1、医学综述范文 -胰岛细胞转录因子FoxO1的研究进展信息来源： 发布日期：1/14/2012 11:20:05 AM郑舒静( 综述) ,陈诺琦( 审校)( 福建医科大学附属漳州市医院内分泌科, 福建 漳州 363000)中图分类号: R587. 1 文献标识码: A 文章编号: 1006-2084( 2011) 01-0047-03- 医学综述范文摘要: 转录因子 FoxO1 是叉头家族 O的亚族成员之一,是胰岛素/胰岛素样生长因子信号通路中的关键分子。FoxO1 蛋白主要有磷酸化、 乙酰化和泛素化 3 种不同形式的共价修饰, 这 3 种修饰方式在调节 FoxO1 蛋白分子转录活性和信号转导过
2、程中发挥着重要的作用。FoxO1 在胰岛 细胞中表达丰富,与其生长增殖、 凋亡、 分化、 应对氧化应激等密切相关。FoxO1 作为胰岛 细胞中特异的转录因子,研究其在 细胞中的表达及作用, 将为糖尿病的预防和诊治带来新的契机。 关键词: FoxO1; 细胞;增殖; 分化; 氧化应激 Advancement in Studie s on Transcription Factor FoxO1 in Pancreatic -Cells ZHENG Shu-j ing, CHEN Nuo-qi. ( Department of Endocrinology, the Affiliated Zhangz
3、hou Municipal Hos pital, Fujian Medical Univer sity, Zhangzhou 363000, China) Abstract: FoxO1, playing a key r ole in INS / IGF-1 ( insulin/ insulin like gr owth factor 1) signa l ing path- way, is one of the O subgroup members in Forkhead family. Ther e are thr ee var ious forms of post-transla tio
4、n modifications, namely phosphorylation, acetylation and ubiquitination. These modifica tions contr ibute to the process of signal transduction a nd are involved in the regulation of FoxO1 transcriptional activity. FoxO1 is expr essed in pancr eatic -cells abundantly, with a close relationship with
5、its pr oliferation, apoptosis, differ en- tia tion, and r esponse to oxidative str ess. The research on FoxO1 , a specific transcription factor in pancr eatic -cells, will bring a new cha nce in the prevention, diagnosis, and tr eatment of diabetes mellitus. Key word: FoxO1; -cells; Proli feration;
6、Differ entiation; Oxida tiv e str ess - 转录因子是控制基因表达的一类蛋白质分子, 对机体组织器官的发育、 分化和代谢等起重要的调控作用。FoxO是 Fox家族的 O 亚族, 人类中有 4 个 FoxO 同源基因, 分别命名为 FoxO1、 FoxO3a、 FoxO4 和 FoxO6( FoxO6 C 端缺乏 Akt 磷酸化位点) 。这 4 个转录因子在细胞增殖、 细胞分化、 细胞凋亡、 DNA 损伤修复、 氧化应激和糖脂代谢等过程中发挥着重要的作用。其中, FoxO1 在胰岛 细胞中表达丰富, 与其增殖、 分化、 氧化应激等生物学活性密切相关。详细了解该
7、转录因子在胰岛细胞中的作用将为糖尿病的诊断、 治疗提供新的理论依据。现主要对胰岛 细胞中 FoxO1 表达的研究进展予以综述。 1 FoxO1的结构和表达 Fox基因家族, 也称 Forkhead 家族, 命名起源于 1989 年首次发现果蝇的“ 叉头” 突变。2000 年国际命名委员会规定 Fox 作为统一的符号来代表 Fork-head Box, 亚家族用一个字母表示, 亚家族中的每一个蛋白质用一个阿拉伯数字表示。FoxO 是该家族中的亚族, 是秀丽隐形线虫中发现的长寿基因 DAF-16 在哺乳动物中最接近的同源基因。与 Fox 家族的其他成员一样, FoxO具有 100 个氨基酸的 DN
8、A 结合区,由 3 个 螺旋形成 1 个螺旋-转角-螺旋基序, 2 个大环在两侧形成翼状结构( 即 forkhead区) 组成, 区域内的大部分氨基酸高度保守。FoxO 与 Fox 其他家族的不同之处在于 FoxO 蛋白在第 2 和第 3 个 螺旋之间有 5 个氨基酸的插入。与 FoxO3 主要表达于肾脏, FoxO4 主要表达于肌肉组织不同的是 FoxO1 主要表达于肝脏、 脂肪组织, 尤其在胰岛 细胞中表达丰富 1 。 2 FoxO1的功能调节 FoxO1 蛋白主要有磷酸化、 乙酰化和泛素化 3 种不同形式的共价修饰, 这 3 种修饰方式在调节 FoxO1 分子转录活性和信号转导过程 中发
9、挥着关键的作用。 2.1 磷酸化修饰 FoxO1 是胰岛素/胰岛素样生长因子信号通路中下游的关键分子, 其上游主要受磷脂酰肌醇 3 激酶/蛋白激酶 B控制( phosphat idylinosi- tol 3-kinase /protein kinase B, PI3K-PKB/Akt) 。FoxO 有多个苏氨酸和丝氨酸磷酸化位点, 胰岛素/胰岛素样生长因子与其酪氨 酸激酶受体结合后激活了 PKB,活化的 PKB 使 FoxO1N 端 1 个苏氨酸( Thr24) 和中部2 个丝氨酸( Ser256、 Ser 319) 发生磷酸化, 由核内转移至胞质中, 进而引起下游信号通路阻断。被磷酸化的
10、Thr 24、 Ser 256 位点与伴侣蛋白 14-3-3 结合,促进 FoxO1 向核外转运; 14-3-3 蛋白封闭了核定位信号,阻止 FoxO1 向核内转运, 使其被束缚在胞质中。这是 FoxO1 被磷酸化修饰核转录活性下调的主要机制。另外一些激酶也可磷酸化 FoxO1 的其他位点,如周期蛋白依赖性激酶磷酸化 FoxO1 的 Ser 249 位点是 DNA 损伤引起细胞凋亡的重要调控机制 2 。 2. 2 乙酰化修饰 在信号转导通路中, Sir t1 与 FoxO1 乙酰化修饰密切相关。Sirt 1 是哺乳动物 7 种 Sir 2 同源簇之一, Sir2 是一种烟酰胺腺?呤二核苷酸依赖
11、性组蛋白脱乙酰基酶。在哺乳动物中, 尽管倾向于认为 Sirt1 对 FoxO1 去乙酰化作用后上调其转录活性,但仍然存在争议。Mot ta等 3 报道人宫颈腺癌细胞中 Sirt1 使 FoxO1 去乙酰化从而抑制其转录活性,而 Sirt1 抑制剂尼克酰胺可以阻断这种抑制效应。原代大鼠肝细胞通过 Sirt 1 激动剂白藜芦醇处理后发现, FoxO1 乙酰化水平下调, 活性增强,从而下调了葡萄糖激酶的表达 4 。但在胰岛细胞中并无确切的证据证实 Sirt 1 对 FoxO1 转录活性及其表达的影响。 Sirt 1 对 FoxO1的作用可能与不同的细胞类型有关。最近有研究发现, FoxO1 是诱导肿
12、瘤细胞自噬的关键蛋白,其乙酰化是激发该过程的先决条件 5 ; 而细胞自噬在维持胰岛 细胞增殖数量和胰岛素分泌功能中发挥着重要作用 6, 7 , 因此, 关于 FoxO1 乙酰化修饰在胰岛 细胞生物学功能中的作用仍有待进一步的研究和阐明。 2. 3 泛素化水平 泛素化是大多数蛋白质降解的重要 途径, FoxO1 也 不例外。Huang 等 8 报道了 FoxO1 经 PKB 在其 Ser 256 位点的磷酸化后, 在泛素连接酶 SKp2 催化下被泛素化修饰而降解, SKp2 催化 FoxO1 蛋白水解作用在肿瘤的发生、 发展过程中 (尤其是子宫内膜癌) 起着关键作用。近期发现锌指结构 MDM2
13、通过下调 p53 活性, 发挥了类泛素连接酶作用,从而调控 FoxO1 的降解过程 9 。 3 FoxO1对胰岛 细胞的主要作用 3. 1 FoxO1 在胰岛 细胞生长增殖中的作用 FoxO1 活性受葡萄糖 浓度的调 节。高糖浓 度下, FoxO1 磷酸化水平上升,核内转位减少, 活性下调;相反,低糖浓度下 FoxO1 活性增强 10 。在低糖浓度下培养小鼠胰岛细胞系 NIT-1 的实验中发现, 过表达 FoxO1 不但没有使胰岛 细胞凋亡率上升, 反而促进了细胞的增殖;进一步研究发现, 介导这一过程除了传统所知的 PI3K/PKB信号通路, 似乎还有促分裂素原活化蛋白激酶通路参与其中 11
14、。因此, FoxO1 在不同葡萄糖浓度下对胰岛 细胞增殖的调控可能存在不同的信号通路。 胰岛十二指肠同源盒 1 ( pancreat ic duodenal homeobox-1, PDX-1) 参与 FoxO1 调控胰岛 细胞增殖的过程。PDX-1 是诱发胰岛 细胞分化和胰岛素基因表达的关键转录因子, 可以促进胰岛 细胞增殖并抑制其凋亡。FoxA2 是已分化 细胞中 PDX-1 的上调因子。FoxO1 和 FoxA2 竞争性结合于 PDX-1 启动子的同一个 DNA 结合位点, 从而抑制 PDX-1 的转录活性 12 。 除了对 细胞群生理性生长的调节作用外, FoxO1 也参与胰岛素抵抗状
15、态下的 细胞代偿性增生。研究发现 13 , 高脂饲养下的 细胞特异性胰岛素受体剔除的小鼠发展为胰岛素抵抗状态, 其胰岛细胞代偿性增生不良与 FoxO1 磷酸化及核输出减少、 PDX-1 表达下调相一致。这为 insulin/FoxO1 / PDX-1 是胰岛素抵抗状态下胰岛增殖的重要信号通路提供了直接的遗传学证据。在转基因小鼠胰腺导管细胞和内分泌 细胞核中高表达 FoxO1,进而分析胰岛的增生情况, 得到的数据也进一步证实了胰岛素抵抗中 细胞的代偿增殖必须有 FoxO1 的核输出 14 。 3.2 FoxO1 在胰岛 细胞分化中的作用 关于 细胞的由来争论已久。尽管有人力主胚胎干细胞分化这一学
16、说 15 , 但也有证据表示胰岛细胞的前身可能是导管上皮细胞 16 。大多数 FoxO1 阳性的导管细胞并不表达胰岛素或 PDX-1 蛋白, 但是所有的胰岛素/PDX-1 阳性的导管细胞中均表达 FoxO1。近期发现 FoxO1 特异地促进 FoxO1 阳性/胰岛素阴性导管细胞中胰高血糖素的释放, 却未检测出胰岛素的释放, 说明此类细胞是否代表 细胞的前身仍需进一步证实 17 。众多转录因子与 FoxO1 共同参与胰岛 细胞分化。PDX-1 在胚胎早期广泛表达于胰腺上皮细胞, 在内分泌细胞形成过程中逐渐分布受限, 最终限制分布在成熟胰腺的 细胞内。FoxO1 在胰腺器官形成过程中的表达方式和
17、PDX-1 是一样的。而 PDX-1 在胰腺形成中是必需的, 因此人们普遍认为 FoxO1 在这一过程中也发挥着重要作用。神经元素 3 是对内分泌细胞的排列特异性有重要作用的转录因子, Hes1 是神经元素 3 的转录抑制蛋白, Notch信号正是通过 Hes1 的参与来调节胰腺内分泌和外分泌分化的发展, FoxO1 与 Notch信号相互作用, 调节 Hes1 基因表达。因此, 可认为 FoxO1 与 Notch共同参与了内分泌胰腺发展 18。 3. 3 FoxO1 在胰岛 细胞应对氧化应激过程中的作用 尽管许多信号通路均导致 FoxO1 的核输出, 但还有一些因素会使其保留在核内。在生长因
18、子等的刺激下, FoxO1 蛋白定位于胞质中; 但一旦面临氧化应激或者遗传性毒物时,即使是生长因子存在, 它仍滞留在核内。氨基端激酶参与了该过程, 应激下活化的氨基端激酶磷酸化 14-3-3 蛋白, 使其与 FoxO发生分离, 因此导致了 FoxO从胞质转位至核内 19 ; 而在核内的 FoxO1 仍然滞留, PDX-1 则发生核输出; 抑制氨基端激酶 活性并阻 断胞质 FoxO1 转位至核内 20 。细胞培养过程中,过氧化氢处理 24 h引起氧化应激,导致 FoxO1 的核转运, 同时伴随 NeuroD 和 MafA 的表达增加, 因此认为 NeuroD 和 MafA 基因是 FoxO1 的
19、直接靶向基因。由于 NeuroD 和 MafA 是胰岛素基因转录因子, 能显著地上调 Ins-2 的表达, 从而在短时间内增加胰岛素的分泌, 迅速下调血糖水平,故认为 FoxO1 重新分布可以保护高糖刺激下的 细胞,但这种保护作用由于 FoxO1 的快速降解而持续的 时间 短 暂 21 。Buteau 等 22 则 进 一步 指 出, FoxO1 除了可以在高糖所致的氧化应激情况下保护胰岛 细胞外, 在胰岛素抵抗环境中还能阻止 细胞的复制, 通过功能分析进一步发现过表达 FoxO1 导致 细胞中葡萄糖利用降低和胰岛素分泌减少, 因 FoxO1 保护胰岛 细胞应对氧化应激而产生的改变可以称之为“
20、 代谢滞育” 。这为“ 细胞休息” 作为糖尿病治疗目标的新概念提供了基因支持。 内质网应激对胰岛 细胞凋亡的影响过程中, FoxO1 也参与其中。游离脂肪酸培养下的小鼠胰岛 细胞,内质网应激标志分子 eIF 2 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 核内转位的增加和活性增强; 下调 FoxO1 表达则使二者的表达均下降 23 。进一步研究发现 2 4 , 促生长激素释放肽 Ghrelin通过抑制 FoxO1 核内转位, 从而减少内质网应激引起的胞质三酰甘油合成, 下降凋亡相关蛋白表达,以保护高脂毒性下的胰岛 细胞。 4 总结与展望 FoxO1 与胰岛 细胞关
21、系的研究不仅进一步地揭示了糖尿病的发病机制, 而且为糖尿病的治疗提供了许多新思路、 新策略。FoxO1 能够对生理性相关刺激(如胰岛素、 葡萄糖等) 作出相应的反应, 在高血糖、 高血脂所致的氧化应激中也表现活跃。同时在胰岛素抵抗等病理、 生理环境中协调 细胞的更新和功能之间的关系, 作为对胰岛 细胞应激、 增殖、凋亡调控网络的一个关键点, FoxO1 很可能成为一个潜在的靶位,为糖尿病治疗提供新方法。参考文献 1 Nakae J , Kitamur a T, Kitamura Y, et al. The forkhead tra nscription fa ctor Foxo1 r egul
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