李曉霞，呂俊利，張春瑩，郭會彩

(河北醫(yī)科大學(xué)衛(wèi)生毒理學(xué)教研室，河北省環(huán)境與人群健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(gè)高度保守的由110個(gè)氨基酸組成的DNA結(jié)構(gòu)域，即Forkhead結(jié)構(gòu)域。該結(jié)構(gòu)域由3個(gè)α螺旋、3個(gè)β折疊、1個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)和C末端組成。FOXO屬于插頭框家族的O亞科，F(xiàn)OXO1和FOXO3是FOXO家族中最大的、最重要的細(xì)胞活動(dòng)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子。在哺乳動(dòng)物中，F(xiàn)OXO家族有4個(gè)成員：FOXO1/FKHR/FOXO1A、FOXO3/FKHRL1/FOXO3a、FOXO4/AFX和FOXO6。FOXO1高表達(dá)于脂肪組織、心、脾、腦，F(xiàn)OXO3主要表達(dá)于骨骼肌、心肌、神經(jīng)元，F(xiàn)OXO4高表達(dá)于心肌，F(xiàn)OXO6僅表達(dá)在腦的特定區(qū)域。FOXOs的活性受多種方式調(diào)節(jié)，翻譯后通過FOXOs的磷酸化、乙?；?、泛素化等作用，改變FOXOs的蛋白水平、細(xì)胞定位、DNA結(jié)合活性和轉(zhuǎn)錄活性，從而調(diào)控FOXOs作用的發(fā)揮。同時(shí)也影響細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中的結(jié)構(gòu)定位。FOXOs作為心肌細(xì)胞重要的轉(zhuǎn)錄因子，在細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的過程中發(fā)揮重要作用。FOXOs轉(zhuǎn)錄因子的作用復(fù)雜，在心肌細(xì)胞中主要參與細(xì)胞的抗氧化應(yīng)激、細(xì)胞的代謝、細(xì)胞凋亡、細(xì)胞自噬、線粒體調(diào)節(jié)，以及參與炎癥反應(yīng)，影響心肌梗死后的發(fā)展。目前，F(xiàn)OXO1、FOXO3作為心臟疾病治療的靶點(diǎn)受到了極大的關(guān)注[1]。在FOXO家族的4個(gè)成員中，F(xiàn)OXO3是FOXOs在心臟中表達(dá)最豐富的亞型。同時(shí)，F(xiàn)OXO3是心臟疾病治療最重要的潛在靶點(diǎn)。

1 FOXO1

FOXO1在心臟和血管的生成調(diào)控中發(fā)揮著重要的作用。在心臟中，F(xiàn)OXO1主要參與肌細(xì)胞在各種應(yīng)力條件下，如代謝紊亂、氧化應(yīng)激等復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控，有助于心肌細(xì)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(qiáng)細(xì)胞自噬、促進(jìn)細(xì)胞周期負(fù)調(diào)節(jié)因子的激活、影響心肌細(xì)胞的信號傳導(dǎo)等對心臟起到保護(hù)作用。FOXO1的表達(dá)促進(jìn)細(xì)胞周期負(fù)調(diào)節(jié)因子p21(CIP1)和p27(KIP1)激活，這些調(diào)節(jié)因子可以抑制心肌肥厚，阻止心肌細(xì)胞過度增殖導(dǎo)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(yīng)激酶的調(diào)節(jié)從而對抗心肌細(xì)胞缺血導(dǎo)致的氧化應(yīng)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(yīng)激酶參與細(xì)胞內(nèi)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(dǎo)致心肌缺血。轉(zhuǎn)化生長因子β1(transforming growth factor β1，TGF-β1)在心肌細(xì)胞纖維化的過程起到重要作用。Vivar等[4]的研究表明，F(xiàn)OXO1通過調(diào)節(jié)TGF-β1影響分化，表明FOXO1可以對抗心肌細(xì)胞纖維化，為心臟纖維化疾病治療提供一個(gè)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(zhuǎn)心肌肥厚的作用。心肌肥大病理改變的特點(diǎn)是心肌細(xì)胞體積的增大。FOXO3通過促進(jìn)心肌細(xì)胞的自噬，降低細(xì)胞內(nèi)ROS的水平，調(diào)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(yīng)激途徑 胰島素通過誘導(dǎo)ROS的產(chǎn)生，促進(jìn)心肌細(xì)胞肥大，F(xiàn)OXO3促進(jìn)抗氧化基因的表達(dá)，降低ROS水平，進(jìn)一步抑制心肌細(xì)胞肥大[5]。同時(shí)，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(dá)，從而抑制參與心肌肥厚轉(zhuǎn)錄和翻譯因子的活性[6]。

2.1.2誘導(dǎo)自噬途徑 FOXO3通過抑制心肌細(xì)胞的增大，促進(jìn)心肌細(xì)胞的自噬來維持心肌細(xì)胞的大小[7]。在心肌肥厚的過程中，活化T細(xì)胞鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶/核因子(calcineurin/nuclear factor of activation T cell，NFAT)信號通路介導(dǎo)心肌細(xì)胞生長[8]。Li等[9]的研究證明，F(xiàn)OXO3誘導(dǎo)的E3泛素連接酶Atrogin-1的表達(dá)，促進(jìn)鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶(NFAT)水解，導(dǎo)致鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶(NFAT)水解活性明顯降低，其下游的基因調(diào)節(jié)鈣結(jié)合蛋白外顯子4亞型(modulatory calcineurin interacting protein, exon 4 isoform，MCIP1.4)表達(dá)降低，從而進(jìn)一步抑制肥大心肌細(xì)胞的生長[10]。Skurk等[11]研究了心肌肥大模型后發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)OXO3增強(qiáng)Atrogin-1表達(dá)，并誘導(dǎo)小鼠心肌細(xì)胞恢復(fù)正常大小。此外，F(xiàn)OXO3結(jié)合P21啟動(dòng)子并介導(dǎo)P21基因的轉(zhuǎn)錄。激活的p21能夠抑制血管緊張Ⅱ、刺激心肌間質(zhì)纖維化、促進(jìn)心肌細(xì)胞凋亡，有助于抑制心肌細(xì)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(guān)蛋白1輕鏈3 Ⅱ(LC3-Ⅱ)是自噬體必不可少的，LC3-Ⅱ的數(shù)量和自噬體的形成程度有關(guān)。在缺氧時(shí)，F(xiàn)OXO3明顯誘導(dǎo)LC3-Ⅱ的表達(dá)。通過siRNA敲除FOXO3后，細(xì)胞自噬囊泡的形成明顯降低，LC3-Ⅰ/LC3-Ⅱ的轉(zhuǎn)化率下調(diào)。表明FOXO3可以明顯誘導(dǎo)肥大心肌細(xì)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(xì)胞中如心肌細(xì)胞，均具有強(qiáng)效的自噬誘導(dǎo)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(xì)胞內(nèi)信號通路的精確調(diào)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(yīng)激 心肌缺血后/再灌注會產(chǎn)生嚴(yán)重的氧化應(yīng)激反應(yīng)，使心肌損傷程度加重，甚至出現(xiàn)梗死面積擴(kuò)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(jìn)p38 MAPK磷酸化。同時(shí)，p38 MAPK通路對AMPK轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖的激活有促進(jìn)作用。在心肌缺血的情況下，AMPK通過磷酸化增強(qiáng)FOXO3的轉(zhuǎn)錄活性，從而增強(qiáng)對糖代謝和氧化應(yīng)激的調(diào)節(jié)，有利于心肌細(xì)胞的生存。在動(dòng)物年齡依賴氧化應(yīng)激應(yīng)答的模型中證明，在心臟、脂肪細(xì)胞中，上調(diào)FOXO3的表達(dá)能夠激活抗氧化應(yīng)激系統(tǒng)。同時(shí)，Guan等[14]的研究也證明，CD38的缺乏能夠激活SIRT1/FOXOs介導(dǎo)的抗氧化應(yīng)激通路，從而保護(hù)心臟的缺血/再灌注損傷。

2.2.2FOXO3在心肌細(xì)胞線粒體中的作用 線粒體為心肌細(xì)胞提供大量的能量，心肌細(xì)胞富含豐富的線粒體。線粒體在缺血相關(guān)的心肌損傷中起著至關(guān)重要的作用。最近的研究證明，F(xiàn)OXO3對線粒體分裂和線粒體的自噬具有調(diào)節(jié)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(jī)制。PINK-1在線粒體自噬過程中起關(guān)鍵作用，Parkin 和PINK-1共同作用促進(jìn)心肌細(xì)胞的自噬[16]。FOXO3激活PINK-1/Parkin 通路，增強(qiáng)線粒體分裂和自噬對心肌產(chǎn)生保護(hù)作用[17]。然而，線粒體融合和分裂異常是細(xì)胞凋亡和許多疾病的發(fā)病原因之一。例如，Bcl-2相關(guān)蛋白激活，導(dǎo)致線粒體過度分裂及細(xì)胞色素C釋放，促進(jìn)細(xì)胞凋亡。在凋亡期間，F(xiàn)is1參與線粒體分裂，以及上調(diào)凋亡蛋白表達(dá)。FOXO3激活miR-484，進(jìn)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(xì)胞質(zhì)內(nèi)鈣的動(dòng)態(tài)平衡均是由FOXO3調(diào)節(jié)，F(xiàn)OXO3能夠促進(jìn)其下游凋亡抑制蛋白(apoptosis repressor with caspase recruitment domain，ARC)的表達(dá)[19]，降低肌漿網(wǎng)鈣離子的釋放，抑制氧化應(yīng)激引起的心肌細(xì)胞質(zhì)及線粒體內(nèi)鈣的升高(Fig 2)。與此同時(shí)，F(xiàn)OXO3基因敲除小鼠在缺血/再灌注損傷后，表現(xiàn)出心肌梗死面積擴(kuò)大，這提示FOXO3在心肌梗死后鈣穩(wěn)態(tài)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(gè)被晚期糖基化終產(chǎn)物激活，并且介導(dǎo)細(xì)胞凋亡的轉(zhuǎn)錄因子[20]。FOXO4主要作用是降低心血管系統(tǒng)內(nèi)的炎癥反應(yīng)，對抗心血管疾病。內(nèi)皮NO是由一種心血管系統(tǒng)必需酶——內(nèi)皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase，eNOS)產(chǎn)生的，能夠降低炎癥因子和減少表面黏附分子的表達(dá)，從而減弱白細(xì)胞黏附到血管內(nèi)皮細(xì)胞及血管壁上。在心肌缺血的過程中，F(xiàn)OXO4上調(diào)NO的產(chǎn)生，抑制中性粒細(xì)胞聚集以及某些細(xì)胞因子的表達(dá)，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(xì)胞再生的潛在治療靶點(diǎn)

FOXO1和FOXO3能夠促進(jìn)心肌細(xì)胞的凋亡，抑制FOXO1及FOXO3的表達(dá)，有助于心肌細(xì)胞的再生。FOXO3參與心臟細(xì)胞的再生，包括干細(xì)胞治療、心臟增殖和抑制心肌纖維化。間充質(zhì)干細(xì)胞通過旁分泌參與心臟的修復(fù)，改善心臟微環(huán)境，F(xiàn)OXO3的失活促進(jìn)梗死后心肌移植骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的再生，增強(qiáng)對心肌梗死的保護(hù)作用[21]。成纖維生長因子10(fibroblast growth factor 10,FGF10)通過抑制FOXO3相關(guān)的下游信號通路，促進(jìn)心肌細(xì)胞增殖。YAP是Hippo通路的一個(gè)末端感受器，能夠調(diào)節(jié)器官的大小和腫瘤的發(fā)生，在心肌細(xì)胞中也具有強(qiáng)大的活性。YAP作為FOXO1的轉(zhuǎn)錄輔助因子，參與抑制氧化應(yīng)激。YAP活化能夠刺激心肌細(xì)胞的增殖，增強(qiáng)心肌的再生 。FOXO3和Hippo之間有一定的相關(guān)性，F(xiàn)OXO3負(fù)向調(diào)節(jié)YAP，F(xiàn)OXO3可以通過Hippo/YAP通路影響心肌細(xì)胞的再生[22]。

與此相反的是，F(xiàn)OXOs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，F(xiàn)OXO1/3可以阻止心肌細(xì)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(hù)心肌的功能，而在心臟疾病的后期加速了心臟疾病的發(fā)展。

5 FOXOs的負(fù)面作用

FOXOs對心肌的損傷作用目前已經(jīng)受到關(guān)注，它可能會介導(dǎo)心肌的損傷，導(dǎo)致心血管動(dòng)脈粥樣硬化，也可能促進(jìn)腫瘤的發(fā)展。

PGC-1的過表達(dá)增強(qiáng)了iNOS和eNOS的表達(dá)，產(chǎn)生NO，并增強(qiáng)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(dá)，從而降低氧化應(yīng)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(qiáng)NO依賴性抗氧化劑、減少氧化應(yīng)激等作用，抑制FOXOs的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，從而保護(hù)心肌細(xì)胞。這說明了FOXOs在一定程度可能會對心肌細(xì)胞產(chǎn)生損傷。

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

6 展望

研究表明，F(xiàn)OXOs在心臟疾病中發(fā)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(xì)胞中的精密調(diào)節(jié)功能為臨床將來開發(fā)特定、有效的心臟保護(hù)療法提供重要的依據(jù)。FOXOs家族作為心血管疾病治療的關(guān)鍵靶點(diǎn)，已經(jīng)受到了極大地關(guān)注。目前，F(xiàn)OXOs保護(hù)心臟組織的機(jī)制非常復(fù)雜、多樣，對FOXOs的研究并未形成完整的系統(tǒng)，其副作用也受到的人們的關(guān)注。如何系統(tǒng)、有效地將FOXOs應(yīng)用于心臟疾病的治療，仍然需要更加深入的研究。