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活性化T細胞核因子（NFAT ）は、免疫応答において重要であることが示されている転写因子ファミリーです。NFATファミリーの1つ以上のメンバーは、免疫系のほとんどの細胞で発現しています。NFATは、免疫系、心臓系、骨格筋系、神経系の発達にも関与しています。NFATは、T細胞におけるIL-2の転写の活性化因子（T細胞免疫応答の調節因子として）として最初に発見されましたが、その後、より多くの身体システムの調節において重要な役割を果たしていることがわかりました。[ 1 ] NFAT転写因子は、多くの正常な身体プロセスだけでなく、炎症性腸疾患やいくつかの種類の癌などのいくつかの疾患の発症にも関与しています。NFATは、いくつかの異なる疾患の薬剤標的としても研究されています。
NFAT転写因子ファミリーは、NFATc1、NFATc2、NFATc3、NFATc4、NFAT5の5つのメンバーから構成されています。[ 2 ] NFATc1からNFATc4はカルシウムシグナル伝達によって制御され、NFATファミリーの古典的なメンバーとして知られています。NFAT5は、NFATファミリーのより最近発見されたメンバーであり、他のNFATメンバーとは異なる特別な特徴を持っています。[ 3 ]
カルシウムシグナル伝達はNFATc1-4の活性化に不可欠である。なぜなら、よく知られたカルシウムセンサータンパク質であるカルモジュリン（CaM）がセリン/スレオニンホスファターゼであるカルシニューリン（CN）を活性化するからである。活性化されたCNはNFATc1-4のN末端調節ドメインにある結合部位に結合し、NFATタンパク質のN末端にも存在するセリンリッチ領域（SRR）とSPリピートを迅速に脱リン酸化する。この脱リン酸化により構造変化が起こり、核局在シグナルが露出して核移行が促進される。[ 4 ]
一方、NFAT5は、前述のグループにおいて必須のCN結合部位を有するN末端調節ドメインの重要な部分を欠いています。このため、NFAT5の活性化はカルシウムシグナル伝達とは完全に独立しています。しかし、浸透圧ストレス時にはMAPKによって制御されます。細胞が高張環境に遭遇すると、NFAT5は核内に輸送され、そこでいくつかの浸透圧保護遺伝子の転写を活性化します。したがって、腎髄質、皮膚、眼で発現していますが、胸腺や活性化リンパ球でも見られます。[ 5 ]
NFAT転写因子は、核局在シグナル、セリンリッチ領域、SPリピートを含む本質的に無秩序な調節N末端、単独で、または転写因子AP-1との複合体としてDNAに結合する免疫グロブリン様フォールドを持つ中央のRel相同DNA結合ドメイン、およびC末端の転写活性化ドメインから構成される。
NFAT調節ドメインに多数のリン酸化部位が存在することからもわかるように、リン酸化と脱リン酸化は核局在シグナルをマスキングおよびアンマスキングすることでNFAT機能を制御する上で重要であるが、この脱リン酸化はカルシウムイオンの流入なしには起こり得ない。 [ 1 ]
古典的なシグナル伝達は、T細胞受容体（TCR）（PLCG1）やB細胞受容体（BCR）（PLCG2 ）などの異なる受容体を介したホスホリパーゼC （PLC）の活性化に依存しています。この活性化により、イノシトール-1,4,5-三リン酸（IP3）とジアシルグリセロール（DAG）が放出されます。IP3は、小胞体（ER）の膜にあるIP3受容体に結合するため、カルシウム流入に特に重要です。これにより、イオンがIP3受容体を介してERから出るため、細胞質内のカルシウム濃度が短時間急激に上昇します。[ 4 ] [ 6 ] しかし、これだけではNFATシグナル伝達を活性化するには不十分です。ERからのカルシウムイオンの放出は、 ER膜貫通タンパク質であるSTIMタンパク質によって感知されます。通常の状況では、STIMタンパク質はカルシウムイオンに結合しますが、それらのほとんどがERから放出されると、結合したイオンもSTIMタンパク質から放出されます。これによりオリゴマー化が起こり、その後、CRAC複合体の必須タンパク質であるORAI1と相互作用します。この複合体は、細胞外からカルシウムイオンを選択的に流入させるチャネルとして機能します。この現象はストア作動性カルシウム流入（SOCE）と呼ばれます。上記のように、CaM/CNを介した脱リン酸化によってNFATを完全に活性化できるのは、このより長いカルシウムイオン流入のみです。[ 4 ] [ 6 ]
SOCEはNFATファミリーのほとんどのタンパク質の主要な活性化機構ですが、代替経路によっても活性化されることがあります。この経路はこれまでNFATc2についてのみ証明されていました。この代替活性化では、CNを介した脱リン酸化を阻害するシクロスポリン（CsA）がこの経路を阻害しないことからわかるように、SOCEは重要ではありません。その理由は、IL7Rを介して活性化され、その後、MAPKキナーゼサブファミリーのメンバーであるJnk3キナーゼによってNFATの単一チロシンがリン酸化されるためです。 [ 6 ]
NFATの核内輸送とその後の輸送は、細胞内のカルシウム濃度に依存している。カルシウム濃度が低下すると、PKA、CK1、GSK-3βなどの核内輸送キナーゼがNFATを再リン酸化する。これによりNFATは不活性状態に戻り、細胞質に輸送される。細胞質では、維持キナーゼが再リン酸化を完了させ、不活性状態を維持する。[ 4 ] [ 7 ]
NFATタンパク質は弱いDNA結合能を持つ。[ 8 ]そのため、効果的にDNAに結合するには、NFATタンパク質はNFATnと総称される他の核内常在転写因子と協力する必要がある。[ 9 ] NFAT転写因子のこの重要な特徴により、カルシウムシグナルをras-MAPKやPKCなどの他のシグナル伝達経路と統合して同時に検出することが可能になる。さらに、このシグナル伝達の統合は、発生中の組織特異的遺伝子発現に関与している。ESTシーケンスプロジェクト[ 10 ] [ 11 ]で同定されたncRNA配列のスクリーニングにより、NRONと呼ばれる「活性化T細胞の核因子のncRNA抑制因子」が発見された。[ 12 ]
NFAT依存性プロモーターおよびエンハンサーは、3～5個のNFAT結合部位を持つ傾向があり、これは、効果的な転写には、協同複合体内の関連タンパク質間の高次の相乗的相互作用が必要であることを示している。これらの複合体の中で最もよく知られているのは、NFATとAP-1または他のbZIPタンパク質から構成される複合体である。このNFAT:AP-1複合体は、従来のRelファミリータンパク質のDNA結合部位に結合し、免疫細胞における遺伝子転写に関与している。[ 13 ] [ 3 ]
T細胞受容体（TCR）刺激によりNFATが脱リン酸化され、ほぼすべての種類のT細胞でAP-1と複合体を形成する（Tregを除く）。この複合体は、サイトカインの状況に応じて、異なるT細胞サブポピュレーションの主要な転写因子を活性化する。Th1の場合はT-bet、Th2の場合はGATA3、Th17の場合はRORγ、Tfhの場合はBATFである。T細胞はほぼすべてのNFATファミリーメンバーを発現する（NFAT3を除く）。しかし、すべてのNFATがT細胞の各サブポピュレーションに対して同じ意義を持つわけではない。[ 5 ] [ 6 ]
TCR刺激後、Th1サイトカイン条件下でT-betが活性化されると、転写因子T-betとNFATからなる複合体が、Th1細胞の最も顕著なサイトカインであるIFN-γの産生を刺激する。TCR活性化はまた、NFAT:AP-1複合体を介して、C末端ドメインを欠くNFATc2の短いアイソフォームであるNFAT2/αAの産生を誘発し、すべてのエフェクターT細胞の活性化をさらに強化するため、自己調節因子としての役割を果たしている。[ 6 ] [ 5 ] Th1応答にはNFATc1が最も不可欠であると思われる。なぜなら、マウスでNFATc1をノックアウトすると、Th2応答が極端に偏るからである。[ 5 ]
Th2刺激条件下ではGATA3が活性化される。その後、NFATとも相互作用し、IL-4、IL-5、IL-13などのTh2特有のサイトカインの産生を誘発する。NFATc2はTh2を介した応答において最も重要であると考えられ、その機能不全は前述のサイトカインの量を減らし、IgG1とIgEの量も減少させる。NFATc1もNFATc2と同様にGATA3と複合体を形成するため、重要な役割を果たす。さらに、 CRTh2の調節を介して間接的にTh2サイトカインの産生を媒介する。[ 5 ]
Th1およびTh2応答と同様に、Th17条件下でのTCR刺激はRORγの発現を誘導します。その後、RORγはNFATに結合し、IL-17A、IL-17F、IL-21、IL-22などのTh17特異的サイトカインの産生を刺激します。Th17応答において、NFATc2はおそらく重要な役割を果たしており、NFATc2ノックアウトマウスではRORγだけでなく、IL-17A、IL-17F、IL-21も減少しています。
Treg細胞はNFAT:AP-1複合体形成の唯一の例外であり、TCR刺激後、NFATはAP-1ではなくSMAD3に結合する。この複合体はTregにおけるマスター遺伝子調節因子であるFOXP3転写を活性化する。NFAT:FOXP3複合体はTreg特異的サイトカイン産生を調節する。Treg細胞には主に2つの集団がある。胸腺で発生する自然Treg（ nTreg ）細胞と、末梢で刺激を受けたナイーブCD4+ T細胞から発生する誘導Treg（ iTreg ）細胞である。iTreg細胞はNFATc1、2、4に大きく依存しているようで、これらの遺伝子のいずれか、またはそれらの組み合わせを欠失させると、iTreg細胞はほぼ完全に失われるが、nTreg細胞は失われない。[ 5 ] [ 6 ]
Tfh細胞では、Th1、Th2、Th17細胞と同様にNFAT:AP-1複合体が形成される。この複合体はその後BATFの転写を活性化し、BATFはNFATにも結合し、IRF4などの他のタンパク質とともにTfhに不可欠な分子であるCXCR5、ICOS、Bcl6、IL-21の産生を開始する。Tfh細胞はNFATc1、特にNFATc2およびNFAT2/αAを高レベルで発現しており、NFATc2の重要な役割を示唆している。T細胞におけるNFATc2の欠失は、おそらくCXCR5の調節異常と濾胞制御性T細胞（Tfr細胞）数の減少により、 Tfh細胞数の増加と胚中心応答の亢進を促進する。 [ 5 ] Tfhは体液性免疫応答と密接に関連しているため、Tfhの欠陥はB細胞に影響を及ぼす。したがって、NFAT2リンパ球特異的アブレーションがBCRを介した増殖の欠陥を引き起こすことは驚くべきことではないが、この表現型がTfh細胞またはB細胞の単独の調節異常によって引き起こされるのか、あるいは両方の組み合わせによって引き起こされるのかは不明である。[ 14 ]
T細胞で発見されたものの、NFATがさまざまな細胞型でも発現していることがますます明らかになってきている。B細胞では主にNFATc1が発現し、活性化後にはNFATc2とNFAT2/αAも発現し、抗原提示、増殖、アポトーシスなどの重要な機能を果たしている。[ 7 ] NFAT経路の障害はT細胞では深刻な結果をもたらすが、B細胞では比較的軽微であるようだ。例えば、両方のSTIMタンパク質の特定のB細胞ノックアウトを行うと、SOCEが完全に消失し、したがってNFATシグナル伝達も消失する。これらのノックアウトB細胞では、結果として生じる体液性免疫応答はノックアウトされていないB細胞と非常によく似ているが、NFATの完全な消失はIL-10の減少ももたらした。[ 6 ]しかし、いくつかの研究では、NFATがB細胞でより重要な役割を果たしていることが示唆されており、このトピックはまだ十分に理解されておらず[ 14 ]、さらなる研究が必要である。
T細胞アネルギーは、例えばTCRが適切な共刺激シグナルなしに刺激された場合など、最適でない刺激条件によって誘導されます。共刺激が欠如しているため、AP-1は存在せず、NFAT:NFAT複合体が形成されます。この複合体は、 E3ユビキチンリガーゼ（Cbl-b、ITCH、GRAIL）、ジアシルグリセロールキナーゼα（DGKα）、カスパーゼ3などのアネルギー関連遺伝子を活性化し、T細胞アネルギーの誘導を促進します。[ 6 ] [ 8 ] T細胞アネルギーと同様に、T細胞疲弊もNFAT:AP-1複合体の形成障害によって引き起こされますが、疲弊状態の根本的な誘導は、最適でない刺激ではなく慢性的な刺激によるものです。アネルギーと疲弊の両方において、NFATc1が重要な役割を果たしているようです。逆に、NFATc2はNFAT2/αAとともに、無気力状態または疲弊状態を回復するために必要である。[ 6 ]
Ca 2+依存性カルシニューリン/NFAT シグナル伝達経路は、脊椎動物の発生における神経成長と軸索誘導において重要であることがわかっています。NFAT の各クラスは、神経発達のさまざまな段階に寄与しています。NFAT は、神経栄養シグナル伝達と連携して、いくつかの神経細胞集団における軸索伸長を制御します。さらに、NFAT 転写複合体は、ネトリンなどの誘導因子と神経成長を統合して新しいシナプスの形成を促進し、脳内の神経回路の構築を助けます。NFAT は、発達中の神経系と成体の神経系の両方において重要な役割を担っていることが知られています。[ 15 ]
NFATは炎症性腸疾患（IBD）の炎症の調節に役割を果たしている。LRRK2 （ロイシンリッチリピートキナーゼ2）をコードする遺伝子には、IBDの感受性遺伝子座が見つかった。 [ 16 ]キナーゼLRRK2はNFATc2型の阻害因子であるため、 LRRK2を欠損したマウスではマクロファージでNFATc2の活性化が増加していることがわかった。[ 16 ]これにより、重度の結腸炎発作を引き起こすNFAT依存性サイトカインが増加した。
NFATは、強い炎症促進成分を持つ自己免疫疾患である関節リウマチ（RA）にも関与している。炎症促進性サイトカインであるTNF-αは、マクロファージのカルシニューリン-NFAT経路を活性化する。さらに、mTOR経路を阻害すると関節の炎症と侵食が減少するため、mTOR経路とNFATの既知の相互作用はRAの炎症過程の鍵となる。[ 1 ]
T細胞増殖性サイトカインIL-2の産生において重要な役割を担っているため、NFATシグナル伝達は免疫抑制誘導のための重要な薬理学的標的である。NFATの活性化を阻害するCN阻害剤（CsAおよびタクロリムス（FK506）など）は、関節リウマチ、多発性硬化症、クローン病、潰瘍性大腸炎の治療[ 17 ] 、および臓器移植の拒絶反応の予防[ 18 ]に使用されている。しかし、これらの薬剤は非免疫細胞におけるCNを阻害する能力があるため毒性があり、アレルギーや炎症など免疫抑制薬療法が必要となる他の状況での使用が制限される。[ 13 ]カルシニューリンのホスファターゼ活性を標的とするのではなく、NFATを直接標的とする他の化合物もあり、これらは広範な免疫抑制効果を持つ可能性があるが、CsAやFK506のような毒性はない。個々のNFATタンパク質は特定の細胞型に存在したり、特定の遺伝子に影響を与えたりするため、個々のNFATタンパク質の機能を阻害することで、さらに選択的な免疫効果が得られる可能性がある。[ 13 ]