FoxO1在2型糖尿病中的作用及其研究進展

，

(南華大學藥學與生物科學學院生物技術系，湖南 衡陽421001)

·小專論·

FoxO1在2型糖尿病中的作用及其研究進展

楊娟，佘美華*

(南華大學藥學與生物科學學院生物技術系，湖南 衡陽421001)

叉頭框蛋白1(FoxO1)是機體內重要的轉錄因子，調控著多種基因的表達，它也是胰島素通路中的關鍵因子。研究表明FoxO1通過參與胰島素抵抗、胰島β細胞增殖分化和凋亡、肥胖相關而在2型糖尿病(T2DM)的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用。本文就FoxO1對T2DM的影響做簡要綜述。

FoxO1； T2DM； 胰島素抵抗； 肥胖； β細胞功能

糖尿病現(xiàn)在已成為第三位嚴重危害人類身體健康的慢性疾病。我國更是糖尿病第一發(fā)病大國，總體患病率已高達9.7%，其中T2DM約占90%～95%。T2DM是一種由遺傳因素和環(huán)境因素共同作用的疾病，以胰島素抵抗和(或)胰島β細胞功能缺陷以及肥胖癥為主要特征。FoxO1是一類重要的轉錄因子，屬于FoxO家族成員之一。FoxO1主要受到PI3K/AKT的調控，隨后可調節(jié)多種基因的表達。研究顯示FoxO1在胰島素抵抗、胰島β細胞增殖分化和凋亡、糖脂代謝等與T2DM相關聯(lián)的過程中扮演重要角色。詳細了解該轉錄因子在T2DM中的主要作用可能會為今后T2DM的診斷和治療提供新的理論依據(jù)。

1 FoxO1簡介

叉頭框轉錄因子命名起源于1989年首次發(fā)現(xiàn)果蠅的“叉頭”突變，直到2000年國際命名委員會正式將Fox作為統(tǒng)一的符號來代表叉頭框蛋白質。Fox家族的共同特征就是具有一個Fox結構域，由100個左右的氨基酸組成的高度保守DNA結合區(qū)域，具有3個α螺旋和2個翅膀狀的大環(huán)結構。Fox 蛋白家族目前有17個亞族，每一個亞家族用一個字母表示，亞家族中每一個蛋白質用一個阿拉伯數(shù)字表示。FoxO蛋白是其中的一個亞族，與其他亞家族不同之處在于第2和第3個α螺旋之間有5個氨基酸的插入。人類有4個FoxO同源基因：FoxO1、FoxO3a、FoxO4以及FoxO6，其中FoxO1是最早發(fā)現(xiàn)的成員。

FoxO1主要表達在胰島效應的靶細胞中，比如脂肪細胞、肌肉細胞、肝細胞。值得注意的是，它在成年胰腺中僅表達于β細胞。既往研究表明FoxO1參與糖脂代謝、β細胞的增殖、分化與凋亡，胰島素抵抗等與T2DM有著密切關聯(lián)的生理過程。FoxO1蛋白在C-末端DNA結構域具有核定位和核輸出序列，激酶與其他蛋白的互相作用可以調節(jié)這些核定位序列和核輸出序列的有效性，使得FoxO1來回穿梭核質之間。當FoxO1移出細胞核，因不能結合靶基因結合位點而失去活性。FoxO1的這種核定位活動主要活性由磷酸化、乙?；约胺核鼗N共價修飾調節(jié)。1)磷酸化修飾：FoxO1是胰島素/胰島素樣生長因子-1信號通路下游因子，其上游主要由PI3K/AKT調控。胰島素等生長因子作用于PI3K/AKT使得AKT磷酸化，進而磷酸化FoxO1。磷酸化的FoxO1增加了與分子伴侶14-3-3的聯(lián)系，促進了FoxO1核輸出并且阻斷了核定位信號防止FoxO1重返核中。生長因子活化另外的激酶如酪蛋白激酶Ⅰ也可以磷酸化FoxO1并直接增加其與核輸出機制和Ran及輸出蛋白/Crm的作用[1]。值得注意的是不是所有的激酶都可以促進FoxO1蛋白核輸出，如JNK，P38以及AMPK等就可以擾亂FoxO1與分子伴侶14-3-3結合增加其核定位[2]。因此在氧化應激時，細胞內的活性氧簇(Reactive oxygen species,ROS)活化JNK或者Ste20-樣激酶激活FoxO1會導致FoxO1從細胞質轉移到細胞核。2)乙酰化：FoxO蛋白家族乙?；饕芙M蛋白乙酰轉移酶和組蛋白去乙酰化酶控制，乙?；腇oxO1會降低與DNA結合而提高對AKT磷酸化的敏感性。FoxO1可以被CREB結合蛋白誘導使其DNA結合區(qū)C末端的lys242和lys245位點乙?；档土伺cDNA的結合力與轉錄活性[3]。相反地，沉默信息調節(jié)因子-2(Silent information regulator-2,Sir2)是一種煙酰胺腺嘌呤二核苷酸依賴性的組蛋白去乙?；?，Sirt1是哺乳動物7種Sir2同源簇之一。Sirt1可以結合并催化FoxO1去乙?；瑥亩岣吡薋oxO1的轉錄活性。3)泛素化：和絕大多數(shù)蛋白一樣，F(xiàn)oxO蛋白可以通過泛素化被降解。FoxO1的ser256磷酸位點能夠被Skp/Cul/F-box蛋白泛素復合體識別隨后聚泛素化而被降解[4]。當然，F(xiàn)oxO1還有些其他的調節(jié)方式，比如被TNF-α激活。FoxO1就是通過以上等幾種不同機制調節(jié)活性，進而參與胰島素抵抗進程，調節(jié)β細胞功能以及肥胖癥的發(fā)生。

2 FoxO1與胰島素抵抗

胰島素抵抗是T2DM的主要發(fā)病機制，它是指機體內胰島素敏感性組織如肝臟、肌肉及脂肪等對血液循環(huán)中正常水平的胰島素生物學效應降低。發(fā)生胰島素抵抗的原因有多種，長期高血糖、氧化應激以及炎癥都可導致胰島素抵抗。研究表明FoxO1的表達量與細胞對胰島素的敏感性存在著規(guī)律性的負相關。近期實驗也發(fā)現(xiàn)在發(fā)生胰島素抵抗的HepG2細胞里，F(xiàn)oxO1基因及蛋白的表達均顯著增加。由此可看出FoxO1在發(fā)生胰島素抵抗的過程中發(fā)揮著重要作用。FoxO1可以通過多種因素參與胰島素抵抗。作為機體重要的轉錄因子，F(xiàn)oxO1能通過負調控胰島素敏感相關基因減少胰島素敏感性，F(xiàn)oxO1單倍劑量不足可以保護小鼠免受因食物誘導的胰島素抵抗[5]。其次，它可以通過參與各種代謝活動來增強胰島素抵抗。比如參與炎癥相關，高表達的FoxO1可以促進炎癥因子的釋放，導致某些信號通路不正確的磷酸化作用發(fā)生，如使胰島素信號通路中的IRS的絲/蘇氨酸磷酸化，從而抑制正常的磷酸化位點酪氨酸的磷酸化以及下游信號的激活，阻礙了胰島素信號的傳導，最終導致胰島素抵抗的發(fā)生[6]。最近研究也證明FoxO1參與胰島素抵抗相關的促炎因子的產生。在糖代謝方面FoxO1同樣占重要地位，在肌肉和肝臟當中表達促進葡萄合成酶包括磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶和葡萄糖-6磷酸酶的表達導致血糖升高,同時可能降低FFA代謝酶的活性使得細胞內脂肪堆積,致使胰島素抵抗形成。FoxO1參加成骨細胞的血糖調節(jié)也被證實，在FoxO1缺失的成骨細胞可以降低Esp表達和增加骨鈣素的表達來增加胰島素敏感以及胰島素的生成[7]。最新研究[8]發(fā)現(xiàn)維生素D的缺乏與胰島素抵抗相關聯(lián)，骨骼肌特異性維生素D受體缺失的小鼠會發(fā)展為胰島素抵抗以及糖耐受受損伴隨著FoxO1的表達以及活性增強，而用1,25-二羥基維生素D治療后減少了FoxO1表達、核轉位及活性。由此看出FoxO1介導維生素D缺乏可能是引起胰島素抵抗新的機制?？偠灾?，F(xiàn)oxO1在胰島素抵抗形成的過程中占據(jù)著重要作用。

3 FoxO1與胰島β細胞

胰島β細胞的功能障礙以及數(shù)量減少被證實為T2DM發(fā)病的又一個主要原因。長期患有T2DM的患者表現(xiàn)出β細胞數(shù)量和功能的下降，通常稱為“β細胞衰竭”。β細胞功能障礙主要是因為β細胞自噬不受控制、增殖減少以及細胞凋亡增加而引起的，最近發(fā)現(xiàn)去分化可能是β細胞功能障礙的另一機制。Del Guerra等從人的組織標本中報道在T2DM患者胰島中FoxO1的mRNA表達量顯著高于非糖尿病對照組,提示高表達FoxO1可能造成β細胞功能損傷。

FoxO1對于β細胞的增殖、分化和凋亡都發(fā)揮著重要作用。前面提到FoxO1在成年胰島中只表達于β細胞，但是在胚胎時期FoxO1表達于整個胰腺和胰腺十二指腸同源盒1(Pancreatic duodenal homeobox 1,Pdx1)表達方式一樣。胚胎發(fā)育e12.5-13.5d期間在胰腺廣泛表達，e14.5開始限制于神經內分泌細胞，到了出生則只表達于β細胞[9]。Pdx1在調節(jié)β細胞的生長與功能起著關鍵作用，受FoxO2的調控。FoxO1與FoxO2在pdx1啟動子處有共同的DNA結合位點，可以競爭性結合Pdx1抑制其表達，而且Pdx1和FoxO1有著相互排斥的核質定位，Pdx1陽性β細胞中FoxO1定位胞質而Pdx1陰性β細胞中FoxO1定位胞核。在Pdxl啟動子控制下敲除FoxO1( Pdxl-FoxO1-/-)小鼠中，近導管處的胰島β細胞數(shù)量增多且呈團狀[10]。而Pdx1-/-小鼠中FoxO1一個等位基因的缺失能夠恢復β細胞的增殖。此外，胰島素信號本身具有調控胰島β細胞分泌胰島素的功能，而FoxO1正好是這條信號通路上的重要因子。敲除胰島素受體底物2(Insulin receptor substrate-2,ISR-2)的小鼠會出現(xiàn)β細胞增殖降低及胰島素抵抗，最終形成糖尿病，而FoxO1單倍劑量不足會恢復β細胞的復制能力。說明FoxO1不僅能調控Pdx1的活性來調節(jié)β細胞的增殖，Akt/FoxO1通路是調節(jié)β細胞增殖的另一機制。最近研究發(fā)現(xiàn)在脂毒性條件下，利拉魯肽通過PI3K/Akt/FoxO1這條路徑促進β細胞增殖也證明了這一點[11]。

FoxO1對于β細胞分化同樣重要，研究表明FoxO1可以調節(jié)分化關鍵轉錄因子NGN-3和NKX6-1來負調節(jié)β細胞分化。目前認為β細胞分化主要受Notch信號通路調控，而FoxO1與此信號通路有交互作用，共同調節(jié)NGN-3抑制蛋白Hes1的表達。在凋亡過程中，F(xiàn)oxO1也扮演重要角色，這可能與FoxO1直接或間接調控著凋亡相關基因表達有關。Kluth等[12]就推測Akt和FoxO1的去磷酸化下調生存途徑以及誘導凋亡相關蛋白Bax。最近在高糖喂養(yǎng)16天的新西蘭小鼠中檢測到β細胞凋亡相關聯(lián)轉錄因子Pdx1、Nkx6以及肌腱膜纖維肉瘤基因家族蛋白MafA的減少，而FoxO1的去磷酸化是導致其產生的原因。哺乳動物不育20樣激酶1(Mammalian sterile 20 like kinase 1,Mst1)是一個新發(fā)現(xiàn)的β細胞死亡與功能的關鍵調節(jié)器，在高糖等條件下被激活促進β細胞的死亡而Mts1的表達能夠被PI3K/Akt/FoxO1這個通路調控[13]。眾多試驗證明了FoxO1可以調控凋亡相關基因促進β細胞凋亡。它還可以與別的因子協(xié)同促進凋亡，比如FoxO1與糖皮質激素受體協(xié)同作用促進Bim表達，促進線粒體依賴性凋亡。另外，F(xiàn)oxO1也參與了內質網應激對胰島β細胞凋亡的影響過程中。在游離脂肪酸培養(yǎng)下的小鼠胰島β細胞,內質網應激標志分子eIF2和凋亡相關蛋白CHOP表達增強,加入內質網應激誘導劑發(fā)現(xiàn)FoxO1核內轉位增加且活性增強;下調FoxO1表達則使eIF2以及CHOP的表達均下降[14]。進一步研究[15]發(fā)現(xiàn)促生長激素釋放肽Ghrelin通過抑制FoxO1核內轉位,減少內質網應激引起的胞質三酰甘油合成,從而下降凋亡相關蛋白表達最終保護高脂毒性下的胰島β細胞。不過近年來提出了在高糖等應激下Foxo1并不是引起β細胞凋亡，而是導致β細胞去分化，最終失去該有的功能。有研究發(fā)現(xiàn)，胰島β細胞功能減退的程度是遠遠大于其細胞凋亡的程度。Talchai等[16]在db/db小鼠中發(fā)現(xiàn)胰島β細胞存在去分化與向α細胞轉分化的現(xiàn)象，并伴隨著FoxO1活性降低。后來他們對小鼠β細胞進行特異性FoxO1敲除，F(xiàn)oxO1缺失的β細胞開始表達內分泌前體標志基因如嗜鉻粒蛋白A、Neur-ogenin3，證實了FoxO1與β細胞去分化密切相關。這也許是對β的一種保護作用，去分化的β細胞最終也有可能在一定條件下繼續(xù)分化為成熟的β細胞。而且，F(xiàn)oxO1是眾多抗氧化酶如過氧化氫酶、雙氧化物歧化酶的轉錄調節(jié)因子，在氧化應激條件下起著保護β細胞免于凋亡的作用。正常的自噬對維持細胞器是至關重要的，對于β細胞而言，自噬對它的功能和數(shù)量維持是必要的。而β細胞一旦自噬不受控制將導致T2DM。有實驗證明在T2DM動物尤其是db/db小鼠和Zucker肥胖大鼠的β細胞中自噬增加。既往研究證實了細胞內FoxO1可以調控自噬相關基因Atg7，最新研究[17]顯示醛固酮可以提高自噬也是通過增強FoxO1/Rab7軸，從而表明自噬與FoxO1具有極大的關聯(lián)。因此這也許是FoxO1導致β細胞功能障礙的另一誘因。總而言之，F(xiàn)oxO1可能在不同條件下對β細胞的作用有所不同。

4 FoxO1與肥胖

肥胖在當今社會是種流行疾病，由它產生的脂毒性可引發(fā)更高風險的肥胖相關的T2DM。據(jù)報道70%～80%的T2DM患者有肥胖或既往肥胖的病史，BMI>35 kg/m2的人群患T2DM的幾率是BMI < 22 kg/m2人群的93.2倍。肥胖癥形成的核心是前脂肪細胞增殖分化為成熟脂肪細胞和脂肪細胞中脂質的儲積。成熟的脂肪細胞以細胞中脂質積累和脂滴塊為特征。FoxO1在調節(jié)脂肪生成方面起關鍵性作用。一方面，F(xiàn)oxO1通過與過氧化物酶體增殖物激活受體γ((peroxisome proliferator activated receplor-γ,PPARγ)以及細胞周期抑制蛋白P21的相互作用來控制脂肪細胞分化。PPARγ是一個核激素受體，在轉錄水平通過影響脂肪酸及其衍生物的功能來增加脂肪細胞的數(shù)量以及促進脂肪細胞的分化，在脂肪細胞分化過程中起核心作用,研究證明在完全分化的脂肪細胞中PPARγ的含量是前脂肪細胞的10倍左右。P21是細胞周期蛋白依賴性激酶的抑制因子，它與CDK激酶相結合并且抑制其活性，從而使得細胞周期停滯。P21參與脂肪細胞的分化的同時也保護了肥大的脂肪細胞免于細胞凋亡。在肥大的脂肪組織和肥胖小鼠模型的肝臟組織中的P21表達受明顯的正反饋調節(jié)。前脂肪細胞誘導分化為成熟脂肪細胞大致分克隆增殖階段和終末端分化階段，Nakae等發(fā)現(xiàn)FoxO1的活性在脂肪細胞分化前呈非磷酸化狀態(tài)，在克隆增殖階段磷酸化而抑制轉錄活性，進而抑制了p21的活性，促進細胞進行有絲分裂。在細胞發(fā)生兩次有絲分裂后，F(xiàn)oxO1的表達升高并重新活化，在細胞核內同PPARγ一起觸發(fā)生長抑制，誘導細胞進入終末分化階段。由此也可看出，F(xiàn)oxO1參與調節(jié)脂肪細胞分化并呈階段性，Zou等[18]研究FoxO1抑制劑as1842856對脂肪細胞分化影響的試驗證明了這一觀點，他們認為FoxO1活化的動力學遵循“s”曲線，并發(fā)現(xiàn)持續(xù)抑制FoxO1活性幾乎完全抑制了脂肪細胞分化，同時PPARγ及一些線粒體蛋白表達減少。線粒體支撐著脂肪生成和脂肪細胞功能，而活化的FoxO1可以操控線粒體功能來調節(jié)脂質代謝。近期還發(fā)現(xiàn)抑制FoxO1活性導致脂質積累降低以及脂滴生產，隨之阻止了前脂肪細胞的分化。Liu等[19]研究發(fā)現(xiàn)存在一個FoxO1-自噬-FSP27(脂肪特異性蛋白27)軸調節(jié)脂滴生長、脂肪細胞的成熟及擴增。FSP27能夠促進脂滴的聚集和融合，使FSP27不表達可以防止大鼠因為過度進食而導致的肥胖。肥胖癥和T2DM患者肥胖的擴大與脂肪組織的自噬增強相關聯(lián)也得到了證實。靶向抑制脂肪組織自噬相關基因Atg5或Atg7可以減少脂肪細胞的大小，保護小鼠免受食物誘導而變得肥胖[20]；并且敲除Atg5基因可以抑制脂肪細胞的形成。抑制FoxO1活性則可以顯著的下調FSP27表達以及自噬標志beclin1的表達。所以說，F(xiàn)oxO1通過調節(jié)脂肪生成和脂肪細胞分化促進了肥胖癥的發(fā)生。

5 展 望

在T2DM的發(fā)生發(fā)展過程中，胰島素抵抗和肥胖是其發(fā)生的重要因素，胰島β細胞功能障礙是其發(fā)展的關鍵因素，并且這是個惡性循環(huán)。FoxO1是機體內重要的轉錄因子，同時是多種信號通路的交合點，在胰島素抵抗過程、β細胞功能障礙以及肥胖癥的發(fā)生中都發(fā)揮極其重要的作用。本研究闡述FoxO1對其發(fā)揮作用的具體調節(jié)機制將有助于完善T2DM的發(fā)生發(fā)展機制以及防治。FoxO1也許將成為治療T2DM的一個新靶點。

[1] Kim DH,Ringquist S,Dong HH.FoxO1[M].New York:Encyclopedia of Signaling Molecules,2012:657-662.

[2] Tikhanovich I,Cox J,Weinman SA.Forkhead box class O transcription factors in liver function and disease[J].J Gastroenterol Hepatol,2013,28(S1):125-131.

[3] Daitoku H,Sakamaki JI,Fukamizu A.Regulation of FoxO transcription factors by acetylation and protein-protein interactions[J].Biochim Biophys Acta,2011,1813(11):1954-1960.

[4] Huang H,Regan KM,Wang F,et al.Skp2 inhibits FOXO1 in tumor suppression through ubiquitin-mediated degradation[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2005,102(5): 1649-1654.

[5] Zhang XQ,Xu CF,Yu CH,et al.Role of endoplasmic reticulum stress in the pathogenesis of nonalcoholic fatty liver disease[J].World J Gastroenterol,2014,20(7):1768-1776.

[6] Kwon H,Pessin JE.Adipokines mediate inflammation and insulin resistance[J].Front Endocrinol,2013,4(4):1-13.

[7] Rached MT,Kode A,Silva BC,et al.FoxO1 expression in osteoblasts regulates glucose homeostasis through regulation of osteocalcin in mice[J].J Clin Invest,2010,120(1):357-368.

[8] Chen S,Villalta SA,Agrawal DK.FOXO1 mediates vitamin D deficiency-induced insulin resistance in skeletal muscle[J].J Bone Miner Res,2016,31(3):585-595.

[9] Talchai SC,Accili D.Legacy effect Of Foxo1 in pancreatic endocrine progenitors on adult β-cell mass and function[J].Diabetes,2015,64(8):2868-2879.

[10] Kobayashi M,Kikuchi O,Sasaki T,et al.FoxO1 as a double-edged sword in the pancreas:analysis of pancreas- and β-cell-specific FoxO1 knockout mice.[J].Am J Physiol Endocrinol Metab,2012,302(5):E603-613.

[11] Shao S,Nie M,Chen C,et al.Protective action of liraglutide in beta cells under lipotoxic stress via PI3K/Akt/FoxO1 pathway[J].J Cell Biochem,2014,115(6):1166-1175.

[12] Kluth O,Mirhashemi F,Scherneck S,et al.Dissociation of lipotoxicity and glucotoxicity in a mouse model of obesity associated diabetes:role of forkhead box O1 (FOXO1) in glucose-induced beta cell failure[J].Diabetologia,2011,54(3):605-616.

[13] Ardestani A,Paroni F,Azizi Z,et al.MST1 is a novel regulator of apoptosis in pancreatic beta-cells[J].Nat Med,2014,20(4):385-397.

[14] Eizirik DL,Miani M,Cardozo AK.Signalling danger:endoplasmic reticulum stress and the unfolded protein response in pancreatic islet inflammation[J].Diabetologia,2013,56(2):234-241.

[15] Martinez SC,Tanabe K,Cras-Méneur C,et al.Inhibition of Foxo1 protects pancreatic islet β-cells against fatty acid and endoplasmic reticulum stress-induced apoptosis[J].Diabetes,2008,57(4):846-859.

[16] Talchai C,Xuan S,Lin H,et al.Pancreatic β cell dedifferentiation as a mechanism of diabetic β cell failure[J].Cell,2012,150(6):1223-1234.

[17] Wang B,Ding W,Zhang M,et al.Role of FOXO1 in aldosterone-induced autophagy:A com- pensatory protective mechanism related to podocyte injury[J].Oncotarget,2016,7(29):45331-45351.

[18] Zou P,Liu L,Zheng L,et al.Targeting FoxO1 with AS1842856 suppresses adipogenesis[J].Cell Cycle,2014,13(23):3759-3767.

[19] Liu L,Zheng LD,Peng Z,et al.FoxO1 antagonist suppresses autophagy and lipid droplet growth in adipocytes[J].Cell Cycle,2016,2033-2041.

[20] Kim KH,Jeong YT,Oh H,et al.Autophagy deficiency leads to protection from obesity and insulin resistance by inducing Fgf21 as a mitokine[J].Nat Med,2013,19(1):83-92.

10.15972/j.cnki.43-1509/r.2017.03.023

2017-01-03；

2017-04-08

國家自然科學基金(81200590)；高等學校博士學科點專項科研基金(20124324120005).

*通訊作者，E-mail：shemhbb@163.com.

R587.1

A

蔣湘蓮)