转录因子FoxO1在糖脂代谢及肥胖症中的研究进展

耿丽莎，何军华

(山西医科大学第二医院内分泌科，太原 030001)

近年来，随着社会经济高速发展及人们生活方式的改变，高血糖、高血压、高脂血症、肥胖症、代谢综合征等慢性代谢性疾病的发病率逐年升高，且呈年轻化趋势。慢性代谢性疾病是心脑血管等疾病的病理基础，心脑血管等疾病又将导致死亡率增加，严重威胁人类身体健康。因此，尽早识别并干预这类疾病至关重要。代谢性疾病的发生在一定程度上与细胞的增殖、凋亡、自噬、氧化应激密切相关[1]。转录因子作为控制基因表达的一类蛋白质分子，能够通过控制调节靶基因的表达对机体细胞的增殖、分化、代谢、凋亡产生影响。叉头框转录因子O1(forkhead box O1，FoxO1)作为人体重要的转录因子，可通过转录、翻译、编码对细胞的新陈代谢产生影响[2]。FoxO1活性的高低受靶基因表达水平、转录后修饰、蛋白质的稳定及相互作用等影响，其中，转录后的各种修饰对FoxO1活性的影响最大。研究表明，多种信号转导途径可调节高糖、高脂等应激条件下FoxO1活性，随后的转录后修饰(包括磷酸化、泛素化、乙酰化、甲基化)可激活或抑制FoxO1活性[3]。而长期的FoxO1活性失衡可导致高血糖或高血压、高脂血形成，是造成慢性代谢性疾病发生的根本原因之一[4]。现就FoxO1的组织学特征与活性调控及其与糖尿病、高脂血症、肥胖等代谢性疾病的关系予以综述。

1 FoxO1概述

1.1FoxO1转录因子组织学特征 Fox家族于1989年被首次提出，是与DNA结合的保守结构域，其中“O”亚群包括4个成员：FoxO1、FoxO3、FoxO4及FoxO6[5]，FoxO1基因位点为第13号染色体，编码655个氨基酸，翻译成FoxO1蛋白，其蛋白包含核定位信号域、核输出信号、反激活域和叉头域4个功能域，其中叉头域是主要的功能域[6]。该转录因子普遍存在于无脊椎动物及哺乳动物中，广泛表达于心、肝、脑、肺、肾、胰腺、骨骼肌、脂肪、胎盘等器官组织[7]，主要通过蛋白质间相互作用及磷酸化、乙酰化、泛素化、甲基化[8]等多种修饰方法调节亚细胞定位，从而调控下游分子通路，在机体细胞增殖、凋亡、分化等方面有重要作用，但具体机制有待进一步研究。

1.2FoxO1转录因子转录活性 FoxO1转录因子的生物学活性主要由乙酰化、磷酸化、泛素化3种方式修饰调节[8-9]。乙酰化主要发生在3个赖氨酸残基上(Lys242、Lys245和Lys262)，并由组蛋白乙酰转移酶促进，导致与DNA结合活性降低，同时增强FoxO1的磷酸化，从而降低FoxO1下游信号转导。相反，FoxO1去乙酰化可以促进FoxO1的转录和加速FoxO1降解，促进FoxO1入核，增强FoxO1活性[9]。此外，胰岛素与胰岛素受体结合激活酪氨酸蛋白酶活性，胰岛素底物受体磷酸化，将信号转导至蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)，通过激活Akt上的3个磷酸化位点[分别位于丝氨酸残基(Ser153、Ser276)和苏氨酸残基(Thr182)]使FoxO1磷酸化，降低与DNA的亲和力，增强与14-3-3蛋白的结合力，促进FoxO1由细胞核转移至细胞质，从而下调FoxO1的核转录活性，阻断胰岛素/胰岛素样生长因子1(insulin-like growth factor-1，IGF-1)通路，促进胰岛细胞增殖[10]。

2 FoxO1与糖尿病

糖尿病是由于胰岛素分泌和(或)作用缺陷引起，以血糖升高为主的代谢性疾病，严重危害人类健康，其主要的发病机制是胰岛β细胞功能受损及胰岛素抵抗[11]。FoxO1作为胰岛素/IGF-1信号通路中最重要的转录效应因子，是磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K)/Akt的直接下游因子，在β细胞的增殖、凋亡、去分化及胰岛素抵抗中发挥重要作用[9-10]。

2.1FoxO1参与胰岛β细胞凋亡 糖脂毒性及氧化应激是导致胰岛β细胞凋亡的重要因素。FoxO1是调节胰岛β细胞增殖、凋亡重要的转录因子，广泛分布于糖脂代谢的重要器官，如胰岛、肝脏、肌肉、脂肪等。研究发现，2型糖尿病患者胰岛中FoxO1的信使mRNA含量明显高于非2型糖尿病患者，FoxO1表达增加可能会加速胰岛β细胞衰竭[12]。另有研究发现，FoxO1过表达可激活活性氧类产生进而诱导线粒体功能障碍，导致细胞凋亡，给予维生素D干预后出现FoxO1基因“沉默”现象，该现象可使β细胞凋亡率降低，表明FoxO1是参与β细胞凋亡的重要转录因子[13]。Ding等[14]研究发现，FoxO1可通过炎症、氧化应激作用参与β细胞凋亡。研究显示，胰高血糖素样肽-1作为新型降糖手段，其机制与FoxO1相关，可改善2型糖尿病患者的胰岛β细胞功能，抑制其凋亡[15]。Shao等[16]研究发现长效的胰高血糖素样肽-1受体激动剂利拉鲁肽可通过PI3K/Akt/FoxO1途径抑制FoxO1活性，下调促凋亡因子表达以及上调成熟β细胞标志物的表达，进而减少β细胞凋亡并改善β细胞增殖。另外，在2型糖尿病小鼠模型中，miR-96过表达可促进胰岛β细胞的增殖能力并抑制其凋亡，这一过程是通过靶向Foxo1实现的[17]。由此可见，FoxO1作为胰岛素信号转导通路中至关重要的转录因子，对胰岛β细胞主要起负性调节作用，降低FoxO1可抑制胰岛β细胞凋亡，改善β细胞功能。

2.2FoxO1参与胰岛β细胞去分化 胰岛β细胞去分化是指正常β细胞基因表达和结构功能蛋白发生了变化，β细胞失去了成熟细胞的表型特征，去分化为内分泌祖细胞，去分化的胰岛β细胞在一定条件下再分化为成熟β细胞，合成和分泌有效降糖的胰岛素。一项尸检研究发现，2型糖尿病患者胰岛β细胞数量减少，但对比胰腺功能减退程度，细胞凋亡不是β细胞功能障碍的唯一机制[18]。人胚胎胰腺祖细胞在胰十二指肠同源框因子-1和神经元素3等转录因子诱导下形成前α细胞，继而分别分化为成熟的α和β细胞并维持自身特性，在糖脂毒性、慢性炎症等代谢应激下这些转录因子活性降低，最终导致β细胞功能丧失[19]。近年来FoxO1作为中间枢纽，将糖代谢障碍与胰岛β细胞去分化联系起来。Talchai等[20]用谱系追踪法敲除FoxO1衰老的雄性小鼠和多胎雌性小鼠，发现β细胞并未死亡，其特异性β细胞标志物胰十二指肠同源框因子-1、NK6同源框蛋白1等表达下降,而神经元素3、八聚体结合转录因子4、胚胎干细胞蛋白等内分泌祖细胞标志物表达升高，β细胞发生去分化，且这些去分化的β细胞具有向α、β、δ细胞多向分化的能力。研究发现，FoxO1缺失的β细胞在代谢应激的作用下同样会出现嗜铬粒蛋白、神经元素3、八聚体结合转录因子4、胚胎干细胞蛋白及肺癌相关蛋白抗体等内分泌祖细胞和骨髓间充质细胞标志物明显增多，胰十二指肠同源框因子-1、肌腱膜纤维肉瘤癌基因同系物A、NK6同源框蛋白1等成熟细胞特异性标志物表达明显降低[21]。从以上结论中发现，FoxO1是阻止β细胞发生去分化的重要因子。此外，在突变小鼠中FoxO1还可以通过影响β细胞的能量代谢而引起去分化，一些影响物质代谢的因子可以降低脂质利用率，增加碳水化合物反应元件结合蛋白，促进葡萄糖氧化[22]。另外，在2型糖尿病患者中同样发现了胰岛β细胞去分化现象,并在去分化的β细胞中发现引起FoxO1 mRNA水平和磷酸化FoxO1蛋白表达明显降低，提示β细胞去分化可能与高糖环境抑制FoxO1磷酸化水平有关[23]。有研究发现，给予2型糖尿病初期患者注射胰岛素可恢复部分胰岛功能[24]。因此，胰岛β细胞去分化的主要原因可能是在高糖环境下胰岛β细胞的应激反应。研究β细胞去分化的机制进而减弱或消除高糖应力下胰岛β细胞去分化，可为糖尿病的治疗提供新思路，其中，FoxO1转录因子在去分化过程中扮演重要角色，靶向FoxO1转录因子将会成为治疗2型糖尿病的关键。

2.3FoxO1参与胰岛素抵抗 胰岛素抵抗的特征是肥胖症和2型糖尿病患者外周组织对胰岛素敏感性降低，导致葡萄糖利用减少，且糖异生及糖原分解增强。为了克服胰岛素抵抗，β细胞会代偿性合成和分泌大量胰岛素，维持血糖平稳，其中FoxO1是关键转录因子[25]。长期禁食状态下，肝糖异生是维持血糖稳态的重要途径，也是空腹血糖升高的主要因素[26]。磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(phosphoenolpyruvate carboxykinase,PEPCK)、葡萄糖-6-磷酸激酶(glucose-6-phosphatase,G6Pase)是肝脏糖异生的关键酶，研究证实，FoxO1与糖异生密切相关，并可改善胰岛素抵抗，其中转化生长因子-β1/Smad3信号可激活蛋白磷酸酶2A活性，进而通过AMP活化蛋白激酶和FoxO1蛋白的去磷酸化，促进FoxO1核易位，PEPCK、G6Pase等糖异生相关基因表达上调，促进肝细胞中葡萄糖的产生。相反，转化生长因子-β1/Smad3信号可以维持FoxO1的磷酸化形式，抑制糖异生并增强胰岛素敏感性[27]。此外，胰高血糖素与胰高血糖素受体(一种G蛋白偶联受体)结合，激活腺苷酸环化酶/蛋白激酶A通路，蛋白激酶A通过调节糖原磷酸化酶、G6Pase和PEPCK升高血糖[28]。有研究分别给予肝特异性FoxO1基因敲除小鼠(L-F1KO)和对照组小鼠注射胰高血糖素，结果显示，L-F1KO小鼠的血糖升高水平较对照组明显降低,表明肝FoxO1在血糖的动态平衡及胰岛素抵抗中起重要作用，其作用机制可能与敲除FoxO1基因，进而抑制G6Pase、PEPCK活性，导致糖异生作用减弱有关[29]。

3 FoxO1与脂质代谢

不健康的生活习惯同样会造成脂质代谢异常，脂代谢紊乱与糖代谢紊乱相互作用，扰乱人体基础代谢，会引发高脂血症及脂质代谢相关疾病，是心肌梗死、脑梗死的重要危险因素。过氧化物酶体增殖物激活受体α(peroxisome proliferator activates receptor α，PPARα)和CCAAT/增强子结合蛋白α(CCAAT /enhancer-binding proteins α，C/EBP-α)被认为是脂肪形成的两个转录因子。黄酮类植物可通过抑制PI3K/Akt/FoxO1通路降低PPARγ和C/EBP-α基因的表达，抑制脂肪形成[30]。Zhang等[31]在非酒精性脂肪性肝病小鼠模型中发现肝脏沉默信息调节因子1通过PPARα/FoxO1信号转导途径调节三酰甘油的合成，应用FoxO1抑制剂(AS1842856)可抑制三酰甘油的合成，进一步抑制非酒精性脂肪性肝病。沉默信息调节因子1是FoxO1信号转导通路的上游效应分子，是脂质代谢途径中最重要的基因。在慢性应激作用下，糖皮质激素可通过激活FoxO1，增加肝脏内游离脂肪酸转运及合成，促进小鼠肝脏脂质沉积，应用FoxO1活性抑制剂可显著降低应激状态下小鼠的脂质沉积[32]。此外，在36型腺病毒感染的肥胖大鼠模型中，PI3K/Akt/FoxO1/PPARγ信号通路的激活可促进脂肪酸和三酰甘油的合成，但在应用PI3K抑制剂后磷酸化Akt、磷酸化FoxO1和PPARγ2的表达降低，从而抑制脂质形成[33]。综上所述，FoxO1可通过降低PPAR-γ和(或)C/EBP-α基因表达水平而抑制脂肪形成，调控FoxO1或其上下游靶基因可显著改善脂质代谢紊乱。

4 FoxO1与肥胖症

肥胖症的主要特征是患者体内脂肪(尤其是三酰甘油)积聚过多，体重超重。肥胖症是由遗传因素、环境因素、肠道菌群失调、炎症、内分泌调节异常等多种原因相互作用引起的一种慢性代谢性疾病。肥胖症是引起高血压、高血脂的重要因素，世界范围内发病率升高速度最快，以腹型肥胖最为多见。近年来有实验表明，FoxO1转录因子与肥胖症的发生密切相关，该转录因子可通过自噬过程调节脂肪形成[34]。人体脂肪分为白色脂肪(储存热量)和棕色脂肪(分解白色脂肪)，阻断FoxO1可抑制白色脂肪的产生，同时还会增加棕色脂肪生成。与非肥胖的肝癌患者和健康人相比，肥胖的肝癌患者miR-27a水平显著升高，脂肪组织分泌的miR-27a可通过下调FoxO1 mRNA及蛋白表达而促进肝癌细胞增殖[35]，因此，肥胖患者中FoxO1 mRNA及蛋白表达水平与非肥胖的肝癌患者和健康人相比显著降低。Pang等[36]将肥胖猪和瘦猪进行FoxO1品种比较，结果显示，肥胖猪的皮下脂肪组织中FoxO1 mRNA和蛋白含量低于瘦猪，提示肥胖体质的人或动物FoxO1含量较低。另外，肥胖可上调脂肪组织的自噬功能，该功能的实施是通过FoxO1-自噬-脂肪特异性蛋白27发挥作用，促进脂肪形成，应用FoxO1抑制剂及自噬抑制剂均能减弱白色脂肪自噬活性和特异蛋白27的表达，表明抑制FoxO1可增加肥胖症的发生率，而高表达的FoxO1则可改善肥胖症进展[37]。因此，靶向FoxO1有望抑制肥胖症进展，但具体机制还需进一步探索。

5 展 望

在糖尿病、肥胖症、高脂血症等代谢性疾病进展过程中，FoxO1作为多种信号通路的关键转录因子，对治疗代谢性疾病至关重要。改善此类疾病与FoxO1转录因子的磷酸化、乙酰化、泛素化水平及上下游靶基因的调控密切相关。以FoxO1为靶点，可减少胰岛β细胞凋亡、减弱高糖应激下胰岛β细胞去分化，进而改善胰岛β细胞功能。同时，也可抑制肝糖异生的关键酶改善胰岛素抵抗、纠正脂代谢紊乱以及干预肥胖症。但关于转录因子FoxO1与糖脂代谢及肥胖症的具体机制研究仍处于初级阶段，仍需要进行深入研究，期望能在疾病前期或早期找到个体化预防或治疗方案，为糖脂代谢紊乱及肥胖症的发生提供新的研究方向。