FoxO转录因子的活性调控及其对骨骼肌生长发育的调节_朱宇旌

合来调控 FoxO 的亚细胞定位、DNA 结合特性、蛋白质水平和转录活性，这修饰包括磷酸化、乙
酰化、泛酸化和甲基化等。现在已证明 FoxO 参与蛋白质的降解和合成，并且参与调节骨骼肌的
生长发育。但 FoxO 活性调控及其信号途径在骨骼肌中具体的调控机理尚不明确。本文就 FoxO
的活性调控及其如何参与骨骼肌生长发育进行了综述。
（ 1． 沈阳农业大学畜牧兽医学院，沈阳 110866； 2． 辽宁禾丰牧业股份有限公司，沈阳 110164）
摘 要： FoxO 转录因子受到各种外界刺激而被调控，主要包括胰岛素( insulin) 、胰岛素样生长
因子Ⅰ( IGF-Ⅰ) 、营养状况、细胞因子和应激等。这些外界因素通过 FoxO 修饰翻译后的复杂组
收稿日期： 2012 － 10 － 10 基金项目： 国家自然科学基金（ 31101253； 30972112） 作者简介： 朱宇旌（ 1972—） ，女，辽宁彰武人，副教授，博士，主要从事饲料资源开发利用的研究与教学工作。E-mail： syndzhyj@ 163． com * 通讯作者： 张 勇，教授，硕士生导师，E-mail： syndzhy@ 126． com
伴侣蛋白 14-3-3 是一种进化上保守的调控蛋 白，在细胞内通过绑定到特定靶蛋白的丝氨酸 / 苏 氨 酸 磷 酸 化 序 列 来 调 节 多 个 信 号 转 导 通 路［6］。 通 常 14-3-3 蛋 白 是 FoxO 活 性 的 负 调 节 器，能 将 FoxO 隔离在细胞质内，已知 14-3-3 蛋白结合位点 包括 2 个 已 定 义 位 点： RSxpS / TXP （ 模 式 1 ） 和 RxxxpSxP（ 模式 2 ） ，以 及 其 他 一 些 磷 酸 化 序 列 和 一 些 非 磷 酸 化 序 列［7］。 其 与 靶 基 因 结 合 后 形 成 二 聚体，作为二聚体，14-3-3 蛋白可以直接调控靶蛋 白的酶活性、蛋 白 质 稳 定 性 和 细 胞 定 位 从 而 影 响 靶蛋 白 的 功 能。AKT 依 赖 性 磷 酸 化 FoxO 能 与 14-3-3 蛋白 结 合，在 细 胞 质 中 形 成 螯 合 FoxO 蛋 白，阻碍 FoxO 进入细胞核，从而抑制 FoxO 所调节 基因的表达。14-3-3 蛋白可以影响靶蛋白磷酸化 状态时的半 衰 期，这 表 明 其 可 以 防 止 靶 蛋 白 降 解 和去磷 酸 化［6］。Dobson 等［8］研 究 证 明，14-3-3 蛋 白表达增加会促进 FoxO 蛋白及其磷酸 化 个 体 的 表达，机制 为 避 免 其 去 磷 酸 化 和 降 解。此 功 能 说 明细胞内自由的 14-3-3 蛋白可能会加速 FoxO 蛋 白在细胞核 内 的 回 收，促 进 其 在 细 胞 质 内 稳 定 或
动物营养学报 2013，25（ 4） ： 677-684 Chinese Journal of Animal Nutrition
doi： 10． 3969 / j． issn． 1006-267x． 2013． 04． 002
FoxO 转录因子的活性调控及其对 骨骼肌生长发育的调节
朱宇旌1 于治姣1 张 勇1* 李 艳1 邵彩梅2
4期
朱宇旌等： FoxO 转录因子的活性调控及其对骨骼肌生长发育的调节
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图 1 FoxO 转录因子的可逆乙酰化和磷酸化调控原理模型图 Fig． 1 Schematic model for the regulation of FoxO transcription factors by reversible phosphorylation and acetylation［15］
FoxO 蛋白包括 4 个区域： 1 个氨基端 的 高 度 保守 DNA 结合域； 1 个核定位信号（ NLS） ； 1 个核 输出信号（ NES） ； 1 个羧基端结构域。它们分别由 不同的 基 因 编 码，并 定 位 于 不 同 的 染 色 体 上［4］。 所有 FoxO （ FoxO6 除 外） 均 包 含 3 个 蛋 白 激 酶 B （ AKT ） 磷酸化位点（ FoxO6 缺乏羧基末端位点） ， AKT 共同磷酸化位点也可以被其他 AGC 家族激 酶［5］，如蛋白激酶 A （ PKA ） 、蛋白激酶 C （ PKC ） 、 血清 激 素 性 激 酶 （ SGK ） 和 p21 激 活 蛋 白 激 酶 （ PAK） 磷酸化。
Lee 等［12］研 究 发 现，血 管 内 皮 细 胞 内 猪 肾 酰 转移酶（ PKAa） 使 FoxO1 在 AKT 磷酸化位点磷酸 化，但是磷酸 化 的 具 体 程 度 及 需 要 的 条 件 仍 有 待 确定。对于磷酸化位点，以前认为 AKT 在质膜上 被激活，随后激活的 AKT 易位到细胞核中。而现 在的观点 是，在 细 胞 核 内 通 过 PI3K 核 池，包 括 被 磷酸肌醇依赖性蛋白激酶 1 （ PDK1 ） 和 DNA 依赖 性 蛋 白 激 酶 （ DNA-PK ） 磷 酸 作 用 直 接 激 活 AKT［13］。因此在细胞质和细胞核中 FoxO 蛋白均 可被磷酸化，但是在细胞质中 FoxO 蛋白磷酸化的 AKT 位点可以被检测到，而在细胞核内没有检测 到 FoxO 的 磷 酸 化 位 点，这 表 明 在 细 胞 核 中 即 使 FoxO 蛋白被磷酸化，它们的半衰期也很短［9］。至 于 AKT 与 FoxO 的相互作用，已 经 发 现 到 内 源 性 AKT 和 FoxO 的复合，而这 2 种蛋白之间的相互作 用并没有被具体研究。Singh 等［11］研究表明，3 个 AKT 磷酸化序列没有参与 AKT -FoxO 交 互 作 用， 说明 FoxO 内存在一个远 距 离 AKT 结 合 位 点，这 还有 待 进 一 步 研 究。不 过 也 有 相 关 文 献 报 道， AKT 和相关激酶 SGK 在 3 个调节位点（ 人 FoxO1 序 列 Thr24、Ser256 和 Ser319 ） 上 直 接 磷 酸 化 Fo x O［14］。
FKHR / FoxO1a、FoxO3 / FKHRL1 / FoxO3a、FoxO4 / AFX 和 FoxO6，这几种蛋白具有高度的同源性［3］。 首次被发现的哺乳动物 FoxO 是 FoxO1 基因，位于 人类 13 号染色体上。FoxO4 是第 2 个在癌症中发 现的进行重排的 Fox 转录因子。FoxO3 位于 6 号 染色体上，是以 FoxO1 的 DNA 结合结构域为诱饵 寻找其同 源 物 时 发 现 的，FoxO3 和 FoxO1 具 有 很 高的同源性。FoxO6 位于人类 1 号染色体上。
1 FoxO 蛋白家族及其结构特点
1989 年，Weigel 等在果蝇中发现了第 1 个 Forhead 基因。Fox 蛋白的标准命名由“Fox + 亚家族 符号 + 数字符号”构成，现在根据 DNA 结合 区 的 同源 性 将 该 家 族 分 为 17 个 亚 家 族，FoxA ～ Q。 FoxO 是 Fox 家族中研究最深入的 O 亚家族，哺乳 动物 体 内 含 有 4 种 FoxO 蛋 白，分 别 为 FoxO1 /
使其降 解。Dobson 等［8］ 还 认 为 细 胞 内 14-3-3 蛋 白的含量可以决定 FoxO 蛋白的水平和活性强弱， 在细胞 条 件 改 变 的 前 提 下 允 许 通 路 微 调。 同 时 Densham 等［9］研 究 认 为，FoxO3 核 定 位 的 调 节 可 能是由 14-3-3 蛋白的绑定而导致，AKT 的活化诱 导 FoxO3 在细胞质中积累从而抑制 FoxO3 在细胞 核中的积累。虽然 AKT 磷酸化后可能作为 14-3-3 蛋白结合位 点，但 磷 酸 化 不 直 接 影 响 蛋 白 质 的 功 能，如 DNA 的结合力。晶体学研究也认为这些磷 酸化不影响 FoxO 蛋白的 功 能［10］。14-3-3 蛋 白 防 止由 AKT 引起的 FoxO3 去磷酸化，此过程由蛋白 磷酸酶 2A（ PP2A） 介导（ 图 1 ） ，PP2A 是 FoxO1 的 磷酸酶，PP2A 与 FoxO3 的 T32 和 S253 位点的去 磷酸化作用相关。在 AKT 被抑制的条件下，PP2A 被抑制或降解能够使 FoxO3 磷酸化稳定［11］，这种 效应也导 致 FoxO3-14-3-3 复 合 物 的 稳 定。此 外， PP2A 的衰减抑制由 AKT 抑制引起的 FoxO3 细胞 核内转移，并且增加 FoxO3 转录活性，但 PP2A 不 参与调控 FoxO1 或 FoxO4。
3． 2 乙酰化调节 最初酵母菌双杂交筛选的结果引导人们研究
FoxO 转录因子乙酰化，FoxO 乙酰化能减 少 DNA 结合，以增加其在 S256 位点上 AKT 的磷酸化，对 FoxO 起负调 控 作 用。Daitoku 等［15］研 究 表 明，乙 酰化的 FoxO 蛋白能降低它 的 超 激 活 功 能。反 应 原件结合蛋白（ CBP） 和它相关的 p300 蛋白（ CBP p300） 是众所周知的组蛋白乙酰转移酶，它作为众 多转录因子的辅激活因子，它在叉形头 DNA 结合 域区能直接绑定和乙酰化 FoxO，减小它与靶基因 相互作用的能力（ 图 1） 。因此，推测 FoxO 蛋白可 能是 CBP 的底物，已经证明 CBP 可以在 Lys-242、 Lys-245 和 Lys-262 这 3 个位点乙酰化 FoxO。
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25 卷
2 FoxO 转录活性调节
2． 1 磷酸化调节 磷酸化可使 FoxO 由细胞核转入到细胞质中，
从而失 活。FoxO 一 般 被 4 种 物 质 磷 酸 化： AKT 、 IκB 激 酶 β （ inhibitor kappa B kinase β，IKKβ ） 、 c-jun氨基末端 激 酶 （ JNK ） 和 哺 乳 动 物 不 育 系 20 样 激 酶 1 （ mammalian sterile 20-like kinase 1， M st1） 。这 4 种激酶对 FoxO 磷酸化表现出不同的 表达功能，FoxO 被 AKT 或 IKKβ 磷酸化后活性降 低，细胞增殖，产生肿瘤。而 JNK 和 M st1 磷 酸 化 作用 可 激 活 FoxO，促 进 细 胞 凋 亡 基 因 的 表 达。 AKT 调控细胞的增殖和存活，支架蛋白（ connector enhancer of KSR1，CNK1） 在几个信号通路中控制 着 FoxO 蛋白的功能，它可 以 直 接 调 节 AKT 的 活 性，也可以通 过 对 其 上 游 催 化 剂 细 胞 附 着 蛋 白 的 调控而影响 AKT 的活性，CNK1 是 JNK 和以 JNK 为依赖的信 号 途 径 的 关 键 调 节 器，而 且 其 也 参 与 由蛋 白 激 酶 M st1 诱 导 的 细 胞 凋 亡。 FoxO 通 过 AKT 和 SGK 磷 酸 化 使 FoxO 封 闭 在 细 胞 质 或 令 FoxO 蛋 白 酶 失 去 活 性，这 一 过 程 能 被 M st1 和 JNK 阻碍。
关键词： FoxO 转录因子; 活性调控; 蛋白质降解; 蛋白质合成; 骨骼肌
中图分类号： S811． 2
文献标识码： A
文章编号： 1006-267X（ 2013） 04-0677-08
Fox 蛋白是一类广泛存在于从 酵 母 到 哺 乳 类 真核生物的转录因 子，属 于“螺 旋 － 转 角 － 螺 旋” 类蛋白的一个亚群。而 FoxO 转录因子是 Fox 家族 中研究最深入的 O 亚家族，现已确定 FoxO 蛋白及 其 各 种 结 合 物 之 间 存 在 着 物 理 的 交 互 作 用［1］。 哺 乳动 物 细 胞 中 有 4 个 FoxO 因 子，其 中 FoxO1、 FoxO3a 和 FoxO4 存在于骨骼肌中。骨骼肌细胞内 蛋白质降解的 2 个主要途径是泛素蛋白酶体系统 （ UPS） 和自噬 / 溶酶体蛋白降解，而 FoxO 转录因子 与这 2 种 代 谢 途 径 的 调 控 有 关，并 且 Goodman 等［2］研究认为，FoxO 能通过活性的变化以某种方 式参与蛋白质降解或蛋白质合成的调节。