FoxO轉(zhuǎn)錄因子在皮膚創(chuàng)傷修復(fù)及瘢痕演變中的作用

孔艷麗,皮龍泉,李蓮花,李初穎,金美彤,羅銀利,金哲虎

皮膚創(chuàng)傷修復(fù)及瘢痕演變是一個高度整合及重疊的過程,依賴于多種細(xì)胞、細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix, ECM)及生長因子在炎癥、血管生成、再上皮化和組織重塑中的相互作用[1]。正常皮膚創(chuàng)傷后血管會立即收縮并凝集血小板,經(jīng)脫顆粒形成纖維蛋白凝塊進(jìn)行止血[2]。炎癥階段,中性粒細(xì)胞最先到達(dá)損傷部位,釋放白細(xì)胞介素-6(interleukin, IL-6)、IL-1β和腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor, TNF-α)等炎癥介質(zhì),促進(jìn)白細(xì)胞滲出并增強(qiáng)吞噬作用[3]。創(chuàng)傷部位新生微血管內(nèi)皮細(xì)胞和成纖維細(xì)胞侵入凝塊,使其收縮形成肉芽組織[4]。角質(zhì)形成細(xì)胞的不斷遷移、增殖和分化會覆蓋創(chuàng)傷部位啟動再上皮化[5]。重塑階段,炎性巨噬細(xì)胞表型(M1型巨噬細(xì)胞)轉(zhuǎn)變?yōu)榭寡拙奘杉?xì)胞表型(M2型巨噬細(xì)胞),釋放蛋白酶并吞噬多余ECM[6]。成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化為α-平滑肌肌動蛋白(α-SMA),增殖并導(dǎo)致ECM沉積[7]。這些修復(fù)過程與創(chuàng)傷后瘢痕形成密切相關(guān),見圖1。

圖1 創(chuàng)作修復(fù)演進(jìn)模式圖Fig.1 Pattern diagram of evolution during wound healing

叉頭框(forkhead box, Fox)轉(zhuǎn)錄因子廣泛存在于從酵母類到哺乳類的真核生物中,目前研究最深入的是FoxO亞家族[8],因此,本文結(jié)合FoxO轉(zhuǎn)錄因子的一般生物學(xué)特性,著重歸納總結(jié)FoxO轉(zhuǎn)錄因子在皮膚創(chuàng)傷修復(fù)及瘢痕演變中的最新進(jìn)展。

1 FoxO生物學(xué)特性

FoxO是一類具有翼狀螺旋結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)錄因子家族,由4個功能結(jié)構(gòu)域組成:①高度保守的DNA結(jié)合域(DNA binding domain, DBD);②核輸出信號(nuclear output signal, NES);③核定位信號(nuclear localization signal, NLS);④反式激活結(jié)構(gòu)域(trans activated domain, TAD)[9]。目前已發(fā)現(xiàn)哺乳動物的4個FoxO基因(FoxO1、FoxO3a、FoxO4和FoxO6)由不同的基因編碼,通過調(diào)節(jié)靶基因的表達(dá),調(diào)控下游轉(zhuǎn)錄因子的活性[10],研究[11]表明,其在細(xì)胞增殖、凋亡、遷移和氧化應(yīng)激等過程發(fā)揮重要作用。FoxO轉(zhuǎn)錄因子受翻譯后修飾(post-translational modification, PTM) (即磷酸化、乙?；图谆?的嚴(yán)格調(diào)控,通過改變核定位和DNA結(jié)合能力決定細(xì)胞命運[12]。

現(xiàn)有研究[13]表明,磷酸肌醇3-激酶(phospho-inositide 3-kinase, PI3K)/蛋白激酶B(AKT)/FoxO/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信號通絡(luò)是控制細(xì)胞生長、增殖和新陳代謝的中樞環(huán)節(jié)。已知細(xì)胞周期G1/S轉(zhuǎn)換的負(fù)調(diào)控因子(p27KIP1/p21WAF1/p130)被FoxO上調(diào),細(xì)胞周期蛋白(Cyclin D1/D2)等正調(diào)控因子被FoxO抑制[14]。提高增生性瘢痕中CyclinD1的表達(dá)量或與細(xì)胞周期依賴蛋白激酶(CDK4/6)結(jié)合形成復(fù)合物,可促進(jìn)細(xì)胞周期和細(xì)胞增殖[15]?；钚匝?reactive oxygen species, ROS)在創(chuàng)傷修復(fù)過程中也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,氧化還原信號和氧化應(yīng)激的增強(qiáng)可調(diào)控多種信號通路和轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá),如FoxO、蛋白激酶C(PKC)、c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinases, JNK)、p38絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)、核因子κB(nuclear factor-κB, NF-κB)等[16]。其中FoxO3a通過MAPK和JNK修飾凋亡配體促進(jìn)細(xì)胞凋亡[17]。研究[18]表明,ROS中的過氧化氫(H2O2)和超氧化物歧化酶(O2-)能激活FoxO3a,導(dǎo)致成纖維細(xì)胞凋亡,是創(chuàng)傷修復(fù)的重要調(diào)控因子。

2 FoxO與皮膚固有細(xì)胞

2.1FoxO對角質(zhì)形成細(xì)胞的作用 角質(zhì)形成細(xì)胞作為再上皮化的效應(yīng)細(xì)胞,通過遷移、增殖和分化的方式恢復(fù)表皮形態(tài)[19],而細(xì)胞增殖是PI3K/AKT信號通路的效應(yīng)之一,Zhang等[20]研究發(fā)現(xiàn),PI3K/AKT/FoxO信號可以通過磷酸化和抑制FoxO促進(jìn)細(xì)胞存活。進(jìn)化上保守的胰島素/胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor 1, IGF-1)信號通路通過PI3K/AKT誘導(dǎo)FoxO亞型磷酸化,使其從細(xì)胞核移位到細(xì)胞質(zhì),抑制FoxO靶基因的轉(zhuǎn)錄,調(diào)控細(xì)胞增殖和遷移[21]。Kakanj等[22]研究表明,FoxO低表達(dá)會促進(jìn)由胰島素受體信號傳導(dǎo)降低造成的創(chuàng)面的修復(fù)。FoxO1特異性缺失會干擾皮膚創(chuàng)面中的角質(zhì)形成細(xì)胞遷移、血管生成和結(jié)締組織再生[23]。

2.2FoxO對成纖維細(xì)胞的作用 肉芽組織中成纖維細(xì)胞的過度增殖,使組織異常攣縮與纖維化,導(dǎo)致瘢痕形成[24]。研究[25]表明,FoxO1和FoxO3a對多種纖維化效應(yīng)細(xì)胞的激活和凋亡均有調(diào)節(jié)作用。轉(zhuǎn)化生長因子-β1(transforming growth factor-β1, TGF-β1)通過激活SMAD3、ERK1/2和AKT降低FoxO3a的活性,沉默F(xiàn)oxO3a減弱了TGF-β1調(diào)控的心臟成纖維細(xì)胞(cardiac fibroblasts, CFs)向心臟肌成纖維細(xì)胞(cardiac myo fibrobhsts, CMFs)的轉(zhuǎn)化[26]。此外,Yang等[27]研究表明,PI3K/AKT/FoxO信號傳導(dǎo)明顯促進(jìn)了肥厚性瘢痕(hypertrophic scar, HS)的纖維化進(jìn)展,基因測序顯示己酮可可堿(一種黃嘌呤衍生的抗氧化劑)通過該信號通路激活p27KIP1影響HS形成。

3 FoxO與皮膚創(chuàng)傷修復(fù)

3.1FoxO與炎癥期 炎癥階段釋放趨化因子誘導(dǎo)中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和淋巴細(xì)胞等先后進(jìn)入創(chuàng)傷部位[28]。Lang等[29]研究表明,microRNA-149通過減輕炎癥反應(yīng),促進(jìn)傷口無瘢痕愈合。Morris等[30]研究表明,FoxO3a有助于調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng),其抗炎作用會抑制炎癥因子(IL-2/6)的產(chǎn)生。創(chuàng)面浸潤的中性粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞高度表達(dá)FoxO1[31],創(chuàng)面細(xì)菌可通過誘導(dǎo)Toll樣受體2(Toll-like receptors, TLR2)和TLR4改變中性粒細(xì)胞中FoxO1的核定位,上調(diào)TLR2和TLR4可使FoxO1過表達(dá),并使炎性細(xì)胞因子(IL-1和TNF-α)釋放增加[32]。β-連環(huán)蛋白(β-catenin)和FoxO1是AKT信號多樣化的兩種關(guān)鍵因素,FoxO1在Ser256殘基處的磷酸化誘導(dǎo)其在感染期間的核輸出,進(jìn)而激活A(yù)KT,而Wnt通路以AKT依賴性方式獨立調(diào)節(jié)β-catenin,使其以GSK-3β依賴性方式抑制炎癥[33],另有研究[34]表明,AKT調(diào)節(jié)的FoxO能通過上調(diào)過氧化氫酶和錳超氧化物歧化酶(Mn superoxide dismutase, MnSOD)編碼基因的表達(dá),抑制細(xì)胞內(nèi)ROS水平,改善與衰老相關(guān)的進(jìn)行性腎損傷中的炎癥反應(yīng)。

3.2FoxO與增生期

3.2.1血管再生 血管再生為創(chuàng)傷部位提供新鮮血液,FoxO1、FoxO3和FoxO4三重基因敲除的小鼠,可通過調(diào)節(jié)血管內(nèi)皮細(xì)胞的形態(tài)和血管穩(wěn)態(tài)介質(zhì)(SPRY2和PBX1)的表達(dá)調(diào)控血管再生[35]。已知,表皮生長因子(epidermal growth factor, EGF)、血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)和血小板衍生生長因子(platelet-derived growth factor, PDGF)是創(chuàng)傷修復(fù)過程中的關(guān)鍵趨化因子[36]。Jeon等[37]研究表明,特異性缺失FoxO1的角質(zhì)形成細(xì)胞可降低創(chuàng)傷部位VEGF的表達(dá),并導(dǎo)致血管生成減少,再上皮化和肉芽組織形成受損。沉默信息調(diào)節(jié)因子1(sirtuin 1, SIRT1)可使FoxO1去乙?；?而SIRT1缺失的內(nèi)皮細(xì)胞由于FoxO1活性的改變,會表現(xiàn)為異常的血管再生[38]。

3.2.2再上皮化 成功再上皮化依賴于角質(zhì)形成細(xì)胞的增殖和遷移[39]。Miao等[40]研究表明,FoxO1可通過調(diào)節(jié)抗氧化基因如谷胱甘肽過氧化物酶2(glutathione peroxidase, GPX-2)保護(hù)角質(zhì)形成細(xì)胞免受氧化應(yīng)激的傷害,此外,FoxO1可通過修復(fù)GADD45α提高對氧化應(yīng)激的抵抗力,促進(jìn)傷口再上皮化[32]。為了確定FoxO1在高血糖條件下的差異性,Zhang等[41]對糖尿病小鼠進(jìn)行了mRNA分析,證實FoxO1可以上調(diào)趨化因子配體20(C-C chemokine ligand 20, CCL20)、絲氨酸蛋白酶抑制劑家族成員B2(serine proteinase inhibitor B2, Serpin B2)和IL-36γ等基因,進(jìn)而抑制角質(zhì)形成細(xì)胞遷移,導(dǎo)致再上皮化減少,愈合延遲。

3.3FoxO與重塑期 皮膚創(chuàng)傷修復(fù)逐漸瘢痕化,與成纖維細(xì)胞的過度增殖和ECM的過度沉積密切相關(guān)[42]。修復(fù)過程中的膠原蛋白主要由成纖維細(xì)胞合成并修飾其形態(tài)[43]。通過表觀遺傳學(xué)篩選出與瘢痕相關(guān)的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn),調(diào)控CCNB1參與FoxO及p53信號通路和細(xì)胞周期等過程可探索瘢痕演變的發(fā)展機(jī)制[44-45]。TGF-β/Smad信號通路的持續(xù)激活是瘢痕形成的關(guān)鍵之一[46],而FoxO被TGF-β以非Smad依賴性途徑激活,促使CFs向CMFs轉(zhuǎn)化[47]。已有研究[48]表明,通過抑制β-catenin與T細(xì)胞因子(T cell factor, TCF)的結(jié)合可抑制TGF-β促纖維化作用。Jeon等[49]研究表明,局部應(yīng)用FoxO1抑制劑可增加膠原重塑、血管再生和肌成纖維細(xì)胞的增殖,明顯改善了2型糖尿病迷你豬模型中結(jié)締組織的愈合。

4 總結(jié)與展望

皮膚創(chuàng)傷與修復(fù)過程為瘢痕形成機(jī)制的研究提供了良好背景,FoxO作為創(chuàng)傷修復(fù)過程中重要的轉(zhuǎn)錄因子,通過調(diào)控多個轉(zhuǎn)錄靶點協(xié)調(diào)炎癥因子、血管再生、再上皮化和組織重塑等過程,直接影響瘢痕的發(fā)生與消退,故調(diào)控FoxO轉(zhuǎn)錄因子可能成為促進(jìn)創(chuàng)傷修復(fù)和預(yù)防瘢痕演變的潛在靶點,為未來瘢痕的防治提供新思路新方法。