李　近,楊亞軍,劉鈺瑜

(1.廣東醫(yī)學院藥理學教研室,2. 廣東天然藥物研究與開發(fā)重點實驗室，廣東 湛江　524023)

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FoxOs與骨質疏松

李近1，2,楊亞軍1，2,劉鈺瑜1，2

(1.廣東醫(yī)學院藥理學教研室,2. 廣東天然藥物研究與開發(fā)重點實驗室，廣東 湛江524023)

中國圖書分類號：R-05；R341；R681.02；R681.05；R977.6

摘要：FoxOs轉錄因子屬于叉頭框蛋白(forkhead proteins)家族中的一個亞類，主要參與細胞凋亡、DNA修復和清除活性氧自由基(ROS)過程。越來越多的證據(jù)表明，F(xiàn)oxOs介導的氧化應激能夠破壞骨代謝相關細胞的氧化還原平衡，進而影響骨質疏松發(fā)生和發(fā)展的進程。該文主要綜述FoxOs與骨質疏松的關系，為探討骨質疏松發(fā)病機制及防治策略研究提供參考。

關鍵詞：FoxOs；骨質疏松；氧化應激；活性氧自由基(ROS)；發(fā)病機制；防治策略

FoxOs轉錄因子屬于叉頭框蛋白(forkhead proteins)家族中的一個亞類，這一類轉錄因子的特點是被稱為叉頭盒的一個翼狀螺旋DNA結合域，是細胞對抗氧化損傷的主要防御機制之一[1]。

隨著人口的增長以及老齡化社會的到來，骨質疏松癥作為一種“悄無聲息的流行病”，被視為全球最嚴重的公共健康問題之一[2]。骨質疏松是一種以低骨量與骨微結構破壞、骨的脆性增加、骨折風險增強為特征的全身代謝性疾病，其發(fā)病機制較為復雜，受多種因素，并由多種基因參與調控，目前尚未完全闡明[3]。越來越多的證據(jù)表明，F(xiàn)oxOs是影響成骨細胞的氧化還原平衡和骨骼內環(huán)境穩(wěn)態(tài)的關鍵因素，而FoxOs介導的氧化應激在骨質疏松發(fā)生和發(fā)展過程中的重要作用已成為骨生物學家研究的熱點[4]。本文主要綜述FoxOs與骨質疏松的關系，為探討骨質疏松發(fā)病機制及防治策略研究提供參考。

1FoxOs在氧化應激過程中的防御作用

在哺乳動物中，F(xiàn)oxOs包括4個成員：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豐富；而FoxO3在多種組織中高度表達，尤其是腦、腎、心臟、肌肉和骨骼等組織；FoxO6主要存在腦組織[1]。早期研究證實了FoxOs轉錄因子在新桿線蟲和果蠅的壽命中的關鍵作用。采用轉基因小鼠進一步研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)oxOs可以減少與年齡相關的組織損傷。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對于防御細胞氧化應激發(fā)揮著至關重要的作用?，F(xiàn)已明確，F(xiàn)oxOs是參與介導細胞抗氧化應激活動的轉錄因子。FoxOs通過磷酸化和去乙?；刂破浼毎麅鹊亩ㄎ缓娃D錄活性，改變這種平衡即可影響FoxOs的生物效應[4]?；罨牡鞍准っ窧(protein kinase B,PKB或Akt)將FoxOs的Thr-23、Ser-253和Ser-315 3個位點磷酸化，在結構蛋白14-3-3的協(xié)同作用下，抑制其轉位入核或者滯留在胞質，最終影響FoxOs的轉錄活性[1]。少量的活性氧自由基(ROS)可促進FoxOs的去磷酸化和核易位，與壽命延長密切相關[6-8]。在應激狀態(tài)下，細胞內FoxOs轉位入核，在核激素受體CREB結合蛋白(CBP)和p300乙酰轉移酶的作用下發(fā)生乙酰化，乙?；?FoxO(Ac-FoxO) 在細胞核內積累，并與核小體結合，以屏蔽其轉錄調節(jié)活性[9]，而沉默信息調節(jié)因子1(SIRT1) 是FoxOs的另一種共激活劑[10]，可引起FoxOs在細胞核中去乙?；せ?FoxO 的轉錄調節(jié)活性[11]，調控參與氧化應激反應的抗氧化劑(MnSOD)、生長阻滯和DNA損傷修復基因(GADD45)、細胞周期調節(jié)蛋白(蛋白D1與D2、p27kip1等)和細胞凋亡基因(BIM和Fas配體)，從而調節(jié)氧化應激反應[4]。因此，F(xiàn)oxOs是機體內調控氧化應激的防御中心。

2FoxOs對成骨細胞的作用

采用FoxO3過表達或FoxO1被敲除的小鼠模型，現(xiàn)已初步闡明FoxOs在成骨細胞中的作用。小鼠在骨鈣素啟動子的控制下過表達FoxO3，表現(xiàn)出椎骨骨量增加，同時原癌基因shc編碼的蛋白(p66Shc)的磷酸化水平減少[12]。相反，F(xiàn)oxO3的缺失導致成骨細胞凋亡增加，成骨細胞數(shù)量和骨形成率以及骨量下降，結果提示FoxO3能夠減少氧化應激，并能夠促進成骨細胞的凋亡。同樣，當敲除FoxO1基因后，引起氧化應激增加，造成骨細胞數(shù)量和骨量減少，但不影響細胞凋亡[13]。FoxO1的缺失也促進谷胱甘肽(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。盡管成骨細胞FoxO1缺失的小鼠出現(xiàn)蛋白質合成和骨細胞數(shù)量減少，但仍表現(xiàn)出骨鈣素明顯增加，其分子機制可能是FoxO1直接結合到骨鈣基因啟動子并抑制骨鈣素表達，并與 Runx2結合并抑制其活性[14]。因此，F(xiàn)oxO1、FoxO3通過不同的表達形式和機制調控氧化應激，進而影響成骨細胞的增殖與凋亡。

3FoxOs對破骨細胞的影響

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

FoxOs也通過成骨細胞間接地影響破骨細胞。研究表明，小鼠成骨細胞特異性過表達FoxO3可引起破骨細胞的數(shù)量減少，而FoxO1基因缺失，從而引起破骨細胞的數(shù)量增加[12,14]，提示在成骨細胞中激活FoxOs通路可減少破骨細胞數(shù)量。此外，F(xiàn)oxOs可抑制經(jīng)典的Wnt信號通路，進而抵制Wnt下游靶蛋白骨保護素(OPG)的分泌，由于OPG與RANKL結合可競爭性地阻斷RANK與RANKL之間的相互作用，進而抑制破骨細胞的分化與成熟[21]。進一步研究發(fā)現(xiàn)，小鼠成骨細胞特異性FoxO1缺失，骨組織中OPG表達減弱，相反，成骨細胞中胰島素可通過阻止FoxO1對OPG表達的影響，從而促進骨吸收[22]。然而，小鼠成骨細胞中FoxO3過表達可能不影響OPG的表達，表明FoxO3調節(jié)破骨細胞的生成與OPG的表達無關。因此，在成骨細胞中FoxOs可以抑制破骨細胞形成。因此，F(xiàn)oxOs可能通過調控成骨細胞OPG表達和活性，間接地促進破骨細胞的活性與功能，但詳細機制尚需進一步研究。

4FoxO/Wnt信號通路對骨代謝的調控

眾所周知，經(jīng)典Wnt/β-catenin通路可通過促進T細胞因子(TCF)/淋巴增強因子(LEF)發(fā)揮轉錄活性，在成骨細胞生成、增殖和分化過程產(chǎn)生中發(fā)揮重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，β-catenin也是FoxO家族轉錄因子必需的一種共激活劑[23]。當機體處于氧化應激狀態(tài)時，F(xiàn)oxO誘導表達增加，與β-catenin結合后轉位入核，從而激活FoxO的轉錄活性，啟動調節(jié)細胞凋亡、DNA修復和清除ROS的轉錄程序，構建以FoxO為中心的抗氧化應激防線[23]。然而，骨組織在受到氧化刺激或機體衰老的影響時，氧化應激水平增加，在促進FoxO轉錄的過程中，Wnt/TCF介導的轉錄和成骨細胞祖細胞的增殖與分化受到抑制，從而導致骨形成減少，最終造成骨質疏松[23]。

5結語

最近，越來越多證據(jù)表明，F(xiàn)oxOs在骨骼動態(tài)平衡中發(fā)揮著重要作用。在成骨細胞譜系，F(xiàn)oxOs調控成骨細胞特異性基因(如骨鈣素)的表達和其它轉錄因子(如ATF4、Runx2和β-catenin)的功能，并通過直接或間接作用抑制破骨細胞的形成，通過調節(jié)骨形成和骨吸收的動態(tài)平衡影響骨組織的微結構和骨質量。因此，“氧化應激為中心”理論已成為目前人們研究骨質疏松的病理機制的焦點。由于FoxO信號網(wǎng)絡極其復雜，許多關鍵的細胞因子或蛋白參與或調控其下游涉及的信號通路，因此，有必要在未來的研究中探討 FoxO靶基因群，闡明FoxO信號通路對骨細胞生物學中重要轉錄因子的直接或間接調控作用，為深入研究骨質疏松的發(fā)病機制，從而尋找骨質疏松的防治策略提供依據(jù)。

目前，諸多研究者支持和證實了抗氧化劑在抗骨質疏松方面的療效。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、首烏等中藥及其復方、有效成分具有抗骨質疏松作用，作用機制很可能與影響FoxOs的轉錄活性有關。

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，能夠通過下調FoxO活性對抗氧化應激，同時也能通過上調Wnt信號通路促進成骨分化，具有防治氧化應激介導骨質疏松的潛力[24]。

總之，小分子抗氧化中藥和天然藥物的抗骨質疏松作用很可能與FoxOs的轉錄活性有關，通過進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，為從與FoxO相關的通路尋找和開發(fā)抗骨質疏松的新藥提供思路。

參考文獻

[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通路在氧化應激介導的骨質疏松中的調控機制[J].中國藥理學通報, 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

文獻標志碼：A

文章編號：1001-1978(2016)02-0169-03

doi:10.3969/j.issn.1001-1978.2016.02.005

作者簡介：李近(1988- )， 女，碩士生， 研究方向:骨質疏松的藥物防治， 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， 碩士生導師， 研究方向:骨質疏松的藥物防治， 通訊作者，Tel: 0759- 2388588，E-mail:liuyuyu77@163.com

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

收稿日期：2015-10-22，修回日期：2015-11-24

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