FOXO家族

FOXO家族

一、FOX家族

叉头框蛋白（Forkhead Box Protein，FOX）家族名称最初来自 Weigel 等对异常头果蝇突变体的研究[3]。FOX 家族包括各种各样的转录因子，目前 FOX 家族有 100 多个成员被发现，命名从 FOXA 到 FOXS。FOX 蛋白具有一个高度保守的 DNA 结构域，该结构域（Forkhead domain）由 3 个 α 螺旋，3 个 β 折叠，一个环状结构和 C 末端组成[1]。

二、FOXO家族

FOXO 属于 FOX 超家族中的 "O" 家族，由于 FOXO 转录因子中 DNA 结合结构域序列的不同，FOXO 形成了 FOX 家族最多样化的亚家族。FOXO转录因子家族从线虫到哺乳动物都稳定表达，无脊椎动物的基因组中含有一个 FOXO基因，而哺乳动物则含有 4 个 FOXO 基因[1]：

• FOXO1（FKHR），高表达于脂肪组织、心、脾、脑；
• FOXO3（FKHRL1），FOXO3a 主要表达于骨骼肌、心肌、神经元；
• FOXO4（AFX），高表达于心肌；
• FOXO6，仅表达在脑的特定区域[1,2]。

FOXOs 转录因子作用复杂多样，涉及许多重要的细胞过程，包括氧化应激、细胞代谢、DNA修复、细胞周期阻滞、参与细胞凋亡和自噬等。在许多年龄相关疾病如癌症、心血管疾病、骨质丢失、神经组织退化等疾病的发展过程中也发挥着重要的调控作用[1]。

三、FOXOs 的活性调节[1]

FOXOs 的活性受到多方面的调控，包括基因表达水平、翻译后修饰、蛋白质-蛋白质相互作用等方面。转录后修饰是调控 FOXOs 活性的最主要的方式，主要包括三类：磷酸化、乙酰化、泛素化。修饰位点主要位于 FOXOs 与 FOXO-DBD 的 C端。这些转录后修饰改变 FOXOs 与 DNA结合的稳定性、入核及出核状态，同时也改变其对特定靶基因的转录活性。

（1）磷酸化

FOXOs 能被 AKT、SGK、RTK 等多种蛋白激酶磷酸化，这些蛋白激酶的共同特点是都能在某些磷酸化位点将 FOXOs 磷酸化，使磷酸化 FOXOs 蛋白转移出核，失去转录活性。

• AKT 和 SGK 是 PI3K 通路下游的重要因子（见帖：PI3K/Akt信号通路）。AKT/SGK 蛋白激酶在 Thr32、Ser253、Ser315 位点可将 FOXO3 磷酸化，在 Ser256 位点可将 FOXO1 磷酸化。这些位点的磷酸化使 FOXOs 与 DNA 亲和力下降，与 14-3-3 蛋白的结合力增强，从而介导 FOXOs 蛋白从细胞核转移到细胞质，并导致其转录活性降低，从而影响 FOXOs 依赖基因的表达。
• RTK（见帖：受体酪氨酸激酶（RTK））以及其他细胞外信号调节激酶，同样能使 FOXOs 蛋白磷酸化并使其转移至细胞质失去转录活性。

JNK、MST、p38、AMPK、CDK2 等蛋白激酶则具有相反的作用，这些激酶可磷酸化胞浆中的 FOXOs，导致 FOXOs 发生核转位，并进而激活 FOXOs 下游靶基因的表达。

• JNK（见帖：JNK信号通路）可在 Thr447 与 Thr451 位点将 FOXO4 磷酸化，使其从细胞浆转移到细胞核；同时还可以磷酸化 14-3-3 蛋白，使 FOXO4 与 14-3-3 蛋白分离，从而进一步促进 FOXO4 的核转位。
• MTS1 可以分别磷酸化 FOXO1 Ser 112 和 FOXO3 Ser207，阻止 14-3-3 蛋白与 FOXOs 结合，增加 FOXOs 转录活性。

（2）乙酰化

FOXOs 的乙酰化是通过组蛋白乙酰转移酶（HAT）和组蛋白去乙酰化酶（HDAC）调控的。通常乙酰化会影响 FOXOs 与 DNA 的亲和性，而去乙酰化则会提高这种亲和性。

• CBP/P300 是 FOXOs 乙酰化的关键酶。氧化应激能引起 CBP 乙酰化修饰 FOXO1 的 Lys242、Lys245、Lys262 位点， FOXO3 的 K242、K259 等位点，FOXO4 的 K186、K189 位点，影响 FOXOs 与 DNA 的亲和性，使 FOXOs 在细胞质聚集。
• FOXOs 蛋白的乙酰化是可逆的，SIRT1 可分别与 FOXO1、FOXO3a、FOXO4 蛋白结合，特异性脱去 FOXOs 的乙酰基，从而上调 FOXOs 蛋白与特定靶基因的DNA结合能力并增加其转录活性（SIRT见帖：Sirtuin家族）。

（3）泛素化

FOXOs 蛋白发生单泛素化修饰后活性增强，多泛素化修饰后活性降低。

• FOXOs 的单链泛素化使 FOXOs 入核，增加其转录活性。在 FOXO4 的 K199 和 K211 赖氨酸位点的单链泛素化，可促进 FOXO4 的入核及其转录活性。
• 多泛素化修饰则导致 FOXOs 的活性降低。在生长因子或胰岛素作用下，E3 泛素连接酶 Skp2 过表达，Akt 介导 FOXO1 Ser256 位点发生磷酸化，为 Skp2 提供结合位点，Skp2 引起 FOXO1 蛋白质发生多泛素化修饰从而使 FOXO1 降解。 

四、作用机制[1]

FOXO3a 可以在不同细胞中表现出相反的作用。

（1）FOXOs与氧化应激

在生理情况下，FOXOs 蛋白在细胞内最重要的一个作用就是诱导抗氧化基因的表达，对抗细胞氧化应激反应。然而细胞内 ROS 水平的改变也会通过影响 FOXOs 蛋白的转录后修饰影响其核定位，反馈性调控 FOXOs 蛋白的活性。 

在保护机体抵抗氧化应激方面，FOXOs 蛋白发挥着重要的作用。

• 过表达 FOXO3a 能够通过激活 MnSOD、CAT 等抗氧化酶调节氧化应激水平，防止氧化应激损伤细胞。
• 抑制 FOXOs 因子将会引起细胞内 ROS 累积。在缺乏 FOXO3a 的造血干细胞，ROS 水平也出现升高现象。在白癜风患者体内，由于 FOXO3a 缺乏导致抗氧化酶减少，使 ROS 在细胞内累积导致皮肤色素脱失。

细胞内氧化应激水平的改变，也会反馈影响 FOXOs 的活性变化。

• 在小鼠皮肤成纤维细胞，砷导致细胞内 ROS 水平升高使 FOXO1、FOXO3a 停留在细胞核中，增加 FOXOs 的转录活性。ROS 还能促进 FOXOs 的翻译后修饰包括磷酸化、泛素化、乙酰化/脱乙酰。在氧化应激状态下，MDM2 会使 FOXO4 发生单泛素化，并增强其转录活性。
• 此外，ROS 可提高组蛋白乙酰转移酶即 p300/CBP 与 FOXOs 的相互作用，增加 FOXOs 的乙酰化。氧化应激作用能促进 FOXO1 乙酰化，并通过转录方式影响下游靶基因的表达，从而抑制肿瘤生长。

（2）FOXOs与细胞周期

FOXOs 通过调控 CKI（见帖：细胞周期）的多种重要组成因子从而发挥细胞周期调节作用。

• FOXO1、FOXO3a 可激活 p21WAF1/CIP1 和 p27Kip1 启动子，诱导细胞周期阻滞。
• FOXOs 通过上调 INK4 家族蛋白如 p15 和 p19 调控细胞周期。

（3）FOXOs与细胞凋亡

• FOXO3a 可直接诱导前凋亡基因 Bim 的表达和转录，调节细胞凋亡。
• FOXO3a 能与 FasL 基因启动子结合，诱导由 FasL 启动子引起的基因表达，FasL 与 Fas 结合后会产生一系列凋亡的级联效应（见帖：死亡信号诱导复合体（DISC））。

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参考文献

[1]周骅,曹新生,胡泽兵,王瀚,王艺璇,张舒.FOXOs转录因子生物学功能的研究进展[J].现代生物医学进展,2017,17(01):185-188.DOI:10.13241/j.cnki.pmb.2017.01.047.

[2]Alvarez-Garcia O, Matsuzaki T, Olmer M, Masuda K, Lotz MK. Age-related reduction in the expression of FOXO transcription factors and correlations with intervertebral disc degeneration. J Orthop Res. 2017 Dec;35(12):2682-2691. doi: 10.1002/jor.23583. Epub 2017 May 4. PMID: 28430387; PMCID: PMC5650945.

[3]Weigel D, Jürgens G, Küttner F, Seifert E, Jäckle H. The homeotic gene fork head encodes a nuclear protein and is expressed in the terminal regions of the Drosophila embryo. Cell. 1989 May 19;57(4):645-58. doi: 10.1016/0092-8674(89)90133-5. PMID: 2566386.