FoxO1转录因子及其与心血管疾病的研究进展

王倩晨

FoxO1转录因子属于FoxO家族成员，含有一段约100个氨基酸残基组成的保守DNA结合域，由FKHR基因编码，在多种病理生理过程中起重要作用[1]。FoxO转录因子家族是维持心血管内稳态的关键，其中以FoxO1最为重要[2]。心血管疾病如动脉粥样硬化、肺动脉高压、糖尿病心肌病等的发生和发展与FoxO1密切相关。

1 FoxO1的结构及功能

Fox基因1989年在黑腹果蝇体内首次被发现，为一类与发育免疫代谢及癌症发生相关的转录调节因子。目前为止，共发现包括FoxO在内的19个科及亚型[3]。FoxO 包括FoxO1、3、4 及 6，其中 FoxO1、FoxO3、FoxO4在心脏中有表达，在细胞核内与相关辅活化因子结合，从而调节多个信号转导通路[4]。FoxO在结构上含有一段叉头/带翼螺旋结构域（FHDBD，进化上高度保守）、核定位序列（nuclear localization sequence，NLS）、核输出序列（nuclear export sequence，NES）及含有反式结构域（transactivation domain，TAD）的C端。DBD域包含110个氨基酸，由3α、3β及2翼螺旋组成，α、β及翼螺旋以反平行的方式相互关联以形成一个三维结构，有利于FoxO转录因子N端和C端特定区域与DNA结合。FoxO1还含有一段富含丙氨酸的转录抑制域（transrepression domain，RD），与 FoxO1对其他蛋白的转录抑制相关。蛋白激酶AKt磷酸化及14-3-3蛋白的结合位点均分散在FoxO1的DNA结合域和NLS区域[5]。

FoxO1通过作用于PDK4、iNOS等靶基因调节心脏糖代谢及脂肪酸代谢[6]。研究证实，FoxO1参与心肌细胞周期调控，对胚胎血管和心脏的发展至关重要。FoxO1基因敲除胚胎表现出严重的血管、心脏生长抑制及胚胎致死性；心肌细胞特异过表达FoxO1的胚胎可出现异常细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂 p21（cip1）和 p27（kip1）的表达升高，表现出心肌数量减少、心脏变小变薄[7]。

2 FoxO1活性的调节

FoxO1的转录活性由一系列翻译后修饰如磷酸化、乙酰化/去乙酰作用、泛素化等调节。这些修饰通过改变FoxO1在细胞内的位置、DNA结合力或特定的转录模式，从而增加或降低FoxO1的转录活性[8]。胰岛素信号诱导Akt介导的FoxO1磷酸化在FoxO1活性调节中起主要作用。Akt磷酸化FoxO1，加速其从细胞核移至细胞质，从而降低FoxO1的转录功能。而其他一些激酶如丝裂原激活蛋白激酶、细胞周期依赖性蛋白激酶2及核转录因子 κB（NF-κB）也参与 FoxO1 磷酸化[9]。乙酰化和去乙酰化修饰可以决定FoxO1与DNA结合的能力。乙酰基转移酶CBP/p300乙酰化FoxO1，使FoxO1与DNA的结合能力和转录活性减低，相反，去乙酰化如Sirtuins蛋白可使FoxO1去乙酰化，从而促进FoxO1核转移，增加其转录活性[10]。FoxO1同多数蛋白质通过泛素化通路降解。有研究[11]发现，其他蛋白质的相互作用也可以影响FoxO1功能。

2.1 磷酸化 FoxO1具有高度保守的磷酸化位点，FoxO1的磷酸化与多种蛋白激酶相关，其中以胰岛素/PI3K激酶途径为重要途径。在胰岛素信号刺激下，FoxO1由Akt蛋白激酶磷酸化，促进其从细胞核内转移到细胞质，同时通过在S256位点引入负电荷而抑制FoxO1与DNA结合[12]。通常来说，磷酸化的FoxO1与14-3-3蛋白相互作用，使FoxO1被锚定在细胞质，抑制其从胞质向核内转位，从而使其丧失转录活性；同时，磷酸化的FoxO1容易进一步被泛素化，从而被降解。近期也有研究发现，少数蛋白激酶如JNK、p38、MAPK磷酸化FoxO1，也可促进胞质FoxO1向细胞核内转移，且通过促进其与14-3-3蛋白质解耦联而增加其转录活性[13]。

Potente等[14]报道，丝裂原活化蛋白激酶体磷酸化FoxO1，抑制内皮细胞迁移及血管形成。在用高脂饮食后，特异性胰岛素受体敲除小鼠（IRKO）出现了外周性胰岛素抵抗，并出现FoxO1磷酸化降低，细胞核内的FoxO1增加，表明胰岛素/FoxO1信号是细胞适应高脂饮食变化的重要组成部分[15]。有研究[16]通过构建突变FoxO1的3个磷酸化位点的突变体，使FoxO1在核内聚集，具有持续的活性，当在肝脏内通过腺病毒过表达具有转录活性的Fox－O1时，导致甘油三酯的合成增加，游离脂肪酸氧化降低。

2.2 乙酰化及去乙酰化 类似于磷酸化，乙酰化作用可以影响FoxO1转录活性和介导FoxO1不同的生物功能[17]。FoxO1蛋白中含有3个带正电的赖氨酸位点Lys242、Lys245及 Lys262，带正电的赖氨酸位点有助于FoxO1与DNA结合。而当这些赖氨酸被乙酰化后，它们就不再带有正电荷，从而削弱FoxO1结合同源DNA序列的能力，也减弱了FoxO1的转录活性。另一方面乙酰化使FoxO1更容易被胰岛素信号诱导磷酸化减少其转录活性。

影响FoxO1乙酰化作用的酶是组蛋白乙酰转移酶和组蛋白去乙酰转移酶[18]。FoxO1的乙酰化降低了FoxO1的转录活性及DNA结合力，反之去乙酰化可增强FoxO1的功能。沉默信息调节因子2（silent information regulator 2，Sirt2）属于 NAD 依赖的去乙酰化家族，对细胞内环境的代谢改变做出反应，包括营养/能量的改变、应力刺激。近年发现的沉默信息调节因子2相关酶1（silent information regulator 2-related enzymes 1，Sirt1）以 NAD 依赖的方式结合FoxO1，促进FoxO1去乙酰作用，通过调节特定的靶基因与DNA结合，增加FoxO1的转录活性[19]。Li等[20]发现，Sirt信号通路增加FoxO1去乙酰化作用，促进FoxO1核转位，诱导细胞自噬而减轻心肌肥厚。

2.3 泛素化 泛素化在调节FoxO1活性中扮演着双重角色。泛素-蛋白酶体途径参与了FoxO1的降解。其中泛素E3蛋白连接酶被证实为FoxO1泛素化所必需[21]，其可导致FoxO1降解，而 FoxO1与蛋白酶体抑制剂结合可以阻止这种降解并提高FoxO1表达。细胞周期S期激酶相关蛋白2（S-phase kinase associated protein 2，Skp2）在各种癌症中表达水平普遍升高，其可以识别Ser256位点磷酸化的FoxO1，并通过多聚泛素化降解FoxO1[22]。除了多聚泛素化在蛋白质降解这种典型的作用，单一的泛素化可增加细胞核内的FoxO1从而介导其转录活性[23]。

2.4 与其他蛋白相互作用 FoxO1能与β-连环蛋白及其他转录蛋白相互作用[24]。FoxO1与β-连环蛋白结合时，β-连环蛋白将不能与下游T细胞因子相结合，发挥抑制T细胞因活性的作用[25]。Fox－O1的活性还取决于其他转录因子及活化因子在特定细胞类型中的表达，其在没有直接结合DNA时也可以调节靶基因的表达，比如过表达缺乏DNA结合活性的FoxO1突变体仍能够调节靶基因表达，从而表明FoxO1可能通过与其他转录因子的相互作用来调节下游的靶基因。

3 FoxO1与心血管疾病

FoxO1广泛表达于哺乳动物细胞中，在体内代谢平衡的调节、氧化应激和细胞分化、增殖和自噬中发挥关键作用。FoxO1参与调节心肌细胞增殖、凋亡和自噬，对维持心血管系统的生理功能有重要作用[26]。炎症、缺血和代谢异常等病理状态往往伴随着FoxO1的表达异常。而近年来FoxO1在心血管疾病中的研究集中于炎症和代谢方面，许多心血管疾病（动脉粥样硬化、肺动脉高压、糖尿病心肌病等）都与FoxO1的活性有关。

3.1 FoxO1与动脉粥样硬化 FoxO1可以促进低密度脂蛋白氧化、内皮型一氧化氮合酶（eNOS）功能障碍、血管平滑肌细胞的增殖和迁移等动脉粥样硬化的病理生理过程。FoxO1促进诱导型一氧化氮合酶（iNOS）依赖的一氧化氮-过氧亚硝基的生成，导致低密度脂蛋白氧化以及eNOS功能障碍[27]。Menghini等[28]报道，FoxO1的翻译后修饰增加内皮细胞的不对称二甲基精氨酸水平，并证实不稳定的动脉粥样硬化患者斑块中的FoxO1水平明显增高，FoxO1/DDAH1/ADMA通路可以作为不稳定动脉粥样硬化的生物标志。其机制为内皮细胞氧化应激信号激活FoxO1，促进iNOS依赖的一氧化氮-过氧亚硝基的生成，增加脂质过氧化反应，干扰eNOS的二聚作用，导致eNOS功能障碍，而eNOS解聚是促进动脉粥样硬化斑块形成的关键[29]。

3.2 FoxO1与肺动脉高压（PAH） 很多研究显示，PAH肺血管存在以巨噬细胞、树突状细胞、T细胞、B细胞及肥大细胞浸润为主的不同程度的慢性炎症。FoxO1在免疫系统中广泛表达，在促进T细胞静止及外周免疫耐受中起重要作用[30]。Savai等[31]的研究表明，FoxO1连同其靶基因水平在PAH肺小动脉血管中层的表达降低，PAH发生机制中重要的信号分子如血小板源性生长因子-BB、胰岛素生长因子-1、白介素-6及肿瘤坏死因子-α可以增加FoxO1的磷酸化，促使其核移位及降解。FoxO1的抑制剂AS1842856在离体实验中发现可促进肺动脉平滑肌细胞（PASMCs）增殖，PASMC特异性FoxO1基因消融小鼠发生自发性PAH。相反，通过突变磷酸化位点构建持续激活的腺病毒结构（Ad-FoxO1-AAA）激活FoxO1，可以抑制PAH中PASMCs的增殖、迁移及诱导细胞凋亡。用Ad-FoxO1-AAA基因治疗可以逆转野百合碱诱导的PAH大鼠模型，降低右室收缩压，减轻右室肥厚及血管重构。其研究证实FoxO1在PAH中起保护性作用，而机制可能与激活FoxO1对T、B细胞功能的抑制可下调炎症和免疫、通过抑制钙调磷酸酶/NFATc2通路抑制心室重构有关。

3.3 FoxO1与糖尿病心肌病 糖尿病心肌病是糖尿病独立于冠心病和高血压发生的心肌结构及功能的改变。在这个过程中，葡萄糖和脂质代谢紊乱触发一系列的心脏改变，最终发展为心室舒张和收缩功能障碍。糖尿病心肌细胞最显著的特点是胰岛素信号受损、蛋白激酶Akt减少，影响其下游如上调FoxO1水平，引起细胞凋亡。Tanaka等[32]证实，在糖尿病大鼠心脏中，FoxO1通过介导iNOS的生成，通过硝化/亚硝基化改变蛋白质活性，并诱导依赖或非依赖caspase酶的细胞凋亡。FoxO1在心脏中参与如代谢适应、内皮功能障碍、炎症和细胞凋亡的反应可能促进糖尿病心肌病的发生。Battiprolu等[33]的研究发现，高脂喂养的FoxO1基因敲除大鼠较对照组大鼠左室功能得到改善，且没有出现心肌肥厚。

4 结语

FoxO1转录因子参与多种细胞功能包括增殖、凋亡、压力抵抗、炎症迁移及代谢，在多种疾病模型中得到证实。机体通过磷酸化、乙酰化、泛素化及多种蛋白之间的相互作用调节FoxO1的活性，参与了心血管疾病的病理生理过程。某些心血管疾病如动脉粥样硬化、糖尿病或糖尿病并发症受益于抑制FoxO1，敲除FoxO1有积极的影响。然而，FoxO1也有保护作用，如在胚胎发育、细胞分化、肺动脉高压中发挥有益作用。FoxO1激动剂可能被用来防止干细胞凋亡从而预防衰老。FoxO1参与心血管疾病发生发展的具体机制仍未完全阐明，进一步的研究证实将为心血管疾病的治疗提供新的思路。

［1］Burgering BM.A brief introduction to FoxOlogy.Oncogene，2008，27：2258-2262.

［2］Puthanveetil P，Wan A，Rodrigues B.FoxO1 is crucial for sustaining cardiomyocyte metabolism and cell survival.Cardiovasc Res，2013，97：393-403.

［3］Xin Z，Ma Z，Jiang S，et al.FoxOs in the impaired heart：New therapeutic targets for cardiac diseases.Biochim Biophys Acta，2017，1863：486-498.

［4］Liang R，Rimmelé P，Bigarella CL，et al.Evidence for AKT-independent regulation of FoxO1 and FoxO3 in haematopoietic stem and progenitor cells.Cell Cycle，2016，15：861-867.

［5］Brent MM，Anand R，Marmorstein R.Structural basis for DNA recognition by FoxO1 and its regulation by posttranslational modification.Structure，2008，16：1407-1416.

［6］Puthanveetil P，Wang Y，Zhang D，et al.Cardiac triglyceride accumulation following acute lipid excess occurs through activation of a FoxO1-iNOS-CD36 pathway.Free Radic Biol Med，2011，51：352-363.

［7］Wang Y，Zhou Y，Graves DT.FOXO transcription factors：their clinical significance and regulation.Biomed Res Int，2014，2014：925350.

［8］Boccitto M，Kalb RG.Regulation of FoxO-dependent transcription by post-translational modifications.Curr Drug Targets，2011，12：1303-1310.

［9］Tzivion G，Dobson M，Ramakrishnan G.FoxO transcription factors；Regulation by AKT and 14-3-3 proteins.Biochim Biophys Acta，2011，1813：1938-1945.

［10］Zhao X，Gan L，Pan H，et al.Multiple elements regulate nuclear/cytoplasmic shuttling ofFoxO1：characterization of phosphorylation-and 14-3-3-dependent and-independent mechanisms.Biochem J，2004，378：839-849.

［11］Kishino A，Hayashi K，Hidai C，et al.XBP1-FoxO1 interaction regulates ER stress-induced autophagy in auditory cells.Sci Rep，2017，7：4442.

［12］Engelman JA.Targeting PI3K signalling in cancer：opportuni－ties，challenges and limitations.Nat Rev Cancer，2009，9：550-562.

［13］Yu Z，Ju Y，Liu H.Anti-lung cancer effect of glucosamine by suppressingthephosphorylationofFOXO.MolMed Rep，2017，16：3395-3400.

［14］Potente M，Urbich C，Sasaki K，et al.Involvement of FoxO transcription factors in angiogenesis and postnatal neovascularization.J Clin Invest，2005，115：2382-2392.

［15］Battiprolu PK，Hojayev B，Jiang N，et al.Metabolic stress-induced activation of FoxO1 triggers diabetic cardiomyopathy in mice.J Clin Invest，2012，122：1109-1118.

［16］Banks AS，Kim-Muller JY，Mastracci TL，et al.Dissociation of the glucose and lipid regulatory functions of FoxO1 by targeted knockin of acetylation-defective alleles in mice.Cell Metab，2011，14：587-597.

［17］Lalmansingh AS，Karmakar S，Jin Y，et al.Multiple modes of chromatin remodeling by Forkhead box proteins.Biochim Biophys Acta，2012，1819：707-715.

［18］Kim DH，Kim JM，Lee EK，et al.Modulation of FoxO1 phosphorylation/acetylation by baicalin during aging.J Nutr Biochem，2012，23：1277-1284.

［19］Frescas D，Valenti L，Accili D.Nuclear trapping of the forkhead transcription factor FoxO1 via Sirt-dependent deacetylation promotesexpression ofglucogenetic genes.J BiolChem，2005，280：20589-20595.

［20］Li J，Chen T，Xiao M，et al.Mouse Sirt3 promotes autophagy in AngII-induced myocardial hypertrophy through the deacetylation of FoxO1.Oncotarget，2016，7：86648-86659.

［21］Fu W，Ma Q，Chen L，et al.MDM2 acts downstream of p53 as an E3 ligase to promote FoxO ubiquitination and degradation.J Biol Chem，2009，284：13987-14000.

［22］Huang H，Regan KM，Wang F，et al.Skp2 inhibits FoxO1 in tumor suppression through ubiquitin-mediated degradation.Proc Natl Acad Sci U S A，2005，102：1649-1654.

［23］Huang H，Tindall DJ.Regulation of FoxO protein stability via ubiquitination and proteasome degradation.Biochim Biophys Acta，2011，1813：1961-1964.

［24］Daitoku H，Sakamaki J，Fukamizu A.Regulation of FoxO transcription factors by acetylation and protein-protein interactions.Biochim Biophys Acta，2011，1813：1954-1960.

［25］Guan H，Tan P，Xie L，et al.FoxO1 inhibits osteosarcoma oncogenesis via Wnt/β-catenin pathway suppression.Oncogenesis，2015，4：e166.

［26］Puthanveetil P，Wan A，Rodrigues B.FoxO1 is crucial for sustaining cardiomyocyte metabolism and cell survival.Cardiovasc Res，2013，97：393-403.

［27］Tanaka J，Qiang L，Banks AS，et al.FoxO1 links hyperglycemia to LDL oxidation and endothelial nitric oxide synthase dysfunction in vascular endothelial cells.Diabetes，2009，58：2344-2354.

［28］Menghini R，Casagrande V，Cardellini M，et al.FoxO1 regulates asymmetric dimethylarginine via downregulation of dimethylaminohydrolase 1 in human endothelial cells and subjects with atherosclerosis.Atherosclerosis，2015，242：230-235.

［29］Li XC，Gu V，Miguel-Qin E，et al.Role of caveolin 1 in AT1a receptor-mediated uptake of angiotensin Ⅱ in the proximaltubuleofthekidney.Am JPhysiolRenalPhysiol，2014，307：F949-961.

［30］Rabinovitch M，Guignabert C，Humbert M，et al.Inflammation and immunity in the pathogenesis of pulmonary arterial hypertension.Circ Res，2014，115：165-175.

［31］Savai R，Al-Tamari HM，Sedding D，et al.Pro-proliferative and inflammatory signaling converge on FoxO1 transcription factor in pulmonary hypertension.Nat Med，2014，20：1289-1300.

［32］Tanaka J，Qiang L，Banks AS，et al.FoxO1 links hyperglycemia to LDL oxidation and endothelial nitric oxide synthase dysfunction in vascular endothelial cells.Diabetes，2009，58：2344-2354.

［33］Battiprolu PK，Hojayev B，Jiang N，et al.Metabolic stress-induced activation of FoxO1 triggers diabetic cardiomyopathy in mice.J Clin Invest，2012，122：1109-1118.