轉(zhuǎn)錄因子FoxO1在糖脂代謝及肥胖癥中的研究進展

耿麗莎，何軍華

(山西醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院內(nèi)分泌科，太原 030001)

近年來，隨著社會經(jīng)濟高速發(fā)展及人們生活方式的改變，高血糖、高血壓、高脂血癥、肥胖癥、代謝綜合征等慢性代謝性疾病的發(fā)病率逐年升高，且呈年輕化趨勢。慢性代謝性疾病是心腦血管等疾病的病理基礎(chǔ)，心腦血管等疾病又將導(dǎo)致死亡率增加，嚴重威脅人類身體健康。因此，盡早識別并干預(yù)這類疾病至關(guān)重要。代謝性疾病的發(fā)生在一定程度上與細胞的增殖、凋亡、自噬、氧化應(yīng)激密切相關(guān)[1]。轉(zhuǎn)錄因子作為控制基因表達的一類蛋白質(zhì)分子，能夠通過控制調(diào)節(jié)靶基因的表達對機體細胞的增殖、分化、代謝、凋亡產(chǎn)生影響。叉頭框轉(zhuǎn)錄因子O1(forkhead box O1，F(xiàn)oxO1)作為人體重要的轉(zhuǎn)錄因子，可通過轉(zhuǎn)錄、翻譯、編碼對細胞的新陳代謝產(chǎn)生影響[2]。FoxO1活性的高低受靶基因表達水平、轉(zhuǎn)錄后修飾、蛋白質(zhì)的穩(wěn)定及相互作用等影響，其中，轉(zhuǎn)錄后的各種修飾對FoxO1活性的影響最大。研究表明，多種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑可調(diào)節(jié)高糖、高脂等應(yīng)激條件下FoxO1活性，隨后的轉(zhuǎn)錄后修飾(包括磷酸化、泛素化、乙酰化、甲基化)可激活或抑制FoxO1活性[3]。而長期的FoxO1活性失衡可導(dǎo)致高血糖或高血壓、高脂血形成，是造成慢性代謝性疾病發(fā)生的根本原因之一[4]。現(xiàn)就FoxO1的組織學(xué)特征與活性調(diào)控及其與糖尿病、高脂血癥、肥胖等代謝性疾病的關(guān)系予以綜述。

1 FoxO1概述

1.1FoxO1轉(zhuǎn)錄因子組織學(xué)特征 Fox家族于1989年被首次提出，是與DNA結(jié)合的保守結(jié)構(gòu)域，其中“O”亞群包括4個成員：FoxO1、FoxO3、FoxO4及FoxO6[5]，F(xiàn)oxO1基因位點為第13號染色體，編碼655個氨基酸，翻譯成FoxO1蛋白，其蛋白包含核定位信號域、核輸出信號、反激活域和叉頭域4個功能域，其中叉頭域是主要的功能域[6]。該轉(zhuǎn)錄因子普遍存在于無脊椎動物及哺乳動物中，廣泛表達于心、肝、腦、肺、腎、胰腺、骨骼肌、脂肪、胎盤等器官組織[7]，主要通過蛋白質(zhì)間相互作用及磷酸化、乙酰化、泛素化、甲基化[8]等多種修飾方法調(diào)節(jié)亞細胞定位，從而調(diào)控下游分子通路，在機體細胞增殖、凋亡、分化等方面有重要作用，但具體機制有待進一步研究。

1.2FoxO1轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄活性 FoxO1轉(zhuǎn)錄因子的生物學(xué)活性主要由乙?；?、磷酸化、泛素化3種方式修飾調(diào)節(jié)[8-9]。乙?；饕l(fā)生在3個賴氨酸殘基上(Lys242、Lys245和Lys262)，并由組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶促進，導(dǎo)致與DNA結(jié)合活性降低，同時增強FoxO1的磷酸化，從而降低FoxO1下游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。相反，F(xiàn)oxO1去乙?；梢源龠MFoxO1的轉(zhuǎn)錄和加速FoxO1降解，促進FoxO1入核，增強FoxO1活性[9]。此外，胰島素與胰島素受體結(jié)合激活酪氨酸蛋白酶活性，胰島素底物受體磷酸化，將信號轉(zhuǎn)導(dǎo)至蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)，通過激活A(yù)kt上的3個磷酸化位點[分別位于絲氨酸殘基(Ser153、Ser276)和蘇氨酸殘基(Thr182)]使FoxO1磷酸化，降低與DNA的親和力，增強與14-3-3蛋白的結(jié)合力，促進FoxO1由細胞核轉(zhuǎn)移至細胞質(zhì)，從而下調(diào)FoxO1的核轉(zhuǎn)錄活性，阻斷胰島素/胰島素樣生長因子1(insulin-like growth factor-1，IGF-1)通路，促進胰島細胞增殖[10]。

2 FoxO1與糖尿病

糖尿病是由于胰島素分泌和(或)作用缺陷引起，以血糖升高為主的代謝性疾病，嚴重危害人類健康，其主要的發(fā)病機制是胰島β細胞功能受損及胰島素抵抗[11]。FoxO1作為胰島素/IGF-1信號通路中最重要的轉(zhuǎn)錄效應(yīng)因子，是磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K)/Akt的直接下游因子，在β細胞的增殖、凋亡、去分化及胰島素抵抗中發(fā)揮重要作用[9-10]。

2.1FoxO1參與胰島β細胞凋亡 糖脂毒性及氧化應(yīng)激是導(dǎo)致胰島β細胞凋亡的重要因素。FoxO1是調(diào)節(jié)胰島β細胞增殖、凋亡重要的轉(zhuǎn)錄因子，廣泛分布于糖脂代謝的重要器官，如胰島、肝臟、肌肉、脂肪等。研究發(fā)現(xiàn)，2型糖尿病患者胰島中FoxO1的信使mRNA含量明顯高于非2型糖尿病患者，F(xiàn)oxO1表達增加可能會加速胰島β細胞衰竭[12]。另有研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)oxO1過表達可激活活性氧類產(chǎn)生進而誘導(dǎo)線粒體功能障礙，導(dǎo)致細胞凋亡，給予維生素D干預(yù)后出現(xiàn)FoxO1基因“沉默”現(xiàn)象，該現(xiàn)象可使β細胞凋亡率降低，表明FoxO1是參與β細胞凋亡的重要轉(zhuǎn)錄因子[13]。Ding等[14]研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)oxO1可通過炎癥、氧化應(yīng)激作用參與β細胞凋亡。研究顯示，胰高血糖素樣肽-1作為新型降糖手段，其機制與FoxO1相關(guān)，可改善2型糖尿病患者的胰島β細胞功能，抑制其凋亡[15]。Shao等[16]研究發(fā)現(xiàn)長效的胰高血糖素樣肽-1受體激動劑利拉魯肽可通過PI3K/Akt/FoxO1途徑抑制FoxO1活性，下調(diào)促凋亡因子表達以及上調(diào)成熟β細胞標志物的表達，進而減少β細胞凋亡并改善β細胞增殖。另外，在2型糖尿病小鼠模型中，miR-96過表達可促進胰島β細胞的增殖能力并抑制其凋亡，這一過程是通過靶向Foxo1實現(xiàn)的[17]。由此可見，F(xiàn)oxO1作為胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中至關(guān)重要的轉(zhuǎn)錄因子，對胰島β細胞主要起負性調(diào)節(jié)作用，降低FoxO1可抑制胰島β細胞凋亡，改善β細胞功能。

2.2FoxO1參與胰島β細胞去分化 胰島β細胞去分化是指正常β細胞基因表達和結(jié)構(gòu)功能蛋白發(fā)生了變化，β細胞失去了成熟細胞的表型特征，去分化為內(nèi)分泌祖細胞，去分化的胰島β細胞在一定條件下再分化為成熟β細胞，合成和分泌有效降糖的胰島素。一項尸檢研究發(fā)現(xiàn)，2型糖尿病患者胰島β細胞數(shù)量減少，但對比胰腺功能減退程度，細胞凋亡不是β細胞功能障礙的唯一機制[18]。人胚胎胰腺祖細胞在胰十二指腸同源框因子-1和神經(jīng)元素3等轉(zhuǎn)錄因子誘導(dǎo)下形成前α細胞，繼而分別分化為成熟的α和β細胞并維持自身特性，在糖脂毒性、慢性炎癥等代謝應(yīng)激下這些轉(zhuǎn)錄因子活性降低，最終導(dǎo)致β細胞功能喪失[19]。近年來FoxO1作為中間樞紐，將糖代謝障礙與胰島β細胞去分化聯(lián)系起來。Talchai等[20]用譜系追蹤法敲除FoxO1衰老的雄性小鼠和多胎雌性小鼠，發(fā)現(xiàn)β細胞并未死亡，其特異性β細胞標志物胰十二指腸同源框因子-1、NK6同源框蛋白1等表達下降,而神經(jīng)元素3、八聚體結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子4、胚胎干細胞蛋白等內(nèi)分泌祖細胞標志物表達升高，β細胞發(fā)生去分化，且這些去分化的β細胞具有向α、β、δ細胞多向分化的能力。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)oxO1缺失的β細胞在代謝應(yīng)激的作用下同樣會出現(xiàn)嗜鉻粒蛋白、神經(jīng)元素3、八聚體結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子4、胚胎干細胞蛋白及肺癌相關(guān)蛋白抗體等內(nèi)分泌祖細胞和骨髓間充質(zhì)細胞標志物明顯增多，胰十二指腸同源框因子-1、肌腱膜纖維肉瘤癌基因同系物A、NK6同源框蛋白1等成熟細胞特異性標志物表達明顯降低[21]。從以上結(jié)論中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)oxO1是阻止β細胞發(fā)生去分化的重要因子。此外，在突變小鼠中FoxO1還可以通過影響β細胞的能量代謝而引起去分化，一些影響物質(zhì)代謝的因子可以降低脂質(zhì)利用率，增加碳水化合物反應(yīng)元件結(jié)合蛋白，促進葡萄糖氧化[22]。另外，在2型糖尿病患者中同樣發(fā)現(xiàn)了胰島β細胞去分化現(xiàn)象,并在去分化的β細胞中發(fā)現(xiàn)引起FoxO1 mRNA水平和磷酸化FoxO1蛋白表達明顯降低，提示β細胞去分化可能與高糖環(huán)境抑制FoxO1磷酸化水平有關(guān)[23]。有研究發(fā)現(xiàn)，給予2型糖尿病初期患者注射胰島素可恢復(fù)部分胰島功能[24]。因此，胰島β細胞去分化的主要原因可能是在高糖環(huán)境下胰島β細胞的應(yīng)激反應(yīng)。研究β細胞去分化的機制進而減弱或消除高糖應(yīng)力下胰島β細胞去分化，可為糖尿病的治療提供新思路，其中，F(xiàn)oxO1轉(zhuǎn)錄因子在去分化過程中扮演重要角色，靶向FoxO1轉(zhuǎn)錄因子將會成為治療2型糖尿病的關(guān)鍵。

2.3FoxO1參與胰島素抵抗 胰島素抵抗的特征是肥胖癥和2型糖尿病患者外周組織對胰島素敏感性降低，導(dǎo)致葡萄糖利用減少，且糖異生及糖原分解增強。為了克服胰島素抵抗，β細胞會代償性合成和分泌大量胰島素，維持血糖平穩(wěn)，其中FoxO1是關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子[25]。長期禁食狀態(tài)下，肝糖異生是維持血糖穩(wěn)態(tài)的重要途徑，也是空腹血糖升高的主要因素[26]。磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(phosphoenolpyruvate carboxykinase,PEPCK)、葡萄糖-6-磷酸激酶(glucose-6-phosphatase,G6Pase)是肝臟糖異生的關(guān)鍵酶，研究證實，F(xiàn)oxO1與糖異生密切相關(guān)，并可改善胰島素抵抗，其中轉(zhuǎn)化生長因子-β1/Smad3信號可激活蛋白磷酸酶2A活性，進而通過AMP活化蛋白激酶和FoxO1蛋白的去磷酸化，促進FoxO1核易位，PEPCK、G6Pase等糖異生相關(guān)基因表達上調(diào)，促進肝細胞中葡萄糖的產(chǎn)生。相反，轉(zhuǎn)化生長因子-β1/Smad3信號可以維持FoxO1的磷酸化形式，抑制糖異生并增強胰島素敏感性[27]。此外，胰高血糖素與胰高血糖素受體(一種G蛋白偶聯(lián)受體)結(jié)合，激活腺苷酸環(huán)化酶/蛋白激酶A通路，蛋白激酶A通過調(diào)節(jié)糖原磷酸化酶、G6Pase和PEPCK升高血糖[28]。有研究分別給予肝特異性FoxO1基因敲除小鼠(L-F1KO)和對照組小鼠注射胰高血糖素，結(jié)果顯示，L-F1KO小鼠的血糖升高水平較對照組明顯降低,表明肝FoxO1在血糖的動態(tài)平衡及胰島素抵抗中起重要作用，其作用機制可能與敲除FoxO1基因，進而抑制G6Pase、PEPCK活性，導(dǎo)致糖異生作用減弱有關(guān)[29]。

3 FoxO1與脂質(zhì)代謝

不健康的生活習慣同樣會造成脂質(zhì)代謝異常，脂代謝紊亂與糖代謝紊亂相互作用，擾亂人體基礎(chǔ)代謝，會引發(fā)高脂血癥及脂質(zhì)代謝相關(guān)疾病，是心肌梗死、腦梗死的重要危險因素。過氧化物酶體增殖物激活受體α(peroxisome proliferator activates receptor α，PPARα)和CCAAT/增強子結(jié)合蛋白α(CCAAT /enhancer-binding proteins α，C/EBP-α)被認為是脂肪形成的兩個轉(zhuǎn)錄因子。黃酮類植物可通過抑制PI3K/Akt/FoxO1通路降低PPARγ和C/EBP-α基因的表達，抑制脂肪形成[30]。Zhang等[31]在非酒精性脂肪性肝病小鼠模型中發(fā)現(xiàn)肝臟沉默信息調(diào)節(jié)因子1通過PPARα/FoxO1信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑調(diào)節(jié)三酰甘油的合成，應(yīng)用FoxO1抑制劑(AS1842856)可抑制三酰甘油的合成，進一步抑制非酒精性脂肪性肝病。沉默信息調(diào)節(jié)因子1是FoxO1信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的上游效應(yīng)分子，是脂質(zhì)代謝途徑中最重要的基因。在慢性應(yīng)激作用下，糖皮質(zhì)激素可通過激活FoxO1，增加肝臟內(nèi)游離脂肪酸轉(zhuǎn)運及合成，促進小鼠肝臟脂質(zhì)沉積，應(yīng)用FoxO1活性抑制劑可顯著降低應(yīng)激狀態(tài)下小鼠的脂質(zhì)沉積[32]。此外，在36型腺病毒感染的肥胖大鼠模型中，PI3K/Akt/FoxO1/PPARγ信號通路的激活可促進脂肪酸和三酰甘油的合成，但在應(yīng)用PI3K抑制劑后磷酸化Akt、磷酸化FoxO1和PPARγ2的表達降低，從而抑制脂質(zhì)形成[33]。綜上所述，F(xiàn)oxO1可通過降低PPAR-γ和(或)C/EBP-α基因表達水平而抑制脂肪形成，調(diào)控FoxO1或其上下游靶基因可顯著改善脂質(zhì)代謝紊亂。

4 FoxO1與肥胖癥

肥胖癥的主要特征是患者體內(nèi)脂肪(尤其是三酰甘油)積聚過多，體重超重。肥胖癥是由遺傳因素、環(huán)境因素、腸道菌群失調(diào)、炎癥、內(nèi)分泌調(diào)節(jié)異常等多種原因相互作用引起的一種慢性代謝性疾病。肥胖癥是引起高血壓、高血脂的重要因素，世界范圍內(nèi)發(fā)病率升高速度最快，以腹型肥胖最為多見。近年來有實驗表明，F(xiàn)oxO1轉(zhuǎn)錄因子與肥胖癥的發(fā)生密切相關(guān)，該轉(zhuǎn)錄因子可通過自噬過程調(diào)節(jié)脂肪形成[34]。人體脂肪分為白色脂肪(儲存熱量)和棕色脂肪(分解白色脂肪)，阻斷FoxO1可抑制白色脂肪的產(chǎn)生，同時還會增加棕色脂肪生成。與非肥胖的肝癌患者和健康人相比，肥胖的肝癌患者miR-27a水平顯著升高，脂肪組織分泌的miR-27a可通過下調(diào)FoxO1 mRNA及蛋白表達而促進肝癌細胞增殖[35]，因此，肥胖患者中FoxO1 mRNA及蛋白表達水平與非肥胖的肝癌患者和健康人相比顯著降低。Pang等[36]將肥胖豬和瘦豬進行FoxO1品種比較，結(jié)果顯示，肥胖豬的皮下脂肪組織中FoxO1 mRNA和蛋白含量低于瘦豬，提示肥胖體質(zhì)的人或動物FoxO1含量較低。另外，肥胖可上調(diào)脂肪組織的自噬功能，該功能的實施是通過FoxO1-自噬-脂肪特異性蛋白27發(fā)揮作用，促進脂肪形成，應(yīng)用FoxO1抑制劑及自噬抑制劑均能減弱白色脂肪自噬活性和特異蛋白27的表達，表明抑制FoxO1可增加肥胖癥的發(fā)生率，而高表達的FoxO1則可改善肥胖癥進展[37]。因此，靶向FoxO1有望抑制肥胖癥進展，但具體機制還需進一步探索。

5 展 望

在糖尿病、肥胖癥、高脂血癥等代謝性疾病進展過程中，F(xiàn)oxO1作為多種信號通路的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，對治療代謝性疾病至關(guān)重要。改善此類疾病與FoxO1轉(zhuǎn)錄因子的磷酸化、乙?；⒎核鼗郊吧舷掠伟谢虻恼{(diào)控密切相關(guān)。以FoxO1為靶點，可減少胰島β細胞凋亡、減弱高糖應(yīng)激下胰島β細胞去分化，進而改善胰島β細胞功能。同時，也可抑制肝糖異生的關(guān)鍵酶改善胰島素抵抗、糾正脂代謝紊亂以及干預(yù)肥胖癥。但關(guān)于轉(zhuǎn)錄因子FoxO1與糖脂代謝及肥胖癥的具體機制研究仍處于初級階段，仍需要進行深入研究，期望能在疾病前期或早期找到個體化預(yù)防或治療方案，為糖脂代謝紊亂及肥胖癥的發(fā)生提供新的研究方向。