Le Rôle des Modifications Protéiques de la T-Bet dans la Production de Cytokines et la différenciation des Cellules T Auxiliaires

Résumé

La T-Bet (protéine T-box exprimée dans les cellules T, également appelée TBX21) a été à l’origine clonée comme facteur de transcription clé impliqué dans l’engagement des cellules T auxiliaires (Th) dans la lignée Th1. T-Bet active directement la transcription du gène IFN et améliore le développement des cellules Th1. T-Bet module simultanément les cytokines IL-2 et Th2 d’une manière indépendante de l’IFN–, ce qui entraîne une atténuation du développement des cellules Th2. De nombreuses études ont démontré que le T-bet joue de multiples rôles dans de nombreux sous-types de cellules immunitaires, notamment les cellules B, les cellules dendritiques, les cellules tueuses naturelles (NK), les cellules T NK et les cellules lymphoïdes innées. Par conséquent, T-bet est crucial pour le développement et la coordination des réponses immunitaires innées et adaptatives. Pour remplir ces rôles multiples, T-bet subit plusieurs modifications protéiques post-traductionnelles, telles que la phosphorylation au niveau des résidus tyrosine, sérine et thréonine, et l’ubiquitination au niveau des résidus lysine, qui affectent l’engagement de la lignée au cours de la différenciation cellulaire. Cette revue présente un aperçu actuel des progrès réalisés dans la compréhension des rôles des différents types de modifications de la protéine T-bet dans la régulation de la production de cytokines au cours de la différenciation des cellules Th.

1. Introduction

Le T-Bet (protéine T-box exprimée dans les cellules T, également appelée TBX21) a été décrit pour la première fois en 2000 dans un rapport examinant les effets du T-bet sur la différenciation des cellules T helper 1 (Th1). Au cours des 15 dernières années, de nombreuses études ont examiné les fonctions de T-bet et ont révélé de multiples rôles pour cette protéine lors de la différenciation des cellules Th, en mettant l’accent sur les mécanismes moléculaires impliqués, les nouvelles fonctions de ce facteur de transcription dans les cellules immunitaires innées et la modulation médiée par T-bet des maladies inflammatoires. Il a été précisé que T-bet joue un rôle essentiel dans la coordination de l’immunité innée et de l’immunité adaptative et qu’il remplit une fonction importante dans la modulation des maladies inflammatoires chroniques, y compris l’asthme et les maladies inflammatoires de l’intestin, en contrôlant un réseau de programmes génétiques hautement conservés. Ainsi, une régulation optimale de l’expression et de l’activité du T-bet semble être bénéfique pour prévenir ou traiter l’inflammation chronique et les maladies auto-immunes.

Bien que des tentatives aient été faites pour identifier les petites molécules qui contrôlent l’expression et l’activité de T-bet qui affectent la réponse immunitaire médiée par les cellules T, peu de progrès ont été réalisés à ce jour. Compte tenu de l’importance du T-bet dans la régulation immunitaire, élucider les mécanismes fonctionnels sous-jacents aux multiples rôles du T-bet faciliterait le développement de nouvelles interventions thérapeutiques pour traiter les maladies inflammatoires chroniques et auto-immunes. Cette revue résume l’état actuel des connaissances sur les mécanismes moléculaires sous-jacents aux multiples rôles joués par T-bet dans le développement des cellules Th.

2. Structure de T-Bet

Le T-bet contient une terminaison amino, un domaine T-box et une terminaison carboxyle, qui présentent respectivement 82%, 100% et 79% d’homologie entre la souris (protéine résidu d’acide aminé 530) et l’homme (protéine résidu d’acide aminé 535) (Figure 1). Le domaine T-box, situé entre les résidus 135 et 326 chez la souris T-bet, est très conservé chez 18 membres de la famille des protéines T-box (TBX). Les caractéristiques communes des protéines T-box comprennent une capacité de liaison de l’ADN à travers le domaine T-box et une activité de régulation transcriptionnelle, qui joue un rôle dans le contrôle de l’expression du gène de développement chez toutes les espèces animales.

Figure 1

Modification de la structure et des protéines du T-bet. Souris et T-bet humain est 100% identique dans le domaine T-box. Plusieurs résidus d’acides aminés sont conservés chez la souris et subissent des modifications post-traductionnelles, y compris la phosphorylation au niveau des résidus de sérine, de thréonine et / ou de tyrosine, et l’ubiquitination au niveau des résidus de lysine.

Le domaine T-box est composé d’environ 180 résidus d’acides aminés et est à la fois suffisant et nécessaire pour se lier à la séquence d’ADN consensuelle TCACACCT. La brachyurie (T) a été la première protéine T-box à être identifiée et, sous forme dimérique, interagit avec les rainures majeures et mineures de l’ADN par des interactions hydrophobes et un contact inhabituel du carbonyle de la chaîne principale avec une guanine en tant que dimère. TBX1 se lie également à la séquence d’ADN sous forme de dimère, alors que TBX2 semble se lier à la même séquence d’ADN qu’un monomère. Bien que TBX1 et TBX2 partagent 61% d’identité dans le domaine T-box, la structure du complexe de liaison ADN-T-box semble être différente, en raison de la faible homologie entre les régions amino- et carboxyl-terminales. Le domaine T-box dans T-bet présente une homologie de 50% avec le domaine correspondant dans brachyury (T), TBX1 et TBX2 ; cependant, la structure cristalline de T-bet liée à la séquence d’ADN reste à caractériser.

3. Régulation de la différenciation des cellules Th par T-Bet

3.1. Stimulation de la différenciation des cellules Th1 par T-Bet

T-bet se lie directement à la séquence d’ADN consensus au sein du promoteur IFNG et active sa transcription. L’expression induite par le T-bet de l’IFNG dérive des cellules précurseurs Th pour se différencier en cellules effectrices Th1. Alors que la surexpression exogène de T-bet dans les cellules Th naïves augmente préférentiellement le développement des cellules Th1, une carence en T-bet conduit à ne pas produire suffisamment d’IFN-γ et réduit donc la génération de cellules Th1. L’expression de T-Bet est considérablement augmentée par la stimulation du récepteur des lymphocytes T (TCR) et est augmentée par un cotraitement avec IFN-γ et IL-12. L’IFN-γ se lie à son récepteur et induit l’activation du transducteur de signal et de l’activateur de la transcription (STAT) 1 et la transcription du gène T-bet (TBX21). Par la suite, T-bet stimule directement la transcription de l’IFNG ainsi que de l’IL12RB2. L’expression du récepteur IL-12 (IL-12R) β2 sur la surface cellulaire améliore encore la production d’IFN-γ par l’intermédiaire de l’IL-12 et de la voie de signalisation STAT4, ce qui entraîne une différenciation préférentielle des cellules Th1. Fait intéressant, l’expression forcée de T-bet peut également convertir les cellules Th2 différenciées en cellules Th1. Par conséquent, T-bet est positionné au cœur des voies de régulation qui induisent l’IFN-γ dans les cellules Th.

3.2. Atténuation de la production d’IL-2 par T-Bet

En plus de la régulation IFN-γ, T-bet supprime de manière significative l’expression. Cette cytokine, un facteur de croissance précoce des cellules T, est essentielle à l’activation, à la prolifération et à la différenciation des cellules Th et est abondamment produite lors de la stimulation de la TCR. Le T-bet introduit par voie ectopique supprime de manière significative la production d’IL-2 par inhibition de l’activité du facteur nucléaire kB (NF-kB) p65, dans des conditions de différenciation Th1 et Th2. Au cours de la différenciation des cellules Th1, la transcription de l’IL-2 est également atténuée lors de l’induction du T-bet. L’inhibition de l’IL-2 médiée par le T-bet peut affecter l’expansion des cellules Th et moduler de manière exquise la réponse immunitaire médiée par le Th1 lors de l’exposition à un antigène pathogène.

3.3. Suppression du développement des cellules Th2 par T-Bet

De plus, l’introduction exogène de T-bet dans les cellules Th supprime la production de cytokines Th2, telles que l’IL-4, l’IL-5 et l’IL-13, via la suppression de la protéine de liaison à GATA-3 (GATA-3). En conséquence, une absence de T-bet induit un développement spontané des cellules Th2 in vitro et in vivo. L’activité suppressive Th2 de T-bet a également été confirmée en l’absence d’IFN-γ, indiquant que T-bet a une fonction inhibitrice discrète, indépendante de la stimulation IFN-γ.

3.4. D’autres fonctions de T-Bet

Récemment, de nombreuses études ont rapporté que T-bet module également d’autres lignées de cellules Th, y compris les cellules Th17, Treg et Th folliculaire (TFH), en coordination avec de nombreux facteurs de transcription, tels que le récepteur orphelin lié à l’acide rétinoïque – yt (RORyt), le facteur de transcription 3 lié à l’acide runt (RUNX3) et le lymphome à cellules B-6 (BCL6). Ces résultats suggèrent que T-bet est un facteur de transcription essentiel pour affiner le développement des cellules Th.

4. Modification posttranslationnelle de T-Bet

T-Bet fonctionne comme un acteur multitâche dans la régulation de la différenciation des cellules Th. Cependant, les mécanismes moléculaires qui sous-tendent l’activité stimulatrice et inhibitrice de T-bet dans la régulation de l’expression des gènes cibles restent à clarifier. De nombreuses protéines multitâches sont connues pour subir des modifications protéiques post-traductionnelles et pour déterminer le destin cellulaire en exerçant une activité stimulatrice directe et inhibitrice indirecte sur l’expression du gène cible.

4.1. La phosphorylation à la tyrosine de T-Bet

La détection basée sur les anticorps des protéines T-bet dans les western blots donne plusieurs bandes, suggérant la modification post-traductionnelle de T-bet dans les cellules Th déclenchées par le TCR. La phosphorylation tyrosine de la protéine T-bet se produit principalement pendant les premiers stades (jours 2 à 3) du développement de la cellule Th, lors de l’engagement de la TCR, et diminue ensuite. Le traitement des cellules Th avec le pervanadate inhibiteur de la tyrosine phosphatase améliore la phosphorylation de la tyrosine du T-bet. T-Bet est principalement localisé dans le noyau, et la tyrosine kinase nucléaire IL2-inductible tyrosine kinase (ITK) a été identifiée comme la tyrosine kinase amont responsable. Le déficit en ITK empêche la phosphorylation de la tyrosine du T-bet dans les cellules Th après stimulation par le TCR et l’IL-12. La recherche mutationnelle a révélé que le résidu de tyrosine 525 (Y525) est le site de phosphorylation pertinent et que la phosphorylation à ce site joue un rôle important dans l’interaction avec GATA-3. Bien que le domaine T-box dans T-bet soit important pour l’interaction ADN et protéine-protéine, la phosphorylation de la tyrosine de Y525 est une condition préalable à la suppression de la différenciation des cellules Th2 médiée par GATA-3. Le blocage de la phosphorylation Y525 abroge l’interaction et la suppression de GATA-3, entraînant une altération de la suppression de Th2.

De plus, une autre tyrosine kinase nucléaire, c-Abl, induit la phosphorylation du T-bet au niveau des résidus tyrosine 219, 265 et 304 dans le T-bet de souris. Une carence en c-Abl ainsi qu’une mutation du T-bet au niveau de ces résidus (mutants Y219/265/304F) conduit à une incapacité à augmenter l’induction IFN-γ et à supprimer la production de cytokines Th2, en raison de la perte de phosphorylation au niveau de ces résidus tyrosine. Ceci, à son tour, entraîne l’aggravation de l’inflammation pulmonaire allergique in vivo. Ces résultats suggèrent que la phosphorylation tyrosine induite par l’ITK et la c-Abl du T-bet est essentielle à la modulation du développement des cellules Th2 et à la réponse immunitaire allergique.

4.2. Phosphorylation de la sérine du T-Bet

Bien que la suppression médiée par le T-bet du développement des cellules Th2 soit altérée par la mutation de Y525 et l’absence de c-Abl kinase, la suppression de l’IL-2 est conservée avec un T-bet mutant en Y525, suggérant l’existence d’un mécanisme de régulation supplémentaire pour la modulation de l’IL-2. Fait intéressant, l’apparition de multiples bandes de protéines T-bet sur les western blots pourrait être éliminée par l’ajout de phosphatase intestinale du veau, qui élimine principalement la phosphorylation au niveau des résidus sérine / thréonine. L’analyse spectrométrique de masse a ensuite révélé que la sérine 508 (S508) était un autre site de phosphorylation dans T-bet. La mutation de S508 abolit la phosphorylation médiée par la caséine kinase- (CK-) et la glycogène synthase kinase-3 (GSK-3-) dans T-bet, ainsi que l’activité suppressive de l’IL-2 de la protéine. De plus, la phosphorylation de S508 est importante pour l’interaction de T-bet avec NF-kB p65 et pour la prévention de la liaison de NF-kB p65 au promoteur IL2. Conformément à la fonction de T-bet en tant qu’inhibiteur de NF-kB p65, les cellules Th1 T-bet-nulles maintiennent une activité de NF-kB p65 pendant la différenciation des cellules Th1 et produisent ainsi plus d’IL-2. Par conséquent, il a été suggéré que T-bet est un inhibiteur physiologique de l’IL-2 lors de la différenciation des cellules Th1, par suppression dépendante de la phosphorylation S508 du NF-kB p65.

4.3. Phosphorylation de la thréonine du T-Bet

Très récemment, la thréonine 302 (T302) a été caractérisée comme un nouveau site de phosphorylation dans le T-bet, bien qu’il reste difficile de savoir quelles kinases et phosphatases affectent la phosphorylation de ce résidu. Cependant, la restauration de cellules T-bet-null avec un T-bet mutant T302 a stimulé la production d’IFN-γ autant que le T-bet de type sauvage; cependant, le mutant n’a pas réussi à supprimer l’IL-2 et les autres cytokines Th2. Une analyse plus poussée a démontré que la phosphorylation de T302 est nécessaire pour l’interaction du T-bet avec le facteur nucléaire des lymphocytes T activés (NFAT) et pour la régulation négative des cytokines IL-2 et Th2 médiées par le NFAT, telles que l’IL-4, l’IL-5 et l’IL-13. Le NFAT n’est pas crucial pour l’induction de la production d’IFN-γ et le T-bet mutant T302 est capable de se lier au promoteur IFNG; ainsi, la production d’IFN-γ était comparable entre le T-bet de type sauvage et le T-bet mutant. En d’autres termes, la mutation de T302 a abrogé la suppression médiée par T-bet de la production de cytokines IL-2 et Th2, mais n’a pas affecté l’activité de liaison à l’ADN et de stimulation de l’IFN-γ de T-bet.

En effet, T302 est situé dans la boîte T de liaison à l’ADN, tout comme Y304. Le domaine de la boîte en T se compose de plusieurs répétitions de brins β et d’hélices α et est impliqué à la fois dans la dimérisation et la liaison à l’ADN. Muller et Herrmann ont prédit que les hélices α aH3 et aH4 du brachyury (T) sont importantes pour l’interaction directe de cette protéine avec les rainures mineures et majeures de l’ADN. Cependant, T302 peut ne pas être associé directement aux rainures d’ADN, quel que soit son statut de phosphorylation. Il serait intéressant de savoir quelle kinase et quelle phosphatase amont régule la phosphorylation de T302 et si la phosphorylation de T302 affecte d’autres modifications protéiques de T-bet.

4.4. L’ubiquitination de la Lysine 313 dans l’expression de T-Bet

T-bet est critique pour la régulation transcriptionnelle de l’IFNG et pour le développement des cellules Th1, mais les moyens de régulation de T-bet au niveau des protéines restent à identifier. Jang et coll. ont récemment rapporté que T-bet subit une dégradation protéasomale médiée par l’ubiquitination au cours des derniers stades de la différenciation des cellules Th1. Sur les 16 résidus de lysine présents dans la protéine T-bet de souris, 11 sont principalement situés dans le domaine T-box, et les 5 restants sont situés à l’extrémité carboxyle (résidus 326 à 530), tandis qu’aucun résidu de lysine n’est présent dans l’extrémité amino (résidus 1 à 134). Fait intéressant, les résidus de lysine dans le domaine T-box sont préférentiellement ubiquitinés lors de la surexpression de l’ubiquitine. Une analyse plus approfondie a identifié que la mutation de la lysine 313 (K313) diminue la dégradation du T-bet médiée par l’ubiquitination et améliore le niveau d’expression du T-bet dans le noyau et le cytoplasme. Malgré les niveaux accrus du mutant K313, cette mutation a complètement abrogé les fonctions de T-bet impliquant la liaison de l’ADN, l’activation transcriptionnelle de l’IFNG et la suppression de la production de cytokines IL-2 et Th2. La structure cristalline des hélices α du domaine T-box lié à l’ADN suggère fortement que le groupe amino de K313 est associé au phosphate d’une base d’ADN par interaction hydrogène-liaison. En outre, la mutation de K313 conduit également à l’échec de la suppression de la production de cytokines IL-2 et Th2; cependant, l’interaction et la suppression de GATA-3 et de NF-kB p65 ne sont pas altérées par la mutation de K313. Fait intéressant, l’interaction NFAT est abolie chez le mutant T-bet K313, ce qui est également fortement associé à une absence de phosphorylation à T302. On ne sait pas encore si et comment K313 régule la phosphorylation de T302 et vice versa.

5. T-Bet dans les maladies inflammatoires et auto-immunes

Depuis Mosmann et al. découvertes des sous-ensembles Th1 et Th2 qui produisent des cytokines signatures, IFN-γ et IL-4, IL-5 et IL-13, respectivement, et qui modulent les réponses immunitaires inflammatoires et allergiques, d’autres études ont identifié de nouveaux sous-ensembles de cellules Th, telles que les cellules Th17, TFH et Treg. Des études approfondies ont également caractérisé les voies de signalisation des cytokines et les facteurs de transcription impliqués dans la régulation des réponses immunitaires aux agents pathogènes. Il est important de noter que T-bet joue un rôle fondamental dans le contrôle de la différenciation de plusieurs sous-ensembles de cellules Th et dans la modulation des maladies inflammatoires et auto-immunes.

T-Bet fonctionne également comme un régulateur antiasthmatique. Une carence en T-bet entraîne spontanément le développement de symptômes asthmatiques, qui se caractérisent par une infiltration accrue d’éosinophiles dans les voies respiratoires, une hyperplasie des cellules caliciformes sécrétant du mucus et un remodelage chronique des voies respiratoires avec accumulation de collagène et myofibroblastes prolifératifs; ces caractéristiques sont souvent également observées chez les patients asthmatiques. La restauration de l’expression de T-bet déplace l’équilibre immunitaire vers une réponse Th1 et prévient et atténue l’inflammation pulmonaire pathologique in vivo.

De plus, T-bet est protégé contre les infections pathogènes intracellulaires. L’abrogation de la production d’IFN-γ induite par le T-bet a entraîné une sensibilité plus élevée aux agents pathogènes intracellulaires in vivo, y compris Mycobacterium tuberculosis, Leishmania major et Salmonella typhimurium, soulignant l’importance de la production d’IFN-γ par les cellules Th1 exprimant le T-bet dans la défense contre les infections bactériennes. Cependant, les souris déficientes en T-bet sont résistantes à l’infection par Listeria monocytogenes, car la production d’INF-γ par les cellules tueuses naturelles est à la fois nécessaire et suffisante pour la défense de l’hôte contre L. monocytogenes.

En outre, T-bet peut aggraver le développement de maladies inflammatoires et auto-immunes, y compris les maladies inflammatoires de l’intestin, l’encéphalomyélite auto-immune expérimentale, l’arthrite inflammatoire et le diabète de type I, car ces maladies inflammatoires sont atténuées en l’absence de T-bet. Ces résultats suggèrent que le réglage fin de la réponse immunitaire par modulation de l’expression de T-bet pourrait avoir des effets bénéfiques pour les patients souffrant d’asthme chronique, de maladies inflammatoires de l’intestin, d’arthrite, de sclérose en plaques et de diabète.

6. Conclusions et perspectives

Le T-bet est un facteur de transcription contenant un domaine T-box qui est généralement impliqué dans la régulation du développement mais exerce de multiples fonctions dans la différenciation des cellules Th; activation transcriptionnelle des cellules Th1 exprimant l’IFN-γ, suppression indirecte du développement des cellules Th2, Th17 et Treg, et modulation fine de la production d’IL-2 dans les cellules Th1. Ce multitâche n’est pas surprenant, car T-bet subit plusieurs modifications post-traductionnelles. La phosphorylation à Y525 joue un rôle dans la suppression de GATA-3 pendant la régulation Th2, la phosphorylation à S508 provoque la suppression de NF-kB p65 dans le contexte de la régulation de l’IL-2 dans les cellules Th1, la phosphorylation à T302 joue un rôle dans le réglage fin de la production d’IL-2, et l’ubiquitination à K313 joue un rôle dans le contrôle de la stabilité de la protéine T-bet. Ainsi, la modification post-traductionnelle de T-bet facilite sa diversité fonctionnelle et la complexité de sa modulation de l’expression des cytokines (Figure 2). On ne sait pas si les différentes modifications post-traductionnelles se produisent séquentiellement ou simultanément, si un type de modification protéique affecte une autre modification, ou si les modifications de la modification post-traductionnelle de T-bet sont liées au développement de maladies inflammatoires infectieuses et chroniques. Une identification plus poussée de nouvelles modifications protéiques liées aux fonctions du T-bet fournirait des informations précieuses sur le développement d’interventions thérapeutiques puissantes pour contrôler les maladies inflammatoires chroniques et auto-immunes.

Figure 2

Plusieurs fonctions T-bet jouant un rôle dans la différenciation des cellules Th. L’induction de l’expression de T-bet par l’activation de STAT1 et STAT4 stimule directement la transcription de gènes contenant des éléments de liaison à la boîte T, tels que IFNG, IL12RB2 et CXCR3, améliorant ainsi le développement des cellules Th1. T-Bet subit une phosphorylation de la sérine à S508, puis régule à la baisse la production d’IL-2 dans les cellules Th1 en recrutant NF-kB p65 à partir du promoteur IL2. Les niveaux de protéines de T-bet dans les cellules Th1 peuvent être contrôlés par la voie de dégradation protéasomale médiée par l’ubiquitine. De plus, la protéine T-bet subit des modifications post-traductionnelles supplémentaires, par exemple une phosphorylation à T302 et Y525, ce qui facilite sa suppression de la production de cytokines Th2 induite par l’activation de NFAT et de GATA-3.

Liste des abréviations

Conflit d’intérêts

Aucun conflit d’intérêts potentiel n’a été divulgué.

Reconnaissance

Ce travail a été soutenu par le Programme de recherche en milieu de carrière grâce à la Subvention NRF (2013R1A2A2A01068302).