叉頭轉錄因子-1與骨代謝關系的研究進展

舒林徑　伍穎穎　譚震　宮蘋

1.口腔疾病研究國家重點實驗室　華西口腔醫院（四川大學）；2.種植科，成都 610041

叉頭轉錄因子-1與骨代謝關系的研究進展

舒林徑1伍穎穎2譚震2宮蘋2

1.口腔疾病研究國家重點實驗室華西口腔醫院（四川大學）；2.種植科，成都 610041

叉頭轉錄因子-1（FoxO1）可調控細胞增殖、葡萄糖異生、能量代謝和氧化應激等生物學過程，近年來研究表明，其在骨重塑過程中也發揮著重要的作用，影響機體骨量。其主要通過調控成骨細胞形成新骨，破骨細胞吸收礦化骨基質和前體細胞的分化增殖，影響骨代謝過程，調控機體骨量。本文通過對FoxO1在骨代謝中的研究進行回顧，對其在骨代謝中的作用途徑和機制進行綜述。

叉頭轉錄因子-1；骨代謝；成骨細胞；破骨細胞

叉頭轉錄因子（forkhead box protein O，FoxO）家族中發現最早的成員是FoxO1，其可通過轉錄和傳導生長因子及細胞因子信號，發揮調節細胞增殖、葡萄糖異生、能量代謝和氧化應激等多種生物學活性［1-2］。近年研究［3］顯示，FoxO1通過調控成骨細胞形成新骨，破骨細胞吸收礦化骨基質和前體細胞的分化增殖，影響骨代謝過程。

1　FoxO1在成骨細胞中的作用

在生理情況下，骨組織處于不斷改建過程中，骨吸收和骨形成維持動態平衡［4-5］。成骨細胞是骨形成的主要功能細胞，負責骨基質的形成、分泌和礦化。在3種FoxO蛋白中，FoxO1是成骨細胞中表達量最高的亞型，通過調節氧化還原平衡［3］、骨骼葡萄糖代謝［6-8］調控成骨細胞的增殖、分化、凋亡，從而影響新骨的形成過程。

1.1調節成骨細胞氧化還原平衡

在正常情況下，骨骼細胞內處于氧化還原平衡。在應激條件下機體產生過量自由基等氧化性物質，造成細胞氧化還原調控失衡，導致脂質過氧化、DNA損傷斷裂、蛋白質功能喪失等，從而引發骨質疏松等骨骼疾病［3，9-11］。

Rached等［3］敲除小鼠成骨細胞中的FoxO1基因發現，成骨細胞數量明顯減少，成骨率下降，骨骼體積萎縮，骨吸收增加。探究FoxO1的調控機制發現，FoxO1在成骨細胞中一方面通過調控氨基酸的攝入，調節成骨細胞的蛋白質合成，從而發揮保護作用。這種功能與FoxO1和激活轉錄因子4（activating transcription factor 4，ATF4）相互作用有關。ATF4是調控蛋白質攝入的負反饋調節通路的重要組成部分，可促進谷胱甘肽的合成［12］。ATF4能與FoxO1相互作用并促進FoxO1活化，FoxO1也能增強ATF4的轉錄活性。成骨細胞中的FoxO1表達降低會導致蛋白質合成降低，從而使一些抗氧化防御分子如谷胱甘肽和超氧化歧物酶2等機體抗氧化的防御物質活性下降，活性氧和脂肪氧化產物水平升高。當給予缺乏FoxO1的小鼠抗氧化劑N-乙酰半胱氨酸后，可將其成骨細胞的氧化應激狀態控制在正常水平，其成骨細胞數量、成骨率和骨骼體積均得到恢復［3］。另一方面，在成骨細胞中，FoxO1還可通過抑制P19ARF/ P16/P53和P66Shc兩條關鍵的信號轉導通路，維持成骨細胞的正常增殖。P19ARF和P16是P53信號轉導通路的上游調節基因，P19ARF和P16可活化P53。P19ARF/P16/P53信號轉導通路可由活性氧激活，調節活性氧誘導的抗細胞增殖作用及其早期老化。生理情況下，FoxO1可通過抑制P19ARF和P16的表達，從而下調P53的活性，防止成骨細胞周期抑制，保證其正常增殖和骨穩態［10］。另一條是P66Shc信號轉導通路，該通路可調節活性氧導致的細胞早期程序性死亡作用［11］。而在FoxO1敲除小鼠的成骨細胞中，P19ARF、P16、P53以及P66Shc基因表達均上調。

1.2FoxO1調節成骨細胞葡萄糖代謝

研究［13-18］表明FoxO1可能是骨骼系統作為一個內分泌器官調節葡萄糖代謝的關鍵調控因子，主要通過調控骨鈣素的分泌和活性，實現調控作用。

FoxO1在成骨細胞細胞核內，與ATF4共定位，與ATF4相互作用發揮效用［6］。對成骨細胞中特異性敲除FoxO1基因的小鼠研究［7］發現，成骨細胞內FoxO1可通過抑制胰島細胞增殖和功能，抑制胰島素靶器官的胰島素敏感性，從而升高空腹和餐后血糖。不僅如此，成骨細胞表達的FoxO1還可以促進糖異生，并且不影響胰高血糖素和生長激素等激素水平。

進一步研究發現，FoxO1可通過促進骨鈣素的羧基化，抑制非羧基化骨鈣素的分泌，從而減少胰島β細胞增殖、胰島素分泌及其敏感性，發揮升高血糖的作用。FoxO1一方面可以直接與骨鈣素的啟動子和第一內含子結合，阻止Runx2基因與骨鈣素啟動子位點結合［19］。FoxO1與核心結合因子-α1（core binding factor α1，CBFA1）相互作用抑制其轉錄活性來抑制骨鈣素的表達［7］。胚胎干細胞磷酸酶（embryonic stem cell phosphatase，Esp）基因在成骨細胞中表達，其編碼產物蛋白酪氨酸磷酸酶導致成骨細胞的胰島素受體去磷酸化，參與骨鈣素的羧基化修飾過程［8］。另一方面，FoxO1還可間接通過下調Esp表達，進而對骨鈣素的生物活性進行調節。當同時敲除小鼠成骨細胞內FoxO1和骨鈣素基因單鏈時，胰島素抵抗、葡萄糖不耐受現象得到了明顯的改善。

不僅成骨細胞表達的FoxO1可以調控胰島素產生和敏感性，它也是胰島素在成骨細胞上的效應器。胰島素通過磷脂酰肌醇-3激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，PKB）途徑抑制成骨細胞上FoxO1活性，從而促進骨鈣素活性［7］。一方面，下調Esp表達從而促進骨鈣素脫羧；另一方面，減少骨保護素產生，促進破骨細胞生成和骨吸收［18］。

通過這樣的反饋途徑，FoxO1和骨鈣素實現了骨骼和胰島之間的緊密聯系，調節能量代謝。氧化應激和胰島素代謝對FoxO1的調控并非兩個相對獨立的過程，這兩方面相互影響、共同制衡了FoxO1在成骨細胞中的活性［20］。在機體衰老早期，適當地增加氧化應激可以增加骨內FoxO1的活性，從而保持成骨細胞數量和功能，利于血糖的利用。在代謝應激增加的情況下，又可以減少胰島素的水平，導致骨內FoxO1活性增加，從而升高血糖，為大腦提供營養。因此，除了胰島和肝，骨骼也是一個可以調控能量代謝的重要器官。

FoxO1可在成骨細胞內細胞核和細胞質之間穿梭。FoxO1入核，與ATF4相互作用。這一過程可提高FoxO1轉錄活性。FoxO1可通過調控蛋白質合成，抑制p19ARF/P16/P53和P66shc途徑，合成防御蛋白，防止細胞周期阻滯。FoxO1可以抑制骨鈣素轉錄活性，下調Esp表達，抑制骨鈣素活性，減少β細胞增殖和功能，降低胰島素分泌。抑制胰島素靶器官的敏感性，從而升高血糖。

2　FoxO1在破骨細胞中的作用

破骨細胞可再吸收礦化的骨基質，在骨發育和重塑以及骨骼病理過程中發揮著重要作用。異常的破骨細胞增生或壽命改變可導致各種良性和惡性的骨骼疾病［21-23］。

H2O2的堆積是破骨細胞分化的必要條件，對維持破骨細胞生存起著重要的調節作用。Bartell等［24］通過條件性增強或抑制小鼠破骨細胞內FoxO的功能，發現FoxO1可通過增加過氧化氫酶水平，減少H2O2堆積，抑制破骨細胞前體細胞增殖和減少成熟破骨細胞壽命，減少破骨細胞數量。當敲除FoxO1時，破骨細胞的數量和活性都增加，骨小梁的數量減少、間距增加，骨密質厚度減少，骨松質密度和骨體積減小。

2015年，Wang等［25］提出了相反的結論，通過敲除小鼠破骨細胞前體細胞和破骨細胞內FoxO1發現，核因子κB受體活化因子配體（receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL）誘導的破骨細胞生成和活性均降低。Wang等［25］認為兩種相悖的結論與觀察的時間和角度有關。重點關注于FoxO1和其調控的下游通路，在直接刺激作用下，FoxO1促進巨噬細胞集落刺激因子（macrophage colony stimulating factor，M-CSF）/RANKL誘導的骨吸收過程，促進破骨細胞前體分化為破骨細胞。然而在長期、間接的交互作用下，FoxO1表現出其他學者［24］觀察到的結果。筆者認為，兩項研究的結果差異可能與開始藥物刺激時小鼠周齡相差較大（分別為第4周齡和10周齡）有關。

FoxO1是否促進破骨細胞生成和活性尚存在爭議，相關機制研究仍欠缺，有待進一步研究證實和補充。

3　FoxO1對骨向分化的作用

不僅成骨細胞、破骨細胞在骨形成過程中發揮重要作用，作為成骨細胞來源的間充質干細胞（mesenchymal stem cell，MSC）也參與了骨形成的過程。MSC隨著發育依次分化為骨干細胞、成骨前體細胞、成骨細胞、骨細胞。研究［26］表明，FoxO1在干細胞和成骨細胞前體細胞的成骨向分化中發揮著重要的作用。在體內，FoxO1在小鼠胚胎的骨骼發育時表達，在體外MSC分化為骨細胞時表達增加。骨骼形成早期，降低小鼠胚胎中FoxO1基因表達，會對小鼠骨骼的發生產生重大的影響，影響小鼠骨骼系統的發育。

Siqueira等［27］在對前成骨細胞分化模型的觀察中發現，在細胞系形成礦化結節的過程中，FoxO1的DNA結合區域活性和mRNA水平均上調。當FoxO1基因敲除后礦化結節產生減少。然而，在該細胞系中過度表達FoxO1基因，會導致MC3T3-E1細胞數量減少，增殖細胞核抗原陽性細胞數量也有所下降。Almeida等［28］在體外實驗中，氧化應激條件下刺激成骨細胞前體細胞發現，β-鏈蛋白從原來的Wnt/T細胞因子（T cell factor，TCF）改而結合到了FoxO1，減少了體外的成骨細胞形成過程。該課題組隨后進行體內試驗，敲除成骨細胞和脂肪細胞共同的多能前體—MSC細胞中的FoxO1基因，觀察到β-鏈蛋白/TCF轉錄明顯下調，進一步證實FoxO1通過抑制Wnt/β-鏈蛋白/TCF信號通路，減少成骨細胞數量和骨量［29］。上述研究顯示，FoxO1是前成骨細胞分化的重要因子，通過與RUNX2啟動子相互作用，調控Wnt信號通路等途徑發揮作用。

4　結束語

FoxO1在骨骼中的調控作用會隨細胞種類的改變而有所不同。在前成骨細胞的分化、增殖過程中發揮著重要作用，調控成骨細胞的數量。在成熟成骨細胞行使功能的過程中，FoxO1蛋白能夠通過與ATF4的相互作用促進蛋白質的合成來對抗骨骼內的氧化應激反應，維持成骨細胞的正常增殖，而且對糖代謝進行調節。對破骨細胞作用尚存在爭議，這些分歧緣于研究對象、觀察時長和側重點不一致，有待進一步研究證實。毋庸置疑的是，FoxO1在骨代謝中功能的發現和機制的完善，認識到除了胰島和肝，骨骼也是一個可以調控能量代謝的重要器官［20］。

骨骼和胰島之間聯系緊密，骨骼通過FoxO1促進β細胞增殖、胰島素分泌和能量消耗，調控全身的糖代謝。不僅如此，胰島素信號通路也可以調控成骨細胞FoxO1從而調控骨代謝。或許由于FoxO1在不同組織中引發了相同的代謝作用，可為研究不同代謝性疾病間的內在聯系提供新的思路。骨代謝是口腔種植的基礎，通過對FoxO1在骨代謝中的作用進行深入的探究，可以為其在口腔種植領域的研究提供理論基礎。

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（本文編輯杜冰）

Research progress on forkhead box protein O1 and bone metabolism

Shu Linjing1， Wu Yingying2， Tan Zhen2， Gong Ping2. （1. State Key Laboratory of Oral Diseases， West China Hospital of Stomatology， Sichuan University， Chengdu 610041， China；2. State Key Laboratory of Oral Diseases， Dept. of Implantology， West China Hospital of Stomatology， Sichuan University，Chengdu 610041， China）
Supported by: National Natural Science Foundation for Youth of China（81400543）. Correspondence: Gong Ping， E-mail: gp602002@163.com.

Recent studies found that forkhead box protein O1 （FoxO1） does not only demonstrate important biological functions in cell proliferation， gluconeogenesis， energy metabolism， and oxidative stress， but it also plays a vital role in the remodeling process of bones. FoxO1 can regulate bone mass by affecting osteoblasts， osteoclasts， and precursor cells. In this article， we review the role of FoxO1 in bone metabolism and elucidate its underlying mechanism.

forkhead box protein O1；bone metabolism；osteoblasts；osteoclasts

Q 51

A

10.7518/hxkq.2016.04.022

2015-08-04；

2016-05-05

國家自然科學基金青年基金資助項目（81400543）

舒林徑，碩士，E-mail:kuailess@163.com

宮蘋，教授，博士，E-mail:gp602002@163.com