FoxO轉錄因子與紅細胞信號通路的研究進展*

馮婷婷 綜述，冀林華 審校

(青海大學醫學院，青海西寧 810001)

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FoxO轉錄因子與紅細胞信號通路的研究進展*

馮婷婷 綜述，冀林華△審校

(青海大學醫學院，青海西寧 810001)

FoxO轉錄因子；磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B信號通路；紅細胞信號通路

紅細胞的生成是個復雜的過程，通過激活干細胞因子/干細胞因子受體(stem cell factor/stem cell factor receptor，SCF/c-kit)和促紅細胞生成素/促紅細胞生成素受體(erythropoietin/erythropoietin-receptor，EPO/EPOR)通路，完成紅細胞生長發育。叉頭狀轉錄因子(forkhead transcription factor，FoxO)是一個與紅細胞關系密切的轉錄因子。磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B(phosphoinositide 3-kinase/protein kinase B，PI3K/PKB)通路是紅細胞信號轉導中SCF/c-kit和EPO/EPOR通路共同的一條通路，FoxO受PI3K/PKB磷酸化級聯通路的調節，其活性與磷酸化狀態直接相關。PI3K激活可使膜磷酸肌醇磷酸化，其產物可作為第二信使在細胞中傳遞信號，介導細胞的信號轉導。FoxO轉錄因子與紅細胞信號通路關系密切，本文主要針對FoxO轉錄因子與紅細胞信號通路關系的研究進展進行綜述。

1　FoxO轉錄因子家族的構成特點及生物學特性

1.1FoxO轉錄因子家族的構成FoxO轉錄因子家族含有約由110個氨基酸組成的DNA結合域(Fork head結構域)，該結構域相當保守，也稱為翼狀螺旋結構域[1]。其核心部分由N-末端的3個α-螺旋(H1、H2、和H3)依次排列，兩側由β-折疊(W1和W2)片連接了兩個“翼”的環狀結構，因此FoxO蛋白又稱翼狀螺旋蛋白[2]。此外，Fork head結構域中多數氨基酸都相同，呈高度保守結構。

1.2FoxO轉錄因子的結構特點根據現有的命名法及其DNA結合域的同源性，Fox家族已被分為19個亞族(A～S)。目前，已經證實FoxO蛋白對紅細胞生成的影響較大[3]。FoxO是Fox轉錄因子家族中的一個亞族，在人類的4個同源基因分別為FoxO1、FoxO2、FoxO3a和FoxO4[4]。在斑馬魚中發現FoxO家族中的一個成員命名為FoxO5，在小鼠體內發現的另一個FoxO新成員命名為FoxO6[5]。FoxO蛋白有3個高度保守的PKB磷酸化位點，包括Thr24、Ser256和Ser319，其基本功能是調節細胞周期、細胞調亡、萎縮和體內能量的平衡[6]。FoxO能夠與特異的序列結合，作為轉錄活化因子，其活性受多條信號通路的調節，主要方式是對FoxO特定的氨基酸位點進行磷酸化/去磷酸化的調控[7]。

1.3FoxO轉錄因子表達范圍FoxO蛋白表達范圍廣泛，在卵巢、前列腺、骨骼肌、腦組織、心臟、肺、肝臟、胰腺、胸腺、脾臟和睪丸組織中均有表達。FoxO1及FoxO3a的基因通過肺泡橫紋肌肉瘤中的染色體轉位被鑒定出[8]。FoxO4與急性淋巴系白血病中t(X;11)染色體轉位有關[9]。研究證實，在胚胎鼠和成年鼠中，FoxO1、FoxO3a及FoxO4在肌肉、脂肪組織和肝臟中表達最高，FoxO3a在心臟、大腦和腎臟中比FoxO1分布更廣[10]。FoxO3在整個大腦中均有表達，包括認知和運動區域。

1.4FoxO轉錄因子的生物學功能FoxO轉錄因子的活性與磷酸化狀態直接相關。FoxO特異性的氨基酸位點被磷酸化后，從細胞核內轉移到細胞質中，失去轉錄調控活性，功能被抑制。因此，FoxO在核內外的轉位決定了其對基因轉錄的調控。下游調節的靶基因多與細胞周期、細胞凋亡、衰老及代謝有關。FoxO1是成骨細胞增殖和維持機體氧化還原平衡所必須的轉錄因子，控制著骨的形成[11]。胰島素、類胰島素樣生長因子及其他轉錄因子與其特異的酪氨酸激酶受體結合后激活PKB，活化的PKB使上述3個位點磷酸化，導致FoxO1蛋白從細胞核易位到細胞質中，從而抑制其轉錄活性，導致FoxO1靶基因的表達下降[12]，影響下游基因的表達。FoxO轉錄因子可參與多種生理及病理過程，例如細胞的增殖、凋亡、自噬、代謝、老化、癌癥及神經系統疾病[13-14]。其中，FoxO3可能與炎性反應有關，缺少FoxO3可能會引起年齡相關性不孕、神經池細胞減少[3]；而FoxO4的缺失可引起腸炎，FoxO6與記憶相關性較大[15]。

2　紅細胞信號通路

紅細胞的信號轉導通路主要涉及SCF/c-kit、EPO/EPOR等信號轉導通路。SCF/c-kit通路分別激活Src家族通路,涉及調節因子Src、Yes、Lyn、Fyn、Lck、Blk、Fgr、Hck和Yrk；PI3K通路，涉及調節因子蛋白激酶B(protein kinase B，Akt)和糖原合成酶激酶-3β(glycogen synthase kinase-3，GSK3)；以及磷酸脂酶C-γ(phospholipase C-γ，PLC-γ)通路，涉及調節因子二脂酰甘油(diacylglycerol，DAG)、磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸(phosphatidylinositol 4,5-biphosphate，PIP2)和蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)。EPO/EPOR通路分別激活Janus激酶/信號轉導和轉錄激活子(Janus kinase/signal transducer and activator of transcription，JAK/STAT)通路，涉及調節因子JAK1、JAK2、JAK3和酪氨酸激酶2(tyrosine kinase 2，TYK2)；Ras/絲裂原活化蛋白激酶(Ras/mitogen activated protein kinase，Ras/MAPK)通路，涉及調節因子Src同源區2結構域蛋白C(Src homology domain 2 containingprotein，Shc)、Src同源區2(Src homology 2，SH2)、生長因子受體結合蛋白2(growth factor receptor-bound protein 2，Grb2)和SOS(son of sevenless)；以及PI3K通路，涉及調節因子PKB、Akt和持續活化型Akt(constitutively active mutant of AKT，Myr-Akt)[16]。另外，SCF/c-kit激活Src，EPO/EPOR激活JAK2后，可共同作用于Ras，進而激活MAPK，引起細胞核內c-jun及c-fos的表達，促進紅細胞的增殖分化。紅細胞分化發育過程中的兩條主要通路SCF/c-kit和EPO/EPOR既可分別發揮作用，又可通過Ras途徑互相聯系，共同促進紅細胞的分化發育。PI3K通路是紅細胞生成發育的共同途徑，FoxO受PI3K/PKB磷酸化級聯通路的調節，其活性與磷酸化狀態直接相關。PI3K激活可使膜磷酸肌醇磷酸化，其產物可作為第二信使在細胞中傳遞信號，介導細胞的信號轉導。

3　FoxO轉錄因子的信號通路及其與紅細胞信號通路的相互關系

3.1FoxO轉錄因子影響PI3K/PKB信號通路傳導的過程及效應PKB也稱Akt，PI3K信號通路能夠使FoxO發生磷酸化，使其由細胞核轉運至細胞質，導致其轉錄活性下調，從而抑制FoxO調控的下游基因的表達[17]。FoxO的乙酰化可削弱 FoxO1結合同源DNA序列的能力，進而又加強FoxO的磷酸化，進一步降低其轉錄活性。FoxO轉錄因子能夠調節PI3K/PKB信號通路中的下游基因。研究證實，FoxO在細胞凋亡、DNA損傷(修復)、應激、血管生成、糖代謝和腫瘤發生等過程中發揮著關鍵性的作用。磷酸化和去磷酸化的修飾作用在介導各種生長因子信號傳導中最常見，胰島素和生長因子等與受體結合后激活PI3K/PKB信號通路，FoxO被PKB磷酸化，磷酸化的FoxO與受體蛋白結合后構象發生改變，從細胞核進入細胞質，失去轉錄活性。

PI3K/PKB信號通路是紅細胞信號轉導中較為重要的一條通路，PI3K激活可使膜磷酸肌醇磷酸化，其產物可作為第二信使在細胞中傳遞信號，介導細胞的信號轉導。PI3K激活后主要使4，5-二磷酸肌醇轉變生成3，4，5-三磷酸肌醇，隨后激活PKB、c-jun氨基末端激酶、PKC等下游磷酸化底物激酶[15]。PI3K通路主要與細胞有絲分裂、分化、存活、黏附及分泌有關。激活后的PI3K磷酸化小分子磷脂酰肌醇-2磷酸(PIP2)形成磷脂酰肌醇3，4，5-三磷酸(phosphatidylinositol3，4，5-triphosphate，PIP3)。PIP3是PI3K/PKB信號途徑中一個重要的第二信使。3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶1((3-phosphoinositide-dependent protein kinase-1，PDK1)和PKB的共同結構域與PIP3結合定位到細胞膜，進而PDK1使PKB磷酸化激活[18]。PKB激活后進一步磷酸化調控下游基因，其中FoxO是一個重要基因，磷酸化的FoxO因子從細胞核穿梭并滯留到細胞質中，這些磷酸化的蛋白導致DNA損傷，從而產生約束作用，形成新的復合物并從細胞核中脫出，抑制蛋白表達，不能發揮其轉錄活性。無刺激因子時，FoxO停留在細胞核中，處于去磷酸化的狀態。處于細胞核中的FoxO轉錄因子可以與相關的靶基因相結合從而影響細胞周期、凋亡，以及新陳代謝和應激反應等[19]。實驗證實，在果蠅中約有277個基因的表達受FoxO直接或間接調節[20]。

3.2FoxO與紅細胞信號轉導其他信號通路的關系FoxO1通過激活PKB，可以調控核轉錄因子-κB(nuclear transcription factor-κB，NF-κB)等炎性因子的轉錄活性[21]。紅細胞信號轉導JAK/STAT通路被認為是一種多種細胞外信號導致特異性靶細胞上基因表達快速改變的經典途徑，可能是EPO實現抗炎、抗凋亡作用的重要途徑。磷酸化的JAK2可激活NF-κB通路，調控炎性反應。對于NF-κB的抗凋亡機制，已證實NF-κB為PKB的靶分子并受其調控，且這些信號分子之間構成了復雜的交叉信號通路以共同發揮作用。NF-κB可誘導凋亡抑制蛋白(inhibitor of apoptosis family of protein，IAP)家族的表達，從而調控細胞生成。因此，FoxO1可以通過PKB影響紅細胞信號轉導。

4　小　　結

綜上所述，FoxO轉錄因子與PI3K/PKB信號通路影響紅細胞的生成、增殖、活力及凋亡。目前，關于FoxO轉錄因子的研究還在不斷深入，今后的研究重點將集中在FoxO轉錄因子與其他信號通路的關系上。筆者相信隨著對FoxO轉錄因子不斷深入的研究，將為探討紅細胞生成的調控機制提供更重要的依據。

[1]Wijchers PJ，Burbach JP，Smidt MP．In control of biology:of mice,men and Foxes[J]．Biochem J，2006，397(2)：233-246.

[2]Carlsson P，Mahlapuu M．Forkhead transcription factors:key players in development and metabolism[J]．Dev Biol，2002，250(1)：1-23．

[3]Renault VM，Rafalski VA，Morgan AA，et al．FoxO3 regulates neural stem cell homeostasis[J]．Cell Stem Cell，2009，5(5)：527-539．

[4]van der Vos KE，Coffer PJ．The extending network of FOXO transcriptional target genes[J]．Antioxid Redox Signal，2011，14(4)：579-592．

[5]Kim DH，Perdomo G，Zhang T，et al．FoxO6 integrates insulin signaling with gluconeogenesis in the liver[J]．Diabetes，2011，60(11)：2763-2774．

[6]Tzivion G，Dobson M，Ramakrishnan G．FoxO transcription factors;regulation by AKT and 14-3-3 proteins[J]．Biochim Biophys Acta，2011，1813(11)；1938-1945．

[7]Storz P．Forkhead homeobox type O transcription factors in the responses to oxid-ative stress[J]．Antioxid Redox Signal，2011，14(4)：593-605．

[8]Maiese K，Chong ZZ，Shang YC．"Sly as a FOXO":new paths with Forkhead signaling in the brain[J]．Curr Neurovasc Res，2007，4(4)：295-302．

[9]Jagani Z，Singh A，Khosravi-Far R．FOXO tumor suppressors and BCR-ABL-induced leukemia:a matter of evasion of apoptosis[J]．Biochim Biophys Acta，2008，1785(1)：63-84．

[10]Yeo H，Lyssiotis CA，Zhang Y，et al．FoxO3 coordinates metabolic pathways to maintain redox balance in neural stem cells[J]．EMBO J，2013，32(19)：2589-2602．

[11]Rached MT，Kode A，Xu L，et al．FoxO1 is a positive regulator of bone formation by favoring protein synthesis and resistance to oxidative stress in osteoblasts[J]．Cell Metab，2010，11(2)：147-160．

[12]Zhao X，Gan L，Pan H，et al．Multiple elements regulate nuclear/cytoplasmic shuttling of FOXO1:characterization of phosphorylation- and 14-3-3-dependent and -independent mechanisms[J]．Biochem J，2004，378(Pt 3)：839-849．

[13]Maiese K，Chong ZZ，Shang YC．OutFOXOing disease and disability:the therapeutic potential of targeting FoxO proteins[J]．Trends Mol Med，2008，14(5)：219-227．

[14]Greer EL，Brunet A．FOXO transcription factors in ageing and cancer[J]．Acta Physiol(Oxf)，2008，192(1)：19-28．

[15]Zhou W，Cao Q，Peng Y，et al．FoxO4 inhibits NF-κB and protects mice against colonic injury and inflammation[J]．Gastroenterology，2009，137(4)：1403-1414．

[16]Ingley E．Integrating novel signaling pathways involved in erythropoiesis[J]．IUBMB Life，2012，64(5)：402-410．

[17]Li F，Chong ZZ，Maiese K．Vital elements of the Wnt-Frizzled signaling pathway in the nervous system[J]．Curr Neurovasc Res，2005，2(4)：331-340．

[18]Wu Q，Brown MR．Signaling and function of insulin-like peptides in insects[J]．Ann Rev Entomol，2006，51(1)；1-24．[19]Accili D，Arden KC．FoxOs at the crossroads of cellular metabolism,differentiation,and transformation[J]．Cell，2004，117(4)：421-426．

[20]Hirota K，Daitoku H，Matsuzaki H，et al．Hepatocyte nuclear factor-4 is a novel downstream target of insulin via FKHR as a signal-regulated transcriptional inhibitor[J]．J Biol Chem，2003，278(15)：13056-13060．

[21]Su D，Coudriet GM，Hyun Kim D，et al．FoxO1 links insulin resistance to proinflammtory cytokine IL-1β production inmacrophages[J]．Diabetes，2009，58(11)：2624-2633．

青海省國際合作項目基金資助項目(2014-HZ-808)。作者簡介：馮婷婷(1989-)，住院醫師，在讀碩士，主要從事慢性高原病研究。△

，E-mail：13997244508@163.com。

R331.14

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1671-8348(2016)21-3002-03

2016-01-11

2016-03-02)

·綜述·doi:10.3969/j.issn.1671-8348.2016.21.040