FOXOs轉錄因子在心臟疾病治療中的研究進展

李曉霞，呂俊利，張春瑩，郭會彩

(河北醫科大學衛生毒理學教研室，河北省環境與人群健康重點實驗室，河北 石家莊 050017)

叉頭框家族(forkhead box,FOX)分為19組(FOXA～FOXS)。FOX 蛋白具有1個高度保守的由110個氨基酸組成的DNA結構域，即Forkhead結構域。該結構域由3個α螺旋、3個β折疊、1個環狀結構和C末端組成。FOXO屬于插頭框家族的O亞科，FOXO1和FOXO3是FOXO家族中最大的、最重要的細胞活動轉錄調節因子。在哺乳動物中，FOXO家族有4個成員：FOXO1/FKHR/FOXO1A、FOXO3/FKHRL1/FOXO3a、FOXO4/AFX和FOXO6。FOXO1高表達于脂肪組織、心、脾、腦，FOXO3主要表達于骨骼肌、心肌、神經元，FOXO4高表達于心肌，FOXO6僅表達在腦的特定區域。FOXOs的活性受多種方式調節，翻譯后通過FOXOs的磷酸化、乙酰化、泛素化等作用，改變FOXOs的蛋白水平、細胞定位、DNA結合活性和轉錄活性，從而調控FOXOs作用的發揮。同時也影響細胞核和細胞質中的結構定位。FOXOs作為心肌細胞重要的轉錄因子，在細胞信號轉導的過程中發揮重要作用。FOXOs轉錄因子的作用復雜，在心肌細胞中主要參與細胞的抗氧化應激、細胞的代謝、細胞凋亡、細胞自噬、線粒體調節，以及參與炎癥反應，影響心肌梗死后的發展。目前，FOXO1、FOXO3作為心臟疾病治療的靶點受到了極大的關注[1]。在FOXO家族的4個成員中，FOXO3是FOXOs在心臟中表達最豐富的亞型。同時，FOXO3是心臟疾病治療最重要的潛在靶點。

1 FOXO1

FOXO1在心臟和血管的生成調控中發揮著重要的作用。在心臟中，FOXO1主要參與肌細胞在各種應力條件下，如代謝紊亂、氧化應激等復雜的網絡調控，有助于心肌細胞的存活，并且維持心肌的正常功能。

1.1FOXO1在心肌肥厚中的作用FOXO1具有對抗心肌肥大的作用，其中包括增強細胞自噬、促進細胞周期負調節因子的激活、影響心肌細胞的信號傳導等對心臟起到保護作用。FOXO1的表達促進細胞周期負調節因子p21(CIP1)和p27(KIP1)激活，這些調節因子可以抑制心肌肥厚，阻止心肌細胞過度增殖導致的心力衰竭[2]。

1.2FOXO1在缺血性心臟病中的作用FOXO1可以對抗缺血性心肌病。FOXO1參與抗氧化應激酶的調節從而對抗心肌細胞缺血導致的氧化應激，如錳超氧化物歧化酶(Mn-SOD)、過氧化氫酶(catalase，CAT)及Prx3，這些抗氧化應激酶參與細胞內活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)的清除[3]。心肌纖維化損害心臟的功能，并導致心肌缺血。轉化生長因子β1(transforming growth factor β1，TGF-β1)在心肌細胞纖維化的過程起到重要作用。Vivar等[4]的研究表明，FOXO1通過調節TGF-β1影響分化，表明FOXO1可以對抗心肌細胞纖維化，為心臟纖維化疾病治療提供一個新的研究方向。

2 FOXO3

2.1FOXO3在心肌肥厚中的作用FOXO3具有抑制或逆轉心肌肥厚的作用。心肌肥大病理改變的特點是心肌細胞體積的增大。FOXO3通過促進心肌細胞的自噬，降低細胞內ROS的水平，調控線粒體的分裂和自噬等作用抑制心肌肥厚。

2.1.1對抗氧化應激途徑 胰島素通過誘導ROS的產生，促進心肌細胞肥大，FOXO3促進抗氧化基因的表達，降低ROS水平，進一步抑制心肌細胞肥大[5]。同時，ROS減少抑制Ras的激活，抑制絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)/ERK、PI3K/Akt及其下游通路的表達，從而抑制參與心肌肥厚轉錄和翻譯因子的活性[6]。

2.1.2誘導自噬途徑 FOXO3通過抑制心肌細胞的增大，促進心肌細胞的自噬來維持心肌細胞的大小[7]。在心肌肥厚的過程中，活化T細胞鈣調神經磷酸酶/核因子(calcineurin/nuclear factor of activation T cell，NFAT)信號通路介導心肌細胞生長[8]。Li等[9]的研究證明，FOXO3誘導的E3泛素連接酶Atrogin-1的表達，促進鈣調神經磷酸酶(NFAT)水解，導致鈣調神經磷酸酶(NFAT)水解活性明顯降低，其下游的基因調節鈣結合蛋白外顯子4亞型(modulatory calcineurin interacting protein, exon 4 isoform，MCIP1.4)表達降低，從而進一步抑制肥大心肌細胞的生長[10]。Skurk等[11]研究了心肌肥大模型后發現，FOXO3增強Atrogin-1表達，并誘導小鼠心肌細胞恢復正常大小。此外，FOXO3結合P21啟動子并介導P21基因的轉錄。激活的p21能夠抑制血管緊張Ⅱ、刺激心肌間質纖維化、促進心肌細胞凋亡，有助于抑制心肌細胞肥大[12]。LC3有LC3-Ⅰ和 LC3-Ⅱ兩種形式，分別定位于前自噬體和自噬體膜表面，微管相關蛋白1輕鏈3 Ⅱ(LC3-Ⅱ)是自噬體必不可少的，LC3-Ⅱ的數量和自噬體的形成程度有關。在缺氧時，FOXO3明顯誘導LC3-Ⅱ的表達。通過siRNA敲除FOXO3后，細胞自噬囊泡的形成明顯降低，LC3-Ⅰ/LC3-Ⅱ的轉化率下調。表明FOXO3可以明顯誘導肥大心肌細胞的自噬(Fig 1)。此外，BNIP3和LC3-Ⅱ有相同的功能，在許多不同類型的細胞中如心肌細胞，均具有強效的自噬誘導功能。

Fig 1 FOXO3 inhibits myocardial cell growth andpromotes autophagy and atrophy of cardiomyocytes

2.2FOXO3與缺血性心臟病FOXO3通過對細胞內信號通路的精確調控，能夠更好地維持線粒體功能，并且減輕心肌缺血性損傷。

2.2.1FOXO3對抗心肌氧化應激 心肌缺血后/再灌注會產生嚴重的氧化應激反應，使心肌損傷程度加重，甚至出現梗死面積擴大等不可逆損傷。FOXO3可以降低心肌缺血后損傷。Wang等[13]的研究證明，在心肌缺血的情況下，AMP依賴的蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK)的活化促進p38 MAPK磷酸化。同時，p38 MAPK通路對AMPK轉運葡萄糖的激活有促進作用。在心肌缺血的情況下，AMPK通過磷酸化增強FOXO3的轉錄活性，從而增強對糖代謝和氧化應激的調節，有利于心肌細胞的生存。在動物年齡依賴氧化應激應答的模型中證明，在心臟、脂肪細胞中，上調FOXO3的表達能夠激活抗氧化應激系統。同時，Guan等[14]的研究也證明，CD38的缺乏能夠激活SIRT1/FOXOs介導的抗氧化應激通路，從而保護心臟的缺血/再灌注損傷。

2.2.2FOXO3在心肌細胞線粒體中的作用 線粒體為心肌細胞提供大量的能量，心肌細胞富含豐富的線粒體。線粒體在缺血相關的心肌損傷中起著至關重要的作用。最近的研究證明，FOXO3對線粒體分裂和線粒體的自噬具有調節作用[15]。PINK-1線粒體靶向絲氨酸/蘇氨酸激酶(PTEN-induced putative kinase，PINK1)基因參與線粒體分裂/融合機制。PINK-1在線粒體自噬過程中起關鍵作用，Parkin 和PINK-1共同作用促進心肌細胞的自噬[16]。FOXO3激活PINK-1/Parkin 通路，增強線粒體分裂和自噬對心肌產生保護作用[17]。然而，線粒體融合和分裂異常是細胞凋亡和許多疾病的發病原因之一。例如，Bcl-2相關蛋白激活，導致線粒體過度分裂及細胞色素C釋放，促進細胞凋亡。在凋亡期間，Fis1參與線粒體分裂，以及上調凋亡蛋白表達。FOXO3激活miR-484，進一步抑制 Fis1的翻譯，減少異常線粒體的分裂，從而減少心肌梗死面積[18]。

線粒體和細胞質內鈣的動態平衡均是由FOXO3調節，FOXO3能夠促進其下游凋亡抑制蛋白(apoptosis repressor with caspase recruitment domain，ARC)的表達[19]，降低肌漿網鈣離子的釋放，抑制氧化應激引起的心肌細胞質及線粒體內鈣的升高(Fig 2)。與此同時，FOXO3基因敲除小鼠在缺血/再灌注損傷后，表現出心肌梗死面積擴大，這提示FOXO3在心肌梗死后鈣穩態中有非常重要的作用。

Fig 2 FOXO3 maintains calcium homeostasisin sarcoplasmic reticulum and mitochondria,and enhances mitochondrial division and autophagy

3 FOXO4

目前對于FOXO4的研究較少。FOXO4是FOXOs中唯一一個被晚期糖基化終產物激活，并且介導細胞凋亡的轉錄因子[20]。FOXO4主要作用是降低心血管系統內的炎癥反應，對抗心血管疾病。內皮NO是由一種心血管系統必需酶——內皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase，eNOS)產生的，能夠降低炎癥因子和減少表面黏附分子的表達，從而減弱白細胞黏附到血管內皮細胞及血管壁上。在心肌缺血的過程中，FOXO4上調NO的產生，抑制中性粒細胞聚集以及某些細胞因子的表達，從而減少心肌梗死面積，明顯改善心肌梗死后心臟功能。

4 FOXOs作為心臟細胞再生的潛在治療靶點

FOXO1和FOXO3能夠促進心肌細胞的凋亡，抑制FOXO1及FOXO3的表達，有助于心肌細胞的再生。FOXO3參與心臟細胞的再生，包括干細胞治療、心臟增殖和抑制心肌纖維化。間充質干細胞通過旁分泌參與心臟的修復，改善心臟微環境，FOXO3的失活促進梗死后心肌移植骨髓間充質干細胞的再生，增強對心肌梗死的保護作用[21]。成纖維生長因子10(fibroblast growth factor 10,FGF10)通過抑制FOXO3相關的下游信號通路，促進心肌細胞增殖。YAP是Hippo通路的一個末端感受器，能夠調節器官的大小和腫瘤的發生，在心肌細胞中也具有強大的活性。YAP作為FOXO1的轉錄輔助因子，參與抑制氧化應激。YAP活化能夠刺激心肌細胞的增殖，增強心肌的再生 。FOXO3和Hippo之間有一定的相關性，FOXO3負向調節YAP，FOXO3可以通過Hippo/YAP通路影響心肌細胞的再生[22]。

與此相反的是，FOXOs的激活在心臟疾病中的治療也起到積極作用。近幾年的研究也顯示，FOXO1/3可以阻止心肌細胞的纖維化[23]。這提示FOXOs可能在心臟疾病的前期起到了保護心肌的功能，而在心臟疾病的后期加速了心臟疾病的發展。

5 FOXOs的負面作用

FOXOs對心肌的損傷作用目前已經受到關注，它可能會介導心肌的損傷，導致心血管動脈粥樣硬化，也可能促進腫瘤的發展。

PGC-1的過表達增強了iNOS和eNOS的表達，產生NO，并增強抗氧化酶包括超氧化物歧化酶(SOD1、SOD2、SOD3)和過氧化氫酶的表達，從而降低氧化應激。Geng等[24]的研究表明，在慢性心力衰竭模型中，PGC-1通過增強NO依賴性抗氧化劑、減少氧化應激等作用，抑制FOXOs的信號轉導，從而保護心肌細胞。這說明了FOXOs在一定程度可能會對心肌細胞產生損傷。

Elmadhun等[25]的研究顯示，二甲雙胍降低FOXO3表達，從而抑制心肌肥大，這可能是二甲雙胍抑制缺血心肌細胞的凋亡，保護心肌的一種機制。提示FOXO3可以通過誘導心肌細胞的凋亡對心肌組織產生不利影響。

6 展望

研究表明，FOXOs在心臟疾病中發揮著重要的作用，如缺血/再灌注損傷、心肌肥厚、心衰等。FOXOs在細胞中的精密調節功能為臨床將來開發特定、有效的心臟保護療法提供重要的依據。FOXOs家族作為心血管疾病治療的關鍵靶點，已經受到了極大地關注。目前，FOXOs保護心臟組織的機制非常復雜、多樣，對FOXOs的研究并未形成完整的系統，其副作用也受到的人們的關注。如何系統、有效地將FOXOs應用于心臟疾病的治療，仍然需要更加深入的研究。