FoxO1转录因子及其翻译后修饰的生物学意义_钟茜.pdf

ISSN1007 7626 CN11 3870 Q 中国生物化学与分子生物学报 Chinese Journal of Biochemistry and Molecular Biology 2010 年 3 月 26 3 203 208 综述 FoxO1 转录因子及其翻译后修饰的生物学意义 钟茜 邓宇斌 中山大学中山医学院病理生理学教研室 广州510080 摘要FoxO1 转录因子属于 Fox 家族成员 主要参与细胞凋亡 应激 DNA 损伤 修复 肿瘤发生 血 管生成和糖代谢等生命过程 PI 3K 和 Akt 信号通路可磷酸化 FoxO1 使其由胞核转运至胞质 导 致转录活性灭活 从而抑制 FoxO1 所调控的下游基因表达 FoxO1 的乙酰化可削弱 FoxO1 结合同 源 DNA 序列的能力 同时加强 FoxO1 的磷酸化 进一步降低其转录活性 正是由于 FoxO1 本身的 翻译后修饰可调节 FoxO1 的功能 使得其在肿瘤发生 免疫反应 细胞周期 分化 代谢 应激和凋 亡中都起着重要的作用 本文对 FoxO1 及其翻译后修饰的生物学意义进行综述 关键词FoxO1 转录因子 磷酸化 乙酰化 中图分类号Q291 FoxO1 Transcription Factor and Its Posttranslational Modification ZHONG Qian DENG Yu Bin Department of Pathophysiology Zhongshan Medical School Sun Yat sen University Guangzhou510080 China AbstractAs a member of the Fox family FoxO1 transcription factor is involved in the regulation of apoptosis oxidative stress DNA damage repair cancer development angiogenesis and glucose metabolism The phosphatidylinositol 3 kinase PI3K in the Akt pathway phosphorylates FoxO1 and mobilizes FoxO1 from the nuclei to the cytoplasm leading to inactivation of FoxO1 and its impact on the downstream targets Acetylation of FoxO1 attenuates its binding to the target DNA and enhances its phosphorylation thereby decreases the transcription activities of FoxO1 This review focuses on the FoxO1 posttranslational modifications and their roles in the transcriptional regulation Key wordsFoxO1 transcription factor phosphorylation acetylation 收稿日期 2009 07 03 接受日期 2010 01 21 国家大学生创新性实验计划 中山大学 2008 34 中山大学逸仙创 新人才培养计划 2009 联系人Tel 020 88385762 E mail dengyub mail sysu edu cn Received July 3 2009 Accepted Junary 21 2010 Supported by National university student innovation test plan Sun Yat sen University 2008 34 Yat sen Innovative Training Program of Sun Yat sen University 2009 Corresponding authorTel 020 88385762 E mail dengyub mail sysu edu cn FoxO1 转录因子属于 Fox 家族成员 含有一段约 100 个氨基酸残基组成的保守叉头 forkhead 盒序列 或称带翼螺旋 Fox 家族成员为一类与发育 免疫 代谢及癌症发生相关的转录调节因子 FoxO 是 Fox 家族的一个亚群 包括 FoxO1 FoxO3 FoxO4 和 FoxO6 它们在哺乳动物细胞的凋亡 应激 细胞周期 阻滞 DNA 损伤 修复 以及糖代谢调节中起着重要 作用 FoxO 亚家族具有高度保守的磷酸化位点 这些 位点是 Akt PKB 激酶的磷酸化靶位点 FoxO 活性受 翻译后修饰 包括磷酸化和乙酰化 调节 磷酸化的 FoxO1 从核内转移至胞质中 使 FoxO1 不能作用于其 靶向基因 从而使 FoxO1 丧失了其转录因子活性 同 时 磷酸化的 FoxO1 容易进一步被泛素化 导致 FoxO1 的降解 乙酰化的 FoxO1 加速和促进 FoxO1 的磷酸化 致使 FoxO1 的活性降低 1 最近 小鼠基 因敲除研究证明 FoxOs 可作为肿瘤抑制因子发挥功 能 2 本文将着重于 FoxO1 的蛋白结构 翻译后修饰 及其相关的生物学意义进行综述 1FoxO1 转录因子 1 1FoxO1 蛋白结构 FoxO1 由 655 个氨基酸构成 其 N 端包含 DOI 10 13865 ki cjbmb 2010 03 001 中国生物化学与分子生物学报第 26 卷 forkhead 区域 FK 此区域同时也是 DNA 结合域 C 端包含一个富含脯氨酸和酸性的丝 苏氨酸转录 激活域 transactivation domain AD FoxO1 还含有 核定位信号肽 Nuclear Localization Signal NLS 核 输出序列 Nuclear Export Sequence NES 3 SH3 的结合域以及一段富含丙氨酸的转录抑制域 transrepression domain RD 其中 RD 区域与 FoxO1 对其它蛋白的转录抑制相关 Fig 1 4 Fig 1The diagram of FoxO1 protein 655 amino acid 4 FoxO1 consists of an N terminal domain containing a repression domain region RD and a forkhead domain FK and a C terminal domain containing a transactivation domain TA FoxO1 contains a nuclear location signal NLS and a nuclear export signal NES The residues that undergo phophorylation by Akt are labeled with P the lysine residues which can be acetylated are labeled with A 1 2FoxO1 基因敲除 1 2 1FoxO1 基因敲除小鼠与血管生成卵黄胚 胎卵黄囊的流通代表最早的循环系统是胚胎中第一 个血管生成的位点 FoxO1 基因敲除老鼠胚胎发育 第 9 5 天卵黄囊和胚胎出现异常的血管生成以及发 育不全的鳃弓 进而导致心周积液 在胚胎发育第 11 天死亡 野生型卵黄囊有血管生成 但缺乏 FoxO1 的卵黄囊则色泽苍白 没有明显的血管生成 在添加外源性血管内皮生长因子后 与野生型血管 内皮细胞的细长纺锤形形状相比 缺乏 FoxO1 胚胎 干细胞分化而来的血管内皮细胞则出现异常的扁平 多边形的细胞形态 5 在缺乏 FoxO1 的卵黄囊中 连接蛋白 37 和连接蛋白 40 表达明显下降 这些连 接蛋白在血管内皮细胞中表达丰富 双重连接蛋白 37 连接蛋白 40 缺陷的小鼠则会出现血管异常 如 血管扩张和栓塞 6 此外 与野生型卵黄囊相比 ephrin B2 的转录水平降低了 65 因为胚胎血管 系统构建的缺陷以及脑和卵黄囊的动脉和静脉的毛 细血管网络中血管生成缺陷 ephrin B2 基因敲除 小鼠胚胎 E11 5 日前死于子宫内 Ephrin B2 基因 敲除小鼠的表型与 FoxO1 缺陷小鼠的表型非常相 似 7 这些研究表明 FoxO1 基因与血管生成和胚胎 发育紧密相关 血管紧张素 1 angiopoietin 1 Ang 1 可调节 血管内皮细胞的生存和血管稳定 Ang 1 通过 Akt 的活化抑制 FoxO1 所介导的基因表达变化和 FoxO1 诱导的细胞凋亡 FoxO1 也调控其它具有重要血管 功能的基因的表达 包括血管紧张素 2 Ang 2 8 9 Ang 2 的功能是促进血管的生成 Ang 1 通过 抑制 FoxO1 的活性 进而拮抗 Ang 2 的功能 综上 所述 Akt FoxO1 通路在血管生成中起着重要的 作用 8 因此 连接蛋白 37 连接蛋白 40 ephrin B2 血管紧张素 1 和血管紧张素 2 通过协同作用引起 FoxO1 缺陷小鼠的异常表型 5 1 2 2FoxOs 基因敲除小鼠与肿瘤小鼠和人类 拥有高度相关的3 个 FoxO 同源体 FoxO1 FoxO3 和 FoxO4 它们在蛋白表达和转录活动中具有一定的 重叠性 10 FoxO3 基因敲除小鼠具有独特的卵巢表 现 卵泡细胞激活导致卵母细胞死亡 卵泡功能的早 期丧失以及继发性不孕 11 与此同时 条件性基因 敲 除FoxO1 FoxO3和FoxO4 FoxO1 原 FoxO3 原 原 FoxO4原 原 后 突 变 的 小 鼠 呈 恶 性 CD4 CD8 淋巴细胞胸腺淋巴瘤表现 扩散到脾 肝 淋巴结 同时还表现为一种明显的年龄增长型的 基于内皮细胞系的错构瘤 伴有导致过早死亡的广 泛血管瘤生成 12 这些研究表明 FoxOs 对于抑制 内皮细胞的生长至关重要 且 FoxOs 具有抑制血管 瘤的形成和淋巴瘤的作用 2 在造血系统 FoxOs 敲除还可以导致长期造血干细胞群的降低 FoxOs 也是造血干细胞抵制生理性氧化应激的重要 蛋白 13 402 第 3 期钟茜等 FoxO1 转录因子及其翻译后修饰的生物学意义 1 3FoxO1 染色体易位 1 3 1FoxO1 染色体易位与 PAX 融合FoxO1 又 名 FKHR forkhead in rhabdomyosarcomas 因最初 发现它与肺泡型横纹肌肉瘤相关而得名 肺泡型横 纹肌肉瘤是 1 种恶性程度非常高的软组织肿瘤 多 发于儿童和青少年 进一步研究发现 大部分的肺 泡型横纹肌肉瘤呈现特征性的染色体易位 t 2 13 或 t 1 13 即 FKHR 与染色体上的两个基因 PAX3 或PAX7融 合 形 成PAX3 FKHR或PAX7 FKHR 14 15 1 3 2PAX3 FKHR 与肺泡型横纹肌肉瘤融合的 PAX3 FKHR 是 1 种癌原性融合蛋白 在 55 75 的肺泡型横纹肌肉瘤中有表达 PAX3 FKHR 包含完整的 PAX3 的 DNA 结合域 截断的 forkhead DNA 结合域和 FKHR 的羧基端区域 16 在条件性 PAX3 FKHR 等位基因敲入的肺泡横纹肌肉瘤小鼠 模型中发现 PAX3 FKHR 可在胚胎发育后期和 产后被激活 其活性位于具有 Myf6 表达的末期分化 骨骼肌 尽管肺泡横纹肌肉瘤在这些小鼠中发生率 低 且单倍剂量不足的 FKHR 也没有加速癌变的发 生 但肺泡横纹肌肉瘤仍能够在一些小鼠中出现 PAX3 FKHR 纯合子常伴随着 Ink4a ARF 或 Trp53 信号通路的异常 而 Trp53 或 Ink4a ARF 功能丧 失 大大提高肿瘤的发生频率 17 下调 PAX3 FKHR 造成人的肺泡横纹肌肉瘤 肿瘤细胞积聚在 G1期 抑制细胞增殖率 肝细胞生 长因子受体水平的降低 使得由肝细胞生长因子所 诱导的细胞运动减少 同时 下调的 PAX3 FKHR 诱导肌原性分化的基因表达 和肌肉分化 14 这些 结果表明 PAX3 FKHR 促肺泡横纹肌肉瘤细胞的 恶性表型 如扩散 运动 并抑制肌细胞的分化 2FoxO1 的磷酸化修饰 FoxO1 具 有 多 个 磷 酸 化 位 点 包 括 Thr24 Ser246 Ser256 Ser284 Ser295 Ser319 Ser326 Ser413 Ser415 Ser429 Ser467 Ser475 和 Thr557 Asada 等报道丝裂原活化蛋白激酶体外磷酸化 FoxO1 的 Ser246 Ser413 Ser415 Ser429 Ser467 Ser475 和 Thr557 位点 以调节血管生成 18 FoxO1 的线虫同源体 Daf 16 是胰岛素 IGF 1 信号转导通路的 1 个关键的下游目标 这条通路同 样保守地存在于人类 19 当高糖激活胰岛素 IGF 1 受体通路将 PI 3K 催化形成磷酰肌醇 3 4 磷酸以激 活 Akt Akt 继而磷酸化 FoxO1 的 Thr24 Ser256 和 Ser319 三个磷酸化位点 20 Fig 1 磷酸化的 FoxO1 与 14 3 3 蛋白相互作用 使得 FoxO1 被锚定 在细胞质 阻止其从胞质向核内转位 从而抑制 FoxO1 的转录激活作用 21 同时由胰岛素介导的 FoxO1 磷酸化继而促进了 FoxO1 的泛素化 进而导 致 FoxO1 蛋白的降解 22 2 1FoxO1 的磷酸化与胰腺 细胞 2 型糖尿病是由于胰岛素抵抗和 细胞功能受 损造成的 其中 细胞功能缺陷的原因很复杂 包 括胰岛素分泌的降低和 细胞群的改建 此外 先 天 遗传 和后天 环境 等因素都可以导致 细胞 衰竭 一旦糖尿病发生 高血糖本身就可恶化胰岛素 分泌 细胞外高血糖容易诱发 细胞内的高血糖 从而诱导糖尿病活性氧的生成 这个恶化的过程可 以通过改善血糖得到部分逆转 23 24 氧化应激条件 下 JNK 信号通路被激活 降低了 Akt 的活性 使 FoxO1 磷酸化水平降低 增加其胞质向细胞核转位 但相反增加胰转录因子 pancreatic transcription factor Pdx 1 的核输出 24 Pdx 1 是胰腺发育过程 中重要的转录因子 Pdx 1 调控很多 细胞特异 性基因的表达 包括胰岛素 细胞葡萄糖转运蛋白 Glut2 和葡萄糖激酶 当外周组织出现胰岛素抵抗 细胞数量将代偿性增加 以适应机体对胰岛素需 求的增加 这可以通过增加 细胞的大小 扩散和 或保护不受预凋亡信号的影响等多重途径实现 25 研究发现 在高脂肪膳食后 细胞和肝细胞特异性 的胰岛素受体敲除小鼠 IRKO 出现了外周性胰 岛素抵抗 胰岛的增长迟缓并出现 FoxO1 磷酸化降 低 核内的 FoxO1 增加和 Pdx 1 降低 这些表明 胰 岛素 FoxO1 Pdx 1 信号是 细胞内在适应这些变 化重要组成部分 26 2 2FoxO1 的磷酸化与肝内糖和脂肪代谢 FoxO1 促进肝葡萄糖生成 PPAR 是脂肪细胞 分化的重要调节因子 同时可降低葡萄糖载体 GLUT4 的转录水平 FoxO1 与 PPAR 结合 抵消 PPAR 的功能 进而阻断脂肪细胞的分化 27 同时 FoxO1 的激活可以上调 GLUT4 增强细胞对胰岛素 的敏感性 28 在肝脏 FoxO1 与 PPAR 激活因子 1 Pgc1 共同提高 G6Pase 和 PEPCK 表达 促 进葡萄糖的产生 29 在肝脏 由于胰岛素抑制糖原异生酶的表达 活 性的能力受损 胰岛素抵抗促进了葡萄糖的产生 增 加甘油三酯的合成 并降低游离脂酸氧化 研究者 构建突变 FoxO1 的 3 个磷酸化位点的突变体 使得 502 中国生物化学与分子生物学报第 26 卷 FoxO1 在核内聚集 具有持续的活性 当在肝脏内 通过腺病毒过表达这个活性 FoxO1 甘油三酯的合 成增加 游离脂酸氧化降低 从而导致肝的脂肪变性 产成 30 2 3FoxO1 的磷酸化与细胞周期和凋亡 Akt PKB 可以促进细胞增殖 抑制细胞凋亡 部分原因是通过 FoxOs 的磷酸化所介导 磷酸化 FoxOs 由核内向胞质输出 不能表现其转录活性 抑制 Akt 使得具有活性的 FoxO1 可以在核内结合 在 p15 INK4b 和 p19 INK4d 的启动子上 促进两 者的表达 而 p15 INK4b 和 p19 INK4d 属于细胞 周期蛋白依赖性激酶抑制蛋白 CDKI 它们与 CDK4 结合 导致 CDK 不被激活 使得细胞周期停 滞 31 p27KIP1可以拮抗由 CDK2 介导的对 FoxO1 的 磷酸化和抑制 因此 p27KIP1基因激活 FoxO1 依赖 的细胞死亡程序 遗传毒性和氧应激可抑制 AKT 和 CDK2 依赖的两条通路 从而高度激活 FoxO1 同 样引发细胞周期停滞和凋亡 1 相反生长因子和细 胞因子对这两条通路的激活 导致了 FoxO1 的高度 磷酸化和灭活 DNA 损伤往往使得 CDK2 功能丧失 CDK2 的 抑制在 DNA 损伤诱导细胞周期阻滞和 DNA 修复中 发挥重要作用 CDK2 可在体内和体外磷酸化 FoxO1 Ser249 位点氨基酸 使得磷酸化的 FoxO1 在 胞质中聚集 导致其活性的抑制 CDK2 介导的 FoxO1 磷酸化不仅降低了 FoxO1 的转录活性 也消 除了 PTEN 诱导的 FoxO1 的激活 32 高水平的双链 DNA 断裂消除了 CDK2 介导的对 FoxO1 的抑制 因 此 FoxO1 的抗凋亡作用也得以恢复 依赖于 CDK2 表达沉默的 FoxO1 激活的机制将 DNA 双链断裂和 细胞的死亡联系起来 33 CDK1 的激活与大脑发育和疾病中分裂后的神 经元细胞的死亡相关联 研究显示 CDK1 磷酸化 FoxO1 Ser249 位点氨基酸 扰乱 FoxO1 的与 14 3 3 蛋白的结合 促使 FoxO1 进入细胞核 从而导致神 经元的死亡 34 这个数据与 Huang 等 32 33 所报道 的 CDK2 的研究有所出入 可能与体内和体外分别 表达的 CDK 表达有关 尚需进一步通过体内模型 证实 3FoxO1 的乙酰化修饰 FoxO1 蛋白中含有 3 个带正电的赖氨酸位点 Lys242 Lys245 Lys262 它们可以被 CBP 磷酸化并 且可以被 Sirt1 和 Sirt2 去乙酰化 带正电的赖氨酸 有助于 FoxO1 与 DNA 结合 而当这些赖氨酸被乙酰 化后 它们就不再带有正电荷 因此 乙酰化的 FoxO1 削弱 FoxO1 结合同源 DNA 序列的能力 也减 弱了 FoxO1 的转录活性 35 36 3 1FoxO1 的乙酰化与脂肪细胞的分化 将 FoxO1 Ser256 周围的3 个赖氨酸突变成谷氨 酰胺或是精氨酸 发现谷氨酰胺突变体构造了 FoxO1 乙酰化模式 而精氨酸突变体则模拟了 FoxO1 的去乙酰化 研究发现过表达谷氨酰胺突变 体后 细胞中 FoxO1 Ser256 位点的磷酸化增加 出 现了乙酰化 FoxO1 所诱导的脂肪细胞的分化 而精 氨酸突变体则抑制了脂肪细胞的分化 36 Sirt2 属于第 3 型 NAD 依赖的去乙酰酶家族 它主要分布在细胞质 是脂肪细胞中含量最丰富的 一个去乙酰化酶 在小鼠3T3 L1 脂肪前体细胞中 Sirt2 表达下调促进脂肪细胞的分化 而过表达 Sirt2 则抑制脂肪细胞的分化 下调 Sirt2 可增加 FoxO1 的 乙酰化 从而增加了 FoxO1 Ser256 位点的磷酸 化 使得 FoxO1 从核内输出 从而结合在 PPAR 启 动子的 FoxO1 减少 抑制了 PPAR 的表达 进而促 进脂肪细胞的分化 37 3 2FoxO1 乙酰化与糖原异生 Sirt1 是一种脱乙酰 基 酶 可通过 FoxO1 调节 糖原异生 在生长因子刺激下 Sirt1 主要分布在核 内 并直接通过 1 个保守的 LXXLL 域与 FoxO1 结 合 使 其 去 乙 酰 化 增 加 FoxO 转 录 活 性 3A LXXAA 突变 其中 3 个 Akt 蛋白磷酸化位点和两个 亮氨 酸 残 基 在 LXXLL 域 改 为 丙 氨 酸 降 低 了 IGFBP 1 和 G6Pase 的 启 动 子 活 性 重 要 的 是 LXXLL 突变消除了 FoxO1 与 Sirt1 的结合 导致的 FoxO1 持续乙酰化状态 此外 静脉注射腺病毒介 导的 3A LXXAA FoxO1 突变体到 Lepr db db 小鼠 可降低空腹血糖水平 改善糖耐量 同时伴 随 G6Pase 和 IGFBP 1 基因的表达降低 肝糖原含量 增加 因此 Sirt1 通过对 FoxO1 的去乙酰化而调控 糖代谢通路 同时 Sirt1 抑制了参与凋亡的基因表 达 并促使某些特异性的细胞类型存活 38 综上所述 FoxO1 在癌症 免疫 细胞周期 分 化 代谢 应激和凋亡等生命过程中都起着重要作 用 FoxO1 本身的翻译后修饰以及与不同调控因子 的结合都调节着 FoxO1 的功能 未来对 FoxO1 的翻 译后修饰机制需要进一步的阐述 究竟这些因子通 过什么样的具体机制调节 FoxO1 的活性 仍有待进 一步的研究证实 602 第 3 期钟茜等 FoxO1 转录因子及其翻译后修饰的生物学意义 参考文献 References 1 Huang H Tindall DJ Dynamic FoxO transcription factors J J Cell Sci 2007 120 15 2479 2487 2 ArdenKC FoxOsintumorsuppressionandstemcell maintenance J Cell 2007 128 2 235 237 3 Obsil T Obsilova V Structure function relationships underlying regulation of FOXO transcription factors J Oncogene 2008 27 16 2263 2275 4 Zhao HH Herrera RE Coronado Heinsohn E et al Forkhead homologue in rhabdomyosarcoma functions as a bifunctional nuclear receptor interacting protein with both coactivator and corepressor functions J J Biol Chem 2001 276 30 27907 27912 5 Furuyama T Kitayama K Shimoda Y et al Abnormal angiogenesis in Foxo1 Fkhr deficient mice J J Biol Chem 2004 279 33 34741 34749 6 Simon AM McWhorter AR Vascular abnormalities in mice lacking the endothelial gap junction proteins connexin37 and connexin40 J Dev 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