叉頭框蛋白O3a在神經退行性疾病中靶向研究進展

李莎 崔春愛

延邊大學醫學院解剖學教研室 （吉林延吉 133000）

神經退行性疾病（neurodegenerative disease，NDD）分為腦缺血（cerebral ischemia， CI）、腦損傷（brain injury， BI）、癲癇在內的急性神經退行性疾病和阿爾茨海默病（alzheimer′s disease， AD）、帕金森病（parkinson′s disease， PD）、亨廷頓病（huntington's disease， HD）及肌萎縮側索硬化癥（amyotrophic lateral sclerosis， ALS）在內的慢性退行性疾病，而后者與腦內特定蛋白異常引起錯誤折疊、聚集和大量沉積有關［1］。研究表明，興奮性毒性、神經炎癥、線粒體功能障礙和氧化應激是與許多神經退行性疾病相關的常見機制，急性氧化應激會激活AKT/Foxo3a 通路，增強FoxO3a 磷酸化，抑制其轉錄激活，導致細胞的氧化損傷［2］；同時，叉頭框蛋白O3a（forkhead box protein O3a，FoxO3a）也可參與調控小膠質細胞極化表型，保護神經元，顯示其抗炎作用［3］；FoxO3a 可以通過PI3K-AKT-FoxO3a、SIRT1-FoxO3a、AMPK-FoxO3a-MnSOD 等途徑調節細胞分化和增殖、抑制細胞凋亡、調節氧化應激、調控自噬與線粒體功能［4-5］，其研究主要集中在癌癥和腎損傷領域，在神經退行性疾病中的研究較少。本文將通過總結FoxO3a在神經退行性疾病中的相關通路，闡述其在神經退行性疾病的發生和發展中的作用機制，為神經退行性疾病的防治提供新靶點。

1 FoxO3a 的結構及調節概述

叉頭框蛋白O（forkhead box protein O， FoxO）是于2000 年發現的Fox 轉錄因子家族中一員，由一個約110 個氨基酸的叉頭框DNA 結合域、保守的核定位、輸出序列的短的保守序列以及包括了反式激活結構域的無序的區域構成［6］，包括FoxO1、FoxO3a、FoxO4 和FoxO6，其中FoxO3a 作為其核心成員參與應激反應，與細胞的凋亡、自噬和炎癥有關，能夠影響人類的衰老與長壽，被稱之為“長壽基因”［7-8］。FoxO3a 由一個剛性的“頭”和一個靈活的“尾巴”構成，有多達75%的無序區域，包含了CR1、CR2、CR3 等保守區域，其中CR3 可能是作為FoxO3a 與DNA 結合時的轉錄激活因子或抑制因子，與共激活因子密切相關，FoxO3a 活性主要在基因的表達、翻譯后修飾、與共調節因子的相互作用及亞細胞定位四個水平上進行調節［9］。

研究表明，FoxO3a 受Akt 磷酸化調節，有助于細胞質易位、增強轉錄活性、觸發降解等；FoxO3a通過乙酰化調節，可促進細胞存活。研究［10］表明，FoxO3a 與PD 模型多巴胺神經元凋亡和存活以及AD 淀粉樣蛋白斑塊密切相關；此外，FoxO3 激活有利于胎兒大腦神經干細胞分化［11］。總之，FoxO3a作為一種有多種功能的調節因子，在神經退行性疾病的發生發展中發揮著重要作用。

2 FoxO3a 在神經退行性疾病中的功能

2.1 可抑制神經元凋亡神經元必須在生物體中存活以確保神經系統功能的正常運行。當應激源激活神經元中細胞內信號轉導，導致神經元細胞凋亡，導致神經功能衰退，成為神經退行性疾病進展的基礎［12］。FoxO3a 是PI3K/AKT 信號通路下游的重要轉錄因子，當AKT 途徑被抑制時，去磷酸化的FoxO3a 大部分進入細胞核，調節不同的凋亡靶目標，導致細胞凋亡［13］。提取自肉豆蔻科高大喬木植物Myristica fragrans Houtt 的單體成份肉豆蔻木酚素可通過PI3K 介導的FoxO3a 信號通路，調控鼠性小膠質細胞的M1 型極化和海馬神經元的凋亡［2，14］。ZHAO 等［15］學者體內外研究發現，錳（manganese， Mn）通過FoxO3a-Bim/PUMA 信號軸，調控FoxO3a 活化和乙酰化，誘導神經元凋亡，影響神經退行性疾病的發生與發展。此外，YI等［16］的研究表明，源自大豆肽（soybean peptides，SBP）的單肽SWGEDWGEIW 可以通過激活SIRT3/FoxO3a 信號通路，從而減少PC-12 細胞線粒體障礙和氧化應激介導的細胞凋亡。腺苷酸活化蛋白激酶 （amp-activated protein kinase， AMPK）是參與調控細胞能量代謝的關鍵激酶，通過激活AMPK/FoxO3a 通路，防止黑質紋狀體神經元凋亡和緩解七氟烷介導的神經毒性［17］。以上實驗結果均表明FoxO3a 介導的信號通路在神經元凋亡中發揮著重要的作用。

2.2 可抑制氧化應激大腦需氧量過大，極易因神經元氧化還原信號失衡，而引起活性氧（reactive oxygen species， ROS）的積累，導致氧化應激，而FoxO3a 可調控氧化應激誘導的神經毒性［18］，解救神經元。研究［19］表明，在氧化應激刺激下，激活的SIRT1 和SIRT3 與FoxO3a 轉錄因子相互作用，通過上調內源性抗氧化酶、調控細胞凋亡來降低ROS 水平；在高氧條件下，芝麻素和芝麻酚可以激活SIRT1-SIRT3-FoxO3a 的表達，減輕氧化應激引起的神經元損傷［20］。在中樞神經系統中，小膠質細胞是活性氧（reactive oxygen species， ROS）的主要來源，且小膠質細胞的慢性激活與衰老相關的神經退行性疾病有關［21］。研究［22］發現，SIRT3-FoxO3a信號軸可直接影響小膠質細胞ROS 的產生，從而表現抗氧化防御機制。

2.3 可調控神經元自噬自噬是降解真核細胞中受損細胞器和錯誤折疊蛋白質的必要過程，神經元可依賴自噬來維持體內平衡。突變和錯誤折疊的蛋白在細胞內、外的不當積累是神經退行性疾病最明顯的標志，而自噬在其中發揮著關鍵作用［23］。研究［4］發現，七葉膽苷XVII（Gypenoside XVII， GP17）可通過SIRT1-FoxO3a/Hif1α-BNIP3 信號通路調控缺血缺氧誘導的的線粒體自噬，保護神經元；KCNQ1OT1 可通過FoxO3/ATG7 途徑，調控腦缺血/再灌注誘導的神經元自噬［24］；在腦缺血再灌注研究［25］顯示，黃芪的生物活性成分Calysoin（CA）可以通過STAT3/FoxO3a 途徑抑制自噬減輕腦損傷。此外，AMPK-FoxO3a-SKP2-CARM1 信號通路可以調節運動預處理介導的轉錄因子EB（TFEB）激活，恢復自噬通量，從而保護細胞［26］。

2.4 可調控線粒體功能線粒體是維持神經元生長和突觸功能的主要能量來源，支持神經系統的高能量消耗，線粒體功能障礙是中樞神經系統神經退行性疾病的一個關鍵特征［27］。臨床研究發現，神經退行性疾病患者的大腦中存在線粒體自噬和線粒體功能障礙，很可能是神經退行性過程的基礎。CHECLER 等［28］通過探討早老素蛋白PSEN1 和PSEN2 對PINK1 的分子級聯反應，發現FoxO3a 會觸發PSEN1 對PINK1 轉錄和功能的調節；PARK2 能上調PSEN1 表達水平，同時，PINK1也能將PARK2 募集到受損的線粒體中，PARK2-PINK1 相互作用在病理條件下可能破壞的線粒體自噬過程。近期［29］研究認為SIRT3-FoxO3a-PGC1α軸是線粒體錳超氧化物歧化酶（Mn-superoxide dismutase， MnSOD）的關鍵調節因子，FoxO3a 可通過增加MnSOD 的表達起到神經保護作用，是重要的研究靶點。目前研究認為通過SIRT3/FoxO3a 介導的線粒體動態穩態和線粒體吞噬作用［30］，可以改善心肌缺血誘導的心衰，但在神經退行性疾病中的調控機制還需進一步研究。

3 FoxO3a 與神經退行性疾病

3.1 ADAD是一種無法治愈的神經退行性疾病，磷酸化的β-淀粉樣蛋白（β-Amyloid protein， Aβ）和Tau 蛋白的積累、氧化應激和神經炎癥是其致病因素。研究［31］表明，白藜蘆醇（resveratrol， RES）可通過激活SIRT1/FoxO3a 促進神經元發育，保護神經元免受氧化應激的有害影響，減少海馬神經元中Aβ 的聚集及其毒性；淀粉樣前體蛋白（amyloid precursor protein，APP）是Aβ 的前體跨膜蛋白，而FoxO3a 作為APP 的下游效應因子，APP 的AICD片段通過啟動FANCD2 信號通路，增強FoxO3a 在細胞核內的穩定性，認為FoxO3a 是反映APP 活性變化的早期轉錄因子［32］，并通過調控PI3K/AKT/FoxO3a 信號通路，改善AD 小鼠的神經炎癥反應及認知障礙［33］。靶向調控FoxO3a 的表達，可影響蛋白磷酸酶Mg2+/Mn2+依賴性1F（protein phosphatase Mg2/Mn2 dependent 1F， PPM1F）的表達，其過表達會加速APP/PS1 轉基因小鼠學習記憶缺陷及其病變進程［34］，以上結果表明FoxO3a 在AD 的早期診斷、治療及發病機制研究中具有重要意義。

3.2 PDPD 是第二常見的神經退行性疾病，以腦組織黑質多巴胺能神經元的退化、紋狀體多巴胺的減少及α-突觸核蛋白的積累和聚集為主要特征，多見于老年患者，表現出運動遲緩、姿勢步態異常、肌強直和靜止性震顫等運動功能缺陷和認知功能缺陷［35-36］。實驗表明，α-突觸核蛋白的輕度過度表達（相對于內源性神經元水平增加200%）時，可通過激活SIRT1/FoxO3a 通路，上調SOD2 蛋白表達水平，從而參與細胞抗氧化防御的調節，減輕氧化應激引起的神經元損傷［37］。PALLABI 等［38］發現，miR-128 在PD 患者血漿外泌體中顯著降低；而過表達的miR-128 可以通過下調FoxO3a 的靶標FasL 和PUMA 的表達，阻滯FoxO3a 的激活，最終達到抑制細胞凋亡的目的。此外，槲皮苷可增加FoxO3a磷酸化水平，激活PI3K/Akt/FoxO3a 信號通路，抑制PD 中的神經細胞凋亡［39］，起關鍵靶點作用。

3.3 FoxO3a 與腦缺血缺氧腦缺氧缺血（cerebral hypoxia ischemia， CHI）是大腦衰老以及中風、PD 和AD 等與年齡相關的神經系統疾病發生與發展的關鍵因素［37］，會表現出認知能力下降和神經功能障礙，且病死率高。大腦中動脈閉塞（middle cerebral artery occlusion， MCAO）小鼠研究表明，抑制FoxO3a 的表達并下調了Sirt1 的mRNA 和蛋白質的表達水平，而許多藥用植物中所含有的巖白菜素（bergenin， BGN）通過上調Sirt1 和FoxO3a 表達，激活Sirt1/FoxO3a/NF-κB 信號通路，顯示了其抗氧化及抗炎作用［40］；同時，SirT1/FoxO3a 信號通路和疏水性跨膜蛋白TSPO 與腦微血管內皮細胞保護作用相關［41］；此外，ZHOU 等［42］也證實，通過靶向miR-19a/b-3p/SirT1/FoxO3a/SPHK1 通路，可抑制缺血再灌注誘導的神經炎癥，達到神經保護的目的。FoxO3a 的磷酸化會抑制CREBSer133殘基的磷酸化，并誘導細胞生長相關基因的轉錄。Swell1是小膠質細胞容量調節陰離子通道的重要組成部分，Swell1 的開放會激活SGK1-FoxO3a/CREB，促進小膠質細胞存活和M2 樣極化來防止缺血性腦損傷［43］。肉豆蔻提取物則通過哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin， mTOR）信號通路和FoxO3a 的Ser314 殘基的磷酸化，調節細胞增殖，抵抗缺血缺氧誘導的腦組織損傷，并通過調控AKT/FoxO3a 信號途徑，抑制慢性腦低灌注引起的腦損害，改善大鼠學習和記憶功能［12］。五加科刺五加提取物紫丁香苷（syringin， SYR）也通過促進FoxO3a 的磷酸化，抑制其核易位，從而抑制NFκB 的活性，最終達到減少腦缺血后的神經炎癥，對腦缺血/再灌注損傷發揮保護作用［44］。

3.4 FoxO3a 與創傷性腦損傷創傷性腦損傷（traumatic brain injury， TBI）是外力引起的大腦功能和腦組織病理學變化，會導致神經炎癥，誘發繼發性腦損傷導致慢性神經退行性疾病［45］。研究［46］表明，在TBI 后腦組織中FoxO3a 表達水平與TBI嚴重程度、生存時間均有密切的相關性，表明FoxO3a 在神經元自噬和凋亡以及TBI 后神經元功能障礙中發揮著至關重要的作用。SUN 等［47］研究發現，創傷性腦損傷（traumatic brain injury， TBI）大鼠海馬神經元自噬被激活，并引起FoxO3a 核易位，誘導FoxO3a 介導的神經元自噬，引發神經損傷；反之，敲低FoxO3a 可以抑制TBI 誘導的神經損傷，具有明顯的的神經保護作用。

綜上所述，隨著對FoxO3a 研究的不斷深入，FoxO3a 的功能越來越受到學者們的關注，對它的研究也不僅僅局限于癌癥、腎臟疾病，在神經退行性疾病的診治方面也顯示出巨大潛力。異常表達的FoxO3a 通過多種相關信號通路調節神經元凋亡、自噬和線粒體功能，從而影響神經退行性疾病的發展，但神經退行性疾病的發病機制十分復雜。未來應對FoxO3a 能否作為神經退行性疾病早期診斷的標志物以及在神經退行性疾病發展各個階段的具體作用做進一步的研究，為神經退行性疾病的發病機制提供新思路，為未來的治療用藥提供新希望。