由活化后转录IFN-γ能力较低的原始CD4 T细胞制备而成(图1; 参考文献,4). 幼稚细胞也在Th1条件下被激活和生长,之后Th1群体被休息或重新刺激。通过测定RE-裂解的相对效率来测量每组细胞细胞核中IFN-γ启动子DNA的可及性(图3). 与原始细胞相比,在休息的Th1细胞中,IFN-γ启动子最近端部分的核糖体DNA变得更容易获得。在静息Th1细胞的二次刺激后,这些位点的一个子集的染色质进一步改变(图3b). 总之,这些变化揭示了干扰素-γ启动子包装中的精确物理变化发生在T细胞激活后,这与核小体重塑而非移除更为相容。未被激活的Th1细胞在大多数部位表现出与再刺激后观察到的重塑程度相似的重塑程度(图3b)和高活性基因转录的诱导(4,22).

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IFN-γ启动子处的染色质重塑。(a) 带有核小体位置的IFN-γ启动子图图2在保守IFN-γ启动子区域分析的位点用黑色条表示;核小体的位置由开放的卵圆形表示;转录起始点由箭头指示。线下方,核小体1的扩展视图显示了组成近端保守元件的结合位点的位置(46,47). 下面进一步指出了相关位点的核苷酸序列,用线表示结合基序;识别这些地点的文件(7,45,44)注意到。(b) 直接分析或激活(αCD3+αCD28)的幼稚CD4 T细胞,在Th1条件下分化6天,然后如前所述休息或重新刺激(18). 用MseI消化每个细胞群的细胞核(10,25和50个酶单位)(10,25和50个酶单位),或没有酶(在右车道为0)。然后用HincII将纯化的基因组DNA切割至完全,并使用Southern印迹进行分析。黑点表示上游MseI位点(核苷酸−510)产生的条带位置。箭头指向指示被测限制性内切酶可及性的条带。P、 父母乐队。

IFN-γ启动子处快速进行的Th1亚特异性染色质重塑

接下来,我们确定IFN-γ启动子处的染色质重塑是一个Th1特异性过程,还是仅仅依赖于激活。我们分析了启动子上的一系列RE位点,以比较原始CD4 T细胞与休息或重新激活的Th1和Th2细胞群的染色质。IFN-γ启动子染色质仅在Th1细胞中产生更大的REA,而活化的Th2细胞的切割效率与未活化的CD4细胞没有差异(图4 a). 这一发现既适用于核小体1 MseI位点,也适用于位于高度保守的转录元件内的相邻唯一SnaB1位点,该转录元件结合了复合ATF/AP-1/C/EBP样位点和T盒半位点(图3 a; 参考文献7,4345). 除了核小体1和2的变化外,在用于锚定这些分析的片段中的第二个MseI位点上还发现了另一个裂解事件。与IFN-γ启动子中包装−500位点的核小体中的一个位点的切割一致,XmnI在其独特位点切割染色质的可及性也以Th1-特异的方式显著增加,并在二次刺激后进一步增加。为了评估这些变化是否代表核小体的重塑,尤其是与同样影响该区域所有染色质的一般变化相比,在幼稚、Th1和Th2人群中检测了PvuII(核小体1和2之间的切割)的切割。定位核小体内的DNA重塑比间隔区中PvuII位点的DNA重塑更为显著,这表明Th1-特异性重塑过程以IFN-γ启动子的核小体DNA为靶点。然而,有趣的是,核小体−2上的两个位点(XmnI和次级MseI位点)在T细胞的二次刺激下优先发生进一步的变化,而较近的核小体1和2上的位点(第一个MseI、SnaBI和HaeIII)相对不受细胞再刺激的影响。

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IFN-γ启动子处的早期Th1亚特异性染色质重塑。(a) IFN-γ启动子染色质重塑是Th1特异性的。所示CD4 T细胞群的制备如下图3这些细胞和原始CD4 T细胞的细胞核在没有酶(左侧为0)或增加量的情况下培养(10,25然后用HincII(用于MseI、SnaBI、PvuII和HaeIII分析)或EcoRI(用于XmnI可及性)消化纯化的基因组DNA,并使用图3 a结果代表了六个独立实验。箭头将启动子中的图位(左侧启动子区域的垂直图)与代表染色质被指示酶裂解的片段相连。弯曲箭头表示转录起始点的位置。黑点表示上游MseI位点(核苷酸−510)产生的条带位置。(b) 直接分析幼稚CD4 T细胞,或在Th1或Th2条件下活化并分化18或48小时。然后使用指示的RE对样本进行分析,如图a所示。图中所示为一组代表四个独立实验的放射自显影。P、 父母乐队。

我们研究了可及性增加的早期动力学,以确定IFN-γ启动子染色质的Th1-特异性重塑是一个晚期事件还是在分化早期开始。CD4 T细胞在Th1和Th2条件下极化18和48小时,并通过REA分析。IFN-γ启动子核小体在激活后18小时无变化,但在Th1条件下生长期间TCR刺激后48小时明显变化(图4b; 参考46). 总之,这些发现表明,Th1特异性重塑是针对干扰素-γ基因转录相对较低的细胞中的核糖体染色质(22,46). 这种重塑与TCR再刺激后支持高水平转录的位点能力的逐渐增加同时发生(图1).

Brg1对IFN-γ启动子的招募及Swi–SNF在Th1细胞发育中的作用

核小体包裹DNA可及性的改变可以通过Swi–SNF、Mi-2/NuRD或ISWI重塑机器介导,但含有Brg1的Swi–SNF复合体在不移位或滑动核小体的情况下最能增强核酸内切酶敏感性(20,28). 然而,在Th1或Th2细胞因子基因的激活或抑制过程中,对其重构成分的要求、构成或定位一无所知。为了研究核心Swi–SNF组分Brg1在Th1分化(位点激活)或Th2条件下(IFN-γ基因阻遏)是否与IFN-γ启动子相关,我们进行了染色质免疫沉淀(IPs[ChIPs])。将来自原始细胞的染色质与在Th1和Th2条件下培养的最近激活的CD4 T细胞的样本进行比较。Brg1在Th1细胞发育中与IFN-γ启动子相关,但在Th2细胞中不相关(图5 a)然而在naive、Th1和Th2细胞中表达水平相似(图5 b). 在Th1或Th2条件下活化和培养48小时的幼稚CD4 T细胞的比较中,结合发生在这个早期(图5 c). 招募不是由IFN-γ产生引起的;尽管在存在IL-12的培养物中中和了抗IFN-γ,但仍保持了招募,并且在Th2培养物中添加IFN-γ并没有引起招募(图5 d). 当T细胞群在培养6天时进行测试时,Brg1仍在Th1细胞的IFN-γ启动子处富集(图5 e)表明Brg1的募集稳定地维持在Th1细胞的可接近染色质上。用IFN-γ基因第4外显子特异性引物扩增相同样品,未检测到Brg1的富集(图5 e)表明结合是一个局部过程,而不是与染色质或转录序列的全局关联。

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IFN-γ启动子的Th1-特异性Brg1招募。(a) 在Th1条件下,T细胞激活导致Brg1与IFN-γ启动子结合。直接分析幼稚CD4 T细胞,或在Th1或Th2条件下分化3 d,然后使用正常兔IgG或抗Brg1抗体进行ChIPs分析。用PCR在沉淀或非分馏样品(输入)中检测IFN-γ启动子DNA,线性范围扩增,并用内部寡核苷酸探针进行Southern杂交。显示了六个独立实验中的一个具有相同结果的放射自显影。(b) CD4 T细胞亚群中Brg1水平。CD4 T细胞的Naive、Th1和Th2群体(星号表示重新刺激)通过Western blotting使用抗Brg1抗体和负荷对照进行分析。(c) 与面板a一样,除了在T细胞激活48小时后分析重复样品。(d) Brg1与IFN-γ启动子关联的IFN-γ独立性。纯化的原始CD4 T细胞在Th1条件下激活并培养,或在Th2条件下培养(±IFN-γ)。然后使用这些细胞进行抗-Brg1 ChIP分析。(e) 稳定的Th1-特异性Brg1与IFN-γ启动子的关联。在极化条件下继续从面板c生长细胞,直到第6天,此时进行Brg1-ChIP。每个样本平均分配,以执行独立的重复IP(a和b)。沉淀用于PCR检测IFN-γ启动子或外显子4的DNA序列,如图所示。所示为一个实验的放射自显影,代表了三个独立实验的结果。

接下来,我们研究了Swi–SNF成分在Th1分化中的功能意义。CD4 T细胞被激活以允许逆转录病毒介导的转导,并在阻止Th1分化的条件下最初生长。然后在感染后将细胞切换到Th1状态,生长2 d,并对用靶向Swi–SNF复合物或对照物的分子转导的细胞中的IFN-γ基因表达进行评分(图6 a). 在使用RNA干扰(RNAi)降低Swi–SNF复合物核心ATP酶组分表达的实验中,在GFP中观察到Th1分化效率的显著且可重复的降低+转导表达短发夹RNA的CD4 T细胞与GFP的比较人口(未描述)和GFP+包含空矢量的单元格(图6 b). 关于在这种情况下构成控制基因的信息很少,但CD4表达在GFP中均正常+这些RNAi实验的样本(图6 b)以及之前对因谱系特异性Brg1基因敲除导致胸腺异常分化而导致的成熟T细胞的分析(47). 在Swi–SNF RNAi细胞的流式细胞术分析中,Stat4和T-bet水平也显示正常(图S1,可在http://jem.org.cgi/content/full/jem.20060066/DC1). 尽管事实证明获得足够纯化的原代细胞来分析敲除并不可行,但与对照组相比,用短发夹RNA转导的EL-4 T细胞的免疫印迹显示Brg1大量耗竭(图6 c). 由于Brg1的表达没有完全消除,这些实验中残留的Th1可能部分是由Swi–SNF复合物的不完全消融引起的。Swi–SNF复合物非催化BAF57组分的主要负形式,BAF57ΔN(32)缺少其DNA结合部分。当BAF57ΔN用于转导实验时,我们观察到与对照组相比,表达高水平双顺反子Thy1a标签的细胞中CD4表达正常,但Th1分化显著减少(图6 d). 因此,Th1分化的启动触发了局部Brg1募集和染色质重塑;这些与时间相关的过程都先于二次TCR刺激。此外,尽管含有Brg1的复合物通常与抑制基因表达有关(3639),含Brg1的Swi–SNF复合物似乎对正常Th1分化至关重要。在发育中的Th2细胞中,缺乏对IFN-γ启动子的Brg1招募,这表明当细胞从原始状态进入Th2状态时,该蛋白不会影响IFN-γ位点的沉默。

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Swi–SNF成分在Th1发育中的作用。(a) 使用ThU(αIL-4、αIL-12 p40和αIFN-γ)或Th2条件的实验设计示意图,以推迟Th1分化的开始,直到逆转录病毒转导和随后切换到Th1条件。(b) 用空载体或编码靶向小鼠Brg1(RNAi)的短发夹序列的逆转录病毒转导T细胞,切换到第a组的Th1条件,并在二次刺激(αCD3+αCD28)后进行IFN-γ染色后进行流式细胞术分析。GFP中CD4信号的直方图+图中显示了人群以及GFP中细胞的IFN-γ信号+,CD4+盖茨。控制装置(图S1,可从http://jem.org.cgi/content/full/jem.20060066/DC1; 显示RNAi样本中正常的细胞存活率和CD44、Stat4、P-Stat4和T-bet水平。重新刺激GFP上清液的ELISA+细胞证实干扰素-γ的产生显著减少。(c) 用Western blotting法测量用短发夹编码或控制病毒转导的T细胞在指定时期内的Brg1水平。(d) 如图b所示,除了用空的MiT载体(逆转录病毒)或编码显性阴性BAF57ΔN的病毒粒子转导细胞外,在Thy1a中测量IFN-γ信号+,CD4+大门。对于RNAi和BAF57(ΔN),显示的结果代表了至少四个独立实验中再现的结果。MFI,平均荧光强度;细胞内细胞因子染色;FSC,正向散射。

信号传导Brg1募集与染色质重塑

钙调神经磷酸酶的激活是NFAT转录因子诱导的信号,而NFATc2(NFAT1)在调节Th1分化中的关键作用已通过选择性缺乏该蛋白的小鼠鉴定(48). 此外,IFN-γ启动子包含NFAT的功能位点,NFAT在分化Th1细胞时与IFN-γ染色质结合(43,44,46). 我们通过在存在或不存在环孢菌素A(CsA)的情况下激活原始CD4 T细胞来测试钙调神经磷酸酶活性是否是IFN-γ启动子染色质重塑所必需的。为了绕过诱导IL-2时对NFAT的需求,培养物中加入了IL-2。CsA消除了Th1条件下细胞REA分析中IFN-γ启动子染色质可及性的增加(图7 a). 此外,在相同条件下(Th1条件±CsA)对活化的CD4 T细胞进行ChIP分析表明,Brg1募集被该抑制剂阻断(图7 b).

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钙调神经磷酸酶激活在Th1细胞Brg1募集和染色质重塑中的重要作用。(a) 环孢菌素a(CsA)可消除IFN-γ启动子染色质重塑。在有或无CsA的Th1条件下(包括补充的IL-2)纯化、激活(或未激活)幼稚CD4 T细胞,并培养48小时。用指示的酶消化细胞核,并按照图2箭头指向指示被测限制性内切酶可及性的条带。P、 父母乐队。(b) CsA阻断了Brg1向IFN-γ启动子的募集。ChIP对a组产生的样品进行了分析,如图6(c和d)在有或无CsA的情况下激活T细胞,在所有培养物中添加IL-2。(c) 流式细胞术测定CD25和CD44阳性CD4细胞的频率(阳性百分比),以及阳性门内这些参数的平均荧光强度。(d) 通过流式细胞术检测CD4细胞中渗透碘化丙啶染色细胞的CD4淋巴细胞的细胞周期进展+闸门(左)或激活前加载CFSE的样本(右)。插入数字表示循环中的细胞分数或至少分裂一次的细胞。(e) Brg1和NFAT协会。使用所示抗体沉淀所示细胞的提取物;这些沉淀物通过抗Brg1免疫印迹分析。通道7和8:不含IP的提取物;显示了代表三个独立实验的一个免疫印迹。车道1和车道3的化学发光膜暴露时间比车道2和车道4-9长,所有车道均来自相同过滤器的相同暴露。(f) CsA对IFN-γ表达的抑制。来自激活和分化细胞的RNA的Northern blot分析,如图a所示。

这种对钙调磷酸酶活性的需求可能是因为T细胞没有接收到任何激活信号,或者因为很少有细胞可以进入S期(49). 或者,由于TCR/CD28信号传导的CsA不敏感成分的协同作用,这些功能可能仍然是可诱导的。对添加IL-2的CD4淋巴细胞培养物的分析表明,在有或无CsA的情况下受刺激的CD4细胞可充分诱导多种T细胞活化标记物(图7 c)与对照组相比,CD4细胞进入S期并完成至少一次分裂的效率为~50%(图7 d). 这些发现表明,尽管在我们的实验条件下观察到其他基因的诱导和TCR信号下游的细胞周期进展,但钙调神经磷酸酶依赖性途径对于Brg1向IFN-γ启动子的募集和重塑是必需的。与NFAT在启动Swi–SNF复合物招募中的潜在作用一致,Brg1和NFAT共同从T细胞的核提取物中免疫沉淀(图7 e). 正如预期的那样,IFN-γ基因的表达没有被诱导(图7 f)当细胞在Th1条件下用CsA和补充的IL-2培养48小时。这些数据表明,钙信号通路是Brg1募集和核小体重塑的关键介体,表明NFAT通过这些机制调节Th1分化(48).

stat4中的核小体重塑−/−和T-bet−/−发育中的Th1细胞

由于NFAT转录因子在Th2细胞发育和Th1分化中被激活,我们假设仅在Th1细胞中激活的转录调节因子可能对IFN-γ启动子的Brg1募集或重塑至关重要。Stat4和T-bet在Th1而非Th2细胞的发育早期被激活,并且每一种都是正常Th1分化所必需的。当我们使用在Th1条件下激活和培养的Stat4缺陷的CD4 T细胞测量Brg1募集和染色质重塑时,在没有Stat4的情况下,REA的增加显著减弱(图8 a)Brg1招募人数大幅减少(图8 b). 对照组显示T-bet在敲除样品中被诱导(图8 c),Brg1表达正常,在缺乏Stat4的情况下Th1分化显著降低(图8 d). 这些发现表明,IFN-γ启动子的Brg1募集和重塑依赖于Stat4。

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重塑和Brg1招募取决于Stat4。(a和b)纯化、激活野生型(WT)和Stat4-null CD4 T细胞,在指定条件下培养(Th1 vs.Th2),并通过REA分析(a)或ChIPs分析(b);通过对每个样品的Southern印迹信号进行磷光成像,对指示位置的解理百分比进行量化。箭头指向指示被测限制性内切酶可及性的条带。(c) 用Western blotting法测量a和B组中使用的野生型和Stat4敲除(KO)Th细胞提取物中T-bet、Stat4、Brg1和亲环素B的水平。(d) 对野生型和Stat4基因敲除小鼠的原始CD4 T细胞产生的Th1细胞进行二次刺激(αCD3+αCD28),通过CD4细胞内IFN-γ染色进行分析+细胞。每个结果都是至少三个独立重复的实验代表(Brg1水平除外;n个= 2).

与对Stat4的依赖程度相反,Brg1招募和REA分析比较野生型和T-bet缺乏的CD4 T细胞表明,每个过程都在T-bet中进行−/−样品。虽然对RE切割的DNA部分进行定量分析表明,T-bet的缺失降低了核小体对RE的可及性(MseI和HaeIII),但这种降低小于50%(图9 a). 与之前的Th1开发工作一致(15,24),我们观察到Th1细胞的频率(图9c)T-bet缺乏的CD4淋巴细胞中IFN-γmRNA水平显著降低(图9 d). Stat4激活需要IL-12Rβ2,其他研究表明IL-12Rα2的诱导是T-bet的下游(50,51). 由于数据显示,与T-bet相比,Stat4对重塑的依赖性更大,我们分析了T-bet是否会影响IL-12Rβ2的诱导或Stat4的激活−/−细胞。IL-12Rβ2 mRNA诱导很容易检测到(图9e),和抗磷脂-Stat4蛋白质印迹显示,在T淋巴细胞缺乏的CD4 T细胞中,Stat4活化强烈(图9 f). 这一证据表明,T-bet缺乏细胞中Stat4的激活可以调节其Brg1募集、重塑和剩余分化为Th1细胞的能力(15,52). 总之,这些结果导致了一个协作模型,说明Stat4和钙调神经磷酸酶诱导成分如何在Th1分化期间调节IFN-γ编码染色质转录能力的生成。

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T-bet在发育中Th1细胞Brg1募集和染色质重塑中的作用。(a–d)从T-bet缺乏和野生型(WT)小鼠中纯化的原始CD4 T细胞被激活,并在Th1或Th2条件下生长6天。然后对这些样品的细胞核进行Brg1的REA分析(a)或ChIP分析(b),如图8箭头指向指示被测限制性内切酶可及性的条带。(c和d)T-bet缺陷CD4细胞中IFN-γ基因的表达。(c和d)在野生型和T-bet-null样本中的原始CD4 T细胞经Th1分化后,产生IFN-γ-的CD4 T淋巴细胞的频率如图8 d(c) 或通过Northern blotting(d)测定IFN-γ。(e和f)在Th1条件下发育的T-bet缺陷型CD4 T细胞中IL-12Rβ2和磷酸化-Stat4诱导的正常水平。从野生型和T-bet敲除(KO)小鼠中纯化的原始CD4 T细胞被激活,并在Th1或Th2条件下生长。然后用Northern blots分析样本,以测量IL-12Rβ2 mRNA水平(e),并用抗磷酸Stat4、–T-bet和负荷对照(f)探测免疫印迹。每个结果来自一个实验,该实验代表至少三个独立重复。

讨论

转录因子和调节染色质结构的机制的编排对调节分化和细胞因子基因表达水平至关重要。在达到最高水平的转录活性之前,IFN-γ启动子染色质经历了Th1-特异性结构转变。这种重塑表现为定位核小体的DNA可及性增强,其有序阵列没有明显变化(在当前分析中绘制的边界分辨率范围内)。数据确定Swi–SNF组分Brg1的IFN-γ启动子特异性募集和核小体重塑为早期Th1-特异性事件。虽然重构过程可以在没有T-bet的情况下进行,但钙信号通路通过钙调磷酸酶发挥作用,对Swi–SNF ATP酶的募集和核小体重构的诱导至关重要。我们的研究结果表明,Th1分化的这些步骤依赖于Stat4,因为在Th1条件下,T-bet缺乏的CD4 T细胞中IL-12Rβ2的表达和P-Stat4水平是正常的,而在Stat4-null CD4 T淋巴细胞中Brg1的募集和染色质重塑减少。总之,这些结果支持一个模型,即NFAT和Stat4的协同作用导致Swi–SNF复合物向IFN-γ基因的功能重要招募,并表明Swi–SNF功能对于实现Th1分化的正常效率至关重要。

已确定Brg1和相关Swi–SNF复合体招募的两种机制(20,53,54). 其中一种是,复合物的溴代腺体识别乙酰化组蛋白。活化原始CD4 T细胞诱导早期IFN-γ基因表达的短暂爆发(图1; 参考文献4,5)并且,在前2天内,Th1条件下组蛋白乙酰化比Th2条件下更多(46). 虽然可以合理推断该机制有助于Brg1靶向IFN-γ启动子,但它可能不是Brg1募集Th1特异性的唯一依据。Brg1募集的第二种机制是与转录因子的直接相互作用。NFAT与Brg1共沉淀的能力表明,第二种机制对于Th1特异性Swi–SNF与IFN-γ启动子的结合也很重要。我们的数据表明,Brg1募集是钙调神经磷酸酶依赖性转录因子(如NFAT)必不可少的早期步骤。然而,NFAT的核转位在发育中的Th2细胞中被诱导,但在Th2条件下未观察到Brg1向IFN-γ启动子的募集。我们推断,Brg1–NFAT复合体需要与Th1特异性成分协作;如下一段所述,Stat4似乎对Th1特异性至关重要。此外,早期重塑可能会增强DNA-结合转录因子和相关辅活化因子对IFN-γ基因中同源位点的访问。因为在分化Th1细胞的过程中,组蛋白乙酰化在IFN-γ启动子处的密度从第2天增加到第6天(55),重塑可能会创造一个宽松的环境,促进这种逐渐增加。

在发育中的Th1细胞中缺乏T-bet的情况下,Brg1募集和相当程度的重塑发生。三点表明,这种结果是由Stat4激活介导的。首先,Stat4在强制表达Stat4后,促进T-bet缺陷的CD4 T细胞从Th2状态转换为Th1状态的Th2到Th1转换(即IFN-γ产生)(52). 其次,P-Stat4在T-bet-null发育的Th1细胞中被激活,Brg1的招募和REA的增加都依赖于Stat4。最后,在Th1条件下,在Stat4-null CD4细胞中诱导了T-bet,但重塑显著减少。尽管如此,T-bet可能会对重塑过程做出贡献。T-bet转导到发育中的Th2细胞中(即通过中和抗IL-12来阻断Stat4通路的激活)能够迫使大量Brg1募集并增加IFN-γ启动子处的REA(未发表的数据)。此外,T-bet或Stat4的缺失对重塑(REA增加)的影响略大于Brg1的招募(图8和9)。9). 这一点表明,这些转录因子中的每一个都可能与Swi–SNF复合体协作,在复合体募集后进行重塑。

在缺乏T-bet的情况下,Stat4解释Swi–SNF募集的模型的一个潜在障碍是T-bet异位表达的实验表明,IL-12Rβ2诱导可能是下游T-bet(50,51,56). 然而,在Th1条件下,需要在tbx21敲除CD4细胞中诱导Stat4。我们的数据表明,在没有T-bet的情况下,P-Stat4很容易被IL-12诱导。在T-bet–null辅助细胞的Th1条件下,Stat4磷酸化的诱导是如何执行的?我们之前已经证明,尽管Stat因子的激活受体水平降低了10倍,但它仍然可以正常诱导(57)因此,IL-12Rβ2的水平(最初降低)可能会介导Stat4的初始激活,然后是Stat4依赖性受体表达的增加。无论如何,在Th1条件下,激活的T-bet缺陷CD4 T细胞中诱导了IL-12Rβ2 mRNA(图9). 因此,T-bet对于IL-12处理的细胞中IL-12Rβ2和P-Stat4的诱导可能是足够的,但不是必需的。

因为在我们的实验中,T-bet对正常的Th1分化和IFN-γ的产生显然至关重要(图9)与之前的研究一样(15,24,55)关于Stat4和T-bet在重塑IFN-γ启动子染色质中的作用的研究结果表明,需要解释T-bet的关键步骤。T-bet在二次刺激前存在,并以依赖于包装在IFN-γ启动子核小体1中高度保守的T-box半位点的方式直接激活IFN-γ的启动子(14,24,42,45)和远距离元素,如IFN-γCNS-1序列(25). 由于T-bet缺陷的CD4 T细胞尽管实现了Brg1募集和大量核小体重塑,但其基因表达率却降低,因此我们推断T-bet可能在REA揭示的Th1特异染色质结构建立后发挥其重要功能。重塑使核小体包被DNA更容易与转录因子结合(19,20,26). Swi–SNF还可能促进与远距离调控元件的长期相互作用,如通过T-bet进行交易的CNS-1(ifng)(24,25,5860). 例如,在Th1条件下,干扰素-γ基因座调控片段的高阶排列似乎在第2天之后发生变化(58). 这些步骤将为实现Th1细胞的全水平基因转录特征奠定基础。在这方面,值得注意的是,REA数据可能揭示了IFN-γ启动子处两种可分离的重塑类型。在二次刺激之前,这些阶段中的第一个阶段影响了所分析的每个核小体,而再激活后REA的大多数额外增加位于核小体映射为核小体-2的−500区域。尽管对T-bet调节IFN-γ转录的阶段有这些推断,但我们的数据支持的中心点是(1)Swi–SNF成分的Stat4依赖性、Th1特异性招募和染色质重塑发生在IFN-γ染色质中,与该位点转录能力的增加相协调,以及(2)Swi–SNF复合物是有效Th1分化的介体。

材料和方法

老鼠。

BALB/cJ、BALB/c–T-bet−/−和BALB/c-Stat4−/−小鼠(Jackson ImmunoResearch Laboratories)在范德比尔特大学小鼠设施的特定无病条件下保存在微隔离器中,并在4-6周龄时根据机构动物护理和使用委员会批准的方案使用。

细胞制备、培养和T细胞分化。

抗体和细胞因子试剂从BD Biosciences获得,除非另有说明。幼稚CD4+用磁珠(Miltyeni Biotec)从幼年小鼠的淋巴器官中纯化T细胞,首先用阴性(抗CD8和MHC II磁珠),然后用CD4阳性选择+CD62L型你好CD62L结合珠的细胞。典型的细胞纯度≥90%CD4+CD44细胞如前所述,用2μg/ml抗CD3ɛ和1μg/ml抗CD28刺激幼稚T细胞(61,62). 对于Th1分化,在存在10 ng/ml重组小鼠IL-12(Leinco)和1μg/ml纯化抗IL-4(11B11)的情况下刺激细胞。对于Th2分化,细胞在5 ng/ml小鼠IL-4、0.5μg/ml抗IFN-γ和1μg/ml反IL-12中培养。阻止各种形式的分化(Th无效的条件),细胞在IL-2、抗IL-4、抗IL-12 p40和抗IFN-γ中培养。2-6天后,细胞未受刺激或用抗CD3+抗CD28或PMA+离子霉素重新刺激6小时(14,22). 对于细胞周期分析,CD4细胞被激活并在上述Th1条件下生长(±0.5μg/ml CsA),进行CD4染色,渗透,并用碘化丙啶染色。为了测量分裂,细胞首先用CFSE(Invitrogen)染色,然后在Th1条件下激活并生长(±CsA)。

原代T细胞的逆转录病毒转导。

如前所述进行逆转录病毒载体转染和感染(61,62). 简言之,幼稚的CD4+通过磁激活细胞分选纯化T细胞,然后用抗CD3/CD28激活细胞并在Th无效的或Th2条件。发展Th无效的或Th2细胞用空载体(RVGP或MiT;参考63)与RVGP中短发夹cDNA的比较(加利福尼亚大学洛杉矶分校S.Smale的礼物,加利福尼亚州洛杉矶;参考64)或MiT-BAF57ΔN活化后18 h,在相同条件下再培养30 h。然后将感染人群切换到Th1条件下,培养3d,再刺激(抗CD3+抗CD28),并通过细胞内IFN-γ染色进行分析。用RVGP或短发夹载体转导EL4 T细胞,与原代CD4 T细胞一样,但感染后24 h开始选择3μg/ml嘌呤霉素,并用流式细胞仪监测GFP表达。在这些选定的EL4细胞(>95%GFP)的提取物上进行Brg1的蛋白质印迹+).

细胞核和染色质的制备和消化。

CD4细胞+T细胞在0.1 M NaCl、1 mM EGTA和50 mM Hepes(pH 8.0)(1%体积/体积最终浓度)中用十分之一体积的11%甲醛溶液进行交联(冰上20分钟)。然后添加甘氨酸(最终浓度为0.125 M;10 min)。用冰镇PBS冲洗细胞三次,再悬浮在裂解缓冲液中(10 mM Tris,pH 7.4,10 mM NaCl,3 mM MgCl2,0.5%NP-40,0.15 mM精胺和0.5 mM精脒),并在冰上孵育10分钟。将细胞核造粒,在不含CaCl的MNase消化缓冲液(10 mM Tris,pH 7.4,15 mM NaCl,60 mM KCl,0.15 m M精胺,0.5 mM亚精胺)中洗涤2,并重悬于含有3mM CaCl的MNase消化缓冲液中2对于核小体定位,添加MNase(Roche),并通过添加200μl蛋白酶K缓冲液(100 mM Tris-Cl,pH 8.5,5 mM EDTA,200 mM NaCl,0.2%SDS和100μg/ml蛋白酶K)终止反应(20°C下200μl中5分钟)。样品在56°C下培养过夜,然后通过异丙醇沉淀纯化DNA。

REA分析。

用1×PBS清洗细胞一次,再悬浮在裂解缓冲液中(10 mM Tris,pH 7.4,10 mM NaCl,3 mM MgCl2,0.5%NP-40,0.15 mM精胺和0.5 mM精脒)在冰上5分钟,并用RE缓冲液(10 mM Tris,pH 7.4,50 mM NaCl,10 mM MgCl)清洗一次20.2 mM EDTA、0.2 mM EGTA、0.15 mM精胺和0.5 mM精脒)。将细胞核重悬于100μl推荐的缓冲液(New England Biolabs,Inc.)中,然后加入RE,并通过加入等体积的100 mM Tris、pH 8.5、5 mM EDTA、200 mM NaCl、0.2%SDS和100μg/ml蛋白酶K在56°C下孵育过夜来停止反应(20°C下20分钟)。如MNase实验所述进行DNA纯化。

南部、北部和西部印迹分析。

将15或10μg MNase处理或RE-digested细胞DNA与侧翼RE消化完成。通过琼脂糖凝胶电泳(1.2%用于MNase处理的DNA,1%用于RE-digessed DNA)分离样品,然后转移并与IFN-γ启动子的放射性标记探针杂交(−550至−250)。对于Northern blots,在存在或不存在0.5μg/ml CsA的Th1或Th2分化条件下激活并生长原始CD4 T细胞。总细胞RNA通过变性琼脂糖凝胶电泳进行解析,并用编码IFN-γ、次黄嘌呤磷酸核糖转移酶、IL-12Rβ2或GADPH的cDNA进行探测,如前所述(59). 对于Western blot分析,细胞提取物通过SDS-PAGE进行解析,然后用抗-T-bet(4B10;Santa Cruz Biotechnology,Inc.)、–p-STAT 4(Y-693 STAT 4;Zymed Laboratories)、-Brg1(Upstate Biochemicals)或–亲环素B进行免疫印迹,如前所述(62).

LM-PCR用于核小体定位。

如前所述进行LM-PCR(65,66)稍作修改。用多核苷酸激酶磷酸化4μg MNase处理的DNA,并用单向连接剂连接。结扎后,添加等量的PCRL缓冲液(10 mM Tris-Cl、pH 8.8、50 mM KCl、0.25%吐温20和0.25%NP-40)。将十分之一的结扎样品用于PCR(22个周期,延长时间从5分钟开始,每增加三个周期增加30秒)。产品在2%琼脂糖凝胶上溶解,并用内部寡核苷酸进行探测。引物和内部寡核苷酸探针的大致位置如所示图2.

IP。

对于ChIP分析,T细胞用甲醛短暂固定,冲洗,然后用MNase进行核小体定位。用MNase部分消化细胞核,然后添加等量的ChIP稀释缓冲液(15 mM Tris、pH 8.0、150 mM NaCl和1%Triton X-100),并对样品进行声波处理,使平均DNA长度为100–600 bp。将剪切的染色质离心成颗粒碎片,将上清液调节为1%Triton X-100、0.1%脱氧胆酸钠和0.1%SDS(IP缓冲液)和0.15 M NaCl。蛋白A珠与正常兔IgG孵育(4°C下30分钟),然后使用珠抗体复合物预处理染色质(4°C下1小时)。然后在4°C下使用2μg正常兔IgG或抗Brg1兔多克隆抗体(Upstate Biochemicals)隔夜进行IP。用DNA-饱和蛋白A收集免疫复合物,用0.3 M NaCl的IP缓冲液洗涤四次,用IP缓冲液清洗两次,用TE缓冲液清洗一次。然后将珠再次悬浮在TE缓冲液中,调节至0.5%十二烷基硫酸钠和200μg/ml蛋白酶K,并在56°C下培养3小时,然后在65°C下过夜,以逆转交联。通过酚-氯仿萃取纯化DNA,在10μg糖原存在下沉淀,并在50μl TE缓冲液中重新悬浮。使用IFN-γ启动子区域内的引物扩增IP产物(正义,5′-CACCTTAGTCACCATTA-3′;反义,5′-GCCAGAGTGTAGCGTTCAT-3′)。对于co-IP,制备Th1细胞并重新刺激6 h(PMA+离子霉素,如细胞制备、培养和T细胞分化中所述),或激活Jurkat T细胞(PMA+离子霉素;4 h)。核提取物(Th1细胞为0.5 mg,Jurkat细胞为1 mg蛋白质)在4℃下用1μg非免疫兔IgG在蛋白A珠存在下预处理2 h。将5μg抗NFAT或1μg抗Brg1抗体(Upstate Biochemicals)添加到预处理的上清液中,在4°C下培养过夜,并恢复免疫复合物以用于ChIP分析。洗脱后的蛋白质通过Western blotting进行分析。

图。

在所有情况下,数字中的Northern、Southern和Western印迹数据表示在单个代表性实验中对膜进行单一分析后获得的图像。这种印迹数据的图形面板内的分界线表示存在用于重新排列车道以实现更大的简单性或清晰度的切割线。除非图例中另有说明,否则所有车道的曝光长度均相等。

在线补充材料。

图S1显示了受Swi–SNF复合物干扰影响的转录因子表达。在线补充材料可在http://www.jem.org/cgi/content/full/jem.20060066/DC1。

补充材料

【补充材料索引】

致谢

我们感谢S.Smale、S.Brandt、M.Xu、T.Aune、E.Oltz及其实验室成员的有益讨论,以及L.Glimcher的抗T-bet抗体、S.Smale的未发表RNAi质粒、A.Rao的抗NFAT和T.Chi的BAF57ΔN cDNA。我们也感谢E.Oltz和T.Aune对手稿的批判性阅读。

这项工作得到了桑德勒家庭基金会和国家过敏和传染病研究所(AI49460拨款)的支持。

作者没有相互冲突的经济利益。

笔记

使用的缩写:BAF,Brg1-相关因子;Brg1、Brahma相关基因1;ChIP,染色质IP;环孢素A;免疫沉淀;LM-PCR,连接介导PCR;MNase,微球菌核酸酶;RE,限制性内切酶;REA、RE可访问性;RNA干扰;SNF、蔗糖无发酵剂;Swi,开关。

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文章来自实验医学杂志由以下人员提供洛克菲勒大学出版社