FOXOs转录因子在心脏疾病治疗中的研究进展

李晓霞，吕俊利，张春莹，郭会彩

(河北医科大学卫生毒理学教研室，河北省环境与人群健康重点实验室，河北 石家庄 050017)

叉头框家族(forkhead box,FOX)分为19组(FOXA～FOXS)。FOX 蛋白具有1个高度保守的由110个氨基酸组成的DNA结构域，即Forkhead结构域。该结构域由3个α螺旋、3个β折叠、1个环状结构和C末端组成。FOXO属于插头框家族的O亚科，FOXO1和FOXO3是FOXO家族中最大的、最重要的细胞活动转录调节因子。在哺乳动物中，FOXO家族有4个成员：FOXO1/FKHR/FOXO1A、FOXO3/FKHRL1/FOXO3a、FOXO4/AFX和FOXO6。FOXO1高表达于脂肪组织、心、脾、脑，FOXO3主要表达于骨骼肌、心肌、神经元，FOXO4高表达于心肌，FOXO6仅表达在脑的特定区域。FOXOs的活性受多种方式调节，翻译后通过FOXOs的磷酸化、乙酰化、泛素化等作用，改变FOXOs的蛋白水平、细胞定位、DNA结合活性和转录活性，从而调控FOXOs作用的发挥。同时也影响细胞核和细胞质中的结构定位。FOXOs作为心肌细胞重要的转录因子，在细胞信号转导的过程中发挥重要作用。FOXOs转录因子的作用复杂，在心肌细胞中主要参与细胞的抗氧化应激、细胞的代谢、细胞凋亡、细胞自噬、线粒体调节，以及参与炎症反应，影响心肌梗死后的发展。目前，FOXO1、FOXO3作为心脏疾病治疗的靶点受到了极大的关注[1]。在FOXO家族的4个成员中，FOXO3是FOXOs在心脏中表达最丰富的亚型。同时，FOXO3是心脏疾病治疗最重要的潜在靶点。

1 FOXO1

FOXO1在心脏和血管的生成调控中发挥着重要的作用。在心脏中，FOXO1主要参与肌细胞在各种应力条件下，如代谢紊乱、氧化应激等复杂的网络调控，有助于心肌细胞的存活，并且维持心肌的正常功能。

1.1FOXO1在心肌肥厚中的作用FOXO1具有对抗心肌肥大的作用，其中包括增强细胞自噬、促进细胞周期负调节因子的激活、影响心肌细胞的信号传导等对心脏起到保护作用。FOXO1的表达促进细胞周期负调节因子p21(CIP1)和p27(KIP1)激活，这些调节因子可以抑制心肌肥厚，阻止心肌细胞过度增殖导致的心力衰竭[2]。

1.2FOXO1在缺血性心脏病中的作用FOXO1可以对抗缺血性心肌病。FOXO1参与抗氧化应激酶的调节从而对抗心肌细胞缺血导致的氧化应激，如锰超氧化物歧化酶(Mn-SOD)、过氧化氢酶(catalase，CAT)及Prx3，这些抗氧化应激酶参与细胞内活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)的清除[3]。心肌纤维化损害心脏的功能，并导致心肌缺血。转化生长因子β1(transforming growth factor β1，TGF-β1)在心肌细胞纤维化的过程起到重要作用。Vivar等[4]的研究表明，FOXO1通过调节TGF-β1影响分化，表明FOXO1可以对抗心肌细胞纤维化，为心脏纤维化疾病治疗提供一个新的研究方向。

2 FOXO3

2.1FOXO3在心肌肥厚中的作用FOXO3具有抑制或逆转心肌肥厚的作用。心肌肥大病理改变的特点是心肌细胞体积的增大。FOXO3通过促进心肌细胞的自噬，降低细胞内ROS的水平，调控线粒体的分裂和自噬等作用抑制心肌肥厚。

2.1.1对抗氧化应激途径 胰岛素通过诱导ROS的产生，促进心肌细胞肥大，FOXO3促进抗氧化基因的表达，降低ROS水平，进一步抑制心肌细胞肥大[5]。同时，ROS减少抑制Ras的激活，抑制丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)/ERK、PI3K/Akt及其下游通路的表达，从而抑制参与心肌肥厚转录和翻译因子的活性[6]。

2.1.2诱导自噬途径 FOXO3通过抑制心肌细胞的增大，促进心肌细胞的自噬来维持心肌细胞的大小[7]。在心肌肥厚的过程中，活化T细胞钙调神经磷酸酶/核因子(calcineurin/nuclear factor of activation T cell，NFAT)信号通路介导心肌细胞生长[8]。Li等[9]的研究证明，FOXO3诱导的E3泛素连接酶Atrogin-1的表达，促进钙调神经磷酸酶(NFAT)水解，导致钙调神经磷酸酶(NFAT)水解活性明显降低，其下游的基因调节钙结合蛋白外显子4亚型(modulatory calcineurin interacting protein, exon 4 isoform，MCIP1.4)表达降低，从而进一步抑制肥大心肌细胞的生长[10]。Skurk等[11]研究了心肌肥大模型后发现，FOXO3增强Atrogin-1表达，并诱导小鼠心肌细胞恢复正常大小。此外，FOXO3结合P21启动子并介导P21基因的转录。激活的p21能够抑制血管紧张Ⅱ、刺激心肌间质纤维化、促进心肌细胞凋亡，有助于抑制心肌细胞肥大[12]。LC3有LC3-Ⅰ和 LC3-Ⅱ两种形式，分别定位于前自噬体和自噬体膜表面，微管相关蛋白1轻链3 Ⅱ(LC3-Ⅱ)是自噬体必不可少的，LC3-Ⅱ的数量和自噬体的形成程度有关。在缺氧时，FOXO3明显诱导LC3-Ⅱ的表达。通过siRNA敲除FOXO3后，细胞自噬囊泡的形成明显降低，LC3-Ⅰ/LC3-Ⅱ的转化率下调。表明FOXO3可以明显诱导肥大心肌细胞的自噬(Fig 1)。此外，BNIP3和LC3-Ⅱ有相同的功能，在许多不同类型的细胞中如心肌细胞，均具有强效的自噬诱导功能。

Fig 1 FOXO3 inhibits myocardial cell growth andpromotes autophagy and atrophy of cardiomyocytes

2.2FOXO3与缺血性心脏病FOXO3通过对细胞内信号通路的精确调控，能够更好地维持线粒体功能，并且减轻心肌缺血性损伤。

2.2.1FOXO3对抗心肌氧化应激 心肌缺血后/再灌注会产生严重的氧化应激反应，使心肌损伤程度加重，甚至出现梗死面积扩大等不可逆损伤。FOXO3可以降低心肌缺血后损伤。Wang等[13]的研究证明，在心肌缺血的情况下，AMP依赖的蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK)的活化促进p38 MAPK磷酸化。同时，p38 MAPK通路对AMPK转运葡萄糖的激活有促进作用。在心肌缺血的情况下，AMPK通过磷酸化增强FOXO3的转录活性，从而增强对糖代谢和氧化应激的调节，有利于心肌细胞的生存。在动物年龄依赖氧化应激应答的模型中证明，在心脏、脂肪细胞中，上调FOXO3的表达能够激活抗氧化应激系统。同时，Guan等[14]的研究也证明，CD38的缺乏能够激活SIRT1/FOXOs介导的抗氧化应激通路，从而保护心脏的缺血/再灌注损伤。

2.2.2FOXO3在心肌细胞线粒体中的作用 线粒体为心肌细胞提供大量的能量，心肌细胞富含丰富的线粒体。线粒体在缺血相关的心肌损伤中起着至关重要的作用。最近的研究证明，FOXO3对线粒体分裂和线粒体的自噬具有调节作用[15]。PINK-1线粒体靶向丝氨酸/苏氨酸激酶(PTEN-induced putative kinase，PINK1)基因参与线粒体分裂/融合机制。PINK-1在线粒体自噬过程中起关键作用，Parkin 和PINK-1共同作用促进心肌细胞的自噬[16]。FOXO3激活PINK-1/Parkin 通路，增强线粒体分裂和自噬对心肌产生保护作用[17]。然而，线粒体融合和分裂异常是细胞凋亡和许多疾病的发病原因之一。例如，Bcl-2相关蛋白激活，导致线粒体过度分裂及细胞色素C释放，促进细胞凋亡。在凋亡期间，Fis1参与线粒体分裂，以及上调凋亡蛋白表达。FOXO3激活miR-484，进一步抑制 Fis1的翻译，减少异常线粒体的分裂，从而减少心肌梗死面积[18]。

线粒体和细胞质内钙的动态平衡均是由FOXO3调节，FOXO3能够促进其下游凋亡抑制蛋白(apoptosis repressor with caspase recruitment domain，ARC)的表达[19]，降低肌浆网钙离子的释放，抑制氧化应激引起的心肌细胞质及线粒体内钙的升高(Fig 2)。与此同时，FOXO3基因敲除小鼠在缺血/再灌注损伤后，表现出心肌梗死面积扩大，这提示FOXO3在心肌梗死后钙稳态中有非常重要的作用。

Fig 2 FOXO3 maintains calcium homeostasisin sarcoplasmic reticulum and mitochondria,and enhances mitochondrial division and autophagy

3 FOXO4

目前对于FOXO4的研究较少。FOXO4是FOXOs中唯一一个被晚期糖基化终产物激活，并且介导细胞凋亡的转录因子[20]。FOXO4主要作用是降低心血管系统内的炎症反应，对抗心血管疾病。内皮NO是由一种心血管系统必需酶——内皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase，eNOS)产生的，能够降低炎症因子和减少表面黏附分子的表达，从而减弱白细胞黏附到血管内皮细胞及血管壁上。在心肌缺血的过程中，FOXO4上调NO的产生，抑制中性粒细胞聚集以及某些细胞因子的表达，从而减少心肌梗死面积，明显改善心肌梗死后心脏功能。

4 FOXOs作为心脏细胞再生的潜在治疗靶点

FOXO1和FOXO3能够促进心肌细胞的凋亡，抑制FOXO1及FOXO3的表达，有助于心肌细胞的再生。FOXO3参与心脏细胞的再生，包括干细胞治疗、心脏增殖和抑制心肌纤维化。间充质干细胞通过旁分泌参与心脏的修复，改善心脏微环境，FOXO3的失活促进梗死后心肌移植骨髓间充质干细胞的再生，增强对心肌梗死的保护作用[21]。成纤维生长因子10(fibroblast growth factor 10,FGF10)通过抑制FOXO3相关的下游信号通路，促进心肌细胞增殖。YAP是Hippo通路的一个末端感受器，能够调节器官的大小和肿瘤的发生，在心肌细胞中也具有强大的活性。YAP作为FOXO1的转录辅助因子，参与抑制氧化应激。YAP活化能够刺激心肌细胞的增殖，增强心肌的再生 。FOXO3和Hippo之间有一定的相关性，FOXO3负向调节YAP，FOXO3可以通过Hippo/YAP通路影响心肌细胞的再生[22]。

与此相反的是，FOXOs的激活在心脏疾病中的治疗也起到积极作用。近几年的研究也显示，FOXO1/3可以阻止心肌细胞的纤维化[23]。这提示FOXOs可能在心脏疾病的前期起到了保护心肌的功能，而在心脏疾病的后期加速了心脏疾病的发展。

5 FOXOs的负面作用

FOXOs对心肌的损伤作用目前已经受到关注，它可能会介导心肌的损伤，导致心血管动脉粥样硬化，也可能促进肿瘤的发展。

PGC-1的过表达增强了iNOS和eNOS的表达，产生NO，并增强抗氧化酶包括超氧化物歧化酶(SOD1、SOD2、SOD3)和过氧化氢酶的表达，从而降低氧化应激。Geng等[24]的研究表明，在慢性心力衰竭模型中，PGC-1通过增强NO依赖性抗氧化剂、减少氧化应激等作用，抑制FOXOs的信号转导，从而保护心肌细胞。这说明了FOXOs在一定程度可能会对心肌细胞产生损伤。

Elmadhun等[25]的研究显示，二甲双胍降低FOXO3表达，从而抑制心肌肥大，这可能是二甲双胍抑制缺血心肌细胞的凋亡，保护心肌的一种机制。提示FOXO3可以通过诱导心肌细胞的凋亡对心肌组织产生不利影响。

6 展望

研究表明，FOXOs在心脏疾病中发挥着重要的作用，如缺血/再灌注损伤、心肌肥厚、心衰等。FOXOs在细胞中的精密调节功能为临床将来开发特定、有效的心脏保护疗法提供重要的依据。FOXOs家族作为心血管疾病治疗的关键靶点，已经受到了极大地关注。目前，FOXOs保护心脏组织的机制非常复杂、多样，对FOXOs的研究并未形成完整的系统，其副作用也受到的人们的关注。如何系统、有效地将FOXOs应用于心脏疾病的治疗，仍然需要更加深入的研究。