FoxO转录因子在衰老过程中维持细胞内环境稳定

摘要

FoxO调节与细胞功能的传统观点

哺乳动物有FoxO转录因子家族的四种亚型，即FoxO1、FoxO3、FoxO4和FoxO6。FoxO四种亚型中的三种，即FoxO1、FoxO3和FoxO4，在三个特定位点受到Akt依赖性磷酸化的关键调节，以响应生长因子和胰岛素刺激（人类FoxO3:Thr32、Ser253和Ser315）[1-4]. FoxO因子的Akt依赖性磷酸化促进FoxO从细胞核输出到细胞质，从而抑制FoxO转录功能(图1A). 虽然剩余两个Akt依赖位点的磷酸化抑制FoxO6转录活性[5,6]. FoxO因子已成为生长因子刺激和氧化应激反应信号的聚合点(图1) [1,7-12]. 胰岛素和生长因子通过PI3K/Akt抑制FoxO因子，而氧化应激刺激通过组合修饰激活FoxO因素。除PI3K/Akt途径外，直接调节FoxO因子活性的其他主要信号模块包括应激激活的Jun-N末端激酶（JNK）、哺乳动物Ste20-like蛋白激酶（MST1）的同源序列和脱乙酰酶Sirt1(图1) [9-11,13-15]. FoxO因子通过翻译后修饰（如磷酸化、乙酰化和单/多-泛素化）整合这些不同的信号，从而改变亚细胞定位、蛋白质稳定性、DNA结合特性和转录活性[1,9,11,12,14,16]. FoxO依赖性转录在多种细胞输出中起着重要作用，包括葡萄糖代谢、细胞周期阻滞、分化、活性氧（ROS）解毒、受损DNA修复和细胞凋亡[17-26].

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图1

生长因子对FoxO转录因子的负调控和氧化应激刺激对Fox0因子的正调控

（A） 在生长因子或胰岛素刺激下，Akt在三个保守残基处直接磷酸化FoxO因子，通过与伴侣14-3-3结合促进其从细胞核输出，从而抑制FoxO依赖性转录。在生长因子或胰岛素的存在下，FoxO依赖性转录被抑制，促进细胞增殖和存活，但也使细胞对氧化损伤敏感。（B） 氧化应激通过AMPK（AMP-依赖性激酶）、JNK（Jun-N末端激酶）、MST1（哺乳动物Ste20-like激酶）和CBP（CREB结合蛋白）等因子在许多调节位点诱导FoxO因子的磷酸化、乙酰化和单泛素化。为了应对氧化应激，FoxO因子转移到细胞核并与脱乙酰酶Sirt1结合。关键的修饰标记似乎将FoxO因子招募到参与细胞周期阻滞和应激反应的特定基因中。第27页细胞周期素依赖性激酶抑制剂；锰超氧化物歧化酶锰超氧化物歧化酶；比姆细胞死亡的促凋亡Bcl2相互作用介质；Gadd45α、生长停滞和DNA损伤诱导基因45α。

因此，已经确定了大量的靶基因，它们介导FoxO因子在各种细胞过程中的作用(表1). 最明确的FoxO依赖性靶基因包括细胞周期抑制剂第27页和第21页，应激反应基因锰超氧化物歧化酶(锰超氧化物歧化酶）、和生长停滞和DNA损伤诱导基因45(加德45），促凋亡因子Bcl2-细胞死亡的相互作用介质（Bim）和Fas配体和糖原分解基因葡萄糖-6-磷酸酶（G6pc）(图1) [17,18,21,22,27-32]. 尽管进行了大量工作，但FoxO因子指定不同细胞反应的机制，以及FoxO依赖的细胞反应和基因靶点的集合尚未完全阐明。

最近发现的调节FoxO活性的信号通路

最近的研究为FoxO调控途径的复杂性提供了进一步的见解。研究表明，FoxO因子受多种新的应激刺激调节，包括DNA损伤、营养剥夺、细胞因子和缺氧[30,33-38]. 例如，DNA损伤通过细胞周期依赖性激酶2（CDK2）影响FoxO活性[35]. CDK2在Ser249磷酸化FoxO1，导致在没有DNA损伤的情况下将FoxOl隔离在细胞质中。在存在DNA损伤的情况下，CDK2对FoxO1隔离的抑制作用被消除，FoxOl移位到细胞核诱导凋亡[35]. 此外，能量传感器AMP-activated protein kinase（AMPK）已被证明在六个不同于Akt磷酸化位点的调控位点直接磷酸化FoxO因子，导致FoxO活化[36,37]. AMPK对FoxO因子的激活促进基因表达程序的优先表达，从而增强细胞的应激抵抗力[36,37]. 虽然FoxO因子的调节主要通过翻译后修饰进行，但最近的一系列研究强调了FoxO因素如何通过替代机制整合细胞外刺激。例如，生长抑制性细胞因子转化生长因子-β（TGFβ）触发FoxO、Smad和C/EBPβ转录因子在特定启动子处形成复合物，从而导致细胞周期抑制剂基因的表达，包括第15页和第21页[30,33,34,39,40]. 研究表明，FoxO和Smad转录因子之间的协同作用对于TGFβ在多种细胞类型（包括上皮癌和乳腺癌细胞）中的抗增殖作用至关重要[30,33]. 此外，一项有趣的新研究表明福克斯O3细胞缺氧通过缺氧诱导因子HIF1与福克斯O3发起人[38]. 增加的表达福克斯O3通过减弱HIF诱导的凋亡而提高细胞存活率。这些最新的研究强调了FoxO因子的复杂调节，通过广泛的不同刺激，包括DNA损伤、葡萄糖可用性、细胞因子和缺氧，这些刺激可能有助于在不同环境条件下微调不同细胞类型中的FoxO活性。

FoxO因子在整个生物体中的作用：来自无脊椎动物的见解

对无脊椎动物的研究揭示了FoxO因子在整个生物体中的细胞作用。与哺乳动物相比，无脊椎动物模型生物只有一种FoxO转录因子家族的亚型，即DAF-16，用于秀丽隐杆线虫和dFOXO黑腹果蝇DAF-16在生物体新陈代谢和寿命中的重要性在一系列有关蠕虫胰岛素/FoxO途径的精髓研究中得到了揭示。DAF-16对于胰岛素/胰岛素样生长因子受体突变所提供的寿命延长是必需的daf-2型[41-43]. DAF-16也是一种独特的发育停滞和滞育所必需的，称为dauer，其特点是代谢活性低，饥饿反应寿命长[43]. 有趣的是，与其他组织中的DAF-16活性相比，特定组织（尤其是肠道和神经系统）细胞中DAF-16的活性似乎更能促进长寿[44-46]. 这些结果表明，DAF-16/FoxO调节次级信号或激素的产生，这些次级信号或荷尔蒙协调机体内各种组织的新陈代谢和寿命[47]. 在苍蝇中，激活dFOXO公司脂肪体细胞（相当于哺乳动物的白色脂肪和肝组织）也能延长寿命[48,49]. 组织的dFOXO公司尽管观察dFOXO介导的代谢效应需要功能性dTOR信号通路，但苍蝇神经分泌胰岛素生成细胞中的过度表达和靶向过度表达会增加血糖和血脂水平[50]. 因此，无脊椎动物的研究告诉我们，胰岛素/FoxO途径对协调新陈代谢和寿命至关重要，它通过产生次级信使在整个生物体内系统地发挥作用，以细胞内和细胞外的方式发挥作用。

在哺乳动物中，FoxO亚型在整个生物体中表现出差异但重叠的表达

在哺乳动物中，FoxO家族在发育过程中和各种成体组织中都有互补但重叠的表达模式[5,51-53]. 在鼠标开发期间，福克斯O1在脂肪组织中检测到最高水平，福克斯O3在肝脏中表达最多，氧化磷骨骼肌和福克斯O6在中枢神经系统中。在成年小鼠中，FoxO1型脂肪组织、子宫和卵巢中含量最高，而骨骼肌和脾脏等大多数其他组织中含量较低。的表达模式福克斯O3更普遍，但福克斯O3在大脑、脾脏、心脏和卵巢中特别高表达。福克斯O4在骨骼肌、心肌和脂肪组织中表达最高。有趣的是，福克斯O6几乎只在成人大脑中表达。的表达式福克斯O1和福克斯O3在人体组织中与小鼠的表达谱相似[54]. FoxO家族在成年小鼠大脑中的表达模式特别有趣，说明了FoxO亚型的差异表达。福克斯O1纹状体、齿状回和腹侧海马最丰富，而福克斯O3在大脑皮层、海马体和小脑中表达最高福克斯O6在海马体、杏仁核和扣带回皮质大量表达[53]. 海马体、杏仁核和小脑分别协调不同的有机体行为反应，如空间学习、情绪和运动协调。FoxO家族在成年小鼠大脑中的差异表达可能表明神经元中不同FoxO亚型的不同细胞功能或效力不同。这些观察结果表明，在进化过程中，FoxO途径被认为发挥了以下两种作用之一：1）对不同组织特异性环境刺激的反应中发挥了相关作用，或2）对相关环境刺激的响应中发挥了不同的组织特异性作用。

FoxO功能的集成模型？

哺乳动物细胞培养实验揭示的FoxO因子细胞作用的极端多样性给将这些多重作用整合到一个统一的模型中带来了挑战。此外，许多关于FoxO调节和功能的研究都是在永生或转化的培养细胞系中进行的，这些细胞系“脱离了组织背景”因此，很难根据条件推断结果体内依赖于特定的细胞生态位。尽管存在这些局限性，但越来越清楚的是，特定刺激对FoxO活性的调节会在同一组织内触发一致的细胞输出。由于细胞和组织所感受到的环境刺激不同，本综述的其余部分将重点讨论FoxO蛋白在机体不同组织中对组织特异性刺激的细胞作用。FoxO功能和组织信号的分类提供了一个有趣的框架，可以理解为什么哺乳动物有机体进化为利用FoxO因子家族的成员来控制各种不同的细胞过程，以应对不同的环境和老化。

在这篇综述中，作为我们讨论的框架，我们将哺乳动物组织分为三大类：1）“调节”组织，包括肝脏、胰腺和下丘脑-垂体轴；2） 允许组织间连接的血管系统；3） 包括骨骼肌、神经系统和造血系统在内的“能量利用组织”(图2). 除了调节成熟细胞外，FoxO因子也正在成为成人组织中干细胞的关键调节因子(图2). 例如，我们将讨论FoxO家族在造血系统干细胞中的作用。鉴于FoxO因子在无脊椎动物寿命中的作用，越来越多的证据表明胰岛素信号通路在哺乳动物寿命中的角色[55,56]，我们还将推测FoxO因子在这些组织类别中调节哺乳动物寿命的可能作用。

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图2

FoxO转录因子在组织稳态中的作用

FoxO-依赖性转录通过调节机体调节细胞（如肝细胞、胰腺β细胞和下丘脑神经元）中的糖异生、胰岛素分泌和食物摄入来提高系统葡萄糖水平。在能量利用细胞（如心肌细胞和神经元）中，FoxO因子似乎被激活，以应对饥饿和氧化应激等恶劣环境条件，从而引发萎缩、自噬或凋亡。在T细胞中，FoxO因子减弱增殖和过度激活。在血管系统的内皮细胞中，FoxO因子调节基因以抑制增殖和抑制迁移。FoxO因子还通过协调静止、抗应激和终末分化，在造血干细胞（HSC）的维持中发挥关键作用。总的来说，FoxO因素似乎会促进机体代谢停止，以应对严酷的环境条件，如饥饿，从而使机体能够在预期环境条件改善的情况下生存。

FoxO因子通过作用于调节细胞类型，增加机体葡萄糖水平和食物摄入

控制循环代谢物和激素的调节细胞位于肝脏、胰腺、下丘脑-垂体轴和脂肪组织中。在这些调节细胞中，FoxO似乎在许多不同的水平上发挥作用，系统性地增加循环葡萄糖水平(图2). 例如，消融福克斯O1在肝细胞中，FoxO因子降低新生和成年小鼠的葡萄糖水平，支持FoxO因素促进循环中葡萄糖水平升高的观点[57]. FoxO1通过作用于靶基因（如葡萄糖-6-磷酸酶G6pc（糖原分解），以及磷酸烯醇丙酮酸羧激酶1 Pck1，和过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅活化子1αPpargc1α（糖异生）(表1) [29,57,58]. 有趣的是，福克斯O1肝细胞中的缺失可防止过度葡萄糖生成和糖尿病胰岛素受体无鼠标[57]. 在培养的胰腺β细胞中，组成核型FoxO1的适度表达通过抑制糖酵解、减少胰岛素分泌和增加游离脂肪酸氧化，导致“代谢滞育”状态[59]. 的表达式福克斯O1在转基因小鼠的β细胞中，还可以阻止胰岛素抵抗期间β细胞的代偿性增殖[60]. 与所进行的研究相比在体外[59],福克斯O1表达体内不会降低循环胰岛素水平[60]表明FoxO因子可以通过减少胰岛素分泌或减弱β细胞分裂，在多个水平上发挥作用，增加循环葡萄糖。因此，FoxO因子协同作用，通过调节肝脏糖异生和糖原分解以及通过减少胰腺的净胰岛素产生来增加全身葡萄糖。这些观察结果提出了一个有趣的可能性，即如果FoxO因子具有组成活性，那么它们可能会促进哺乳动物的糖尿病。有可能是FoxO因子已经进化参与了对低营养可用性的适应，并且观察到的糖尿病表型是食物充足时适应反应的过度。

下丘脑调节食物摄入和能量平衡。FoxO因子通过协调下丘脑神经元中神经肽的产生，进一步控制代谢物的稳态[61,62]. 两份独立报告表明，FoxO1在下丘脑弓状核中发挥作用，通过诱导食欲激素的表达来增加食物摄入和体重促尿相关蛋白(阿格普)和/或神经肽Y(Npy公司) (图2). 此外，FoxO1似乎对厌食神经肽的表达有抑制作用，例如原-β-黑素皮质素(Pomc公司)通过抑制转录因子Stat3对该基因的诱导。厌食激素胰岛素和瘦素降低福克斯O1下丘脑神经元的表达。胰岛素和瘦素对食物摄入量的抑制作用部分是通过其抑制FoxO1的能力介导的[61]. 这些研究支持这样的观点，即在哺乳动物调节细胞中，FoxO转录因子将代谢从葡萄糖利用转变为保存状态，这让人联想到“代谢滞育”通过在从糖异生到食物摄入的许多不同水平上发挥作用，FoxO因子已经进化为帮助生物体适应营养剥夺。当食物供应充足时，FoxO转录似乎通过激素控制增加了生物体的食物摄入量和觅食行为。在不利的营养条件下，FoxO因子改变生物体的新陈代谢，使动物能够通过维持全身血糖和血脂水平来继续发挥功能。

FoxO因子限制血管生成

循环系统的血管连接“调节”和“能量利用”组织，由内皮细胞组成。新的证据表明FoxO因子减弱内皮细胞的增殖和迁移，导致血管形成受限(图2). 急性缺失福克斯O1,福克斯O3和福克斯O4在使用诱导型Mx-Cre转基因的小鼠内皮细胞中，内皮细胞的年龄累进过度增殖导致血管瘤和动物过早死亡[63]. 有趣的是，虽然福克斯O1,福克斯O3和福克斯O4全身内皮细胞缺失，血管瘤只在一部分组织中观察到，特别是子宫、肝脏和骨骼肌，表明特定的细胞外信号，可能是血管内皮生长因子（VEGF）--在缺乏FoxO因子的情况下，也在肿瘤进展中发挥重要作用。在缺乏FoxO因子的情况下引发血管瘤进展的因素尚未确定，但萌芽2，一种通用受体酪氨酸激酶抑制剂，被鉴定为一种重要的FoxO靶基因，参与抑制增殖和细胞存活。虽然三个FoxO家族成员的消融加重了血管表型，福克斯O3消融小鼠通过消除FoxO3对后肢缺血的抑制作用来增强新生血管的形成电子NOS表达式[64]. FoxO1和FoxO3（而非FoxO4）被证明直接与电子号码培养内皮细胞中的启动子(表1). 的静音福克斯O1和福克斯O3培养内皮细胞中siRNA基因表达增强血管形成、迁移和血管萌芽对VEGF的响应[64]. 这些研究很有趣，因为它们提供了冗余的证据[34,64]，但对于FoxO家族的不同亚型而言，作用并不完全重叠[63,64]. 事实上，虽然过表达了福克斯O1或福克斯O3在内皮细胞中抑制血管形成和迁移福克斯O4没有抑制这些过程[64]. 此外，内皮细胞中由FoxO1和FoxO3调节的基因程序显示有重叠，但也有差异[64]. 例如，FoxO1和FoxO3均受到调节电子号码，但是血管生成素2(安哥拉2)由FoxO1独家监管。这些研究表明，FoxO因子限制血管化，甚至可能限制组织对恶劣环境刺激的营养供应，尽管这需要进行正式测试。FoxO因子促进代谢停止的可能性与观察结果一致，即FoxO因素在维持高血糖水平的同时限制血管形成，并在恶劣的环境条件下鼓励食物摄入。FoxO因子同时作为细胞肿瘤抑制因子和血管生成调节因子也很有趣。这种交叉提供了两种机制，通过这两种机制FoxO家族可以限制肿瘤的发展；通过细胞内对细胞周期的严格控制，以及通过外在限制血管系统对发展中肿瘤的供应。

FoxO因子在压力刺激下保护能量利用组织中未受损的细胞

生物体的能量利用细胞类型，如骨骼肌、神经系统和免疫系统中的细胞类型，对调节性“起搏器”组织（如肝脏、胰腺和下丘脑）作出反应(图2). 虽然在这些能量利用细胞中调节FoxO的整套刺激物尚不清楚，特别是对免疫系统而言，但当调节组织和血管系统功能不正常或自身受到环境影响时，FoxO家族似乎会被激活(例如饥饿期间）。在这种不利的情况下，这些利用能量的细胞似乎进入了自我保存状态。

FoxO因子限制干/前体细胞和增殖/致瘤细胞的扩张并调节其末端分化

除了在成熟细胞类型中的作用外，FoxO转录因子还起着限制造血系统等组织中干/祖细胞扩张的作用(图2). 急性缺失福克斯O1,福克斯O3和福克斯O4在成年小鼠中，骨髓导致髓系和淋巴系的扩张，同时长期造血干细胞的细胞周期增加[79]表明FoxO家族通常限制这些干细胞的增殖。任何一种的烧蚀福克斯O3单独或与福克斯O1和福克斯O4导致造血干细胞池维护减少[79,82]由于活性氧和细胞凋亡增加，静息期减少，随着年龄的增长而逐渐恶化。有趣的是，用抗氧化剂N-乙酰-L-半胱氨酸治疗突变小鼠可以显著改善FoxO-缺陷造血干细胞的细胞周期和生存缺陷。这一发现表明，氧化应激是调节这些干细胞增殖和凋亡的主要因素，化学干预至少可以修复部分细胞缺陷。造血细胞中FoxO因子的消融会导致细胞周期进程增加和/或对凋亡的抵抗，从而通过减少第27页和第19页表达式[63,83]. 与这些研究一致，FoxO转录活性的丧失使祖细胞或肿瘤细胞对TGFβ等细胞外效应物的细胞抑制作用产生抵抗，这可能有助于肿瘤的发展(图2) [30,33,34,84,85]. FoxO转录活性在祖细胞和肿瘤细胞中通过多种机制减弱[30,84,85]包括：i）PI3K/Akt信号通路对FoxO因子磷酸化的核排斥；ii）FoxO因子与转录阻遏物FoxG的结合；iii）IκB激酶β（IKKβ）或细胞外信号调节激酶（ERK）磷酸化FoxO因子后泛素依赖性降解。总之，这些研究通过协调干/祖细胞中的细胞静止，将FoxO因子确定为肿瘤发生的关键抑制剂。这些发现也突出了FoxO家族在维持成人组织干细胞池方面的重要性。与这种可能性一致福克斯O3在雌性小鼠中，导致卵泡池过早耗尽和过早不育[86]. FoxO家族在其他组织特异性干细胞中的作用尚不清楚，但一个有趣的可能性是，FoxO基因家族可能通过维持成人干细胞库，在衰老过程中促进组织的维护和修复。

结论

虽然FoxO家族的调控和作用已经被很好地研究过，但对于这些混杂转录因子在不同环境下响应不同细胞输出的决定机制，仍然缺乏知识。同样，虽然现在有证据表明四种FoxO亚型的作用并不完全重叠，但尚不清楚其存在的原因[63,64]. 出现的一个模型是，不同的FoxO亚型与具有不同亲和力的靶基因启动子结合，这可能是由于亚型之间的结构差异和翻译后修饰导致细胞输出差异的机会。了解FoxO因子是否除了本综述中提到的那些之外还调节其他细胞反应，并阐明FoxO因素如何在分子水平上指定它们对多种环境刺激的反应，将为了解它们的生物功能提供重要的见解。

鉴于此处讨论的证据表明，FoxO因子协调葡萄糖稳态、血管生成、干细胞维持、免疫、肌肉和神经功能，其对糖尿病、癌症、自身免疫性疾病和神经变性的影响显而易见。最后，有压倒性证据支持FoxO因子在决定无脊椎动物寿命中的重要作用，尽管还有进一步的研究体内需要就FoxO因子在哺乳动物寿命中的作用得出结论。了解FoxO因子细胞功能如何整合到内聚性机体反应中，对于治疗糖尿病、癌症、自身免疫综合征和神经退行性变等年龄依赖性疾病具有重要意义。

致谢

脚注

参考文献和推荐阅读