FoxOs與骨質(zhì)疏松

李　近,楊亞軍,劉鈺瑜

(1.廣東醫(yī)學(xué)院藥理學(xué)教研室,2. 廣東天然藥物研究與開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 湛江　524023)

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FoxOs與骨質(zhì)疏松

李近1，2,楊亞軍1，2,劉鈺瑜1，2

(1.廣東醫(yī)學(xué)院藥理學(xué)教研室,2. 廣東天然藥物研究與開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 湛江524023)

中國(guó)圖書(shū)分類(lèi)號(hào)：R-05；R341；R681.02；R681.05；R977.6

摘要：FoxOs轉(zhuǎn)錄因子屬于叉頭框蛋白(forkhead proteins)家族中的一個(gè)亞類(lèi)，主要參與細(xì)胞凋亡、DNA修復(fù)和清除活性氧自由基(ROS)過(guò)程。越來(lái)越多的證據(jù)表明，F(xiàn)oxOs介導(dǎo)的氧化應(yīng)激能夠破壞骨代謝相關(guān)細(xì)胞的氧化還原平衡，進(jìn)而影響骨質(zhì)疏松發(fā)生和發(fā)展的進(jìn)程。該文主要綜述FoxOs與骨質(zhì)疏松的關(guān)系，為探討骨質(zhì)疏松發(fā)病機(jī)制及防治策略研究提供參考。

關(guān)鍵詞：FoxOs；骨質(zhì)疏松；氧化應(yīng)激；活性氧自由基(ROS)；發(fā)病機(jī)制；防治策略

FoxOs轉(zhuǎn)錄因子屬于叉頭框蛋白(forkhead proteins)家族中的一個(gè)亞類(lèi)，這一類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子的特點(diǎn)是被稱(chēng)為叉頭盒的一個(gè)翼狀螺旋DNA結(jié)合域，是細(xì)胞對(duì)抗氧化損傷的主要防御機(jī)制之一[1]。

隨著人口的增長(zhǎng)以及老齡化社會(huì)的到來(lái)，骨質(zhì)疏松癥作為一種“悄無(wú)聲息的流行病”，被視為全球最嚴(yán)重的公共健康問(wèn)題之一[2]。骨質(zhì)疏松是一種以低骨量與骨微結(jié)構(gòu)破壞、骨的脆性增加、骨折風(fēng)險(xiǎn)增強(qiáng)為特征的全身代謝性疾病，其發(fā)病機(jī)制較為復(fù)雜，受多種因素，并由多種基因參與調(diào)控，目前尚未完全闡明[3]。越來(lái)越多的證據(jù)表明，F(xiàn)oxOs是影響成骨細(xì)胞的氧化還原平衡和骨骼內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵因素，而FoxOs介導(dǎo)的氧化應(yīng)激在骨質(zhì)疏松發(fā)生和發(fā)展過(guò)程中的重要作用已成為骨生物學(xué)家研究的熱點(diǎn)[4]。本文主要綜述FoxOs與骨質(zhì)疏松的關(guān)系，為探討骨質(zhì)疏松發(fā)病機(jī)制及防治策略研究提供參考。

1FoxOs在氧化應(yīng)激過(guò)程中的防御作用

在哺乳動(dòng)物中，F(xiàn)oxOs包括4個(gè)成員：FoxO1(或FKHR)、FoxO3(或FKHRL1)、FoxO4(或AFX)和FoxO6。其中，F(xiàn)oxO1和FoxO4在脂肪組織和骨骼肌中表達(dá)豐富；而FoxO3在多種組織中高度表達(dá)，尤其是腦、腎、心臟、肌肉和骨骼等組織；FoxO6主要存在腦組織[1]。早期研究證實(shí)了FoxOs轉(zhuǎn)錄因子在新桿線蟲(chóng)和果蠅的壽命中的關(guān)鍵作用。采用轉(zhuǎn)基因小鼠進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)oxOs可以減少與年齡相關(guān)的組織損傷。更多證據(jù)表明，在神經(jīng)退行性疾病、代謝性疾病和癌癥等疾病中[5]，F(xiàn)oxOs對(duì)于防御細(xì)胞氧化應(yīng)激發(fā)揮著至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)已明確，F(xiàn)oxOs是參與介導(dǎo)細(xì)胞抗氧化應(yīng)激活動(dòng)的轉(zhuǎn)錄因子。FoxOs通過(guò)磷酸化和去乙酰化控制其細(xì)胞內(nèi)的定位和轉(zhuǎn)錄活性，改變這種平衡即可影響FoxOs的生物效應(yīng)[4]。活化的蛋白激酶B(protein kinase B,PKB或Akt)將FoxOs的Thr-23、Ser-253和Ser-315 3個(gè)位點(diǎn)磷酸化，在結(jié)構(gòu)蛋白14-3-3的協(xié)同作用下，抑制其轉(zhuǎn)位入核或者滯留在胞質(zhì)，最終影響FoxOs的轉(zhuǎn)錄活性[1]。少量的活性氧自由基(ROS)可促進(jìn)FoxOs的去磷酸化和核易位，與壽命延長(zhǎng)密切相關(guān)[6-8]。在應(yīng)激狀態(tài)下，細(xì)胞內(nèi)FoxOs轉(zhuǎn)位入核，在核激素受體CREB結(jié)合蛋白(CBP)和p300乙酰轉(zhuǎn)移酶的作用下發(fā)生乙?；?，乙?；?FoxO(Ac-FoxO) 在細(xì)胞核內(nèi)積累，并與核小體結(jié)合，以屏蔽其轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)活性[9]，而沉默信息調(diào)節(jié)因子1(SIRT1) 是FoxOs的另一種共激活劑[10]，可引起FoxOs在細(xì)胞核中去乙?；せ?FoxO 的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)活性[11]，調(diào)控參與氧化應(yīng)激反應(yīng)的抗氧化劑(MnSOD)、生長(zhǎng)阻滯和DNA損傷修復(fù)基因(GADD45)、細(xì)胞周期調(diào)節(jié)蛋白(蛋白D1與D2、p27kip1等)和細(xì)胞凋亡基因(BIM和Fas配體)，從而調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激反應(yīng)[4]。因此，F(xiàn)oxOs是機(jī)體內(nèi)調(diào)控氧化應(yīng)激的防御中心。

2FoxOs對(duì)成骨細(xì)胞的作用

采用FoxO3過(guò)表達(dá)或FoxO1被敲除的小鼠模型，現(xiàn)已初步闡明FoxOs在成骨細(xì)胞中的作用。小鼠在骨鈣素啟動(dòng)子的控制下過(guò)表達(dá)FoxO3，表現(xiàn)出椎骨骨量增加，同時(shí)原癌基因shc編碼的蛋白(p66Shc)的磷酸化水平減少[12]。相反，F(xiàn)oxO3的缺失導(dǎo)致成骨細(xì)胞凋亡增加，成骨細(xì)胞數(shù)量和骨形成率以及骨量下降，結(jié)果提示FoxO3能夠減少氧化應(yīng)激，并能夠促進(jìn)成骨細(xì)胞的凋亡。同樣，當(dāng)敲除FoxO1基因后，引起氧化應(yīng)激增加，造成骨細(xì)胞數(shù)量和骨量減少，但不影響細(xì)胞凋亡[13]。FoxO1的缺失也促進(jìn)谷胱甘肽(GSH)和collagen1蛋白水平下降[13]。體外研究已經(jīng)表明，F(xiàn)oxO1與ATF4相互作用并能夠促進(jìn)氨基酸的參入，提示FoxO1有利于谷胱甘肽和collagen1的合成。盡管成骨細(xì)胞FoxO1缺失的小鼠出現(xiàn)蛋白質(zhì)合成和骨細(xì)胞數(shù)量減少，但仍表現(xiàn)出骨鈣素明顯增加，其分子機(jī)制可能是FoxO1直接結(jié)合到骨鈣基因啟動(dòng)子并抑制骨鈣素表達(dá)，并與 Runx2結(jié)合并抑制其活性[14]。因此，F(xiàn)oxO1、FoxO3通過(guò)不同的表達(dá)形式和機(jī)制調(diào)控氧化應(yīng)激，進(jìn)而影響成骨細(xì)胞的增殖與凋亡。

3FoxOs對(duì)破骨細(xì)胞的影響

FoxOs能夠直接影響破骨細(xì)胞的生成及其功能的發(fā)揮。單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞特異性FoxO3基因敲入鼠表現(xiàn)出骨量增加和幾個(gè)骨吸收標(biāo)記物減少的現(xiàn)象，提示FoxOs通過(guò)單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞直接抑制破骨細(xì)胞的形成[15]。研究表明，在破骨細(xì)胞中，人巨噬細(xì)胞集落刺激因子(M-CSF)和核因子κB受體活化因子配體(RANKL)誘導(dǎo)Akt信號(hào)，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞的增殖分化和抑制細(xì)胞凋亡，可能與Akt通過(guò)FoxOs磷酸化抑制其介導(dǎo)的破骨細(xì)胞凋亡有關(guān)[16-18]。與Akt作用相反，Mst1激酶可通過(guò)FoxOs磷酸化引起轉(zhuǎn)錄激活，從而促進(jìn)破骨細(xì)胞的凋亡[19]。OS促進(jìn)SIRT1和FoxOs相互作用，引起FoxOs去乙酰化，從而調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞活動(dòng)并維持骨量[20]。然而，F(xiàn)oxOs介導(dǎo)的Akt、Mst1和SIRT1對(duì)破骨細(xì)胞的生成是否產(chǎn)生作用尚不清楚。

FoxOs也通過(guò)成骨細(xì)胞間接地影響破骨細(xì)胞。研究表明，小鼠成骨細(xì)胞特異性過(guò)表達(dá)FoxO3可引起破骨細(xì)胞的數(shù)量減少，而FoxO1基因缺失，從而引起破骨細(xì)胞的數(shù)量增加[12,14]，提示在成骨細(xì)胞中激活FoxOs通路可減少破骨細(xì)胞數(shù)量。此外，F(xiàn)oxOs可抑制經(jīng)典的Wnt信號(hào)通路，進(jìn)而抵制Wnt下游靶蛋白骨保護(hù)素(OPG)的分泌，由于OPG與RANKL結(jié)合可競(jìng)爭(zhēng)性地阻斷RANK與RANKL之間的相互作用，進(jìn)而抑制破骨細(xì)胞的分化與成熟[21]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，小鼠成骨細(xì)胞特異性FoxO1缺失，骨組織中OPG表達(dá)減弱，相反，成骨細(xì)胞中胰島素可通過(guò)阻止FoxO1對(duì)OPG表達(dá)的影響，從而促進(jìn)骨吸收[22]。然而，小鼠成骨細(xì)胞中FoxO3過(guò)表達(dá)可能不影響OPG的表達(dá)，表明FoxO3調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的生成與OPG的表達(dá)無(wú)關(guān)。因此，在成骨細(xì)胞中FoxOs可以抑制破骨細(xì)胞形成。因此，F(xiàn)oxOs可能通過(guò)調(diào)控成骨細(xì)胞OPG表達(dá)和活性，間接地促進(jìn)破骨細(xì)胞的活性與功能，但詳細(xì)機(jī)制尚需進(jìn)一步研究。

4FoxO/Wnt信號(hào)通路對(duì)骨代謝的調(diào)控

眾所周知，經(jīng)典Wnt/β-catenin通路可通過(guò)促進(jìn)T細(xì)胞因子(TCF)/淋巴增強(qiáng)因子(LEF)發(fā)揮轉(zhuǎn)錄活性，在成骨細(xì)胞生成、增殖和分化過(guò)程產(chǎn)生中發(fā)揮重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，β-catenin也是FoxO家族轉(zhuǎn)錄因子必需的一種共激活劑[23]。當(dāng)機(jī)體處于氧化應(yīng)激狀態(tài)時(shí)，F(xiàn)oxO誘導(dǎo)表達(dá)增加，與β-catenin結(jié)合后轉(zhuǎn)位入核，從而激活FoxO的轉(zhuǎn)錄活性，啟動(dòng)調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡、DNA修復(fù)和清除ROS的轉(zhuǎn)錄程序，構(gòu)建以FoxO為中心的抗氧化應(yīng)激防線[23]。然而，骨組織在受到氧化刺激或機(jī)體衰老的影響時(shí)，氧化應(yīng)激水平增加，在促進(jìn)FoxO轉(zhuǎn)錄的過(guò)程中，Wnt/TCF介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄和成骨細(xì)胞祖細(xì)胞的增殖與分化受到抑制，從而導(dǎo)致骨形成減少，最終造成骨質(zhì)疏松[23]。

5結(jié)語(yǔ)

最近，越來(lái)越多證據(jù)表明，F(xiàn)oxOs在骨骼動(dòng)態(tài)平衡中發(fā)揮著重要作用。在成骨細(xì)胞譜系，F(xiàn)oxOs調(diào)控成骨細(xì)胞特異性基因(如骨鈣素)的表達(dá)和其它轉(zhuǎn)錄因子(如ATF4、Runx2和β-catenin)的功能，并通過(guò)直接或間接作用抑制破骨細(xì)胞的形成，通過(guò)調(diào)節(jié)骨形成和骨吸收的動(dòng)態(tài)平衡影響骨組織的微結(jié)構(gòu)和骨質(zhì)量。因此，“氧化應(yīng)激為中心”理論已成為目前人們研究骨質(zhì)疏松的病理機(jī)制的焦點(diǎn)。由于FoxO信號(hào)網(wǎng)絡(luò)極其復(fù)雜，許多關(guān)鍵的細(xì)胞因子或蛋白參與或調(diào)控其下游涉及的信號(hào)通路，因此，有必要在未來(lái)的研究中探討 FoxO靶基因群，闡明FoxO信號(hào)通路對(duì)骨細(xì)胞生物學(xué)中重要轉(zhuǎn)錄因子的直接或間接調(diào)控作用，為深入研究骨質(zhì)疏松的發(fā)病機(jī)制，從而尋找骨質(zhì)疏松的防治策略提供依據(jù)。

目前，諸多研究者支持和證實(shí)了抗氧化劑在抗骨質(zhì)疏松方面的療效。一些天然藥物活性分子也顯示很好的防治骨質(zhì)疏松癥的作用。其中，已經(jīng)證明了淫羊藿、蛇床子、丹參、首烏等中藥及其復(fù)方、有效成分具有抗骨質(zhì)疏松作用，作用機(jī)制很可能與影響FoxOs的轉(zhuǎn)錄活性有關(guān)。

本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，丹參素作為一種天然抗氧化物質(zhì)，能夠通過(guò)下調(diào)FoxO活性對(duì)抗氧化應(yīng)激，同時(shí)也能通過(guò)上調(diào)Wnt信號(hào)通路促進(jìn)成骨分化，具有防治氧化應(yīng)激介導(dǎo)骨質(zhì)疏松的潛力[24]。

總之，小分子抗氧化中藥和天然藥物的抗骨質(zhì)疏松作用很可能與FoxOs的轉(zhuǎn)錄活性有關(guān)，通過(guò)進(jìn)一步研究可揭示中藥及天然藥物有效成分的新的作用靶點(diǎn)，為從與FoxO相關(guān)的通路尋找和開(kāi)發(fā)抗骨質(zhì)疏松的新藥提供思路。

參考文獻(xiàn)

[1]Greer E L, Brunet A.FoxO transcription factors at the interface between longevity and tumor suppression [J].Oncogene, 2005, 24(50): 7410-25.

[2]van den Bergh J P, van Geel T A, Geusens P P.Osteoporosis, frailty and fracture: implications for case finding and therapy[J].NatRevRheumatol, 2012, 8(3): 163-72.

[3]Abrahamsen B, van Staa T, Ariely R, et al.Excess mortality following hip fracture: a systematic epidemiological review[J].OsteoporosInt, 2009, 20(10): 1633-50.

[4]Kousteni S. FoxOs: unifying links between oxidative stress and skeletal homeostasis[J].CurrOsteoporosRep, 2011,9(2): 60-6.

[5]Partridge L, Bruning J C.Forkhead transcription factors and ageing[J].Oncogene, 2008, 27(16): 2351-63.

[6]Liu J W, Chandra D, Rudd M D, et al.Induction of prosurvival molecules by apoptotic stimuli: involvement of FoxO3a and ROS[J].Oncogene, 2005, 24(12): 2020-31.

[7]Lehtinen M K, Yuan Z, Boag P R, et al.A conserved Mst-FoxO signaling pathway mediates oxidative-stress responses and extends life span[J].Cell, 2006, 125(5): 987-1001.

[8]Yamamoto M, Clark J D, Pastor J V, et al.Regulation of oxidative stress by the anti-aging hormone klotho[J].JBiolChem, 2005, 280(45): 38029-34.

[9]Watroba M, Maslinska D, Maslinski S.Current overview of functions of FoxO proteins, with special regards to cellular homeostasis, cell response to stress, as well as inflammation and aging[J].AdvMedSci, 2012, 57(2): 183-95.

[10] Iyer S, Han L, Bartell S M, et al.Sirtuin1 (Sirt1) promotes cortical bone formation by preventing beta-catenin sequestration by FoxO transcription factors in osteoblast progenitors[J].JBiolchem, 2014, 289(35): 24069-78.

[11] Glauser D A, Schlegel W.The emerging role of FoxO transcription factors in pancreatic beta cells[J].JEndocrinol, 2007, 193(2): 195-207.

[12] Ambrogini E, Almeida M, Martin-Millan M, et al.FoxO-mediated defense against oxidative stress in osteoblasts is indispensable for skeletal homeostasis in mice[J].CellMetab, 2010, 11(2): 136-46.

[13] Rached M, Kode A, Xu L, et al.FoxO1 is a positive regulator of bone formation by favoring protein synthesis and resistance to oxidative stress in osteoblasts[J].CellMetab, 2010, 11(2): 147-60.

[14] Rached M, Kode A, Silva B C, et al.FoxO1 expression in osteoblasts regulates glucose homeostasis through regulation of osteocalcin in mice[J].JClinInvest, 2010,120(1): 357-68.

[15] Almeida M.Unraveling the role of FoxOs in bone—insights from mouse models[J].Bone, 2011, 49(3): 319-27.

[16] Sugatani T, Hruska K A.Akt1/Akt2 and mammalian target of rapamycin/Bim play critical roles in osteoclast differentiation and survival, respectively, whereas Akt is dispensable for cell survival in isolated osteoclast precursors[J].JBiolChem, 2005, 280(5): 3583-9.

[17] Kawamura N, Kugimiya F, Oshima Y, et al.Akt1 in osteoblasts and osteoclasts controls bone remodeling[J].PLoSOne, 2007, 2(10): e1058.

[18] Wong B R, Besser D, Kim N,et al.TRANCE, a TNF family member, activates Akt/PKB through a signaling complex involving TRAF6 and c-Src[J].MolCell, 1999, 4(6): 1041-9.

[19] Reszka A A, Halasy-Nagy J M, Masarachia P J, et al.Bisphosphonates act directly on the osteoclast to induce caspase cleavage of Mst1 kinase during apoptosis. A link between inhibition of the mevalonate pathway and regulation of an apoptosis-promoting kinase[J].JBiolChem, 1999, 274(49): 34967-73.

[20] 楊亞軍, 崔燎. FoxO/Wnt通路在氧化應(yīng)激介導(dǎo)的骨質(zhì)疏松中的調(diào)控機(jī)制[J].中國(guó)藥理學(xué)通報(bào), 2013,29(1): 27-30.

[20] Yang Y J,Cui L. Regulation mechanisum of FoxO /Wnt pathway in osteoporosis mediated by oxidative stress[J].ChinPharmacolBull,2013,29(1): 27-30.

[21] Goldring S R, Goldring M B.Eating bone or adding it: the Wnt pathway decides[J].NatMed, 2007, 13(2): 133-4.

[22] Ferron M, Wei J, Yoshizawa T, et al.Insulin signaling in osteoblasts integrates bone remodeling and energy metabolism[J].Cell, 2010, 142(2): 296-308.

[23] Iyer S, Ambrogini E, Bartell S M, et al.FOXOs attenuate bone formation by suppressing Wnt signaling[J].JClinInvest, 2013, 123(8): 3409-19.

[24] Yang Y, Su Y, Wang D, et al.Tanshinol attenuates the deleterious effects of oxidative stress on osteoblastic differentiation via Wnt/FoxO3a signaling[J].OxidMedCellLongev, 2013, 2013: 1-18.

FoxOs and osteoporosis

LI Jin1,2,YANG Ya-jun1,2,LIU Yu-yu1,2

(1.DeptofPharmacology,GuangdongMedicalCollege，ZhanjiangGuangdong524023，China; 2.GuangdongKeyLaboratoryforResearchandDevelopmentofNaturalDrugs，ZhanjiangGuangdong524023，China)

Abstract:As one subclass of forkhead proteins, the forkhead box O (FoxO) transcription factors take part in a series of biological processes including cellular apoptosis, damaged DNA repair and cleavage of reactive oxygen species(ROS). Increasing evidence highlights that oxidative stress elicited by FoxOs contributes to imbalance of redox status in cells related to bone metabolism, resulting in development of the pathogenesis of osteoporosis. This article reviews the relationship of FoxOs and osteoporosis, which may be beneficial for the research of pathological mechanism and therapeutic strategy of osteoporosis.

Key words:FoxOs ; osteoporosis; oxidative stress ; reactive oxygen species(ROS); pathological mechanism; therapeutic strategy

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-1978(2016)02-0169-03

doi:10.3969/j.issn.1001-1978.2016.02.005

作者簡(jiǎn)介：李近(1988- )， 女，碩士生， 研究方向:骨質(zhì)疏松的藥物防治， E-mail:505343948@qq.com;楊亞軍(1973-)，男，博士，研究方向：骨質(zhì)疏松的藥物防治，通訊作者, E-mail:yangyajunl@163.com;劉鈺瑜(1976- )， 女， 碩士， 教授， 碩士生導(dǎo)師， 研究方向:骨質(zhì)疏松的藥物防治， 通訊作者，Tel: 0759- 2388588，E-mail:liuyuyu77@163.com

基金項(xiàng)目:廣東省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(No 2012B031800225);廣東省教育廳特色創(chuàng)新項(xiàng)目(No 2014KTSCX084)

收稿日期：2015-10-22，修回日期：2015-11-24

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1086.R.20160125.1557.010.html網(wǎng)絡(luò)出版地址：2016-1-25 15:57