叉頭轉(zhuǎn)錄因子-1與骨代謝關(guān)系的研究進(jìn)展

舒林徑　伍穎穎　譚震　宮蘋

1.口腔疾病研究國家重點實驗室　華西口腔醫(yī)院（四川大學(xué)）；2.種植科，成都 610041

叉頭轉(zhuǎn)錄因子-1與骨代謝關(guān)系的研究進(jìn)展

舒林徑1伍穎穎2譚震2宮蘋2

1.口腔疾病研究國家重點實驗室華西口腔醫(yī)院（四川大學(xué)）；2.種植科，成都 610041

叉頭轉(zhuǎn)錄因子-1（FoxO1）可調(diào)控細(xì)胞增殖、葡萄糖異生、能量代謝和氧化應(yīng)激等生物學(xué)過程，近年來研究表明，其在骨重塑過程中也發(fā)揮著重要的作用，影響機體骨量。其主要通過調(diào)控成骨細(xì)胞形成新骨，破骨細(xì)胞吸收礦化骨基質(zhì)和前體細(xì)胞的分化增殖，影響骨代謝過程，調(diào)控機體骨量。本文通過對FoxO1在骨代謝中的研究進(jìn)行回顧，對其在骨代謝中的作用途徑和機制進(jìn)行綜述。

叉頭轉(zhuǎn)錄因子-1；骨代謝；成骨細(xì)胞；破骨細(xì)胞

叉頭轉(zhuǎn)錄因子（forkhead box protein O，F(xiàn)oxO）家族中發(fā)現(xiàn)最早的成員是FoxO1，其可通過轉(zhuǎn)錄和傳導(dǎo)生長因子及細(xì)胞因子信號，發(fā)揮調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、葡萄糖異生、能量代謝和氧化應(yīng)激等多種生物學(xué)活性［1-2］。近年研究［3］顯示，F(xiàn)oxO1通過調(diào)控成骨細(xì)胞形成新骨，破骨細(xì)胞吸收礦化骨基質(zhì)和前體細(xì)胞的分化增殖，影響骨代謝過程。

1　FoxO1在成骨細(xì)胞中的作用

在生理情況下，骨組織處于不斷改建過程中，骨吸收和骨形成維持動態(tài)平衡［4-5］。成骨細(xì)胞是骨形成的主要功能細(xì)胞，負(fù)責(zé)骨基質(zhì)的形成、分泌和礦化。在3種FoxO蛋白中，F(xiàn)oxO1是成骨細(xì)胞中表達(dá)量最高的亞型，通過調(diào)節(jié)氧化還原平衡［3］、骨骼葡萄糖代謝［6-8］調(diào)控成骨細(xì)胞的增殖、分化、凋亡，從而影響新骨的形成過程。

1.1調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞氧化還原平衡

在正常情況下，骨骼細(xì)胞內(nèi)處于氧化還原平衡。在應(yīng)激條件下機體產(chǎn)生過量自由基等氧化性物質(zhì)，造成細(xì)胞氧化還原調(diào)控失衡，導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化、DNA損傷斷裂、蛋白質(zhì)功能喪失等，從而引發(fā)骨質(zhì)疏松等骨骼疾?。?，9-11］。

Rached等［3］敲除小鼠成骨細(xì)胞中的FoxO1基因發(fā)現(xiàn)，成骨細(xì)胞數(shù)量明顯減少，成骨率下降，骨骼體積萎縮，骨吸收增加。探究FoxO1的調(diào)控機制發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)oxO1在成骨細(xì)胞中一方面通過調(diào)控氨基酸的攝入，調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的蛋白質(zhì)合成，從而發(fā)揮保護(hù)作用。這種功能與FoxO1和激活轉(zhuǎn)錄因子4（activating transcription factor 4，ATF4）相互作用有關(guān)。ATF4是調(diào)控蛋白質(zhì)攝入的負(fù)反饋調(diào)節(jié)通路的重要組成部分，可促進(jìn)谷胱甘肽的合成［12］。ATF4能與FoxO1相互作用并促進(jìn)FoxO1活化，F(xiàn)oxO1也能增強ATF4的轉(zhuǎn)錄活性。成骨細(xì)胞中的FoxO1表達(dá)降低會導(dǎo)致蛋白質(zhì)合成降低，從而使一些抗氧化防御分子如谷胱甘肽和超氧化歧物酶2等機體抗氧化的防御物質(zhì)活性下降，活性氧和脂肪氧化產(chǎn)物水平升高。當(dāng)給予缺乏FoxO1的小鼠抗氧化劑N-乙酰半胱氨酸后，可將其成骨細(xì)胞的氧化應(yīng)激狀態(tài)控制在正常水平，其成骨細(xì)胞數(shù)量、成骨率和骨骼體積均得到恢復(fù)［3］。另一方面，在成骨細(xì)胞中，F(xiàn)oxO1還可通過抑制P19ARF/ P16/P53和P66Shc兩條關(guān)鍵的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，維持成骨細(xì)胞的正常增殖。P19ARF和P16是P53信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的上游調(diào)節(jié)基因，P19ARF和P16可活化P53。P19ARF/P16/P53信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路可由活性氧激活，調(diào)節(jié)活性氧誘導(dǎo)的抗細(xì)胞增殖作用及其早期老化。生理情況下，F(xiàn)oxO1可通過抑制P19ARF和P16的表達(dá)，從而下調(diào)P53的活性，防止成骨細(xì)胞周期抑制，保證其正常增殖和骨穩(wěn)態(tài)［10］。另一條是P66Shc信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，該通路可調(diào)節(jié)活性氧導(dǎo)致的細(xì)胞早期程序性死亡作用［11］。而在FoxO1敲除小鼠的成骨細(xì)胞中，P19ARF、P16、P53以及P66Shc基因表達(dá)均上調(diào)。

1.2FoxO1調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞葡萄糖代謝

研究［13-18］表明FoxO1可能是骨骼系統(tǒng)作為一個內(nèi)分泌器官調(diào)節(jié)葡萄糖代謝的關(guān)鍵調(diào)控因子，主要通過調(diào)控骨鈣素的分泌和活性，實現(xiàn)調(diào)控作用。

FoxO1在成骨細(xì)胞細(xì)胞核內(nèi)，與ATF4共定位，與ATF4相互作用發(fā)揮效用［6］。對成骨細(xì)胞中特異性敲除FoxO1基因的小鼠研究［7］發(fā)現(xiàn)，成骨細(xì)胞內(nèi)FoxO1可通過抑制胰島細(xì)胞增殖和功能，抑制胰島素靶器官的胰島素敏感性，從而升高空腹和餐后血糖。不僅如此，成骨細(xì)胞表達(dá)的FoxO1還可以促進(jìn)糖異生，并且不影響胰高血糖素和生長激素等激素水平。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)oxO1可通過促進(jìn)骨鈣素的羧基化，抑制非羧基化骨鈣素的分泌，從而減少胰島β細(xì)胞增殖、胰島素分泌及其敏感性，發(fā)揮升高血糖的作用。FoxO1一方面可以直接與骨鈣素的啟動子和第一內(nèi)含子結(jié)合，阻止Runx2基因與骨鈣素啟動子位點結(jié)合［19］。FoxO1與核心結(jié)合因子-α1（core binding factor α1，CBFA1）相互作用抑制其轉(zhuǎn)錄活性來抑制骨鈣素的表達(dá)［7］。胚胎干細(xì)胞磷酸酶（embryonic stem cell phosphatase，Esp）基因在成骨細(xì)胞中表達(dá)，其編碼產(chǎn)物蛋白酪氨酸磷酸酶導(dǎo)致成骨細(xì)胞的胰島素受體去磷酸化，參與骨鈣素的羧基化修飾過程［8］。另一方面，F(xiàn)oxO1還可間接通過下調(diào)Esp表達(dá)，進(jìn)而對骨鈣素的生物活性進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)同時敲除小鼠成骨細(xì)胞內(nèi)FoxO1和骨鈣素基因單鏈時，胰島素抵抗、葡萄糖不耐受現(xiàn)象得到了明顯的改善。

不僅成骨細(xì)胞表達(dá)的FoxO1可以調(diào)控胰島素產(chǎn)生和敏感性，它也是胰島素在成骨細(xì)胞上的效應(yīng)器。胰島素通過磷脂酰肌醇-3激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，PKB）途徑抑制成骨細(xì)胞上FoxO1活性，從而促進(jìn)骨鈣素活性［7］。一方面，下調(diào)Esp表達(dá)從而促進(jìn)骨鈣素脫羧；另一方面，減少骨保護(hù)素產(chǎn)生，促進(jìn)破骨細(xì)胞生成和骨吸收［18］。

通過這樣的反饋途徑，F(xiàn)oxO1和骨鈣素實現(xiàn)了骨骼和胰島之間的緊密聯(lián)系，調(diào)節(jié)能量代謝。氧化應(yīng)激和胰島素代謝對FoxO1的調(diào)控并非兩個相對獨立的過程，這兩方面相互影響、共同制衡了FoxO1在成骨細(xì)胞中的活性［20］。在機體衰老早期，適當(dāng)?shù)卦黾友趸瘧?yīng)激可以增加骨內(nèi)FoxO1的活性，從而保持成骨細(xì)胞數(shù)量和功能，利于血糖的利用。在代謝應(yīng)激增加的情況下，又可以減少胰島素的水平，導(dǎo)致骨內(nèi)FoxO1活性增加，從而升高血糖，為大腦提供營養(yǎng)。因此，除了胰島和肝，骨骼也是一個可以調(diào)控能量代謝的重要器官。

FoxO1可在成骨細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)之間穿梭。FoxO1入核，與ATF4相互作用。這一過程可提高FoxO1轉(zhuǎn)錄活性。FoxO1可通過調(diào)控蛋白質(zhì)合成，抑制p19ARF/P16/P53和P66shc途徑，合成防御蛋白，防止細(xì)胞周期阻滯。FoxO1可以抑制骨鈣素轉(zhuǎn)錄活性，下調(diào)Esp表達(dá)，抑制骨鈣素活性，減少β細(xì)胞增殖和功能，降低胰島素分泌。抑制胰島素靶器官的敏感性，從而升高血糖。

2　FoxO1在破骨細(xì)胞中的作用

破骨細(xì)胞可再吸收礦化的骨基質(zhì)，在骨發(fā)育和重塑以及骨骼病理過程中發(fā)揮著重要作用。異常的破骨細(xì)胞增生或壽命改變可導(dǎo)致各種良性和惡性的骨骼疾?。?1-23］。

H2O2的堆積是破骨細(xì)胞分化的必要條件，對維持破骨細(xì)胞生存起著重要的調(diào)節(jié)作用。Bartell等［24］通過條件性增強或抑制小鼠破骨細(xì)胞內(nèi)FoxO的功能，發(fā)現(xiàn)FoxO1可通過增加過氧化氫酶水平，減少H2O2堆積，抑制破骨細(xì)胞前體細(xì)胞增殖和減少成熟破骨細(xì)胞壽命，減少破骨細(xì)胞數(shù)量。當(dāng)敲除FoxO1時，破骨細(xì)胞的數(shù)量和活性都增加，骨小梁的數(shù)量減少、間距增加，骨密質(zhì)厚度減少，骨松質(zhì)密度和骨體積減小。

2015年，Wang等［25］提出了相反的結(jié)論，通過敲除小鼠破骨細(xì)胞前體細(xì)胞和破骨細(xì)胞內(nèi)FoxO1發(fā)現(xiàn)，核因子κB受體活化因子配體（receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL）誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞生成和活性均降低。Wang等［25］認(rèn)為兩種相悖的結(jié)論與觀察的時間和角度有關(guān)。重點關(guān)注于FoxO1和其調(diào)控的下游通路，在直接刺激作用下，F(xiàn)oxO1促進(jìn)巨噬細(xì)胞集落刺激因子（macrophage colony stimulating factor，M-CSF）/RANKL誘導(dǎo)的骨吸收過程，促進(jìn)破骨細(xì)胞前體分化為破骨細(xì)胞。然而在長期、間接的交互作用下，F(xiàn)oxO1表現(xiàn)出其他學(xué)者［24］觀察到的結(jié)果。筆者認(rèn)為，兩項研究的結(jié)果差異可能與開始藥物刺激時小鼠周齡相差較大（分別為第4周齡和10周齡）有關(guān)。

FoxO1是否促進(jìn)破骨細(xì)胞生成和活性尚存在爭議，相關(guān)機制研究仍欠缺，有待進(jìn)一步研究證實和補充。

3　FoxO1對骨向分化的作用

不僅成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞在骨形成過程中發(fā)揮重要作用，作為成骨細(xì)胞來源的間充質(zhì)干細(xì)胞（mesenchymal stem cell，MSC）也參與了骨形成的過程。MSC隨著發(fā)育依次分化為骨干細(xì)胞、成骨前體細(xì)胞、成骨細(xì)胞、骨細(xì)胞。研究［26］表明，F(xiàn)oxO1在干細(xì)胞和成骨細(xì)胞前體細(xì)胞的成骨向分化中發(fā)揮著重要的作用。在體內(nèi)，F(xiàn)oxO1在小鼠胚胎的骨骼發(fā)育時表達(dá)，在體外MSC分化為骨細(xì)胞時表達(dá)增加。骨骼形成早期，降低小鼠胚胎中FoxO1基因表達(dá)，會對小鼠骨骼的發(fā)生產(chǎn)生重大的影響，影響小鼠骨骼系統(tǒng)的發(fā)育。

Siqueira等［27］在對前成骨細(xì)胞分化模型的觀察中發(fā)現(xiàn)，在細(xì)胞系形成礦化結(jié)節(jié)的過程中，F(xiàn)oxO1的DNA結(jié)合區(qū)域活性和mRNA水平均上調(diào)。當(dāng)FoxO1基因敲除后礦化結(jié)節(jié)產(chǎn)生減少。然而，在該細(xì)胞系中過度表達(dá)FoxO1基因，會導(dǎo)致MC3T3-E1細(xì)胞數(shù)量減少，增殖細(xì)胞核抗原陽性細(xì)胞數(shù)量也有所下降。Almeida等［28］在體外實驗中，氧化應(yīng)激條件下刺激成骨細(xì)胞前體細(xì)胞發(fā)現(xiàn)，β-鏈蛋白從原來的Wnt/T細(xì)胞因子（T cell factor，TCF）改而結(jié)合到了FoxO1，減少了體外的成骨細(xì)胞形成過程。該課題組隨后進(jìn)行體內(nèi)試驗，敲除成骨細(xì)胞和脂肪細(xì)胞共同的多能前體—MSC細(xì)胞中的FoxO1基因，觀察到β-鏈蛋白/TCF轉(zhuǎn)錄明顯下調(diào)，進(jìn)一步證實FoxO1通過抑制Wnt/β-鏈蛋白/TCF信號通路，減少成骨細(xì)胞數(shù)量和骨量［29］。上述研究顯示，F(xiàn)oxO1是前成骨細(xì)胞分化的重要因子，通過與RUNX2啟動子相互作用，調(diào)控Wnt信號通路等途徑發(fā)揮作用。

4　結(jié)束語

FoxO1在骨骼中的調(diào)控作用會隨細(xì)胞種類的改變而有所不同。在前成骨細(xì)胞的分化、增殖過程中發(fā)揮著重要作用，調(diào)控成骨細(xì)胞的數(shù)量。在成熟成骨細(xì)胞行使功能的過程中，F(xiàn)oxO1蛋白能夠通過與ATF4的相互作用促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成來對抗骨骼內(nèi)的氧化應(yīng)激反應(yīng)，維持成骨細(xì)胞的正常增殖，而且對糖代謝進(jìn)行調(diào)節(jié)。對破骨細(xì)胞作用尚存在爭議，這些分歧緣于研究對象、觀察時長和側(cè)重點不一致，有待進(jìn)一步研究證實。毋庸置疑的是，F(xiàn)oxO1在骨代謝中功能的發(fā)現(xiàn)和機制的完善，認(rèn)識到除了胰島和肝，骨骼也是一個可以調(diào)控能量代謝的重要器官［20］。

骨骼和胰島之間聯(lián)系緊密，骨骼通過FoxO1促進(jìn)β細(xì)胞增殖、胰島素分泌和能量消耗，調(diào)控全身的糖代謝。不僅如此，胰島素信號通路也可以調(diào)控成骨細(xì)胞FoxO1從而調(diào)控骨代謝?；蛟S由于FoxO1在不同組織中引發(fā)了相同的代謝作用，可為研究不同代謝性疾病間的內(nèi)在聯(lián)系提供新的思路。骨代謝是口腔種植的基礎(chǔ)，通過對FoxO1在骨代謝中的作用進(jìn)行深入的探究，可以為其在口腔種植領(lǐng)域的研究提供理論基礎(chǔ)。

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（本文編輯杜冰）

Research progress on forkhead box protein O1 and bone metabolism

Shu Linjing1， Wu Yingying2， Tan Zhen2， Gong Ping2. （1. State Key Laboratory of Oral Diseases， West China Hospital of Stomatology， Sichuan University， Chengdu 610041， China；2. State Key Laboratory of Oral Diseases， Dept. of Implantology， West China Hospital of Stomatology， Sichuan University，Chengdu 610041， China）
Supported by: National Natural Science Foundation for Youth of China（81400543）. Correspondence: Gong Ping， E-mail: gp602002@163.com.

Recent studies found that forkhead box protein O1 （FoxO1） does not only demonstrate important biological functions in cell proliferation， gluconeogenesis， energy metabolism， and oxidative stress， but it also plays a vital role in the remodeling process of bones. FoxO1 can regulate bone mass by affecting osteoblasts， osteoclasts， and precursor cells. In this article， we review the role of FoxO1 in bone metabolism and elucidate its underlying mechanism.

forkhead box protein O1；bone metabolism；osteoblasts；osteoclasts

Q 51

A

10.7518/hxkq.2016.04.022

2015-08-04；

2016-05-05

國家自然科學(xué)基金青年基金資助項目（81400543）

舒林徑，碩士，E-mail:kuailess@163.com

宮蘋，教授，博士，E-mail:gp602002@163.com