叉头框蛋白O3a在神经退行性疾病中靶向研究进展

李莎 崔春爱

延边大学医学院解剖学教研室 （吉林延吉 133000）

神经退行性疾病（neurodegenerative disease，NDD）分为脑缺血（cerebral ischemia， CI）、脑损伤（brain injury， BI）、癫痫在内的急性神经退行性疾病和阿尔茨海默病（alzheimer′s disease， AD）、帕金森病（parkinson′s disease， PD）、亨廷顿病（huntington's disease， HD）及肌萎缩侧索硬化症（amyotrophic lateral sclerosis， ALS）在内的慢性退行性疾病，而后者与脑内特定蛋白异常引起错误折叠、聚集和大量沉积有关［1］。研究表明，兴奋性毒性、神经炎症、线粒体功能障碍和氧化应激是与许多神经退行性疾病相关的常见机制，急性氧化应激会激活AKT/Foxo3a 通路，增强FoxO3a 磷酸化，抑制其转录激活，导致细胞的氧化损伤［2］；同时，叉头框蛋白O3a（forkhead box protein O3a，FoxO3a）也可参与调控小胶质细胞极化表型，保护神经元，显示其抗炎作用［3］；FoxO3a 可以通过PI3K-AKT-FoxO3a、SIRT1-FoxO3a、AMPK-FoxO3a-MnSOD 等途径调节细胞分化和增殖、抑制细胞凋亡、调节氧化应激、调控自噬与线粒体功能［4-5］，其研究主要集中在癌症和肾损伤领域，在神经退行性疾病中的研究较少。本文将通过总结FoxO3a在神经退行性疾病中的相关通路，阐述其在神经退行性疾病的发生和发展中的作用机制，为神经退行性疾病的防治提供新靶点。

1 FoxO3a 的结构及调节概述

叉头框蛋白O（forkhead box protein O， FoxO）是于2000 年发现的Fox 转录因子家族中一员，由一个约110 个氨基酸的叉头框DNA 结合域、保守的核定位、输出序列的短的保守序列以及包括了反式激活结构域的无序的区域构成［6］，包括FoxO1、FoxO3a、FoxO4 和FoxO6，其中FoxO3a 作为其核心成员参与应激反应，与细胞的凋亡、自噬和炎症有关，能够影响人类的衰老与长寿，被称之为“长寿基因”［7-8］。FoxO3a 由一个刚性的“头”和一个灵活的“尾巴”构成，有多达75%的无序区域，包含了CR1、CR2、CR3 等保守区域，其中CR3 可能是作为FoxO3a 与DNA 结合时的转录激活因子或抑制因子，与共激活因子密切相关，FoxO3a 活性主要在基因的表达、翻译后修饰、与共调节因子的相互作用及亚细胞定位四个水平上进行调节［9］。

研究表明，FoxO3a 受Akt 磷酸化调节，有助于细胞质易位、增强转录活性、触发降解等；FoxO3a通过乙酰化调节，可促进细胞存活。研究［10］表明，FoxO3a 与PD 模型多巴胺神经元凋亡和存活以及AD 淀粉样蛋白斑块密切相关；此外，FoxO3 激活有利于胎儿大脑神经干细胞分化［11］。总之，FoxO3a作为一种有多种功能的调节因子，在神经退行性疾病的发生发展中发挥着重要作用。

2 FoxO3a 在神经退行性疾病中的功能

2.1 可抑制神经元凋亡神经元必须在生物体中存活以确保神经系统功能的正常运行。当应激源激活神经元中细胞内信号转导，导致神经元细胞凋亡，导致神经功能衰退，成为神经退行性疾病进展的基础［12］。FoxO3a 是PI3K/AKT 信号通路下游的重要转录因子，当AKT 途径被抑制时，去磷酸化的FoxO3a 大部分进入细胞核，调节不同的凋亡靶目标，导致细胞凋亡［13］。提取自肉豆蔻科高大乔木植物Myristica fragrans Houtt 的单体成份肉豆蔻木酚素可通过PI3K 介导的FoxO3a 信号通路，调控鼠性小胶质细胞的M1 型极化和海马神经元的凋亡［2，14］。ZHAO 等［15］学者体内外研究发现，锰（manganese， Mn）通过FoxO3a-Bim/PUMA 信号轴，调控FoxO3a 活化和乙酰化，诱导神经元凋亡，影响神经退行性疾病的发生与发展。此外，YI等［16］的研究表明，源自大豆肽（soybean peptides，SBP）的单肽SWGEDWGEIW 可以通过激活SIRT3/FoxO3a 信号通路，从而减少PC-12 细胞线粒体障碍和氧化应激介导的细胞凋亡。腺苷酸活化蛋白激酶 （amp-activated protein kinase， AMPK）是参与调控细胞能量代谢的关键激酶，通过激活AMPK/FoxO3a 通路，防止黑质纹状体神经元凋亡和缓解七氟烷介导的神经毒性［17］。以上实验结果均表明FoxO3a 介导的信号通路在神经元凋亡中发挥着重要的作用。

2.2 可抑制氧化应激大脑需氧量过大，极易因神经元氧化还原信号失衡，而引起活性氧（reactive oxygen species， ROS）的积累，导致氧化应激，而FoxO3a 可调控氧化应激诱导的神经毒性［18］，解救神经元。研究［19］表明，在氧化应激刺激下，激活的SIRT1 和SIRT3 与FoxO3a 转录因子相互作用，通过上调内源性抗氧化酶、调控细胞凋亡来降低ROS 水平；在高氧条件下，芝麻素和芝麻酚可以激活SIRT1-SIRT3-FoxO3a 的表达，减轻氧化应激引起的神经元损伤［20］。在中枢神经系统中，小胶质细胞是活性氧（reactive oxygen species， ROS）的主要来源，且小胶质细胞的慢性激活与衰老相关的神经退行性疾病有关［21］。研究［22］发现，SIRT3-FoxO3a信号轴可直接影响小胶质细胞ROS 的产生，从而表现抗氧化防御机制。

2.3 可调控神经元自噬自噬是降解真核细胞中受损细胞器和错误折叠蛋白质的必要过程，神经元可依赖自噬来维持体内平衡。突变和错误折叠的蛋白在细胞内、外的不当积累是神经退行性疾病最明显的标志，而自噬在其中发挥着关键作用［23］。研究［4］发现，七叶胆苷XVII（Gypenoside XVII， GP17）可通过SIRT1-FoxO3a/Hif1α-BNIP3 信号通路调控缺血缺氧诱导的的线粒体自噬，保护神经元；KCNQ1OT1 可通过FoxO3/ATG7 途径，调控脑缺血/再灌注诱导的神经元自噬［24］；在脑缺血再灌注研究［25］显示，黄芪的生物活性成分Calysoin（CA）可以通过STAT3/FoxO3a 途径抑制自噬减轻脑损伤。此外，AMPK-FoxO3a-SKP2-CARM1 信号通路可以调节运动预处理介导的转录因子EB（TFEB）激活，恢复自噬通量，从而保护细胞［26］。

2.4 可调控线粒体功能线粒体是维持神经元生长和突触功能的主要能量来源，支持神经系统的高能量消耗，线粒体功能障碍是中枢神经系统神经退行性疾病的一个关键特征［27］。临床研究发现，神经退行性疾病患者的大脑中存在线粒体自噬和线粒体功能障碍，很可能是神经退行性过程的基础。CHECLER 等［28］通过探讨早老素蛋白PSEN1 和PSEN2 对PINK1 的分子级联反应，发现FoxO3a 会触发PSEN1 对PINK1 转录和功能的调节；PARK2 能上调PSEN1 表达水平，同时，PINK1也能将PARK2 募集到受损的线粒体中，PARK2-PINK1 相互作用在病理条件下可能破坏的线粒体自噬过程。近期［29］研究认为SIRT3-FoxO3a-PGC1α轴是线粒体锰超氧化物歧化酶（Mn-superoxide dismutase， MnSOD）的关键调节因子，FoxO3a 可通过增加MnSOD 的表达起到神经保护作用，是重要的研究靶点。目前研究认为通过SIRT3/FoxO3a 介导的线粒体动态稳态和线粒体吞噬作用［30］，可以改善心肌缺血诱导的心衰，但在神经退行性疾病中的调控机制还需进一步研究。

3 FoxO3a 与神经退行性疾病

3.1 ADAD是一种无法治愈的神经退行性疾病，磷酸化的β-淀粉样蛋白（β-Amyloid protein， Aβ）和Tau 蛋白的积累、氧化应激和神经炎症是其致病因素。研究［31］表明，白藜芦醇（resveratrol， RES）可通过激活SIRT1/FoxO3a 促进神经元发育，保护神经元免受氧化应激的有害影响，减少海马神经元中Aβ 的聚集及其毒性；淀粉样前体蛋白（amyloid precursor protein，APP）是Aβ 的前体跨膜蛋白，而FoxO3a 作为APP 的下游效应因子，APP 的AICD片段通过启动FANCD2 信号通路，增强FoxO3a 在细胞核内的稳定性，认为FoxO3a 是反映APP 活性变化的早期转录因子［32］，并通过调控PI3K/AKT/FoxO3a 信号通路，改善AD 小鼠的神经炎症反应及认知障碍［33］。靶向调控FoxO3a 的表达，可影响蛋白磷酸酶Mg2+/Mn2+依赖性1F（protein phosphatase Mg2/Mn2 dependent 1F， PPM1F）的表达，其过表达会加速APP/PS1 转基因小鼠学习记忆缺陷及其病变进程［34］，以上结果表明FoxO3a 在AD 的早期诊断、治疗及发病机制研究中具有重要意义。

3.2 PDPD 是第二常见的神经退行性疾病，以脑组织黑质多巴胺能神经元的退化、纹状体多巴胺的减少及α-突触核蛋白的积累和聚集为主要特征，多见于老年患者，表现出运动迟缓、姿势步态异常、肌强直和静止性震颤等运动功能缺陷和认知功能缺陷［35-36］。实验表明，α-突触核蛋白的轻度过度表达（相对于内源性神经元水平增加200%）时，可通过激活SIRT1/FoxO3a 通路，上调SOD2 蛋白表达水平，从而参与细胞抗氧化防御的调节，减轻氧化应激引起的神经元损伤［37］。PALLABI 等［38］发现，miR-128 在PD 患者血浆外泌体中显著降低；而过表达的miR-128 可以通过下调FoxO3a 的靶标FasL 和PUMA 的表达，阻滞FoxO3a 的激活，最终达到抑制细胞凋亡的目的。此外，槲皮苷可增加FoxO3a磷酸化水平，激活PI3K/Akt/FoxO3a 信号通路，抑制PD 中的神经细胞凋亡［39］，起关键靶点作用。

3.3 FoxO3a 与脑缺血缺氧脑缺氧缺血（cerebral hypoxia ischemia， CHI）是大脑衰老以及中风、PD 和AD 等与年龄相关的神经系统疾病发生与发展的关键因素［37］，会表现出认知能力下降和神经功能障碍，且病死率高。大脑中动脉闭塞（middle cerebral artery occlusion， MCAO）小鼠研究表明，抑制FoxO3a 的表达并下调了Sirt1 的mRNA 和蛋白质的表达水平，而许多药用植物中所含有的岩白菜素（bergenin， BGN）通过上调Sirt1 和FoxO3a 表达，激活Sirt1/FoxO3a/NF-κB 信号通路，显示了其抗氧化及抗炎作用［40］；同时，SirT1/FoxO3a 信号通路和疏水性跨膜蛋白TSPO 与脑微血管内皮细胞保护作用相关［41］；此外，ZHOU 等［42］也证实，通过靶向miR-19a/b-3p/SirT1/FoxO3a/SPHK1 通路，可抑制缺血再灌注诱导的神经炎症，达到神经保护的目的。FoxO3a 的磷酸化会抑制CREBSer133残基的磷酸化，并诱导细胞生长相关基因的转录。Swell1是小胶质细胞容量调节阴离子通道的重要组成部分，Swell1 的开放会激活SGK1-FoxO3a/CREB，促进小胶质细胞存活和M2 样极化来防止缺血性脑损伤［43］。肉豆蔻提取物则通过哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin， mTOR）信号通路和FoxO3a 的Ser314 残基的磷酸化，调节细胞增殖，抵抗缺血缺氧诱导的脑组织损伤，并通过调控AKT/FoxO3a 信号途径，抑制慢性脑低灌注引起的脑损害，改善大鼠学习和记忆功能［12］。五加科刺五加提取物紫丁香苷（syringin， SYR）也通过促进FoxO3a 的磷酸化，抑制其核易位，从而抑制NFκB 的活性，最终达到减少脑缺血后的神经炎症，对脑缺血/再灌注损伤发挥保护作用［44］。

3.4 FoxO3a 与创伤性脑损伤创伤性脑损伤（traumatic brain injury， TBI）是外力引起的大脑功能和脑组织病理学变化，会导致神经炎症，诱发继发性脑损伤导致慢性神经退行性疾病［45］。研究［46］表明，在TBI 后脑组织中FoxO3a 表达水平与TBI严重程度、生存时间均有密切的相关性，表明FoxO3a 在神经元自噬和凋亡以及TBI 后神经元功能障碍中发挥着至关重要的作用。SUN 等［47］研究发现，创伤性脑损伤（traumatic brain injury， TBI）大鼠海马神经元自噬被激活，并引起FoxO3a 核易位，诱导FoxO3a 介导的神经元自噬，引发神经损伤；反之，敲低FoxO3a 可以抑制TBI 诱导的神经损伤，具有明显的的神经保护作用。

综上所述，随着对FoxO3a 研究的不断深入，FoxO3a 的功能越来越受到学者们的关注，对它的研究也不仅仅局限于癌症、肾脏疾病，在神经退行性疾病的诊治方面也显示出巨大潜力。异常表达的FoxO3a 通过多种相关信号通路调节神经元凋亡、自噬和线粒体功能，从而影响神经退行性疾病的发展，但神经退行性疾病的发病机制十分复杂。未来应对FoxO3a 能否作为神经退行性疾病早期诊断的标志物以及在神经退行性疾病发展各个阶段的具体作用做进一步的研究，为神经退行性疾病的发病机制提供新思路，为未来的治疗用药提供新希望。