FoxO1转录因子在肝脏糖脂代谢中的作用*

黄文凡 文秀英 余 杰

华中科技大学同济医学院附属梨园医院中西医结合科,武汉 430077

肝脏在维持机体糖脂代谢平衡中起重要作用,在胰岛素抵抗时,肝脏糖脂代谢发生紊乱,后者又加重胰岛素抵抗,形成恶性循环。但其具体发生机制仍未明确。最近发现,在胰岛素抵抗的肝脏,转录因子FoxO1的活性增加,一方面促进糖异生相关基因的表达,另一方面促进肝脏极低密度脂蛋白(VLDL)和脂肪合成基因的表达。因此,FoxO1基因可能成为改善肝脏胰岛素抵抗的新靶点。本文就FoxO1转录因子在肝脏糖脂代谢中的作用综述如下。

1 FoxO1的结构和活性调节

1.1 FoxO1转录因子的结构

Fox基因(forkhead box)的名称最初来自果蝇的“叉头”突变[1],现已发现90多个Fox基因。Fox转录因子家族属于核受体亚家族,有17个亚家族成员,FoxA～Q[2]。Fox蛋白家族成员均具有高度保守的DNA 结合域,即“forkhead”保守区,该区域由110个氨基酸和C端的转活域组成;3个α-螺旋形成螺旋-转角-螺旋(helix-turn-helix)结构,两侧各一个环状的“翼”,即“winged-helix区”[3]。FoxO 转录因子亚家族的氨基酸序列中有 3个高度保守区,包含PKB/Akt磷酸化基序。FoxO转录因子亚家族在哺乳动物中有4个成员,即 FoxO1(FKH R)、FoxO3a(FKHRL1)、FoxO4(AFX)、FoxO6[4]。其中,FoxO1广泛表达于成人的各组织器官中,在肝脏大量表达,是胰岛素信号转导的主要靶点[5]。

1.2 FoxO1转录因子活性的调节

FoxO1转录因子在生物体中具有多种重要的功能,其精密调节是通过翻译后修饰(PTMs)的复杂联动完成的,包括磷酸化、乙酰化和泛素化,而磷酸化/去磷酸化在FoxO1蛋白分子的亚细胞定位和转录活性的调节中发挥核心作用。

FoxO1是胰岛素/胰岛素样生长因子-1(INS/IGF-1)信号通路中的下游分子,其上游主要受PI3K/Akt调控[6]。FoxO1蛋白包含3个高度保守的PKB/Akt磷酸化位点(对应于人类 FoxO1的 Thr24、Ser256和Ser319)[7]。胰岛素、IGF-1和(或)其他转录因子与其特异的酪氨酸激酶受体结合后激活Akt,活化的Akt磷酸化这3个位点而导致FoxO1蛋白从细胞核易位到细胞质中,从而抑制其转录活性,导致FoxO1靶基因的表达下降[8],这是FoxO1转录活性受到负性调节的主要机制。PKB活性降低时,FoxO1主要在细胞核内呈去磷酸化状态,表明PKB介导的磷酸化诱导了FoxO1蛋白从细胞核到细胞质的重新定位,保持其转录活性。另外,同样依赖PI3K激活的血清和糖皮质激素诱导蛋白激酶(serum and glucocorticoid-inducible kinase,SGK)也能磷酸化FoxO1[9]。

FoxO亚家族蛋白分子的转录活性还受到乙酰化/去乙酰化修饰的调节。FoxO1的乙酰化发生在DNA结合区的赖氨酸残基上[10]。乙酰化可以降低这些DNA结合区的亲和力而减少转录活性。有报道[11]显示,FoxO1能被核共激活剂CBP/p300乙酰化,而乙酰化的FoxO1可被NAD相关的脱乙酰基酶(Sirtuin)SIRT1和SIRT2脱乙酰化[12]。乙酰化作用使FoxO定位于核内并阻止FoxO被泛素化而降解。

2 FoxO1在肝脏糖代谢中的作用

2.1 FoxO1对糖代谢的直接作用

有研究[13]表明,forkhead蛋白与胰岛素样生长因子结合蛋白-1(IGFBP-1)启动子中的胰岛素反应序列(IRSs)相互作用,这一信号通过PI3K及下游的PKB/Akt调控胰岛素对基因表达的作用。正常小鼠空腹后,肝脏FoxO1 mRNA水平增加[14]。FoxO1表达增加促进空腹时肝脏糖异生,这对维持血糖的正常水平至关重要。FoxO1蛋白通过与糖异生关键酶葡萄糖-6-磷酸酶(G6Pase)和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEPCK)基因启动子的胰岛素反应元件(insulin response element,IRE)结合,调节这两种基因的表达[15]。激活FoxO1能够增加PEPCK和G6Pase表达。FoxO1载体处理和过度表达FoxO1突变体的小鼠肝脏FoxO1表达增加,导致PEPCK和G6Pase表达增加,使葡萄糖和胰岛素水平增加[16]。胰岛素抵抗时,胰岛素磷酸化肝脏FoxO1的能力受损,FoxO1定位于核内并刺激糖异生基因表达,导致HGP增多。抑制db/db的小鼠和H4IIE细胞中的FoxO1通过抑制糖异生基因的表达,降低空腹血糖水平[17]。高脂饮食诱导的肥胖小鼠中,反义寡核苷酸诱导FoxO1活性抑制改善了葡萄糖耐量和肝脏及外周组织胰岛素的作用,同时伴随PEPCK和G6Pase表达水平降低[18]。特异性的钝化肝脏FoxO1基因的小鼠显示肝脏葡萄糖产生减少及血糖降低[19]。

另外,FoxO1也能改变葡萄糖激酶(GK)和其他参与葡萄糖代谢的基因表达,通过糖酵解,磷酸戊糖旁路,脂肪形成和胆固醇合成通路[16]。报告基因和ChIP研究[20]表明FoxO1结合GK启动子,FoxO1转基因小鼠证实FoxO1下调GK和其他参与葡萄糖利用的基因表达[16]。对靶向中断肝脏FoxO1的小鼠遗传学研究也支持这一观点[19]。

2.2 FoxO1对糖代谢的间接作用

除了与DNA靶位点直接结合并刺激靶基因的转录,FoxO1蛋白与其他转录因子和共激活蛋白相互作用并调节其功能,包括调控肝脏基因表达至关重要的因子[16]。最近报道,FoxO1除了直接结合到糖异生基因启动子并激活葡萄糖产生过程,一些共激活因子,如PGC-1α和C/EBPα也可以通过与FoxO1的Forhead域结合调控糖异生过程。

过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子-1(peroxisome proliferator-activated receptor-γcoactivator-1,PGC-1)家族对细胞能量代谢具有多重调控作用,包括线粒体生化功能、肝脏糖异生作用及脂肪酸β氧化等[21]。作为PGC-1家族的第一个成员,PGC-1α(含798个氨基酸)最初被认为是一种能与核受体PPAR 7共同作用的蛋白[22],广泛表达于高能量需求且富含线粒体的组织。正常情况下,肝脏PGC-1α的表达低于其他有氧代谢组织,而禁食后,肝脏PGC-1α的表达急剧上升[23]。PGC-1α在糖尿病或胰岛素信号缺失的模型中表达增加,能够激活大鼠肝脏和肝细胞糖异生相关基因的表达。胰岛素通过多种机制调控PGC-1α的表达,包括FoxO1的钝化作用[24]。缺失FoxO1的小鼠其 PGC-1α的表达也降低[19]。有研究[25]发现,PGC-1α是 FoxO1的直接共激活因子。AdPGC-1α+AdFOXO1(ADA)肝细胞显示PEPCK、G6Pase表达明显增加,表明PGC-1α诱导糖异生的能力需要与FoxO1相互作用。PGC-1α并不直接结合PEPCK和G6Pase启动子,而是促进FoxO1、HNF4α等的转录活性[26]。抑制FoxO1导致PGC-1α促进PEPCK表达的能力受损[25]。FoxO1诱导PEPCK和G6Pase的表达,可能直接通过PGC-1α或与PGC-1α协调作用[24]。有研究[25]显示,PGC-1α-FoxO1复合物对调控糖异生起重要作用,也被认为是2型糖尿病抗糖异生治疗可能的潜在靶点。

CCAAT/增强子结合蛋白(CCAAT enhancerbinding proteins,CCAAT/EBPs)家族,是一组亮氨酸拉链(bZIP)转录因子家族,C/EBPs蛋白的特征性结构在于具有位于羧基端的bZIP结构域[27]。自Lekstrom-himes等[28]在肝内发现C/EBPα以来,至今已发现 C/EBPα、β、γ、δ、ε、ζ等6 种类型 。C/EBPs可以对基因转录存在正性和负性调控。其中C/EBPα被认为是参与能量代谢的中心环节,不仅可以调控糖异生途径的关键酶,还可以调节胰岛素受体基因的表达。基因敲除动物模型结果显示,C/EBPα缺失导致编码糖原合成酶,如PEPCK、G6Pase的基因表达减少。大部分C/EBPα-/-新生小鼠由于糖原合成缺陷和糖异生受损,导致出生后迅速死亡[29]。FoxO1作为肝糖异生基因表达中C/EBPα的共激活剂,通过 forkhead域与 C/EBPα包含的 bZIP域的C端结合,FoxO1与C/EBPα直接相互作用、协作调控糖异生。共免疫沉淀试验显示,C/EBPα与FoxO1相互作用,ChIP分析新生的肝脏证实 C/EBPα-FoxO1复合物PEPCK启动子[30]。目前,关于C/EBPα与FoxO1之间的联系的报道并不多,更深层的关系有待研究。

3 FoxO1在肝脏脂代谢中的作用

3.1 FoxO1在VLDL合成中的作用

2型糖尿病的血脂异常以三酰甘油(TG)升高为主,VLDL增多是众多因素中的一个。胰岛素抵抗时,其调控 VLDL产生的能力受损,导致过多的VLDL分泌和血液中过多的TG颗粒积累[31]。然而,胰岛素与VLDL过表达之间的潜在联系仍然知之甚少。

肝脏VLDL的装配需要微粒体TG转运蛋白(microsomal TG transfer protein,MTP),一种分子标准为88 kDa的内质网蛋白,被认为是一种分子伴侣。MTP催化脂质转运至新生的载脂蛋白B(ApoB),这是肝脏产生VLDL的限速步骤,MTP不足能够降低VLDL的分泌,而不依赖已合成的 ApoB水平[32]。Kamagate等[33]报道,MTP是FoxO1转录因子的靶点,FoxO1介导胰岛素依赖的肝MTP表达,调控肝脏VLDL的产生。在体外培养的HepG2细胞中显示,FoxO1刺激肝脏MTP的产生,而胰岛素则抑制其产生。这种作用与FoxO1结合MTP启动子上其靶位点而导致MTP启动子转活的能力一致。FoxO1结合位点缺失或突变导致FoxO1不能结合到MTP启动子,从而阻止胰岛素依赖的肝MTP产生调控。腺病毒介导或转基因表达使FoxO1获得功能,增加了肝MTP表达并促进了ApoB分泌,这诱导了VLDL-TG数量和大小的增加。Altomonte等[34]也报道,FoxO1载体处理小鼠和FoxO1S253A转基因小鼠显示肝脏脂肪含量和 TG水平增加。相反,RNAi介导的肝脏FoxO1失功能抑制了小鼠肝脏MTP的表达并减少了VLDL-TG输出[33]。

正常生理状态下,餐后胰岛素分泌增多,FoxO1被磷酸化并转位至细胞质中,抑制肝MTP的表达,从而减少VLDL-TG产生并限制餐后脂肪进入血液。对于2型糖尿病,由于外周胰岛素抵抗,FoxO1以去磷酸化状态导致其核排除减少,增加了FoxO1的转录活性,促进了肝MTP和VLDL产生过多。数据表明,胰岛素抵抗肝脏中不受限制的FoxO1活性在胰岛素作用受损与过度的VLDL-TG分泌之间发挥重要作用[33]。Samuel等[18]报道,选择性的抑制FoxO1能显著改善高脂饮食诱导的肥胖小鼠的脂代谢。在胰岛素受体缺失的糖尿病小鼠中,FoxO1单倍剂量不足能保护免受高脂诱导的胰岛素抵抗和脂代谢紊乱[34]。

3.2 FoxO1对肝脏其他脂代谢基因的作用

除了对肝脏VLDL-TG产生的影响,FoxO1活性增加造成肝脏脂肪沉积可能与其参与脂肪形成基因的表达有关,包括固醇调控元件结合蛋白-1c(SREBP-1c)、脂肪酸合成酶(FAS)、乙酰CoA羧化酶(ACC)等。在转基因表达FoxO1或腺病毒介导的肝脏FoxO1产生的小鼠中,检测发现编码 SREBP-1c、FAS、ACC的基因表达也增加了[14]。过表达FoxO1的小鼠肝脏脂肪沉积增加可能是由于诱导了 PGC-1β,而 PGC-1β是 SREBP-1c调节肝脏脂肪形成所需的共激活物[14]。核受体蛋白肝X受体(LXR)在调节胆固醇和胰岛素对SREBP-1c影响中发挥重要作用,FoxO1可能是通过损伤LXR的功能间接作用于SREBP-1c[35]。

综上所述,FoxO1是肝脏用来监测脂质和葡萄糖代谢与循环胰岛素水平的传感器。目前的研究提供了肝脏代谢综合征的发病机制,学者们发现转录因子FoxO1通过多重机制调控肝脏糖脂代谢。肝脏FoxO1的双重作用可能是作为转录因子或共调控因子而发挥其功能,FoxO1在肝脏中的作用还需要更深入的研究。

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