FoxO1在2型糖尿病中的作用及其研究进展

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(南华大学药学与生物科学学院生物技术系，湖南 衡阳421001)

·小专论·

FoxO1在2型糖尿病中的作用及其研究进展

杨娟，佘美华*

(南华大学药学与生物科学学院生物技术系，湖南 衡阳421001)

叉头框蛋白1(FoxO1)是机体内重要的转录因子，调控着多种基因的表达，它也是胰岛素通路中的关键因子。研究表明FoxO1通过参与胰岛素抵抗、胰岛β细胞增殖分化和凋亡、肥胖相关而在2型糖尿病(T2DM)的发生发展中发挥重要作用。本文就FoxO1对T2DM的影响做简要综述。

FoxO1； T2DM； 胰岛素抵抗； 肥胖； β细胞功能

糖尿病现在已成为第三位严重危害人类身体健康的慢性疾病。我国更是糖尿病第一发病大国，总体患病率已高达9.7%，其中T2DM约占90%～95%。T2DM是一种由遗传因素和环境因素共同作用的疾病，以胰岛素抵抗和(或)胰岛β细胞功能缺陷以及肥胖症为主要特征。FoxO1是一类重要的转录因子，属于FoxO家族成员之一。FoxO1主要受到PI3K/AKT的调控，随后可调节多种基因的表达。研究显示FoxO1在胰岛素抵抗、胰岛β细胞增殖分化和凋亡、糖脂代谢等与T2DM相关联的过程中扮演重要角色。详细了解该转录因子在T2DM中的主要作用可能会为今后T2DM的诊断和治疗提供新的理论依据。

1 FoxO1简介

叉头框转录因子命名起源于1989年首次发现果蝇的“叉头”突变，直到2000年国际命名委员会正式将Fox作为统一的符号来代表叉头框蛋白质。Fox家族的共同特征就是具有一个Fox结构域，由100个左右的氨基酸组成的高度保守DNA结合区域，具有3个α螺旋和2个翅膀状的大环结构。Fox 蛋白家族目前有17个亚族，每一个亚家族用一个字母表示，亚家族中每一个蛋白质用一个阿拉伯数字表示。FoxO蛋白是其中的一个亚族，与其他亚家族不同之处在于第2和第3个α螺旋之间有5个氨基酸的插入。人类有4个FoxO同源基因：FoxO1、FoxO3a、FoxO4以及FoxO6，其中FoxO1是最早发现的成员。

FoxO1主要表达在胰岛效应的靶细胞中，比如脂肪细胞、肌肉细胞、肝细胞。值得注意的是，它在成年胰腺中仅表达于β细胞。既往研究表明FoxO1参与糖脂代谢、β细胞的增殖、分化与凋亡，胰岛素抵抗等与T2DM有着密切关联的生理过程。FoxO1蛋白在C-末端DNA结构域具有核定位和核输出序列，激酶与其他蛋白的互相作用可以调节这些核定位序列和核输出序列的有效性，使得FoxO1来回穿梭核质之间。当FoxO1移出细胞核，因不能结合靶基因结合位点而失去活性。FoxO1的这种核定位活动主要活性由磷酸化、乙酰化以及泛素化三种共价修饰调节。1)磷酸化修饰：FoxO1是胰岛素/胰岛素样生长因子-1信号通路下游因子，其上游主要由PI3K/AKT调控。胰岛素等生长因子作用于PI3K/AKT使得AKT磷酸化，进而磷酸化FoxO1。磷酸化的FoxO1增加了与分子伴侣14-3-3的联系，促进了FoxO1核输出并且阻断了核定位信号防止FoxO1重返核中。生长因子活化另外的激酶如酪蛋白激酶Ⅰ也可以磷酸化FoxO1并直接增加其与核输出机制和Ran及输出蛋白/Crm的作用[1]。值得注意的是不是所有的激酶都可以促进FoxO1蛋白核输出，如JNK，P38以及AMPK等就可以扰乱FoxO1与分子伴侣14-3-3结合增加其核定位[2]。因此在氧化应激时，细胞内的活性氧簇(Reactive oxygen species,ROS)活化JNK或者Ste20-样激酶激活FoxO1会导致FoxO1从细胞质转移到细胞核。2)乙酰化：FoxO蛋白家族乙酰化主要受组蛋白乙酰转移酶和组蛋白去乙酰化酶控制，乙酰化的FoxO1会降低与DNA结合而提高对AKT磷酸化的敏感性。FoxO1可以被CREB结合蛋白诱导使其DNA结合区C末端的lys242和lys245位点乙酰化，降低了与DNA的结合力与转录活性[3]。相反地，沉默信息调节因子-2(Silent information regulator-2,Sir2)是一种烟酰胺腺嘌呤二核苷酸依赖性的组蛋白去乙酰化酶，Sirt1是哺乳动物7种Sir2同源簇之一。Sirt1可以结合并催化FoxO1去乙酰化，从而提高了FoxO1的转录活性。3)泛素化：和绝大多数蛋白一样，FoxO蛋白可以通过泛素化被降解。FoxO1的ser256磷酸位点能够被Skp/Cul/F-box蛋白泛素复合体识别随后聚泛素化而被降解[4]。当然，FoxO1还有些其他的调节方式，比如被TNF-α激活。FoxO1就是通过以上等几种不同机制调节活性，进而参与胰岛素抵抗进程，调节β细胞功能以及肥胖症的发生。

2 FoxO1与胰岛素抵抗

胰岛素抵抗是T2DM的主要发病机制，它是指机体内胰岛素敏感性组织如肝脏、肌肉及脂肪等对血液循环中正常水平的胰岛素生物学效应降低。发生胰岛素抵抗的原因有多种，长期高血糖、氧化应激以及炎症都可导致胰岛素抵抗。研究表明FoxO1的表达量与细胞对胰岛素的敏感性存在着规律性的负相关。近期实验也发现在发生胰岛素抵抗的HepG2细胞里，FoxO1基因及蛋白的表达均显著增加。由此可看出FoxO1在发生胰岛素抵抗的过程中发挥着重要作用。FoxO1可以通过多种因素参与胰岛素抵抗。作为机体重要的转录因子，FoxO1能通过负调控胰岛素敏感相关基因减少胰岛素敏感性，FoxO1单倍剂量不足可以保护小鼠免受因食物诱导的胰岛素抵抗[5]。其次，它可以通过参与各种代谢活动来增强胰岛素抵抗。比如参与炎症相关，高表达的FoxO1可以促进炎症因子的释放，导致某些信号通路不正确的磷酸化作用发生，如使胰岛素信号通路中的IRS的丝/苏氨酸磷酸化，从而抑制正常的磷酸化位点酪氨酸的磷酸化以及下游信号的激活，阻碍了胰岛素信号的传导，最终导致胰岛素抵抗的发生[6]。最近研究也证明FoxO1参与胰岛素抵抗相关的促炎因子的产生。在糖代谢方面FoxO1同样占重要地位，在肌肉和肝脏当中表达促进葡萄合成酶包括磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶和葡萄糖-6磷酸酶的表达导致血糖升高,同时可能降低FFA代谢酶的活性使得细胞内脂肪堆积,致使胰岛素抵抗形成。FoxO1参加成骨细胞的血糖调节也被证实，在FoxO1缺失的成骨细胞可以降低Esp表达和增加骨钙素的表达来增加胰岛素敏感以及胰岛素的生成[7]。最新研究[8]发现维生素D的缺乏与胰岛素抵抗相关联，骨骼肌特异性维生素D受体缺失的小鼠会发展为胰岛素抵抗以及糖耐受受损伴随着FoxO1的表达以及活性增强，而用1,25-二羟基维生素D治疗后减少了FoxO1表达、核转位及活性。由此看出FoxO1介导维生素D缺乏可能是引起胰岛素抵抗新的机制。总而言之，FoxO1在胰岛素抵抗形成的过程中占据着重要作用。

3 FoxO1与胰岛β细胞

胰岛β细胞的功能障碍以及数量减少被证实为T2DM发病的又一个主要原因。长期患有T2DM的患者表现出β细胞数量和功能的下降，通常称为“β细胞衰竭”。β细胞功能障碍主要是因为β细胞自噬不受控制、增殖减少以及细胞凋亡增加而引起的，最近发现去分化可能是β细胞功能障碍的另一机制。Del Guerra等从人的组织标本中报道在T2DM患者胰岛中FoxO1的mRNA表达量显著高于非糖尿病对照组,提示高表达FoxO1可能造成β细胞功能损伤。

FoxO1对于β细胞的增殖、分化和凋亡都发挥着重要作用。前面提到FoxO1在成年胰岛中只表达于β细胞，但是在胚胎时期FoxO1表达于整个胰腺和胰腺十二指肠同源盒1(Pancreatic duodenal homeobox 1,Pdx1)表达方式一样。胚胎发育e12.5-13.5d期间在胰腺广泛表达，e14.5开始限制于神经内分泌细胞，到了出生则只表达于β细胞[9]。Pdx1在调节β细胞的生长与功能起着关键作用，受FoxO2的调控。FoxO1与FoxO2在pdx1启动子处有共同的DNA结合位点，可以竞争性结合Pdx1抑制其表达，而且Pdx1和FoxO1有着相互排斥的核质定位，Pdx1阳性β细胞中FoxO1定位胞质而Pdx1阴性β细胞中FoxO1定位胞核。在Pdxl启动子控制下敲除FoxO1( Pdxl-FoxO1-/-)小鼠中，近导管处的胰岛β细胞数量增多且呈团状[10]。而Pdx1-/-小鼠中FoxO1一个等位基因的缺失能够恢复β细胞的增殖。此外，胰岛素信号本身具有调控胰岛β细胞分泌胰岛素的功能，而FoxO1正好是这条信号通路上的重要因子。敲除胰岛素受体底物2(Insulin receptor substrate-2,ISR-2)的小鼠会出现β细胞增殖降低及胰岛素抵抗，最终形成糖尿病，而FoxO1单倍剂量不足会恢复β细胞的复制能力。说明FoxO1不仅能调控Pdx1的活性来调节β细胞的增殖，Akt/FoxO1通路是调节β细胞增殖的另一机制。最近研究发现在脂毒性条件下，利拉鲁肽通过PI3K/Akt/FoxO1这条路径促进β细胞增殖也证明了这一点[11]。

FoxO1对于β细胞分化同样重要，研究表明FoxO1可以调节分化关键转录因子NGN-3和NKX6-1来负调节β细胞分化。目前认为β细胞分化主要受Notch信号通路调控，而FoxO1与此信号通路有交互作用，共同调节NGN-3抑制蛋白Hes1的表达。在凋亡过程中，FoxO1也扮演重要角色，这可能与FoxO1直接或间接调控着凋亡相关基因表达有关。Kluth等[12]就推测Akt和FoxO1的去磷酸化下调生存途径以及诱导凋亡相关蛋白Bax。最近在高糖喂养16天的新西兰小鼠中检测到β细胞凋亡相关联转录因子Pdx1、Nkx6以及肌腱膜纤维肉瘤基因家族蛋白MafA的减少，而FoxO1的去磷酸化是导致其产生的原因。哺乳动物不育20样激酶1(Mammalian sterile 20 like kinase 1,Mst1)是一个新发现的β细胞死亡与功能的关键调节器，在高糖等条件下被激活促进β细胞的死亡而Mts1的表达能够被PI3K/Akt/FoxO1这个通路调控[13]。众多试验证明了FoxO1可以调控凋亡相关基因促进β细胞凋亡。它还可以与别的因子协同促进凋亡，比如FoxO1与糖皮质激素受体协同作用促进Bim表达，促进线粒体依赖性凋亡。另外，FoxO1也参与了内质网应激对胰岛β细胞凋亡的影响过程中。在游离脂肪酸培养下的小鼠胰岛β细胞,内质网应激标志分子eIF2和凋亡相关蛋白CHOP表达增强,加入内质网应激诱导剂发现FoxO1核内转位增加且活性增强;下调FoxO1表达则使eIF2以及CHOP的表达均下降[14]。进一步研究[15]发现促生长激素释放肽Ghrelin通过抑制FoxO1核内转位,减少内质网应激引起的胞质三酰甘油合成,从而下降凋亡相关蛋白表达最终保护高脂毒性下的胰岛β细胞。不过近年来提出了在高糖等应激下Foxo1并不是引起β细胞凋亡，而是导致β细胞去分化，最终失去该有的功能。有研究发现，胰岛β细胞功能减退的程度是远远大于其细胞凋亡的程度。Talchai等[16]在db/db小鼠中发现胰岛β细胞存在去分化与向α细胞转分化的现象，并伴随着FoxO1活性降低。后来他们对小鼠β细胞进行特异性FoxO1敲除，FoxO1缺失的β细胞开始表达内分泌前体标志基因如嗜铬粒蛋白A、Neur-ogenin3，证实了FoxO1与β细胞去分化密切相关。这也许是对β的一种保护作用，去分化的β细胞最终也有可能在一定条件下继续分化为成熟的β细胞。而且，FoxO1是众多抗氧化酶如过氧化氢酶、双氧化物歧化酶的转录调节因子，在氧化应激条件下起着保护β细胞免于凋亡的作用。正常的自噬对维持细胞器是至关重要的，对于β细胞而言，自噬对它的功能和数量维持是必要的。而β细胞一旦自噬不受控制将导致T2DM。有实验证明在T2DM动物尤其是db/db小鼠和Zucker肥胖大鼠的β细胞中自噬增加。既往研究证实了细胞内FoxO1可以调控自噬相关基因Atg7，最新研究[17]显示醛固酮可以提高自噬也是通过增强FoxO1/Rab7轴，从而表明自噬与FoxO1具有极大的关联。因此这也许是FoxO1导致β细胞功能障碍的另一诱因。总而言之，FoxO1可能在不同条件下对β细胞的作用有所不同。

4 FoxO1与肥胖

肥胖在当今社会是种流行疾病，由它产生的脂毒性可引发更高风险的肥胖相关的T2DM。据报道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的几率是BMI < 22 kg/m2人群的93.2倍。肥胖症形成的核心是前脂肪细胞增殖分化为成熟脂肪细胞和脂肪细胞中脂质的储积。成熟的脂肪细胞以细胞中脂质积累和脂滴块为特征。FoxO1在调节脂肪生成方面起关键性作用。一方面，FoxO1通过与过氧化物酶体增殖物激活受体γ((peroxisome proliferator activated receplor-γ,PPARγ)以及细胞周期抑制蛋白P21的相互作用来控制脂肪细胞分化。PPARγ是一个核激素受体，在转录水平通过影响脂肪酸及其衍生物的功能来增加脂肪细胞的数量以及促进脂肪细胞的分化，在脂肪细胞分化过程中起核心作用,研究证明在完全分化的脂肪细胞中PPARγ的含量是前脂肪细胞的10倍左右。P21是细胞周期蛋白依赖性激酶的抑制因子，它与CDK激酶相结合并且抑制其活性，从而使得细胞周期停滞。P21参与脂肪细胞的分化的同时也保护了肥大的脂肪细胞免于细胞凋亡。在肥大的脂肪组织和肥胖小鼠模型的肝脏组织中的P21表达受明显的正反馈调节。前脂肪细胞诱导分化为成熟脂肪细胞大致分克隆增殖阶段和终末端分化阶段，Nakae等发现FoxO1的活性在脂肪细胞分化前呈非磷酸化状态，在克隆增殖阶段磷酸化而抑制转录活性，进而抑制了p21的活性，促进细胞进行有丝分裂。在细胞发生两次有丝分裂后，FoxO1的表达升高并重新活化，在细胞核内同PPARγ一起触发生长抑制，诱导细胞进入终末分化阶段。由此也可看出，FoxO1参与调节脂肪细胞分化并呈阶段性，Zou等[18]研究FoxO1抑制剂as1842856对脂肪细胞分化影响的试验证明了这一观点，他们认为FoxO1活化的动力学遵循“s”曲线，并发现持续抑制FoxO1活性几乎完全抑制了脂肪细胞分化，同时PPARγ及一些线粒体蛋白表达减少。线粒体支撑着脂肪生成和脂肪细胞功能，而活化的FoxO1可以操控线粒体功能来调节脂质代谢。近期还发现抑制FoxO1活性导致脂质积累降低以及脂滴生产，随之阻止了前脂肪细胞的分化。Liu等[19]研究发现存在一个FoxO1-自噬-FSP27(脂肪特异性蛋白27)轴调节脂滴生长、脂肪细胞的成熟及扩增。FSP27能够促进脂滴的聚集和融合，使FSP27不表达可以防止大鼠因为过度进食而导致的肥胖。肥胖症和T2DM患者肥胖的扩大与脂肪组织的自噬增强相关联也得到了证实。靶向抑制脂肪组织自噬相关基因Atg5或Atg7可以减少脂肪细胞的大小，保护小鼠免受食物诱导而变得肥胖[20]；并且敲除Atg5基因可以抑制脂肪细胞的形成。抑制FoxO1活性则可以显著的下调FSP27表达以及自噬标志beclin1的表达。所以说，FoxO1通过调节脂肪生成和脂肪细胞分化促进了肥胖症的发生。

5 展 望

在T2DM的发生发展过程中，胰岛素抵抗和肥胖是其发生的重要因素，胰岛β细胞功能障碍是其发展的关键因素，并且这是个恶性循环。FoxO1是机体内重要的转录因子，同时是多种信号通路的交合点，在胰岛素抵抗过程、β细胞功能障碍以及肥胖症的发生中都发挥极其重要的作用。本研究阐述FoxO1对其发挥作用的具体调节机制将有助于完善T2DM的发生发展机制以及防治。FoxO1也许将成为治疗T2DM的一个新靶点。

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

2017-01-03；

2017-04-08

国家自然科学基金(81200590)；高等学校博士学科点专项科研基金(20124324120005).

*通讯作者，E-mail：shemhbb@163.com.

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