FOXOs转录因子生物学功能的研究进展

FOX家族是一组结构高度保守的转录因子,其功能及分子机制已逐步成为免疫学、遗传学、医学以及肿瘤学领域的研究热点。FOX蛋白家族有19个亚族,FOXOs是FOX家族的重要成员,其包含FOXO1、FOXO3a、FOXO4以及FOXO6四种转录因子,分别表达于不同的组织器官。FOXOs与细胞发育及代谢密切相关,参与氧化应激、DNA修复、细胞周期调控、细胞凋亡与自噬等众多细胞生理过程,在癌症、骨质疏松、心血管疾病、神经组织退化等多种年龄相关性疾病的发生及发展过程中也发挥着重要的作用,对其功能及分子调控机制的研究可为防治年龄相关性疾病提供新的思路。本文就FOXO家族的活性调节及其在细胞氧化应激、细胞周期及凋亡方面的最新进展做一综述。     

FOXO1在胰岛β细胞中的表达及对增殖凋亡功能的影响

胰岛功能受损的分子机制研究是揭示2型糖尿病(T2DM)发病机制的核心问题．FOXO1是胰岛素信号下游的重要靶转录因子,参与胰岛的发育,但在分化成熟的胰岛β细胞中的功能尚未阐明．本研究采用免疫组化方法结合激光共聚焦技术观察FOXO1在胰岛的表达及细胞定位;通过基因介导的转移技术和siRNA干预技术,在培养的大鼠胰腺癌β细胞系（INS-1E）中特异高表达组成性活性的FOXO1(FOXO1-AAA)或抑制其表达水平,观察FOXO1表达水平的改变对β细胞增殖、凋亡的影响．免疫组化结果显示,FOXO1在正常胰腺组织中仅特异地表达在胰岛内．采用胰岛素与FOXO1的免疫荧光双标结合共聚焦观察进一步揭示,FOXO1主要表达在胰岛的β细胞中．Western印迹显示,腺病毒介导的基因转移技术在体外培养的INS-1E细胞中过表达FOXO1-AAA或其特异的siRNA均能有效地上调或抑制其表达水平3H-TdR掺入实验结果显示,降低FOXO1的表达显著促进细胞增殖;反之,高表达FOXO1显著抑制细胞增殖．与之相应,MTT检测结果显示,降低FOXO1的表达对细胞存活有显著促进作用,高表达FOXO1对细胞存活有显著抑制作用．进一步采用流式细胞仪检测细胞凋亡,结果显示降低FOXO1的表达使β细胞凋亡率降低,反之高表达FOXO1使β细胞凋亡率增加．研究结果证实,胰岛β细胞中的FOXO1参与β细胞的存活、增殖、凋亡的调节．病理性高表达FOXO1可能通过阻止β细胞增殖、促进β细胞凋亡从而减少β细胞的数量,在T2DM发生中可能起重要作用．     

线粒体乙醛脱氢酶2(ALDH2)通过AMPK/FOXO3a通路改善高糖导致的心肌细胞凋亡

目的:观察乙醛脱氢酶2(ALDH2)对高糖诱导的H9C2心肌细胞存活及凋亡的影响,并探讨腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)/FOXO3a信号通路在高糖导致的心肌细胞凋亡中的调控作用。方法:以30 mmol/L葡萄糖诱导培养H9C2心肌细胞48 h,经ALDH2激动剂Alda-1及AMPK抑制剂Compound C干预后,用MTT法检测细胞的存活情况,TUNEL试剂盒检测细胞凋亡情况,Western blot检测ALDH2、磷酸化AMPK和FOXO3a蛋白的表达水平。结果:与对照组相比,高浓度葡萄糖培养H9C2心肌细胞后,细胞的存活率显著降低、凋亡指数明显升高,磷酸化AMPK的表达水平明显上调,ALDH2和磷酸化FOXO3a的蛋白表达显著降低(P0.05)。ALDH2的激动剂Alda-1处理可显著提高高糖诱导的H9C2心肌细胞的存活率、降低其凋亡率,减少磷酸化AMPK的蛋白表达,增加ALDH2的表达和FOXO3a蛋白的磷酸化;而进一步采用AMPK的抑制剂Compound C处理,可显著抑制Alda-1对高糖诱导的H9C2心肌细胞的这些影响。结论:ALDH2的激动剂Alda-1对高糖诱导的心肌细胞凋亡具有保护作用,可能与其激活AMPK,进而抑制心肌细胞FOXO3a的活性有关。     

薯蓣皂苷激活p38MAPK/FOXO3a信号抑制三阴性乳腺癌细胞上皮–间质转化及侵袭

该研究探讨了薯蓣皂苷(Dioscin)对三阴性乳腺癌MDA-MB-231、BT549细胞体外侵袭及上皮–间质转化(epithelial to mensenchymal transition,EMT)的影响及其作用机制。以正常人乳腺上皮MCF-10A细胞为对照,通过MTS法、克隆形成实验检测细胞增殖能力;Transwell实验检测细胞侵袭、迁移能力;Western blot法检测p38MAPK、p-p38MAPK、FOXO3a及上皮–间质转化(epithelial to mensenchymal transition,EMT)相关标志物的表达。结果显示,Dioscin能明显抑制MDA-MB-231、BT549细胞的增殖,且具有浓度依赖性,对MCF-10A细胞抑制作用较弱;Dioscin处理后肿瘤细胞的侵袭、迁移能力明显降低,Dioscin可显著下调细胞间质样标志物波形蛋白(vimentin)、N-钙黏蛋白(N-cadherin)并促进上皮样标志物E-钙黏蛋白(E-cadherin)的表达,EMT关键转录因子Snail的表达也受到抑制。进一步研究发现,Dioscin能够上调p38MAPK磷酸化水平并促进转录因子FOXO3a的表达,而干扰FOXO3a能够逆转Dioscin对细胞EMT及侵袭的抑制作用。以上研究表明,Dioscin能够抑制三阴性乳腺癌细胞EMT及体外侵袭、迁移能力,其机制可能与Dioscin调控p38MAPK/FOXO3a信号有关。     

FOXO转录因子调控哺乳动物的细胞周期和凋亡

细胞周期和细胞凋亡是哺乳动物细胞生命活动的两大关键事件。FOXO在哺乳动物的细胞分化、增殖、生长、衰老等生命活动中发挥着重要的调控作用,并且参与细胞周期和凋亡的调控,是细胞生死的开关,因此FOXO已成为肿瘤、癌症科学研究的热点之一。在机体细胞中,FOXO受到上游信号分子PI3K/PKB、Ras等的激活或抑制从而调节下游信号分子FasL、Bim、p27kip1、cyclinG2、cyclinB、p130、GADD45等,并与其他细胞周期调控因子形成复杂的信号网络,调节哺乳动物细胞周期的进程和凋亡事件。     

FOXO3a沉默或过表达对内皮祖细胞增殖的影响

观察FOXO3a(forkhead box O3a)沉默或过表达对内皮祖细胞(endothelial progenitorcells,EPCs)增殖的影响。构建了沉默型Ad-shRNA-FOXO3a和突变型Ad-TM(triple mutant)-FOXO3a重组腺病毒载体。密度梯度离心法结合荧光激活细胞分选(fluorescence-activated cell sorting,FACS)分离人脐血来源的EPCs(CD133+CD34+),并进行体外培养及免疫荧光鉴定。将上述重组腺病毒载体转染EPCs并观察转染效率与细胞形态学改变;Western blot分析FOXO3a蛋白表达变化;细胞计数与MTT法分析FOXO3a沉默或过表达对EPCs增殖的影响。成功构建了Ad-shRNA-FOXO3a、Ad-TM-FOXO3a重组腺病毒载体并转染人脐血来源EPCs。Western blot提示,Ad-shRNA-FOXO3a转染EPCs后明显抑制了FOXO3a蛋白的表达;Ad-TM-FOXO3a转染EPCs后明显增加了FOXO3a蛋白的表达。结合细胞形态学改变、细胞计数与MTT法实验结果提示,有效沉默FOXO3a明显促进了EPCs增殖;FOXO3a过表达明显抑制了EPCs增殖。人脐血来源的EPCs中,FOXO3a参与了细胞增殖的调节。     

FOX03a过表达对内皮祖细胞周期相关蛋白的调控

目的：观察FOXO3a（forkhead box O3a）的活性改变对内皮祖细胞（endothelial progenitor cells,EPCs）增殖和细胞周期相关蛋白表达的影响。方法：将携带突变激活FOXO3a基因的腺病毒载体Ad-TM（triple mutant）-FOXO3a和阴性对照腺病毒载体Ad-GFP体外感染人脐血来源的EPCs。观察EPCs形态学改变,CCK-8分析转染后EPCs增殖情况,Western blot检测FOXO3a蛋白、细胞周期相关蛋白p27^kip1以及CDK2的表达水平。结果：构建了的2种腺病毒相关载体被成功转染。形态学改变方面,Ad-TM—FOXO3a组EPCs细胞生长缓慢,集落不明显;Westem blot和CCK-8结果显示,Ad-TM—FOXO3a转染组与阴性对照组相比,EPCs增殖被抑制,FOXO3a与p27^kip1蛋白过表达,CDK2表达下调。结论：FOXO3a可能通过上调p27kip1蛋白表达,下调CDK2表达,以抑制EPCs增殖。     

大黄素通过抑制FOXO1活性减轻NO对神经细胞的损伤

氧化应激所产生的活性氧和一氧化氮(nitric oxide,NO)自由基在心脑血管疾病、神经退行性疾病中发挥着重要作用,过量的NO可以导致自由基损伤,并诱导神经元的凋亡.大黄作为中医传统药物具有重要的药用价值,临床应用非常广泛.近年研究表明,大黄素具有抗氧化、免疫调节、抗菌、抗炎等功能,被广泛应用于肠道疾病、肾病、心血管疾病、胰腺炎等病症的治疗.Forkhead转录因子1(FOXO1)是Forkhead转录因子家族的一个重要成员,FOXO1对于胰岛素信号通路、DNA修复、清除活性氧损伤、细胞周期和凋亡的调控非常重要.而NO自由基对FOXO1的调控作用还不清楚,我们研究发现,NO的供体GSNO(亚硝基谷胱甘肽)或者L-Arg(L-精氨酸)可显著提高FOXO1的转录活性并促进其下游促凋亡基因Fas L、Bim的转录表达,进而诱导神经元死亡.我们进一步研究发现,大黄素可以通过降低FOXO1的转录水平以及蛋白质水平,缓解NO所诱导的神经元凋亡.该研究揭示了NO自由基诱导神经元损伤的新机制,同时也为了解大黄素的抗氧化作用提供了新的实验依据,对大黄素等中药有效成分的临床应用提供了重要参考.     

Gadd45a的表达调控与功能

哺乳动物细胞对于遗传毒性的刺激会产生一系列应答,如细胞周期阻滞,DNA修复和细胞凋亡等。Gadd45a在DNA损伤诱导的细胞应答中发挥重要作用。细胞内外环境的多种因素在转录水平、转录后水平、翻译后水平等多个层次对Gadd45a进行精确调节。Gadd45a通过与Cdc2相互作用调控细胞周期G1-M检测点,直接抑制Aurora—A激酶参与中心体稳定性的调节,通过G1-S期调控参与维持基因组的稳定性。Gadd45a参与p38／JNK、MAPK、线粒体介导的凋亡途径和NF—κB介导的生存通路调控。     

转录因子Foxo3a高表达对小鼠T淋巴瘤EL-4细胞周期和凋亡的影响

为了研究转录因子Foxo3a高表达对小鼠T淋巴瘤EL-4细胞周期和凋亡的影响,采用电穿孔法将真核表达载体pEGFP-N1/Foxo3a转染小鼠T淋巴瘤细胞系EL-4细胞,并通过聚合酶链式反应和免疫印迹法分别检测Foxo3a mRNA及蛋白表达。转录因子Foxo3a高表达后,采用细胞计数法绘制其细胞生长曲线;采用荧光显微镜法及流式细胞仪定性和定量观察典型EL-4细胞凋亡形态特征、细胞凋亡百分率及细胞周期变化情况。结果表明,转录因子Foxo3a真核表达质粒pEGFP-N1/Foxo3a经酶切鉴定及测序检测序列正确。转染pEGFP-N1/Foxo3a的小鼠EL-4细胞表达Foxo3a mRNA和蛋白水平显著升高。Foxo3a高表达明显抑制EL-4细胞的增殖能力,并使EL-4细胞发生明显G2期阻滞(P<0.001)。Foxo3a基因高表达后,荧光显微镜可以观察到典型凋亡的细胞形态。同时,EL-4细胞凋亡百分率显著升高(P<0.01)。结果提示,Foxo3a高表达可以有效抑制小鼠T淋巴瘤细胞体外细胞增殖,使细胞周期G2时相阻滞,并具有诱导细胞凋亡的作用。     

FOXO3a-dependent up-regulation of Mxi1-0 promotes hypoxia-induced apoptosis in endothelial cells

Endothelial cell apoptosis induced by hypoxia is implicated in the pathogenesis of vascular diseases. However, the underlying mechanism is not clearly elucidated. In this study, we found that hypoxia increased Mxi1-0 expression, and the Mxi1-0 siRNA could inhibit caspase-8 activation and apoptosis in HUVECs induced by hypoxia. In addition, hypoxia induced FOXO3 activation, while Mxi1-0 expression and apoptosis were inhibited by transfection with FOXO3 siRNA. Using ChIP assay, we confirmed that FOXO3a binds to the Mxi1-0 promoter region. Furthermore, hypoxia treatment leads to remarkable production of reactive oxygen species (ROS), while ROS scavenger N-acetyl-L-cysteine (NAC) inhibits hypoxia-induced ROS production, apoptosis and FOXO3a-mediated Mxi1-0 up-regulation. Finally, we found that the HIF-1α siRNA inhibited hypoxia-induced HIF-1α expression and ROS production, as well as FOXO3a/Mxi1-0 activation and apoptosis in HUVECs. Taken together, this study identifies a HIF-1α/FOXO3a/Mxi1-0/caspase-8 signaling pathway in hypoxia-induced endothelial cell apoptosis. These data also indicate that HIF-1α-dependent ROS production is required for FOXO3a-mediated Mxi1-0 up-regulation and apoptosis in hypoxic endothelial cells.