FOXO1與早期妊娠的研究進(jìn)展

賈青青，郝曉瑩，郭慧慧，郭燁

(1.山西醫(yī)科大學(xué)，太原 030000； 2.山西醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院婦產(chǎn)科，太原 030000)

早期妊娠丟失占妊娠丟失的80%，發(fā)生機(jī)制尚不清楚，高危妊娠和高齡產(chǎn)婦是其明確的高危因素[1]。隨著二胎政策的開放，我國高危妊娠和高齡產(chǎn)婦的數(shù)量明顯增加[1]，因此，對早期妊娠丟失相關(guān)過程機(jī)制的研究有重要的臨床意義。卵泡發(fā)育是人類生命的起源，優(yōu)化卵泡及卵子質(zhì)量可以提高胚胎質(zhì)量[2]。此外，胚胎植入也是較重要的早期妊娠過程，胚泡發(fā)育必須與子宮內(nèi)膜蛻膜樣改變同步才能發(fā)生胚胎植入，進(jìn)而胚胎才能繼續(xù)發(fā)育，妊娠4～8周是胚胎發(fā)育的關(guān)鍵時期，三胚層分化形成許多器官系統(tǒng)的雛形，胚胎初具人形。FOXO1對胚胎發(fā)育的作用受到廣泛關(guān)注，有研究發(fā)現(xiàn)，小鼠胚胎叉頭框蛋白(forkhead box protein，F(xiàn)OX)O1的整體缺失可致胚胎死亡[3]。隨著研究的深入，F(xiàn)OXO1不僅通過氧化應(yīng)激誘發(fā)卵泡閉鎖[4]、調(diào)節(jié)顆粒細(xì)胞周期[5]以及凋亡[6-7]影響卵泡發(fā)育，還可作為子宮內(nèi)膜的蛻膜化的標(biāo)志[8-9]，影響胚胎植入[10-11]、囊胚滯育[12-13]、胚胎致畸[14-15]及致死[16]等。但是，目前FOXO1對早期妊娠過程的影響大多局限于動物實驗及體外實驗[3-16]，目前其在體內(nèi)的機(jī)制尚不清楚，但其有望成為篩查早期妊娠丟失的重要指標(biāo)?，F(xiàn)就FOXO1在早期妊娠相關(guān)過程中的研究進(jìn)展予以綜述，以期為FOXO1對人類早期妊娠影響的研究提供新的理論基礎(chǔ)。

1 FOXO1介紹

1.1FOXO1的結(jié)構(gòu)及功能 FOXO1首先在果蠅體內(nèi)發(fā)現(xiàn)[17]。FOXOs是一個特殊的DNA結(jié)合基序的翼螺旋結(jié)構(gòu)域，具有叉頭結(jié)構(gòu)域，可以識別TTGTTTAC核心DNA基序[18]。FOXOs有4個主要結(jié)構(gòu)域，具有結(jié)合DNA、核定位、核輸出以及反激活功能；并可識別Daf-16結(jié)合元件[5′-GTAAA(T/C)AA]和胰島素反應(yīng)元件[5′-(C/A)(A/C)AAA(C/T)AA]兩個反應(yīng)元件[17]，此外，核心DNA序列5′-(A/C)AA(C/T)A可被FOXOs所有成員識別[3]。

哺乳動物FOXOs基因包括FOXO1、FOXO3、FOXO4和FOXO6[19]。其中編碼FOXO1蛋白的FOXO1基因位于第13號染色體上[20]，F(xiàn)OXO1蛋白的特異性叉頭框結(jié)構(gòu)是調(diào)控FOXO1的主要區(qū)域，由4個螺旋(H1、H2、H3和H4)、2個翼狀環(huán)狀(W1、W2)和3個分子鏈(S1、S2、S3)組成，其中H3垂直于DNA軸，H3的特異性堿基與DNA識別元件(5-TAAGTCA-3)結(jié)合；此外，W1、S2和S3可協(xié)助H3穩(wěn)定蛋白質(zhì)-DNA復(fù)合物，并與DNA的磷酸主鏈建立連接[21]。晶體結(jié)構(gòu)研究表明，F(xiàn)OXO1結(jié)合兩個一致序列，包括Daf-16結(jié)合元件和胰島素反應(yīng)序列[5′-(C/A)(A/C)AAA(C/T)AA][22]。FOXO1可通過復(fù)雜位點與下游DNA之間的相互作用來調(diào)節(jié)FOXO1的轉(zhuǎn)錄活性。

FOXOs的轉(zhuǎn)錄活性可調(diào)控多個組織中的許多細(xì)胞過程，包括分化、代謝、增殖、自噬、凋亡及應(yīng)激抵抗[23]。FOXO1的多種生物學(xué)功能取決于其靶因子[24]。既往研究表明，核激活的FOXO1控制下游基因的表達(dá)，如代謝和免疫調(diào)節(jié)基因[25-26]、抗氧化應(yīng)激酶[27]、阻滯細(xì)胞周期基因[28]、自噬和凋亡有關(guān)基因[29-30]。不同靶點的表達(dá)與FOXO1的活性一致，直接或間接觸發(fā)多種生理和病理改變。此外，多種上游因子影響FOXO1的翻譯或與FOXO1蛋白連接構(gòu)成信號通路，在許多關(guān)鍵的生物過程中調(diào)控FOXO1的轉(zhuǎn)錄活性[24]。

1.2FOXO1活性調(diào)節(jié) FOXO1調(diào)控的具體機(jī)制尚未完全確定。既往研究表明，F(xiàn)OXO1的活性與其轉(zhuǎn)錄后修飾、亞細(xì)胞定位、核質(zhì)穿梭密切相關(guān)[24]。FOXO1轉(zhuǎn)錄活性的調(diào)節(jié)大部分依靠復(fù)雜的翻譯后修飾，且普遍認(rèn)為的翻譯后修飾包括磷酸化、泛素化和乙?；?，其中磷酸化較重要，這些修飾可呈激活或失活狀態(tài)，通過上述4個功能域來改變特定目標(biāo)的活性。

FOXO1主要定位于細(xì)胞核，F(xiàn)OXO1是絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)的下游靶點[14]，并受磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase,PI3K)/Akt信號通路的負(fù)調(diào)控，當(dāng)PI3K/Akt被激活時，Akt使FOXO1在細(xì)胞核的蘇氨酸24、絲氨酸256和絲氨酸319發(fā)生磷酸化，磷酸化的FOXO1從細(xì)胞核轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)，在細(xì)胞質(zhì)中FOXO1被泛素化并降解，其轉(zhuǎn)錄活性受到抑制[31]。

2 FOXO1與早期妊娠

2.1FOXO1與卵泡發(fā)育 卵泡由卵母細(xì)胞、顆粒細(xì)胞及卵泡膜細(xì)胞組成。卵泡發(fā)育成熟且成功排卵以及黃體功能正常對于成功妊娠以及早期妊娠的維持至關(guān)重要。

2.1.1FOXO1對卵母細(xì)胞以及卵泡發(fā)育的影響 近年來，關(guān)于FOXO1對卵泡發(fā)育影響的研究大多為動物實驗及體外實驗，F(xiàn)OXO1是氧化應(yīng)激誘發(fā)卵泡閉鎖的關(guān)鍵性調(diào)控因子，在卵泡發(fā)育中起重要作用[4]。韓琦等[32]研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)OXO1在綿羊卵泡顆粒細(xì)胞層表達(dá)，且大卵泡表達(dá)量明顯低于小卵泡和中卵泡。而FOXO1的高表達(dá)會抑制卵母細(xì)胞的成熟及卵泡發(fā)育，有研究發(fā)現(xiàn)，小鼠卵巢顆粒細(xì)胞中FOXO1的高表達(dá)可抑制黃體生成素激增前的卵母細(xì)胞成熟，F(xiàn)OXO1通過介導(dǎo)組蛋白去乙?；?[33]與雙調(diào)蛋白啟動子結(jié)合[34]，抑制卵母細(xì)胞的成熟。此外，有研究顯示，不孕癥患者卵巢顆粒細(xì)胞中FOXO1表達(dá)升高與促性腺激素反應(yīng)不良有關(guān)，而FOXO3表達(dá)降低與檢索到的卵母細(xì)胞數(shù)量少有關(guān)，表明人顆粒細(xì)胞中FOXO1的高表達(dá)以及FOXO3的低表達(dá)不利于卵泡的成熟及發(fā)育[35]。

部分研究顯示，F(xiàn)OXO1的高表達(dá)會促進(jìn)卵泡發(fā)育、緩解卵泡衰竭，F(xiàn)OXO1低表達(dá)會導(dǎo)致卵泡發(fā)育異常[36-38]。Ding等[36]通過小鼠卵巢膠原/人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞體外共培養(yǎng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，膠原支架上的人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞可通過磷酸化FOXO3a和FOXO1激活原始卵泡，使卵巢的整體功能恢復(fù)，雌二醇水平升高，改善卵泡發(fā)育，使竇卵泡數(shù)量增加。Masciangelo等[37]研究發(fā)現(xiàn)，人移植卵巢組織的Akt/FOXO1通路顯著上調(diào)，卵泡衰竭現(xiàn)象緩解，表明FOXO1的表達(dá)升高有助于緩解卵泡衰竭。此外，F(xiàn)OXO1表達(dá)降低會導(dǎo)致卵泡發(fā)育異常，Liu等[38]發(fā)現(xiàn)，正常小鼠卵泡在高雄狀態(tài)下發(fā)育異常，與FOXO1信使RNA表達(dá)顯著降低有關(guān)。由此可見，F(xiàn)OXO1對于卵泡成熟以及發(fā)育具有重要作用，但目前其機(jī)制研究尚不清楚，有待進(jìn)一步研究。

2.1.2FOXO1對顆粒細(xì)胞的影響 在哺乳動物卵巢中，卵泡血管化局限于卵泡膜細(xì)胞層，而顆粒細(xì)胞和卵母細(xì)胞在無血管的低氧環(huán)境中發(fā)育，低氧導(dǎo)致G0/G1期細(xì)胞周期阻滯和G1/S期過渡期阻滯[39]。FOXO1參與了顆粒細(xì)胞周期的調(diào)節(jié)。Li等[5]對豬顆粒細(xì)胞在缺氧條件下細(xì)胞周期調(diào)控機(jī)制的研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)OXO1參與了顆粒細(xì)胞周期的不同信號通路的調(diào)節(jié)，一方面，在模擬缺氧條件下，氯化鈷通過缺氧誘導(dǎo)因子-1/FOXO1/細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑1B途徑阻止細(xì)胞周期G1期向S期的進(jìn)展；另一方面，胰島素樣生長因子-1通過激活PI3K/Akt/FOXO1/細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑1B軸，保持低氧狀態(tài)下顆粒細(xì)胞的周期進(jìn)程，恢復(fù)顆粒細(xì)胞周期G1/S過渡，表明低氧環(huán)境下FOXO1可通過不同通路阻滯或促進(jìn)顆粒細(xì)胞周期，兩條通路之間保持動態(tài)平衡，進(jìn)而調(diào)節(jié)顆粒細(xì)胞周期。

除參與顆粒細(xì)胞的周期調(diào)節(jié)外，F(xiàn)OXO1還參與了顆粒細(xì)胞凋亡以及顆粒細(xì)胞向黃體細(xì)胞轉(zhuǎn)化的過程。Liu等[6]研究發(fā)現(xiàn)，重度缺氧條件下，豬顆粒細(xì)胞中c-Jun氨基端激酶激活增強(qiáng)，F(xiàn)OXO1核積累增加，表明重度缺氧條件下c-Jun氨基端激酶/FOXO1軸誘導(dǎo)了豬顆粒細(xì)胞的凋亡，可見FOXO1的高表達(dá)促進(jìn)了顆粒細(xì)胞的凋亡。Zhou等[7]研究發(fā)現(xiàn)，雞卵巢顆粒細(xì)胞中FoxO1表達(dá)上調(diào)，介導(dǎo)胞外信號調(diào)節(jié)激酶/c-Jun氨基端激酶表達(dá)下調(diào)，使顆粒細(xì)胞發(fā)生凋亡。Weng等[40]研究發(fā)現(xiàn)，在氧化應(yīng)激條件下，小鼠顆粒細(xì)胞中14-3-3蛋白與FOXO1解離，F(xiàn)OXO1表達(dá)上調(diào)，表明c-Jun氨基端激酶/FOXO1參與了顆粒細(xì)胞中氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡的調(diào)控。劉春潔等[41]進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，綿羊顆粒細(xì)胞中FOXO1的低表達(dá)可以抑制顆粒細(xì)胞凋亡，促進(jìn)顆粒細(xì)胞增殖，卵泡刺激素可以使顆粒細(xì)胞中Akt的磷酸化水平顯著升高，而FOXO1的磷酸化水平顯著降低，表明卵泡刺激素通過Akt/FOXO1信號通路促進(jìn)綿羊顆粒細(xì)胞的生長及增殖，證實FOXO1可以調(diào)節(jié)顆粒細(xì)胞的凋亡。此外，F(xiàn)OXO1還參與了顆粒細(xì)胞向黃體細(xì)胞的轉(zhuǎn)化過程，Tungmahasuk等[42]對大鼠卵巢組織的研究發(fā)現(xiàn)，黃體生成素可以抑制FOXO1的表達(dá)，而FOXO1是顆粒細(xì)胞中卵泡刺激素活性降低的轉(zhuǎn)錄因子，表明FOXO1可能參與了顆粒細(xì)胞向黃體細(xì)胞的轉(zhuǎn)化過程。

FOXO1可通過多種信號通路參與卵母細(xì)胞成熟、改善卵泡發(fā)育、調(diào)控顆粒細(xì)胞生長周期及其黃體化和氧化應(yīng)激等卵泡發(fā)育過程，但其能否作為監(jiān)測卵泡發(fā)育的重要指標(biāo)仍有待進(jìn)一步研究。FOXO1對于卵泡發(fā)育過程至關(guān)重要，可為優(yōu)化臨床輔助生殖技術(shù)中的卵泡發(fā)育提供新的治療思路。

2.2FOXO1與子宮內(nèi)膜蛻膜化及胚胎植入

2.2.1FOXO1與子宮內(nèi)膜蛻膜化 FOXO1被認(rèn)為是人子宮內(nèi)膜基質(zhì)細(xì)胞(human endometrial stromal cells，HESCs)分化的蛻膜化標(biāo)記，F(xiàn)OXO1啟動子的順式調(diào)控進(jìn)化是蛻膜基質(zhì)細(xì)胞進(jìn)化的重要步驟[43]。FOXO1是蛻膜基質(zhì)細(xì)胞進(jìn)化過程中重要的轉(zhuǎn)錄因子，可能通過下調(diào)Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子1調(diào)節(jié)HESCs增殖分化作用[8]。Zhang等[9]對端粒細(xì)胞影響小鼠子宮內(nèi)膜的研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)OXO1與孕激素受體或CCAAT/增強(qiáng)子結(jié)合蛋白相互作用在調(diào)控蛋白的分化和蛻膜化發(fā)揮重要作用，F(xiàn)OXO1受到上游β聯(lián)蛋白激活的控制而發(fā)揮生物學(xué)功能。Li等[44]對酒精影響妊娠早期HESCs蛻膜化過程的研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)OXO1可以上調(diào)乙醇脫氫酶和乙醛脫氫酶，利于基質(zhì)細(xì)胞抵抗酒精誘導(dǎo)的損傷。由此可見，F(xiàn)OXO1在子宮內(nèi)膜蛻膜化過程中起重要作用，并有助于維持應(yīng)激狀態(tài)下妊娠早期HESCs的正常蛻膜化。

在多囊卵巢綜合征的不孕機(jī)制中，F(xiàn)OXO1不僅影響卵巢顆粒細(xì)胞的周期以及凋亡，還影響子宮內(nèi)膜功能。Ujvari等[45]對多囊卵巢綜合征患者子宮蛻膜的研究發(fā)現(xiàn)，高胰島素血癥導(dǎo)致大量FOXO1控制基因失調(diào)，F(xiàn)OXO1可能參與了子宮內(nèi)膜功能障礙和生育失敗。Kohan等[46]研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)OXO1磷酸化水平的增高改變了合并高胰島素血癥多囊卵巢綜合征患者的子宮內(nèi)膜功能，F(xiàn)OXO1磷酸化增多可能通過降低葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白水平抑制過氧化物酶體增殖物激活受體γ的轉(zhuǎn)錄，進(jìn)而影響子宮內(nèi)膜的功能，最終導(dǎo)致不孕的發(fā)生。此外，Su等[47]對子宮內(nèi)膜異位癥患者子宮內(nèi)膜蛻膜的研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)OXO1作為Notch信號通路的下游靶點，參與了子宮內(nèi)膜蛻膜化過程。

2.2.2FOXO1與胚胎植入 FOXO1在整個妊娠著床期的小鼠子宮內(nèi)膜中均有表達(dá)，且在子宮內(nèi)膜管腔和腺上皮中顯著表達(dá)，隨著妊娠進(jìn)展，F(xiàn)OXO1在植入部位管腔上皮細(xì)胞核中的表達(dá)增強(qiáng)，其在細(xì)胞核中的表達(dá)受囊胚活化狀態(tài)及子宮內(nèi)膜著床敏感性的影響[48]。FOXO1是體內(nèi)子宮內(nèi)膜容受性的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，敲除孕激素受體小鼠模型FOXO1后，子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞極性改變，且出現(xiàn)細(xì)胞凋亡，胚胎穿透管腔上皮受阻，導(dǎo)致不孕，同時參與細(xì)胞侵襲、分子轉(zhuǎn)運(yùn)、細(xì)胞凋亡、β聯(lián)蛋白(CTNNB1基因)等信號通路的轉(zhuǎn)錄基因的表達(dá)發(fā)生改變，表明FOXO1和孕激素受體信號在胚胎植入過程中相互關(guān)聯(lián)[10]。Tamaru等[11]發(fā)現(xiàn)，肝素可以誘導(dǎo)FOXO1核積累及其下游靶點活性氧類清除劑超氧化物歧化酶2的表達(dá)，并可增強(qiáng)HESCs氧化應(yīng)激的防御能力，從而改善胚胎植入，此觀點與Li等[44]的研究結(jié)果一致。Zhang等[49]研究發(fā)現(xiàn)，Krüppel樣因子12可直接與FOXO1啟動子區(qū)結(jié)合，使子宮內(nèi)膜基質(zhì)細(xì)胞中Krüppel樣因子12的表達(dá)降低，導(dǎo)致小鼠早孕子宮模型的植入和蛻膜細(xì)胞缺陷?？梢姡現(xiàn)OXO1有望成為評估子宮內(nèi)膜蛻膜化及胚胎植入的重要指標(biāo)，它可通過不同途徑調(diào)節(jié)子宮內(nèi)膜蛻膜化、內(nèi)膜容受性以及胚胎植入過程，其在人體母胎界面的作用有待進(jìn)一步明確。

2.3FOXO1與胚胎發(fā)育 FOXO1和FOXO3主要在雌性爪蟾的早期胚胎時期表達(dá)[50]。FOXO1是早期胚胎發(fā)育所必需的，可以誘導(dǎo)囊胚滯育。Fenelon等[12]發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)OXO1作為一種細(xì)胞周期阻滯因子，可誘導(dǎo)袋鼠囊胚滯育，此外，Michalovic等[13]發(fā)現(xiàn)，牛的卵巢顆粒細(xì)胞中FOXO1信使RNA的水平與卵母細(xì)胞支持胚胎發(fā)育至囊胚期的能力有關(guān)。隨后，Kuscu等[51]通過敲低小鼠囊胚的FOXO1、FOXO3和FOXO4證實，F(xiàn)OXOs是胚胎發(fā)育過程必需的物質(zhì)，且FOXOs轉(zhuǎn)錄因子參與早期胚胎停滯的機(jī)制可能與氧化應(yīng)激水平升高、細(xì)胞周期阻滯和凋亡有關(guān)，上述研究均表明FOXO1參與了囊胚滯育的發(fā)生過程。

此外，F(xiàn)OXO1缺失還可導(dǎo)致早期胚胎的畸形和死亡。有研究發(fā)現(xiàn)，缺失FOXO1小鼠胚胎在第10.5天因多發(fā)性心血管畸形死亡；進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，小鼠胚胎的死亡可能與FOXO1調(diào)控血管細(xì)胞黏附分子-1基因表達(dá)有關(guān)，F(xiàn)OXO1-血管細(xì)胞黏附分子-1通路對小鼠胚胎細(xì)胞存活以及小鼠心血管發(fā)育至關(guān)重要[16]。Veeriah等[14]發(fā)現(xiàn)，鎘通過一氧化氮-環(huán)鳥苷酸信號通路下調(diào)FOXO1表達(dá)，導(dǎo)致早期雞胚胎發(fā)育畸形。García-Sanz等[15]發(fā)現(xiàn)，Aristaless-like同源框3通過激活FOXO1刺激氧化應(yīng)激清除基因的表達(dá)，參與對抗糖尿病小鼠早期妊娠胚胎發(fā)育畸形的過程。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在人胚胎干細(xì)胞中，哺乳動物雷帕霉素靶蛋白通過Akt-FOXO1信號通路對胰島素樣生長因子結(jié)合蛋白1和泌乳素等蛻膜標(biāo)記基因的誘導(dǎo)至關(guān)重要，且FOXO1與分別調(diào)控胰島素樣生長因子結(jié)合蛋白1和泌乳素表達(dá)的同源框基因A10及同源框基因A11結(jié)合，表明FOXO1可作為控制蛻膜基因表達(dá)的核心轉(zhuǎn)錄因子，調(diào)節(jié)人胚胎干細(xì)胞去細(xì)胞化過程[52]。由此可見，F(xiàn)OXO1在早期胚胎發(fā)育中具有重要作用，參與了囊胚滯育、致死及致畸過程，但目前其機(jī)制尚不清楚，其對人類早期胚胎的影響仍有待進(jìn)一步研究。

3 小 結(jié)

早期妊娠的機(jī)制復(fù)雜，F(xiàn)OXO1可能通過多條通路發(fā)揮多種生物學(xué)功能，不僅影響了卵泡發(fā)育、子宮內(nèi)膜蛻膜化，還影響了胚胎植入及早期胚胎發(fā)育。目前FOXO1的相關(guān)研究大多處于動物模型或體外實驗階段，其未來有望成為監(jiān)測早期妊娠過程是否發(fā)生異常的重要指標(biāo)，但目前其在人體早期妊娠過程中的研究目前尚未展開，且其在妊娠相關(guān)疾病中的機(jī)制仍未能完全闡明。深入研究FOXO1將為不孕癥、早期妊娠丟失、復(fù)發(fā)性流產(chǎn)、稽留流產(chǎn)等相關(guān)疾病的治療提供新的方向。