叉头转录因子FoxO1对β细胞生物学作用的研究进展.doc

叉头转录因子FoxO1对β细胞生物学作用的研究进展【关键词】 FoxO1;β细胞;细胞凋亡;氧化应激;细胞分化FoxO转录因子是Forkhead蛋白大家族的一个亚群，从蠕虫到人均有表达在哺乳动物细胞中由四个截然不同的基因编码组成：FoxO1(早以FKHR命名)，FoxO3(早以FKHRL1命名)，FoxO4(早以Afx命名)和FoxO6在人类的4个同源基因中包括FoxO1、FoxO2、FoxO3a和FoxO4〔1，2〕FoxO1在小鼠及人的胰岛β细胞中呈高特异性表达，其中FoxO3呈低水平表达，FoxO4基本检测不到〔3，4〕FoxO蛋白质通过丝氨酸或苏氨酸以及赖氨酸残基的磷酸化和乙酰化等后转录修饰后而发挥作用〔5〕FoxO家族的转录因子穿梭于细胞核内外，在机体细胞的增殖、凋亡、分化和抵抗氧化应激方面发挥重要作用〔6〕FoxO1在肝脏调控葡萄糖和脂肪代谢,当细胞暴露在氧化应激状态下，在细胞周期的S期可以导致细胞凋亡〔7〕，可诱导细胞停滞在G1或G2/M期，诱导非成熟细胞衰老避免细胞凋亡〔8〕FoxO还通过诱导抗氧化酶，过氧化物酶和超氧化物歧化酶〔9，10〕增强细胞抗氧化能力FoxO1作为转录调节因子还是胰岛素/胰岛素样生长因子1(INS/IGF1)信号通路中的关键下游分子，直接受上游分子PI3K/Akt磷酸化作用调节，与细胞周期、细胞凋亡、衰老及代谢有着密切联系。

本文就FoxO1对β细胞的增殖、分化和抗氧化方面的作用作简要综述　　1 FoxO1对胰岛β细胞增殖的作用　　FoxO1作为INS/IGFPI3KAkt信号通路途径的下游效应因子，在β细胞的功能成长调节中发挥了重要的作用PI3K/Akt途径被胰岛素、IGF1、葡萄糖、胰高血糖素样肽1(GLP1)或葡萄糖相关的促胰岛素多肽(GIP)等活化后能够磷酸化FoxO1以调控胰岛在β细胞的增殖和凋亡〔11～14〕，维持细胞的生存研究表明，通过INS/IGF信号途径可以使β细胞存活和扩增并迫使需要FoxO1易位于细胞质在胰腺组织中，FoxO1专一表达在β细胞，但不表达于腺泡细胞或胰岛其他类型细胞如α、δ、PP细胞等〔15〕GLP1上调磷酸肌醇依赖激酶(pdk1)和FoxA2的转录，而pdk1和FoxA2是两个FoxO1的靶基因，可被核内FoxO1抑制在增殖和细胞存活方面，pdk1和FoxA2的诱导作用可能与GLP1促使FoxO1出核作用相关同样GIP诱导FoxO1出核，可以导致前凋亡基因Bax(一个FoxO1靶向)的下调，促进β细胞存活〔16〕FoxO1在细胞核内表达具有阻止GLP1促进增殖和抗凋亡的作用〔12〕。

在转基因β细胞中，Akt的过度表达可以保持细胞生存和促进细胞的体积增大〔17〕激活PI3KAkt信号途径可使FoxO1磷酸化并从核内排出，结果抑制了FoxO1转录活性　　FoxO1抑制β细胞增殖可能的方式是通过下调胰腺十二指肠同源框蛋白1(PDX1)实现的FoxO1单倍剂量不足能够恢复IRS2/老鼠的pdx1的表达Pdx1的转录可被其他forkhead转录因子FoxA2(即HNF3β)所调节〔18〕FoxO通过抑制Pdx1来抑制β细胞生长FoxO1和FoxA2共同分享Pdx1启动子的DNA连接位点FoxO1和FoxOA2竞争去结合Pdx1启动子，导致Pdx1转录抑制〔3〕FoxO1是Pdx1的负性调节剂，FoxO1和Pdx1在核内时显示互相排斥的形式Pdx阳性β细胞中FoxO1定位胞质，Pdx阴性β细胞中FoxO1定位胞核〔3〕Kawamori等〔19〕证明，在氧化应激中，FoxO1由胞质易位入胞核，Pdx1由胞核易位入胞质在β细胞特异性胰岛素受体敲除老鼠中伴随FoxO1胞核定位可致β细胞数量减少〔20〕，说明Pdx1转录因子在β细胞生长和功能中起到关键作用INS/IGF1信号途径通过对FoxO活性的调节控制β细胞数量。

FoxO1调控PDX1有二个可能机制：①FoxO1与PDX1的亚细胞相互易位定位〔19〕;②FoxO1与FoxA2竞争去结合Pdx1启动子从而抑制Pdx1〔3〕　　除了对β细胞群生理性生长的调节作用之外，FoxO1对于胰岛素抵抗所致的β细胞超常增生也能发挥着一定作用〔21〕Buteau〔22〕等研究转基因小鼠在胰腺导管和内分泌β细胞上表达组成性核FoxO1突变体，进而分析这两个部位对胰岛增生的作用在Pdk1/小鼠(β细胞的Pdk1敲除)中FoxO1一个等位基因的缺失能够恢复β细胞的增殖，减轻其糖尿病表现〔23〕只有肝脏、大脑和β细胞表达胰岛素受体(INSR)的转基因小鼠出现循环高胰岛素，代偿肌肉和脂肪的胰岛素抵抗，β细胞数量的增加能够解释这一代偿效应，而这一效应可被FoxO1在核内组成性表达所逆转;在另一个转基因小鼠模型中，胰腺限制性IGFⅡ的产生以旁分泌形式促进β细胞增殖，在这个模型中，FoxO1在核内构成性表达能够阻断这个增殖反应〔21〕　　2 FoxO1对胰岛β细胞分化的作用　　Pdx1在胚胎早期广泛表达于胰腺上皮细胞，在器官形成过程中的内分泌细胞中逐渐分布受限，最终限制分布在成熟胰腺的β细胞内〔24〕。

FoxO1在胰腺器官形成过程中的表达方式和Pdx1是一样的，Pdx1在胰腺形成中是必需的，即使这两个蛋白的亚细胞定位始终对立，即核内Pdx1和胞质FoxO1，说明了FoxO在胰腺发展中也起到重要作用有趣的是，其他转录因子如Nkx2.2、Nkx6.1和Pax4被认为能调节胰岛细胞类型及大小，在胰腺器官形成中也显示了相似的表达形式FoxO在细胞类型调节中也发挥重要的作用，Notch信号通过Hes1的参与来调节胰腺内分泌和外分泌分化的发展，Hes1是神经元素3(Neurogenin3)的转录阻抑蛋白〔25〕，Neurogenin3是对内分泌细胞的排列特异性有重要作用的转录因子FoxO1与Notch信号相互作用调节Hes1基因表达因此，可以进一步说明FoxO与Notch参与了内分泌胰腺发展　　然而FoxO1和Pdx1在胰腺导管细胞却很少有表达〔17〕，值得注意的是，大多数FoxO1阳性的导管细胞并不表达胰岛素或Pdx1蛋白，但是所有胰岛素/Pdx1阳性导管细胞中的FoxO1均呈阳性表达FoxO1阳性/胰岛素和Pdx1阴性的导管细胞是否能够代表β细胞的祖先，还有待于研究　　3 FoxO1对保护β细胞对抗氧化应激的作用　　在绝大多数种类的细胞中，FoxO1穿梭于胞核和胞浆之间。

在β细胞中组成性的FoxO1因为内源性胰岛素持续的刺激作用而定位于胞浆〔26〕事实上延长β细胞在无血清或无葡萄糖培养基里培养，既不会影响FoxO1的磷酸化也不会影响它的定位;相反地，暴露于氧化应激或高葡萄糖浓度条件下，可以导致β细胞的FoxO1在核内重新分布〔27〕，而FoxO1核内重新分布是伴随着NeuroD和MafA表达而逐渐增加的这一点证实了这两个基因是FoxO1的直接靶向基因，神经分化因子(NeuroD)和肌腱膜纤维肉瘤癌基因源核A(MafA)基因的编码蛋白是β细胞生理功能十分重要的转录蛋白，其可以显著地调节胰岛素编码基因Ins2的表达，使之在短时间内增加胰岛素的分泌，迅速达到暂时降低血糖的目的在糖尿病鼠模型的研究中发现，MafA的表达是下降的，而这种下降能被β细胞中FoxO1的过表达所阻止，因此，在氧化应激中FoxO1起着保护胰岛β细胞的作用许多学者提出FoxO的核转运是对抗高血糖所致的β细胞机能障碍的保护反应的一部分关于氧化应激条件下FoxO1发生重新分布的分子机制特征已被阐明〔19〕氧化应激和cJun氨基端激酶(JNK)活化作用均可导致胰腺十二指肠同源异形盒子1(PDX1)在细胞核与质之间迁移，从而调节胰岛β细胞的细胞增殖、分化及功能。

基于PDX1与FoxO1这两个蛋白的亚细胞定位始终对立，在氧化应激情况下，JNK 的过度表达，促使β细胞中的FoxO1从胞质迁移到细胞核，从腺病毒介导的FoxO1过度表达则已发现削减了PDX1核表达SiRNA抑制FoxO1表达则保留了PDX1在细胞核表达，发挥其转录活性，因此，在氧化应激条件下，PDX1核表达则显著下降在氧化应激和JNK活化作用过程中，FoxO1介入了PDX1在细胞核与质之间的迁移通路〔19〕　　在氧化应激条件下，FoxO活性能被乙酰化和去乙酰化间的平衡所调节，从而阻止能导致凋亡〔28〕或细胞萎缩〔29，30〕的过度的FoxO相关的转录Buteau等〔31〕指出，FoxO1保护β细胞对抗由高血糖诱导的氧化应激并在胰岛素抵抗环境下阻止β细胞的复制这些并存效应是伴随着一些基因表达的协调的阻遏过程，这些和糖酵解、一氧化氮(NO)合成、G蛋白偶联受体信号和离子运输相关他们提出了由FoxO1介导变化的“代谢滞育”的定义这为“β细胞休息”可以作为糖尿病的治疗目标这一新概念提供了基因支持另外，有证据证明chop(一个核转录因子)和gadd45(细胞周期调控基因)是FoxO的靶向基因，β细胞低糖环境中它们被上调〔32〕。

因此，FoxO可能与β细胞对应激的反应，包括细胞周期停滞、DNA损害的修复或凋亡有关通过抑制Akt相关的FoxO1磷酸化，油酸也能调控FoxO1亚细胞定位〔15〕油酸对FoxO1的激活提示了FoxO1促进凋亡或增强脂肪酸氧化作用而净化细胞的过程是对脂毒性作用的一个反应〔31〕　　4 小 结　　在β细胞中的发现证实，内分泌胰腺的FoxO1能够对生理学相关的刺激，如胰岛素、葡萄糖或GLP1，作出反应，同时FoxO1能够调控β细胞生长和生理行为，对胰岛β细胞的分化和生存及增殖方面都发挥着重要作用由于FoxO1特异性表达于胰岛β细胞，因此通过同时研究AktFoxO信号传导通路，既可以减少增加肿瘤倾向的风险，又可以促进β细胞成长FoxO很可能成为基因疗法和靶向药物疗法一个潜在的靶位，对于研究胰岛细胞的生存发育和增殖、凋亡、细胞对胰岛素的分泌及其调控以及改善机体胰岛素抵抗和抗氧化应激方面的都具有重要的意义参考文献】 　1 Brikenkamp KU,Coffer PJ.FoxO transcription factors as regulators of immune homeostasis：molecules to die for〔J〕? J Immunol,2003;171(4)：16239.　　2 Junger MA，Rintelen F，Stocker H,et al.The Drosophila forkhead transcription factor FoxO mediates the reduction in cell number associated with reduced insulin signaling〔J〕.J Biol,2003;2(3)：20.　　3 Kitamura T,Nakae J，Kitamura Y,et al.The forkhead transcription factor FoxO1 links insulin signaling to Pdx1 regulation of pancreatic beta cell growth〔J〕.J Clin Invest,2002;110(12)：183947.　　4 Contreras JL，Smyth CA，Bilbao G,et al.Simvastatin induces activation of the serinethreonine protein kinase AKT and increases survival of isolated human pancreatic islets〔J〕.Tra。