FoxO3調(diào)控線粒體功能的研究進(jìn)展

蔣薇 姚松 黃蘭

[摘要]?線粒體涉及多種生物學(xué)行為，維持線粒體的穩(wěn)態(tài)及其功能至關(guān)重要。叉頭盒轉(zhuǎn)錄因子O3（forkhead?box?O3，F(xiàn)oxO3）可對(duì)應(yīng)急環(huán)境做出反應(yīng)，并及時(shí)調(diào)整細(xì)胞狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)oxO3是調(diào)控線粒體功能的關(guān)鍵因子，可通過多種分子機(jī)制調(diào)控線粒體穩(wěn)態(tài)。本文對(duì)FoxO3調(diào)控線粒體功能的機(jī)制研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，為線粒體功能障礙相關(guān)疾病的治療提供依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]?叉頭盒轉(zhuǎn)錄因子O3；線粒體功能；線粒體生物發(fā)生；線粒體質(zhì)量控制

[中圖分類號(hào)]?R393??????[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]?A??????[DOI]?10.3969/j.issn.1673-9701.2023.21.023

線粒體以三磷酸腺苷或熱量形式利用能量，在細(xì)胞死亡、應(yīng)激抵抗等過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，屬機(jī)體重要的細(xì)胞器。一旦線粒體功能受損，可能會(huì)引起細(xì)胞穩(wěn)態(tài)失調(diào)并導(dǎo)致疾病的發(fā)生[1]。線粒體功能障礙可導(dǎo)致活性氧（reactive?oxygen?species，ROS）的過量產(chǎn)生；還會(huì)造成能量供應(yīng)不足，導(dǎo)致線粒體信號(hào)、功能等異常。病理學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，線粒體功能障礙會(huì)影響核基因組穩(wěn)定性、細(xì)胞生物能量學(xué)等多種生物學(xué)過程。為降低其負(fù)面影響，線粒體會(huì)部署若干質(zhì)量控制途徑，這對(duì)于維持其多效性功能、減少線粒體壓力至關(guān)重要[2]。

常見疾病中的代謝和神經(jīng)、肌肉功能障礙很少由單一遺傳缺陷引起，通常是多基因影響及易感環(huán)境因素相互作用的結(jié)果，導(dǎo)致機(jī)體新陳代謝、認(rèn)知功能和記憶功能等受損，這通常是衰老過程中潛在器官功能障礙的信號(hào)[3]。線粒體的生物發(fā)生、應(yīng)激反應(yīng)、動(dòng)力學(xué)及其自噬的多尺度調(diào)控網(wǎng)絡(luò)在上述疾病中也起重要作用。多項(xiàng)研究表明，叉頭盒轉(zhuǎn)錄因子O3（forkhead?box?O3，F(xiàn)oxO3）在線粒體功能調(diào)控中發(fā)揮重要作用。本文從FoxO3的基本概念、作用機(jī)制、線粒體質(zhì)量控制等方面綜述其在線粒體功能調(diào)節(jié)中的研究進(jìn)展。

1??FoxO3概述

FoxO主要由DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域（DNA-binding?domain，DBD）、轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域（transactivation?domain，TAD）、核輸出序列（nuclear?export?sequence，NES）及核定位信號(hào)（nuclear?localization?signal，NLS）共4個(gè)結(jié)構(gòu)域組成。FoxO的進(jìn)化保守，哺乳動(dòng)物通常包括FoxO1、FoxO3（FoxO3a）、FoxO4及FoxO6。

NLS和NES結(jié)構(gòu)域可分別與調(diào)節(jié)FoxO亞細(xì)胞分布的特定受體蛋白結(jié)合。NLS由精氨酸和賴氨酸殘基構(gòu)成[4]。NLS與DBD重疊，并與蛋白激酶B（protein?kinase?B，PKB/AKT）磷酸化底物RXRXXS/T共享同一殘基。第2個(gè)下游富含亮氨酸的NES結(jié)構(gòu)域位于蛋白質(zhì)C端，對(duì)來普霉素B（leptomycin?B）敏感，其可與染色體區(qū)域穩(wěn)定蛋白1發(fā)生相互作用[5]。FoxO也含固有無序區(qū)，包括FoxO的C端TAD。

FoxO稱為穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)因子，對(duì)環(huán)境變化做出反應(yīng)，維持組織穩(wěn)態(tài)[6]。FoxO是應(yīng)激條件的傳感器和調(diào)節(jié)劑，而非正常細(xì)胞生理學(xué)的基本介質(zhì)。FoxO可觸發(fā)對(duì)環(huán)境刺激的不同細(xì)胞反應(yīng)，控制氧化還原狀態(tài)，維持基因組穩(wěn)定性及蛋白質(zhì)運(yùn)輸。FoxO在葡萄糖和脂質(zhì)代謝、細(xì)胞凋亡、細(xì)胞自噬、細(xì)胞周期抑制、應(yīng)激抵抗、DNA修復(fù)、血管生成、炎癥反應(yīng)、免疫反應(yīng)、多能性及分化等細(xì)胞過程中發(fā)揮重要作用。

2??FoxO3在線粒體生物發(fā)生中的作用

調(diào)節(jié)線粒體生物能量的途徑：①靶向上游調(diào)節(jié)器（能量和營養(yǎng)傳感器）；②靶向?qū)φ{(diào)節(jié)器作出反應(yīng)的下游效應(yīng)器（轉(zhuǎn)錄因子、輔因子和核受體）；③直接干擾線粒體解偶聯(lián)。FoxO3通過途徑①和②調(diào)控線粒體的生物發(fā)生，進(jìn)而調(diào)控線粒體功能[2]。

2.1??FoxO3參與上游調(diào)控機(jī)制

研究表明，F(xiàn)oxO3參與上游基因去乙?；福╯irtuin，SIRT）、AMP活化蛋白激酶（AMP-activated?protein?kinase，AMPK）調(diào)控線粒體生物發(fā)生的過程。SIRT通常在能量或營養(yǎng)不足時(shí)被激活，從而引發(fā)細(xì)胞適應(yīng)性反應(yīng)，提高代謝效率。SIRT1是一種重要的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸依賴性脫乙酰酶，其在維持線粒體功能、促進(jìn)線粒體生物發(fā)生及調(diào)節(jié)自噬-溶酶體途徑等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用[7]。在地塞米松誘導(dǎo)的肌管萎縮研究中發(fā)現(xiàn)，巖藻黃素可改善肌管萎縮中線粒體的生物發(fā)生和功能，推測其機(jī)制可能是巖藻黃素通過激活SIRT1并抑制FoxO轉(zhuǎn)錄活性以減少蛋白質(zhì)降解，誘導(dǎo)自噬以增強(qiáng)降解蛋白質(zhì)的清除，促進(jìn)線粒體功能并減少細(xì)胞凋亡[8]。Asokan等[9]研究表明，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可隨著SIRT1水平的升高而降低FoxO3a的表達(dá)水平，保護(hù)心臟。Ni等[10]體外研究證實(shí)，松果菊苷通過上調(diào)SIRT1/FoxO3a/錳超氧化物歧化酶信號(hào)軸，抑制心力衰竭大鼠線粒體的氧化應(yīng)激，逆轉(zhuǎn)心肌重塑并改善心臟功能。SIRT1還可通過降低線粒體ROS來改善線粒體活性。

SIRT3是一種線粒體蛋白脫乙酰酶，具有維持呼吸的功能。Ma等[11]研究指出，褪黑素可通過SIRT3-FoxO3信號(hào)通路降低ROS的產(chǎn)生，誘導(dǎo)線粒體自噬并減弱炎癥小體的激活。Liu等[12]評(píng)估5-十七烷基間苯二酚對(duì)氧化應(yīng)激的保護(hù)作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)5-十七烷基間苯二酚在一定程度上可通過激活SIRT3-FoxO3a軸，改善氧化應(yīng)激觸發(fā)的細(xì)胞損傷和線粒體功能障礙。

AMPK在結(jié)構(gòu)上高度保守。應(yīng)激條件下AMPK與FoxO3相互作用，可磷酸化Thr179等多個(gè)位點(diǎn)，促進(jìn)下游自噬相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄[13]。Asokan等[9]在小鼠模型研究中發(fā)現(xiàn)，AMPK可通過FoxO3調(diào)控線粒體的生物發(fā)生。肌肉萎縮是抗炎藥物地塞米松的不良反應(yīng)，而20（S）-人參皂苷Rg3可促進(jìn)FoxO3表達(dá)、抑制AMPK磷酸化，減輕線粒體功能障礙，從而預(yù)防不良反應(yīng)[14]。綜上，F(xiàn)oxO3可參與SIRT及AMPK相關(guān)上游信號(hào)通路對(duì)線粒體生物發(fā)生的調(diào)控過程。

2.2??FoxO3參與下游調(diào)控機(jī)制

靶向線粒體生物能量的下游效應(yīng)器包括核受體、核呼吸因子1/2（nuclear?respiratory?factor?1/2，NRF1/2）、線粒體轉(zhuǎn)錄因子A（mitochondrial?transcription?factor?A，TFAM）、輔激活劑及輔抑制劑。FoxO3可參與調(diào)控上述效應(yīng)器而影響線粒體的生物發(fā)生[2]。在能量傳感調(diào)節(jié)器的下游，核受體可被小分子配體激活，是良好的藥物靶點(diǎn)。多聚ADP核糖聚合酶（poly?ADP-ribose?polymerase，PARP）是核受體的小亞家族。PARP1屬翻譯后修飾酶，能在發(fā)育過程中刺激或抑制轉(zhuǎn)錄并響應(yīng)環(huán)境刺激。研究表明，PARP1依賴性自噬對(duì)線粒體穩(wěn)態(tài)和心肌細(xì)胞凋亡產(chǎn)生不利影響[15]。

線粒體功能障礙是肌減少癥的誘因。Chang等[16]研究發(fā)現(xiàn)，寡糖醇可增加小鼠骨骼肌中AKT/哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白/p70sk6的磷酸化，抑制FoxO3a、核因子κB的核定位，且可逆轉(zhuǎn)線粒體生物發(fā)生基因、線粒體融合基因及線粒體內(nèi)膜融合蛋白的表達(dá)。Jang等[17]研究表明，丙戊酸可通過改變?nèi)松窠?jīng)母細(xì)胞瘤SH-SY5Y細(xì)胞系中FoxO3a的表達(dá)及翻譯后修飾誘導(dǎo)線粒體生物發(fā)生和自噬，且丙戊酸處理后，線粒體生物發(fā)生相關(guān)蛋白的表達(dá)水平增加。

3??FoxO3在線粒體質(zhì)量控制中的作用

線粒體質(zhì)量控制對(duì)線粒體活性和功能的調(diào)節(jié)至關(guān)重要。FoxO3參與調(diào)控線粒體自噬和ROS的清除途徑，是關(guān)鍵性調(diào)節(jié)因子。

3.1??FoxO3與線粒體自噬

線粒體自噬即消除受損或功能失調(diào)的線粒體，并控制線粒體數(shù)量。高活性自噬和線粒體自噬可能在慢性腎臟病肌肉萎縮中起重要作用，慢性腎臟病患者骨骼肌組織中的FoxO3可激活線粒體自噬[18]。Wang等[19]研究發(fā)現(xiàn)，敲低FoxO3會(huì)抑制線粒體自噬，加重營養(yǎng)缺乏誘導(dǎo)的髓核細(xì)胞線粒體功能障礙、凋亡和基質(zhì)降解。研究證實(shí)，F(xiàn)oxO3可誘導(dǎo)線粒體自噬并調(diào)控線粒體功能與生物發(fā)生[8，17]。

線粒體通過泛素依賴性和泛素非依賴性途徑完成其自噬。最具特征的泛素依賴性線粒體自噬機(jī)制是PTEN誘導(dǎo)激酶1（PTEN?induced?putative?kinase?1，PINK1）/Parkin軸[20]。棕櫚酸酯誘導(dǎo)的乙酰輔酶A可促進(jìn)FoxO3a乙?；钄嘀嗵?三磷酸腺苷誘導(dǎo)的FoxO3a與緊張素同系物誘導(dǎo)激酶1啟動(dòng)子的結(jié)合，降低緊張素同系物誘導(dǎo)激酶1依賴性線粒體自噬，導(dǎo)致線粒體膜電位的降低、線粒體活性氧的生成及線粒體DNA的釋放，從而導(dǎo)致線粒體功能失調(diào)[21]。

作為泛素非依賴性線粒體自噬的效應(yīng)器，BCL2相互作用蛋白3（BCL2?interacting?protein?3，BNIP3）、FUN14域蛋白1可調(diào)控相關(guān)途徑，靶向線粒體不同應(yīng)激條件下的降解。在FoxO3調(diào)控膠質(zhì)瘤細(xì)胞對(duì)替莫唑胺敏感性作用機(jī)制的研究中發(fā)現(xiàn)，替莫唑胺通過增強(qiáng)線粒體超氧化物水平，誘導(dǎo)膠質(zhì)瘤細(xì)胞內(nèi)ROS積累，不僅能增加DNA雙鏈斷裂、加重線粒體功能障礙，還能上調(diào)FoxO3a的表達(dá)，敲除FoxO3a則會(huì)加重替莫唑胺誘導(dǎo)的DNA雙鏈斷裂、線粒體損傷及膠質(zhì)瘤細(xì)胞的死亡，且會(huì)抑制替莫唑胺誘導(dǎo)的BNIP3上調(diào)和線粒體自噬激活，表明FoxO3a通過促進(jìn)BNIP3介導(dǎo)的線粒體自噬減弱替莫唑胺誘導(dǎo)的人腦膠質(zhì)瘤細(xì)胞DNA雙鏈斷裂[22]。研究發(fā)現(xiàn)，鉬和（或）鎘可能通過FUN14域蛋白1/FoxO3介導(dǎo)的線粒體自噬共同誘導(dǎo)線粒體質(zhì)量控制障礙，鉬、鎘可能表現(xiàn)出協(xié)同作用[23]。研究發(fā)現(xiàn)，西番蓮可促進(jìn)上游轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子FoxO3/DAF-16的核易位，并介導(dǎo)BNIP3/DCT1信號(hào)通路誘導(dǎo)線粒體自噬[24]。綜上，F(xiàn)oxO3可參與線粒體自噬調(diào)控機(jī)制，從而影響線粒體活性及功能。

3.2??FoxO3參與調(diào)控ROS清除途徑

因線粒體在細(xì)胞代謝反應(yīng)中發(fā)揮中心作用，線粒體在ROS產(chǎn)生后易受氧化損傷。研究表明，百草枯會(huì)引起骨髓紅細(xì)胞中線粒體膜電位、抗氧化基因SOD1和SOD2、谷胱甘肽過氧化物酶1及FoxO3的表達(dá)水平顯著降低[25]。Yang等[26]研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)oxO3a可調(diào)節(jié)與線粒體毒性和核易位激活后細(xì)胞死亡相關(guān)的凋亡基因。研究證明，甜茶可促進(jìn)SIRT3、FoxO3a和SOD2的表達(dá)，并發(fā)揮抗氧化作用，從而改善線粒體毒性[27]。在一項(xiàng)關(guān)于姜黃素對(duì)大鼠I型糖尿病的腎保護(hù)作用機(jī)制研究中發(fā)現(xiàn)，姜黃素可降低炎癥細(xì)胞因子的水平，改善線粒體功能標(biāo)志物，F(xiàn)oxO3a核水平增加，表明FoxO3參與抗氧化應(yīng)激途徑[28]。在一項(xiàng)探討香煙煙霧提取物對(duì)肺癌的作用機(jī)制中發(fā)現(xiàn)，香煙煙霧提取物會(huì)導(dǎo)致ROS增加、FoxO3減少，進(jìn)而引起線粒體損傷[29]。研究表明，鈉–葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-2抑制劑可上調(diào)AMPK和SIRT1的表達(dá)，激活FoxO3，改善線粒體功能，減少氧化應(yīng)激引起的組織損傷[30]。綜上，ROS的產(chǎn)生很可能會(huì)引起線粒體ROS的增加并導(dǎo)致線粒體氧化損傷，而FoxO3可通過多種抗氧化途徑清除ROS進(jìn)而改善線粒體功能。

4??小結(jié)與展望

線粒體功能障礙會(huì)引起多種疾病，F(xiàn)oxO3可調(diào)控線粒體功能。FoxO3主要通過線粒體生物發(fā)生、線粒體質(zhì)量控制對(duì)線粒體功能產(chǎn)生影響，其中包括各種調(diào)控機(jī)制，涉及多條信號(hào)通路，這為線粒體障礙相關(guān)疾病的治療提供一定參考。但FoxO3對(duì)線粒體功能的分子調(diào)控機(jī)制錯(cuò)綜復(fù)雜，未來仍需進(jìn)一步研究和探索。

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