FoxO1轉錄因子在肝臟糖脂代謝中的作用*

黃文凡 文秀英 余 杰

華中科技大學同濟醫學院附屬梨園醫院中西醫結合科,武漢 430077

肝臟在維持機體糖脂代謝平衡中起重要作用,在胰島素抵抗時,肝臟糖脂代謝發生紊亂,后者又加重胰島素抵抗,形成惡性循環。但其具體發生機制仍未明確。最近發現,在胰島素抵抗的肝臟,轉錄因子FoxO1的活性增加,一方面促進糖異生相關基因的表達,另一方面促進肝臟極低密度脂蛋白(VLDL)和脂肪合成基因的表達。因此,FoxO1基因可能成為改善肝臟胰島素抵抗的新靶點。本文就FoxO1轉錄因子在肝臟糖脂代謝中的作用綜述如下。

1 FoxO1的結構和活性調節

1.1 FoxO1轉錄因子的結構

Fox基因(forkhead box)的名稱最初來自果蠅的“叉頭”突變[1],現已發現90多個Fox基因。Fox轉錄因子家族屬于核受體亞家族,有17個亞家族成員,FoxA～Q[2]。Fox蛋白家族成員均具有高度保守的DNA 結合域,即“forkhead”保守區,該區域由110個氨基酸和C端的轉活域組成;3個α-螺旋形成螺旋-轉角-螺旋(helix-turn-helix)結構,兩側各一個環狀的“翼”,即“winged-helix區”[3]。FoxO 轉錄因子亞家族的氨基酸序列中有 3個高度保守區,包含PKB/Akt磷酸化基序。FoxO轉錄因子亞家族在哺乳動物中有4個成員,即 FoxO1(FKH R)、FoxO3a(FKHRL1)、FoxO4(AFX)、FoxO6[4]。其中,FoxO1廣泛表達于成人的各組織器官中,在肝臟大量表達,是胰島素信號轉導的主要靶點[5]。

1.2 FoxO1轉錄因子活性的調節

FoxO1轉錄因子在生物體中具有多種重要的功能,其精密調節是通過翻譯后修飾(PTMs)的復雜聯動完成的,包括磷酸化、乙酰化和泛素化,而磷酸化/去磷酸化在FoxO1蛋白分子的亞細胞定位和轉錄活性的調節中發揮核心作用。

FoxO1是胰島素/胰島素樣生長因子-1(INS/IGF-1)信號通路中的下游分子,其上游主要受PI3K/Akt調控[6]。FoxO1蛋白包含3個高度保守的PKB/Akt磷酸化位點(對應于人類 FoxO1的 Thr24、Ser256和Ser319)[7]。胰島素、IGF-1和(或)其他轉錄因子與其特異的酪氨酸激酶受體結合后激活Akt,活化的Akt磷酸化這3個位點而導致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[8],這是FoxO1轉錄活性受到負性調節的主要機制。PKB活性降低時,FoxO1主要在細胞核內呈去磷酸化狀態,表明PKB介導的磷酸化誘導了FoxO1蛋白從細胞核到細胞質的重新定位,保持其轉錄活性。另外,同樣依賴PI3K激活的血清和糖皮質激素誘導蛋白激酶(serum and glucocorticoid-inducible kinase,SGK)也能磷酸化FoxO1[9]。

FoxO亞家族蛋白分子的轉錄活性還受到乙酰化/去乙酰化修飾的調節。FoxO1的乙酰化發生在DNA結合區的賴氨酸殘基上[10]。乙酰化可以降低這些DNA結合區的親和力而減少轉錄活性。有報道[11]顯示,FoxO1能被核共激活劑CBP/p300乙酰化,而乙酰化的FoxO1可被NAD相關的脫乙酰基酶(Sirtuin)SIRT1和SIRT2脫乙酰化[12]。乙酰化作用使FoxO定位于核內并阻止FoxO被泛素化而降解。

2 FoxO1在肝臟糖代謝中的作用

2.1 FoxO1對糖代謝的直接作用

有研究[13]表明,forkhead蛋白與胰島素樣生長因子結合蛋白-1(IGFBP-1)啟動子中的胰島素反應序列(IRSs)相互作用,這一信號通過PI3K及下游的PKB/Akt調控胰島素對基因表達的作用。正常小鼠空腹后,肝臟FoxO1 mRNA水平增加[14]。FoxO1表達增加促進空腹時肝臟糖異生,這對維持血糖的正常水平至關重要。FoxO1蛋白通過與糖異生關鍵酶葡萄糖-6-磷酸酶(G6Pase)和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEPCK)基因啟動子的胰島素反應元件(insulin response element,IRE)結合,調節這兩種基因的表達[15]。激活FoxO1能夠增加PEPCK和G6Pase表達。FoxO1載體處理和過度表達FoxO1突變體的小鼠肝臟FoxO1表達增加,導致PEPCK和G6Pase表達增加,使葡萄糖和胰島素水平增加[16]。胰島素抵抗時,胰島素磷酸化肝臟FoxO1的能力受損,FoxO1定位于核內并刺激糖異生基因表達,導致HGP增多。抑制db/db的小鼠和H4IIE細胞中的FoxO1通過抑制糖異生基因的表達,降低空腹血糖水平[17]。高脂飲食誘導的肥胖小鼠中,反義寡核苷酸誘導FoxO1活性抑制改善了葡萄糖耐量和肝臟及外周組織胰島素的作用,同時伴隨PEPCK和G6Pase表達水平降低[18]。特異性的鈍化肝臟FoxO1基因的小鼠顯示肝臟葡萄糖產生減少及血糖降低[19]。

另外,FoxO1也能改變葡萄糖激酶(GK)和其他參與葡萄糖代謝的基因表達,通過糖酵解,磷酸戊糖旁路,脂肪形成和膽固醇合成通路[16]。報告基因和ChIP研究[20]表明FoxO1結合GK啟動子,FoxO1轉基因小鼠證實FoxO1下調GK和其他參與葡萄糖利用的基因表達[16]。對靶向中斷肝臟FoxO1的小鼠遺傳學研究也支持這一觀點[19]。

2.2 FoxO1對糖代謝的間接作用

除了與DNA靶位點直接結合并刺激靶基因的轉錄,FoxO1蛋白與其他轉錄因子和共激活蛋白相互作用并調節其功能,包括調控肝臟基因表達至關重要的因子[16]。最近報道,FoxO1除了直接結合到糖異生基因啟動子并激活葡萄糖產生過程,一些共激活因子,如PGC-1α和C/EBPα也可以通過與FoxO1的Forhead域結合調控糖異生過程。

過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子-1(peroxisome proliferator-activated receptor-γcoactivator-1,PGC-1)家族對細胞能量代謝具有多重調控作用,包括線粒體生化功能、肝臟糖異生作用及脂肪酸β氧化等[21]。作為PGC-1家族的第一個成員,PGC-1α(含798個氨基酸)最初被認為是一種能與核受體PPAR 7共同作用的蛋白[22],廣泛表達于高能量需求且富含線粒體的組織。正常情況下,肝臟PGC-1α的表達低于其他有氧代謝組織,而禁食后,肝臟PGC-1α的表達急劇上升[23]。PGC-1α在糖尿病或胰島素信號缺失的模型中表達增加,能夠激活大鼠肝臟和肝細胞糖異生相關基因的表達。胰島素通過多種機制調控PGC-1α的表達,包括FoxO1的鈍化作用[24]。缺失FoxO1的小鼠其 PGC-1α的表達也降低[19]。有研究[25]發現,PGC-1α是 FoxO1的直接共激活因子。AdPGC-1α+AdFOXO1(ADA)肝細胞顯示PEPCK、G6Pase表達明顯增加,表明PGC-1α誘導糖異生的能力需要與FoxO1相互作用。PGC-1α并不直接結合PEPCK和G6Pase啟動子,而是促進FoxO1、HNF4α等的轉錄活性[26]。抑制FoxO1導致PGC-1α促進PEPCK表達的能力受損[25]。FoxO1誘導PEPCK和G6Pase的表達,可能直接通過PGC-1α或與PGC-1α協調作用[24]。有研究[25]顯示,PGC-1α-FoxO1復合物對調控糖異生起重要作用,也被認為是2型糖尿病抗糖異生治療可能的潛在靶點。

CCAAT/增強子結合蛋白(CCAAT enhancerbinding proteins,CCAAT/EBPs)家族,是一組亮氨酸拉鏈(bZIP)轉錄因子家族,C/EBPs蛋白的特征性結構在于具有位于羧基端的bZIP結構域[27]。自Lekstrom-himes等[28]在肝內發現C/EBPα以來,至今已發現 C/EBPα、β、γ、δ、ε、ζ等6 種類型 。C/EBPs可以對基因轉錄存在正性和負性調控。其中C/EBPα被認為是參與能量代謝的中心環節,不僅可以調控糖異生途徑的關鍵酶,還可以調節胰島素受體基因的表達。基因敲除動物模型結果顯示,C/EBPα缺失導致編碼糖原合成酶,如PEPCK、G6Pase的基因表達減少。大部分C/EBPα-/-新生小鼠由于糖原合成缺陷和糖異生受損,導致出生后迅速死亡[29]。FoxO1作為肝糖異生基因表達中C/EBPα的共激活劑,通過 forkhead域與 C/EBPα包含的 bZIP域的C端結合,FoxO1與C/EBPα直接相互作用、協作調控糖異生。共免疫沉淀試驗顯示,C/EBPα與FoxO1相互作用,ChIP分析新生的肝臟證實 C/EBPα-FoxO1復合物PEPCK啟動子[30]。目前,關于C/EBPα與FoxO1之間的聯系的報道并不多,更深層的關系有待研究。

3 FoxO1在肝臟脂代謝中的作用

3.1 FoxO1在VLDL合成中的作用

2型糖尿病的血脂異常以三酰甘油(TG)升高為主,VLDL增多是眾多因素中的一個。胰島素抵抗時,其調控 VLDL產生的能力受損,導致過多的VLDL分泌和血液中過多的TG顆粒積累[31]。然而,胰島素與VLDL過表達之間的潛在聯系仍然知之甚少。

肝臟VLDL的裝配需要微粒體TG轉運蛋白(microsomal TG transfer protein,MTP),一種分子標準為88 kDa的內質網蛋白,被認為是一種分子伴侶。MTP催化脂質轉運至新生的載脂蛋白B(ApoB),這是肝臟產生VLDL的限速步驟,MTP不足能夠降低VLDL的分泌,而不依賴已合成的 ApoB水平[32]。Kamagate等[33]報道,MTP是FoxO1轉錄因子的靶點,FoxO1介導胰島素依賴的肝MTP表達,調控肝臟VLDL的產生。在體外培養的HepG2細胞中顯示,FoxO1刺激肝臟MTP的產生,而胰島素則抑制其產生。這種作用與FoxO1結合MTP啟動子上其靶位點而導致MTP啟動子轉活的能力一致。FoxO1結合位點缺失或突變導致FoxO1不能結合到MTP啟動子,從而阻止胰島素依賴的肝MTP產生調控。腺病毒介導或轉基因表達使FoxO1獲得功能,增加了肝MTP表達并促進了ApoB分泌,這誘導了VLDL-TG數量和大小的增加。Altomonte等[34]也報道,FoxO1載體處理小鼠和FoxO1S253A轉基因小鼠顯示肝臟脂肪含量和 TG水平增加。相反,RNAi介導的肝臟FoxO1失功能抑制了小鼠肝臟MTP的表達并減少了VLDL-TG輸出[33]。

正常生理狀態下,餐后胰島素分泌增多,FoxO1被磷酸化并轉位至細胞質中,抑制肝MTP的表達,從而減少VLDL-TG產生并限制餐后脂肪進入血液。對于2型糖尿病,由于外周胰島素抵抗,FoxO1以去磷酸化狀態導致其核排除減少,增加了FoxO1的轉錄活性,促進了肝MTP和VLDL產生過多。數據表明,胰島素抵抗肝臟中不受限制的FoxO1活性在胰島素作用受損與過度的VLDL-TG分泌之間發揮重要作用[33]。Samuel等[18]報道,選擇性的抑制FoxO1能顯著改善高脂飲食誘導的肥胖小鼠的脂代謝。在胰島素受體缺失的糖尿病小鼠中,FoxO1單倍劑量不足能保護免受高脂誘導的胰島素抵抗和脂代謝紊亂[34]。

3.2 FoxO1對肝臟其他脂代謝基因的作用

除了對肝臟VLDL-TG產生的影響,FoxO1活性增加造成肝臟脂肪沉積可能與其參與脂肪形成基因的表達有關,包括固醇調控元件結合蛋白-1c(SREBP-1c)、脂肪酸合成酶(FAS)、乙酰CoA羧化酶(ACC)等。在轉基因表達FoxO1或腺病毒介導的肝臟FoxO1產生的小鼠中,檢測發現編碼 SREBP-1c、FAS、ACC的基因表達也增加了[14]。過表達FoxO1的小鼠肝臟脂肪沉積增加可能是由于誘導了 PGC-1β,而 PGC-1β是 SREBP-1c調節肝臟脂肪形成所需的共激活物[14]。核受體蛋白肝X受體(LXR)在調節膽固醇和胰島素對SREBP-1c影響中發揮重要作用,FoxO1可能是通過損傷LXR的功能間接作用于SREBP-1c[35]。

綜上所述,FoxO1是肝臟用來監測脂質和葡萄糖代謝與循環胰島素水平的傳感器。目前的研究提供了肝臟代謝綜合征的發病機制,學者們發現轉錄因子FoxO1通過多重機制調控肝臟糖脂代謝。肝臟FoxO1的雙重作用可能是作為轉錄因子或共調控因子而發揮其功能,FoxO1在肝臟中的作用還需要更深入的研究。

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