Całogenomowa analiza integracji szlaków sygnałowych czynników STAT1 i NFκB w procesie zapalnym naczyń krwionośnych

Wydział BiologiiAtherosclerosis is a leading cause of mortality world-wide. The key etiological factor is vascular inflammation, mediated by vascular smooth muscle cells and immune cells. Signal Integration (SI) between JAK-STAT and TLR4 signaling pathways plays a crucial role in pro-inflmmatory response. Genome-wide transcriptome (RNA-seq) and genome (ChIP-seq) analysis revealed, that synergistic IFNγ-, IFNα- and LPS-dependent activation of STAT1- and NFκB-containing transcriptional complexes binding to composite GAS/ISRE and NFκB sites in the close proximity on DNA, due to STAT1-dependent open chromatin state, underlies the mechanism of robust pro-inflammatory gene expression in vascular cells. Moreover, it was proposed the mechanism regulating SI between JAK-STAT and TLR4 pathways in the context of pro-inflammatory gene down-regulation, in which STAT1 and NFκB mediate negative histone mark deposition. Next, a role of STAT1 in IFNγ-dependent vascular smooth muscle cell-specific gene expression relying on hierarchical collaboration with cell type-specific transcription factor, was proposed. This research could be used in the future to develop new diagnostic and therapeutical strategies against atherosclerosis.Miażdżyca naczyń krwionośnych stanowi główną przyczynę śmiertelności na świecie. Kluczowym czynnikiem etiologicznym jest stan zapalny w obrębie naczyń, mediowany przez komórki mięśniówki gładkiej naczyń krwionośnych i komórki układu odpornościowego. Istotną rolę w odpowiedzi zapalnej odgrywa integracja sygnałowa (SI) pomiędzy szlakami JAK-STAT oraz TLR4. Dzięki całogenomowej analizie transkryptomu (RNA-seq) oraz genomu (ChIP-seq) wykazano, że synergistyczna IFNγ-, IFNα- oraz LPS-zależna aktywacja kompleksów transkrypcyjnych zawierających białka STAT1 oraz NFκB, wiążących się do miejsc kompozytowych GAS/ISRE oraz NFκB w bliskiej odległości w łańcuchu DNA, dzięki STAT1-zależnej otwartej konformacji chromatyny, leży u podstaw mechanizmu potężnej ekspresji genów prozapalnych w komórkach mięśniówki gładkiej naczyń krwionośnych. Ponadto w pracy zaproponowano mechanizm regulujący SI pomiędzy szlakami JAK-STAT i TLR4 w kontekście obniżonej ekspresji genów prozapalnych, w którym białka STAT1 oraz NFκB pośredniczą w negatywnym znakowaniu histonów. Następnie zaproponowano rolę czynnika STAT1 w IFNγ-zależnej ekpresji genów, specyficznej dla komórek śródbłonka naczyń krwionośnych, potencjalnie zależną od hierarchicznego współdziałania z komórkowo-specyficznym czynnikiem transkrypcyjnym. Badania mogą w przyszłości zostać wykorzystane w diagnostyce oraz terapii miażdżycy

Signal Integration of IFN-I and IFN-II With TLR4 Involves Sequential Recruitment of STAT1-Complexes and NFkB to Enhance Pro-inflammatory Transcription

L

Direct Inhibition of IRF-Dependent Transcriptional Regulatory Mechanisms Associated With Disease

Interferon regulatory factors (IRFs) are a family of homologous proteins that regulate the transcription of interferons (IFNs) and IFN-induced gene expression. As such they are important modulating proteins in the Toll-like receptor (TLR) and IFN signaling pathways, which are vital elements of the innate immune system. IRFs have a multi-domain structure, with the N-terminal part acting as a DNA binding domain (DBD) that recognizes a DNA-binding motif similar to the IFN-stimulated response element (ISRE). The C-terminal part contains the IRF-association domain (IAD), with which they can self-associate, bind to IRF family members or interact with other transcription factors. This complex formation is crucial for DNA binding and the commencing of target-gene expression. IRFs bind DNA and exert their activating potential as homo or heterodimers with other IRFs. Moreover, they can form complexes (e.g., with Signal transducers and activators of transcription, STATs) and collaborate with other co-acting transcription factors such as Nuclear factor-κB (NF-κB) and PU.1. In time, more of these IRF co-activating mechanisms have been discovered, which may play a key role in the pathogenesis of many diseases, such as acute and chronic inflammation, autoimmune diseases, and cancer. Detailed knowledge of IRFs structure and activating mechanisms predisposes IRFs as potential targets for inhibition in therapeutic strategies connected to numerous immune system-originated diseases. Until now only indirect IRF modulation has been studied in terms of antiviral response regulation and cancer treatment, using mainly antisense oligonucleotides and siRNA knockdown strategies. However, none of these approaches so far entered clinical trials. Moreover, no direct IRF-inhibitory strategies have been reported. In this review, we summarize current knowledge of the different IRF-mediated transcriptional regulatory mechanisms and how they reflect the diverse functions of IRFs in homeostasis and in TLR and IFN signaling. Moreover, we present IRFs as promising inhibitory targets and propose a novel direct IRF-modulating strategy employing a pipeline approach that combines comparative in silico docking to the IRF-DBD with in vitro validation of IRF inhibition. We hypothesize that our methodology will enable the efficient identification of IRF-specific and pan-IRF inhibitors that can be used for the treatment of IRF-dependent disorders and malignancies

Całogenomowa analiza integracji szlaków sygnałowych czynników STAT1 i NFκB w procesie zapalnym naczyń krwionośnych

Wydział BiologiiAtherosclerosis is a leading cause of mortality world-wide. The key etiological factor is vascular inflammation, mediated by vascular smooth muscle cells and immune cells. Signal Integration (SI) between JAK-STAT and TLR4 signaling pathways plays a crucial role in pro-inflmmatory response. Genome-wide transcriptome (RNA-seq) and genome (ChIP-seq) analysis revealed, that synergistic IFNγ-, IFNα- and LPS-dependent activation of STAT1- and NFκB-containing transcriptional complexes binding to composite GAS/ISRE and NFκB sites in the close proximity on DNA, due to STAT1-dependent open chromatin state, underlies the mechanism of robust pro-inflammatory gene expression in vascular cells. Moreover, it was proposed the mechanism regulating SI between JAK-STAT and TLR4 pathways in the context of pro-inflammatory gene down-regulation, in which STAT1 and NFκB mediate negative histone mark deposition. Next, a role of STAT1 in IFNγ-dependent vascular smooth muscle cell-specific gene expression relying on hierarchical collaboration with cell type-specific transcription factor, was proposed. This research could be used in the future to develop new diagnostic and therapeutical strategies against atherosclerosis.Miażdżyca naczyń krwionośnych stanowi główną przyczynę śmiertelności na świecie. Kluczowym czynnikiem etiologicznym jest stan zapalny w obrębie naczyń, mediowany przez komórki mięśniówki gładkiej naczyń krwionośnych i komórki układu odpornościowego. Istotną rolę w odpowiedzi zapalnej odgrywa integracja sygnałowa (SI) pomiędzy szlakami JAK-STAT oraz TLR4. Dzięki całogenomowej analizie transkryptomu (RNA-seq) oraz genomu (ChIP-seq) wykazano, że synergistyczna IFNγ-, IFNα- oraz LPS-zależna aktywacja kompleksów transkrypcyjnych zawierających białka STAT1 oraz NFκB, wiążących się do miejsc kompozytowych GAS/ISRE oraz NFκB w bliskiej odległości w łańcuchu DNA, dzięki STAT1-zależnej otwartej konformacji chromatyny, leży u podstaw mechanizmu potężnej ekspresji genów prozapalnych w komórkach mięśniówki gładkiej naczyń krwionośnych. Ponadto w pracy zaproponowano mechanizm regulujący SI pomiędzy szlakami JAK-STAT i TLR4 w kontekście obniżonej ekspresji genów prozapalnych, w którym białka STAT1 oraz NFκB pośredniczą w negatywnym znakowaniu histonów. Następnie zaproponowano rolę czynnika STAT1 w IFNγ-zależnej ekpresji genów, specyficznej dla komórek śródbłonka naczyń krwionośnych, potencjalnie zależną od hierarchicznego współdziałania z komórkowo-specyficznym czynnikiem transkrypcyjnym. Badania mogą w przyszłości zostać wykorzystane w diagnostyce oraz terapii miażdżycy