Ronald Palacios Castrillo
Resumen
Las células inmunes necesitan mantener un estado de alerta constante durante toda la vida. Sin embargo, se sabe poco sobre los procesos regulatorios que controlan el equilibrio fluido y frágil que se llama homeostasis.
Fortelny, N.,et.al., (Nat Immunol (2024). https://doi.org/10.1038/s41590-024-01804-1) demostraron que la señalización JAK-STAT, más allá de su papel en las respuestas inmunitarias, es un importante regulador de la homeostasis de las células inmunitarias.
Investigaron la transcripción mediada por JAK-STAT y la accesibilidad a la cromatina en 12 modelos de ratón, incluidas las eliminaciones de todos los factores de transcripción STAT y de la quinasa TYK2.
La señalización basal de JAK-STAT se detectó en células T CD8+ y macrófagos de ratones imperturbados, pero se anuló en las células inmunes no estimuladas y privadas de su contexto de tejido normal. Observaron diversos programas de regulación genética, incluidos los efectos de STAT2 e IRF9 que eran independientes de STAT1.
En resumen, su conjunto de datos a gran escala y el análisis integrador de ratones mutantes y de tipo salvaje JAK-STAT descubrieron un papel crucial de la señalización JAK-STAT en células inmunes no estimuladas, donde contribuye a un estado epigenético y transcripcional equilibrado y ayuda a preparar estas células. para una respuesta rápida a los estímulos inmunes.
En Detalle
El concepto de homeostasis celular se refiere a la capacidad de las células de mantener activamente un estado viable y funcional a lo largo del tiempo.
Para las células inmunitarias, que necesitan responder rápidamente a amenazas potenciales como infecciones o daños tisulares esto incluye mantener un estado de alerta constante en condiciones homeostáticas (es decir, en ausencia de estímulos que puedan desencadenar una respuesta inmunitaria activa).
Es importante destacar que las células inmunes de los mamíferos no utilizan un simple interruptor de encendido y apagado entre el mantenimiento homeostático y la activación inmune.
Más bien, parecen implementar procesos regulatorios graduales con actividad inicial en condiciones homeostáticas y una rápida regulación positiva de vías clave de señalización inmune cuando las células encuentran patógenos u otros estímulos inmunes.
Las células inmunes emplean vías de señalización para transmitir estímulos inmunes extrínsecos a las células al núcleo, donde desencadenan programas transcripcionales específicos asociados con respuestas inmunes agudas.
Estas vías suelen comprender receptores de la superficie celular, transductores de señales como las quinasas y factores de transcripción que regulan sus conjuntos de genes diana. La señalización JAK-STAT es un ejemplo prototípico de una vía de respuesta inmune.
Los receptores de citocinas con quinasas asociadas de la familia JAK fosforilan factores de transcripción de la familia STAT, que realizan la transición al núcleo y regulan genes diana específicos, lo que permite un rápido procesamiento de la información celular.
En ratones y humanos, la señalización JAK-STAT comprende cuatro JAK diferentes y siete STAT diferentes, que controlan una amplia gama de funciones biológicas relevantes para la respuesta a estímulos inmunes.
Las proteínas STAT se unen a dos tipos de secuencias promotoras: (1) el elemento GAS está unido a todos los homodímeros y heterodímeros STAT excepto STAT1-STAT2; (2) el elemento ISRE está unido por el complejo ISGF3 activado por interferón (IFN), que consiste en un heterodímero STAT1-STAT2 complejado con el factor de transcripción IRF9.
En condiciones homeostáticas, uno esperaría que la señalización de IFN y la actividad de ISGF3 fueran silenciadas y reprimidas de manera estable, dado que se dirigen a muchos genes proinflamatorios cuya activación inapropiada probablemente dañe al huésped a través de una inflamación excesiva y el consiguiente daño tisular.
Sin embargo, estudios previos encontraron una expresión de bajo nivel de los genes diana STAT1 y STAT2 en ausencia de estímulos exógenos. Si bien esta observación sugiere que la señalización JAK-STAT puede conservar la actividad inicial en condiciones homeostáticas, los medios y propósitos de la señalización JAK-STAT en condiciones homeostáticas siguen siendo poco conocidos.
Fortelny y colegas testearon la hipótesis de que la señalización JAK-STAT, además de su papel establecido en las respuestas inmunes activas, constituye un importante regulador de la homeostasis de las células inmunes (para los fines de este estudio, definieron operativamente la homeostasis como el estado imperturbado de las células inmunes obtenidas de ratones de laboratorio de tipo salvaje que viven en condiciones libres de patógenos específicos en un galpón normalmente limpio).
Obtuvieron células T CD8+ y macrófagos de 12 modelos de ratones mutantes JAK-STAT en condiciones homeostáticas y sometieron estas células inmunes a perfiles de transcripción y mapeo de accesibilidad a la cromatina.
Su análisis descubrió genes y módulos reguladores de genes que están controlados por miembros de la vía JAK-STAT en condiciones homeostáticas.
Observaron una actividad basal generalizada de la señalización JAK-STAT, con STAT2 e IRF9 como los reguladores más importantes. La desactivación de STAT1 tuvo efectos menos pronunciados, a pesar de su papel clave en el complejo del factor genético estimulado por IFN (ISGF3).
Evaluaron funcionalmente las funciones homeostáticas de la señalización JAK-STAT eliminando células de tipo salvaje de su contexto tisular in vivo, lo que resultó en cambios transcripcionales que imitaron los observados en mutantes JAK-STAT.
Este fenotipo de privación de contexto fue parcialmente rescatado mediante la estimulación con IFN tipo I de células mutantes JAK-STAT y de tipo salvaje.
La señalización JAK-STAT es una de las vías de señalización más estudiadas y mejor comprendidas. Constituye un ejemplo prototípico de cómo las células reconocen estímulos externos utilizando receptores de la superficie celular, procesan estas entradas a través de la señalización de quinasas y activan factores de transcripción que controlan conjuntos específicos de genes diana.
La rápida conversión de señales externas en respuestas transcripcionales hace que la señalización JAK-STAT sea un mecanismo ideal para la activación de genes inmunes y la respuesta a ciertos estímulos del desarrollo. Por el contrario, su dependencia de estímulos externos hace que la señalización JAK-STAT sea un candidato menos obvio para mantener la homeostasis celular.
Fortelny y colegas describen la actividad de señalización JAK-STAT generalizada en células inmunes del bazo de ratones imperturbados, que fue desencadenada por señales e interacciones entre células proporcionadas por el contexto del tejido in vivo.
La señalización basal de JAK-STAT fue esencial para mantener la actividad de los genes inmunitarios y la accesibilidad a la cromatina y, en el caso de los macrófagos, para mantener la identidad celular.
Estas observaciones se basaron en perfiles de transcriptoma (RNA-seq) y epigenoma (ATAC-seq) para 12 modelos de ratones mutantes JAK-STAT en cinco tipos de células inmunes (principalmente células T y macrófagos) y múltiples condiciones (células primarias clasificadas, cultivo ex vivo) para agotar el contexto tisular y estimulación con IFN-β en ratones mutantes y de tipo salvaje).
Este gran conjunto de datos también establece un recurso muy útil de la vía JAK-STAT, que proporcionará motivación y orientación para futuras investigaciones sobre las funciones homeostáticas de JAK-STAT. De hecho, la escala y el alcance de este estudio podrían convertirlo en la disección de epigenoma/transcriptoma más completa de una vía de señalización que se haya realizado hasta ahora, y un modelo para perfilar otras vías de señalización en inmunología y más allá. Utilizando un enfoque analítico comparativo entre diferentes ratones mutantes, tipos de células y estímulos, descubrimos patrones compartidos y específicos de señalización JAK-STAT entre diferentes STAT, entre células T y macrófagos, y en respuesta a la estimulación con IFN-β.
Surge la imagen de una elaborada vía de señalización caracterizada por la especialización y la cooperatividad. Las células inmunes homeostáticas que carecen de diferentes subunidades del complejo ISGF3 (STAT1, STAT2 o IRF9) mostraron una regulación negativa de los ISG centrales, lo que indica una señalización JAK-STAT canónica de bajo nivel en condiciones homeostáticas.
También encontraron aspectos de la señalización basal de JAK-STAT que se desvían de la respuesta bien establecida de la vía a la estimulación inmune. Por ejemplo, la eliminación de STAT2 e IRF9 dio como resultado cambios en el transcriptoma que eran diferentes entre sí e independientes de STAT1. Estos genes diana no eran ISG típicos, sino que se superponían parcialmente con genes regulados por STAT3 y STAT5. Además, su análisis identificó a STAT1 como un regulador de la accesibilidad a la cromatina mucho más allá de su papel en el complejo ISGF3, particularmente para los macrófagos.
Descubrieron que la señalización homeostática de JAK-STAT colapsó cuando privaron a las células inmunes de su contexto tisular in vivo, y los cambios transcripcionales resultantes mostraron similitudes con los observados en ciertos mutantes JAK-STAT, destacando el importante papel estimulante del contexto tisular in vivo.
Pudimos restaurar la señalización basal de JAK-STAT y rescatamos parcialmente sus efectos transcripcionales mediante la estimulación con IFN-β, tanto para células privadas de contexto tisular como para mutantes de la vía JAK-STAT.
El efecto de la estimulación con IFN-β fue más pronunciado para los ISG centrales, pero también reguló muchos otros genes que no son genes clásicos de respuesta inmune.
Este papel más amplio de la señalización JAK-STAT, que incluye genes implicados en la proliferación y el ciclo celular, puede explicar las propiedades oncogénicas del mutante de hiperactivación STAT5BN642H.
Los datos sugieren que este impulsor oncogénico de la leucemia/linfoma de células T debe considerarse como un factor de transcripción de novo con un conjunto de genes diana asociados al cáncer que es cualitativamente diferente del STAT5B de tipo salvaje.
En conclusión, este análisis a gran escala de los programas reguladores de JAK-STAT descubrió diversas funciones de la señalización de JAK-STAT en el mantenimiento de la homeostasis de las células inmunitarias. Los resultados resaltan que las vías de señalización inmune no deben verse como interruptores binarios de encendido y apagado activados únicamente por patógenos y estímulos proinflamatorios, sino que a menudo mantienen una actividad basal en su contexto tisular in vivo, con implicaciones epigenéticas y transcripcionales generalizadas que ayudan a mantener la capacidad reguladora de las células,su estado y su disposición para responder rápidamente a estímulos inmunes.
Dado que las mutaciones en los miembros de la vía JAK-STAT causan enfermedades como errores congénitos de inmunidad, trastornos inflamatorios y cáncer será interesante investigar las posibles funciones de las alteraciones basales de JAK-Señalización STAT en la fisiopatología, diagnóstico y tratamiento de estas enfermedades.