推动更深认识自身免疫疾病，科学家揭示调节性T细胞核心转录因子的新机制
张文翔，出生在中国的一个海边城市，从小对于大海有着特别的情愫。2008 年，他考入中国海洋大学学习海洋和水产产业，整天和大海打交道。
大三时，他参加了中国科学院上海生物化学与细胞生物学研究所举办的夏令营，自那时起他开始利用分子和细胞生物学方法探究生命的奥秘。
期间，他被这一学科深深折服。2012 年，张文翔如愿进入生物化学与细胞生物学研究所攻读博士。
博士毕业之后，由于在博士最后一年经历了论文投稿的挫折，同时他也很好奇自己的多年所学，到底该如何落地到药物研发之中。
因此他萌生了去象牙塔之外看看的想法。2018 年，他离开学界来到业界。
期间，先是在一家医药公司担任高级研究员，主攻小分子药物的研发；后来到一家投资机构担任投资经理，负责医药领域的风险投资。
通过离开学术界的这段实践，他逐渐认识到科研才是他真正热爱的事业，也是他最初的梦想。
与此同时，这段社会历练并没有浪费时间，相反由于他的目标更加清晰，他开始认识到免疫与攻克癌症之间的巨大潜力，以及自己在免疫相关培训方面的不足之处。
于是，他在 2019 年 9 月份决定重新回归学术界，并来到美国哈佛医学院继续从事博士后的研究，结合自己博士阶段对于基因的转录调控机制的研究背景，决定选择后天免疫的转录调控机制作为自己的主要研究方向。过去四年时间，
他作为第一作者分别在 Immunity 和 Nature 发表了论文。“2022 年，我还获得了 Jeffery Model Award，这个奖项在哈佛医学院每年只有一个名额。此外，我还获得过 2 次研究生国家奖学金和其他奖项。”其表示。
图 | 张文翔（来源：张文翔）
目前，张文翔正在寻找国内教职，也面试了几家单位，近期估计会定下来 offer。
未来独立建组之后，他会进一步探索 FOXP3 调控 Treg 的分子机制，并为自身免疫疾病、衰老疾病以及肿瘤的靶向治疗提供一些新策略。
一名科研人的“硬件”和“软件”
FOXP3 和 Treg，正是上述 Nature 论文的主要内容。FOXP3，既是调节性 T（Treg）细胞的关键转录因子，也是维持免疫系统平衡和功能的重要因子。在这篇 Nature 论文中，张文翔重点研究了这一因子。
因为疫情原因的原因，当时这项研究曾面临实验室关门的难题。于是，他把自己关在住处自己学习生信分析。
疫情导致研究中断本来就让他倍感压力，而且自己又孤身在国外。在这种压力之下，还要从头到尾自学一项新技能。“似乎把自己逼上了绝境，但是当现在回想起来，更多的是感激。”他说。
如果没有这段学习经历，他肯定会把自己设计的 pulldown-seq（图 1 a）测序数据，让来自其他专业的生信分析学者帮忙分析。
“如果是这样的话，TnG motif 这个序列(图 1 b)大概率会被忽视，因为在 FOXP3 之前的测序数据中，已经发现过这个序列，只不过从未被报道过。原因就是在生信分析的过程中，大多数人会忽视简单的重复序列，把这种简单的重复序列当做 junk。”他说。
而正是他当时的“无知”且无畏，让他没有放过这个序列，从而成就了这个课题。
“此外，生信分析确实是非常好的手段，在我掌握这一手段之后，我和同事还进行了更复杂的分析，比如分析三维空间基因组数据等。”其表示。
图 | 1. FOXP3 蛋白与 DNA 识别序列的探究。1 a, FOXP3 pulldown-seq 实验流程图。1 b,FOXP3 新型 DNA 别序列——TnG 重复微卫星序列。（来源：Nature）
对于做科研来说，如果说掌握更多知识是研究者必备的“硬件能力”，不轻言放弃和敢于坚持则是必备的“软件能力”。
如前所述，张文翔是通过自己的分析得到了 TnG motif 序列。事实上，当时包括他导师在内的合作者，都很怀疑这个序列的真实性，毕竟微卫星序列在生物体内非常常见，大约占基因组的 50%。
后来，张文翔力排众议坚持自己的观点，这并不是毫无条件的自信，而是建立在每一个深思熟虑的实验设计步骤之中。
通过体外生化实验的验证、以及分析更多的体内数据，他和同事逐渐发现 TnG motif 序列的确是 FOXP3 的结合序列。
此外，这项研究对于领域中另一个重要的发现是，FOXP3 通过其独特的多聚体结构桥接 DNA (图 2)，可能在 Tregs 功能调控中发挥关键作用。
图 | 2. FOXP3 与TnG 重复微卫星序列形成梯子状结构（十聚体）。（来源：Nature）
通过分析 3D 基因组数据，他发现 FOXP3 的多聚体结构能够桥接 TnG 重复微卫星，介导增强子-启动子环（Enhancer-promoter loop, EPL），从而调控靶基因表达（图 3）。
图| 3. FOXP3 多聚体通过桥接 TnG 重复微卫星，形成增强子-启动子环（EPL），进而调控靶基因表达。（来源：Nature）
至此，研究基本告一段落。日前，相关论文以《FOXP3 识别微卫星并通过多聚化桥接 DNA》（）为题发在 Nature[1]，张文翔和冷方伟是共同一作，哈佛医学院 教授担任通讯作者。
图| 相关论文（来源：Nature）
解答 FOXP3/Treg 领域长期存在的疑问
据介绍，在抑制免疫反应、维持自我耐受、以及防止自身免疫性疾病中，Treg 细胞发挥着关键作用。
作为 Treg 细胞的核心转录因子，针对 FOXP3 的功能和作用机制加以深入了解，对于理解 Treg 的功能、以及开发新的免疫调节治疗策略具有重大意义。
尽管 FOXP3 的重要性已经得到广泛认可，但是人们依然没有完全弄清楚它的功能机制和作用方式。
在本次研究之中，张文翔和同事探索了 FOXP3 与 DNA 的相互作用模式，特别是 FOXP3 如何识别和与 TnG 重复微卫星的结合。
微卫星 DNA 由短的重复序列组成，广泛分布于人类基因组中，在基因表达调节、基因组稳定性、以及某些疾病的发生中扮演着重要角色。
对于转录因子/基因调控来说，本次成果直接证明转录因子在三维基因组的水平，可以介导 DNA looping 以及调控靶基因的表达。
此外，对于在基因组中广泛存在的微卫星序列，本次成果也证明这些序列可以直接结合转录因子，并且这些序列可能是潜在的靶基因序列。
考虑到人体基因组中 50% 的序列是重复序列，以及肿瘤细胞中微卫星序列的不稳定性特征，因此这些简单重复序列的功能非常值得进一步探究。
总的来说，通过这项研究张文翔等人揭示了 FOXP3 与 TnG 重复微卫星的特定结合模式，这对于理解 FOXP3 如何调节 Treg 细胞的功能至关重要，有望为治疗自身免疫性疾病和癌症开辟新的途径。
同时，这项成果不仅为 FOXP3 的功能提供了新视角，也为相关疾病的治疗策略提供了理论基础，对于免疫学和分子生物学领域都具有重要意义。
审稿人表示这项研究可能解答了 FOXP3/Treg 生物学领域长期存在的疑问，也为微卫星 DNA 的功能和相互作用提供了有价值的新信息。
未来，本次成果或可用于治疗自身免疫疾病和癌症，尤其是通过调控 FOXP3 的活性，人们可以更好地理解并操控 Treg 细胞的功能。就细分应用前景来说，主要分为六方面：
其一，可用于治疗自身免疫疾病。
由于 FOXP3 是调节性 T 细胞的关键转录因子，因此了解 FOXP3 与 DNA 的相互作用，可以帮助开发新的药物，从而更精确地调控 FOXP3 的活性，进而对免疫反应进行调节。
其二，可用于治疗癌症。
在肿瘤微环境之中，调节性 T 细胞能起到抑制免疫系统攻击肿瘤细胞的作用。通过调控 FOXP3 的活性，有望开发新的癌症免疫疗法，增强免疫系统对肿瘤的攻击能力。
其三，可用于基因编辑和基因疗法。
通过增加对于 FOXP3 与微卫星 DNA 相互作用的了解，或可促进基因编辑技术的发展，从而有助于治疗一系列遗传性和免疫相关疾病。
其四，可用于疾病诊断和生物标志物开发。
FOXP3 与微卫星 DNA 的相互作用模式，能够用于开发新的疾病诊断方法，尤其将给治疗免疫失调类疾病带来较大帮助。
此外，FOXP3 或其相互作用的微卫星 DNA，可能会成为新的生物标志物，从而能够用于监测疾病进展或治疗效果。
其五，可用于三维基因组组装和调控研究。
即对于转录因子来说，本次成果有助于理解它参与 DNA 环和三维基因组组装的背后机制，从而有助于揭示细胞内基因表达调控的复杂性。
其六，可用于药物开发。
对于 FOXP3 结构和功能的深入理解，可以促进针对性药物的设计和开发，从而针对 FOXP3 的活性进行特定调节，以用于治疗相关的疾病。
需要注意的是，要想实现以上应用，还必须开展进一步的研究和临床试验。
如何寻找和判断 FOXP3？
事实上，对于发现调节性 T 细胞（Treg）的关键转录因子 FOXP3 来说，人类已经研究了三十年之久。
早期，针对在某些遗传突变中表现出自身免疫疾病的患者，学界开展了一些研究。通过此人们发现 Treg 细胞功能的失调，是这些患者罹患自身免疫疾病的主要原因。
通过研究上述患者的基因组，人们追踪到一个名为 FOXP3 的基因，并发现它的突变与 Treg 功能的丧失存在关联性。
随后，学界的研究开始集中于 FOXP3 在 Treg 细胞中的表达，借此人们发现 FOXP3 在 Treg 细胞中呈现出高度表达的特点，但在其他 T 细胞亚群中却并不常见。
正是这种差异性表达的存在，促使学界针对 FOXP3 在 Treg 细胞功能调节中的作用，开展了进一步的研究。
通过使用细胞生物学实验、分子生物学技术、以及基因编辑技术，学界证明 FOXP3 是调节 Treg 功能的主要分子开关，如今这已经是免疫生物学的共识。
这一共识的发现对于了解 Treg 细胞的发育、功能及其在免疫系统平衡中的作用有着重要意义。
在生物学领域，尽管还有许多转录因子未被发现或充分研究，但是仍然可以通过以下几种方法，来评估和确认 FOXP3 转录因子的显著性：
第一种方法是功能研究和表型分析。
即通过观察 FOXP3 基因敲除或过表达在细胞模型或动物模型中的效应，直观地评估它在生物学过程中的重要性。
例如，在 Treg 细胞的发育和功能中，FOXP3 起着关键作用。因此，可以通过改变 FOXP3 表达水平，来观察 Treg 细胞功能是否会发生显著变化来证实。
第二种方法是疾病相关性分析。
即研究 FOXP3 在各种疾病特别是在自身免疫性疾病和癌症中的作用，借此揭示它在生物学功能上的重要性。
例如，人们发现 FOXP3 的表达异常与某些疾病的发生有关，因此其在生理过程和病理过程中扮演着关键角色。
第三种方法是遗传学和群体研究。
即通过分析人群中的 FOXP3 基因变异、与特定表型或疾病易感性之间的关联，了解它在人类健康和疾病中的重要性。
第四种方法是分子机制研究。
即深入探索 FOXP3 对于基因表达的影响，例如它如何与 DNA 结合？它的靶基因是什么？以及它在细胞内是如何被调控的？通过了解这些信息，有助于理解 FOXP3 在细胞功能中的具体作用。
第五种方法是比较生物学。
即通过比较不同物种中 FOXP3 的序列和功能的保守性，评估它在进化过程中的重要性。其中，那些高度保守的基因，通常在生物学功能中扮演着关键角色。
第六种方法是综合数据分析。
即利用生物信息学工具，来分析大规模的转录组、蛋白质组和基因组数据，帮助确定 FOXP3 在不同生物学条件下的表达模式和调控网络。
通过以上六种方法，就能全面评估 FOXP3 转录因子的影响力，并将它与其他未被充分研究的转录因子进行比较，从而有助于揭示 FOXP3 在维持细胞功能和整个生物体健康中的独特作用和显著作用。
同时，在治疗相关疾病的时候，调控 FOXP3 的活性是否会带来潜在危险？
对此张文翔表示，调控 FOXP3 的活性确实可能会带来一些潜在风险和副作用，主要是因为 FOXP3 在调节免疫系统中起着关键作用。
整体来看，主要存在四方面的潜在危险：
首先是免疫失衡。
由于 FOXP3 是调节性 T 细胞（Tregs）的关键转录因子，过度增强或过渡抑制其活性，都可能会导致免疫反应的失衡。也就是说：
过度激活 FOXP3 可能导致过度抑制免疫系统，增加感染的风险；抑制 FOXP3 则可能导致免疫过激，增加自身免疫性疾病的风险。
其次是影响肿瘤免疫逃逸。
在癌症治疗中，虽然调控 FOXP3 的活性可能有助于增强免疫系统对肿瘤的攻击，但是过度抑制 FOXP3 可能会导致肿瘤免疫逃逸机制的改变，进而影响肿瘤的微环境。
再次是长期安全性未知。
调控 FOXP3 的长期影响目前尚不完全清楚，因此假如长期改变 FOXP3 的活性，可能会对个体免疫系统、乃至整体健康产生未知的影响
最后是个体差异。
不同个体对于调节 FOXP3 活性的反应，可能存在一定的差异。基因遗传背景、既往疾病史以及其他因素，都可能会影响治疗效果和治疗安全性。
因此，任何基于调节 FOXP3 活性的治疗策略都需要谨慎考虑，包括在动物模型和临床试验中评估其安全性、有效性和长期影响，以及充分理解 FOXP3 在不同生理和病理条件下的作用。
并且在临床应用之前必须经过详尽的研究和测试，只有这样才能开发安全、有效的治疗方法。而也正因为要考虑的因素较多，目前市面上尚未出现 Treg 细胞药物。
挖掘未被重视的序列功能
目前，在进一步的研究之中，张文翔等人也逐步发现越来越多的转录因子通过结合类似的微卫星序列，会让先前未被重视的序列功能逐渐显现出来。
基于课题组此前的研究结果[2]，针对 FOXP3 他们鉴定出两种类型的 DNA 识别及其对应结构，并且这两种识别都处于生理状态。
所以，后续张文翔将继续探究这两种识别模式对于下游信号的影响。同时，FOXP3 作为一种结构蛋白，是如何介导增强子-启动子环的？以及如何对其进行调控？这也是他将继续研究的问题。
此外，随着 AlphaFold 和 ChatGPT 等 AI 技术的面世，很多人也担心 AI 是否会取代一部分的生物研究工作。