SIRT1-FoxO-自噬通路研究进展

徐 俊，黄秀兰

（中央民族大学中国少数民族传统医学国家民委－教育部重点实验室，北京 100081）

自噬是真核细胞内的蛋白质大分子、细胞器等在自噬溶酶体的作用下被降解的过程。生理情况下，自噬是细胞重塑、维持细胞内稳态的必要过程；而在炎症反应、氧化应激等病理情况下，细胞凋亡过程中伴有自噬过度激活，因此细胞内自噬活性的调控尤其重要［1－2］。FoxO（forkhead box-containing protein，O subfamily）转录因子是一类关键的自噬调控因子，以FoxO1、FoxO3的作用最为广泛。FoxO可通过激活细胞自噬活性，在心脏、血管、骨骼肌、肝脏、脑组织等多种器官或组织中，参与调节细胞增殖、代谢、存活等过程。FoxO的转录激活能力受其乙酰化/去乙酰化、磷酸化/去磷酸化过程的特异性调节［3］。沉默信息调节因子Sir2（silent information regulator 2）基因家族是一类NAD＋依赖型去乙酰化酶，作为其重要成员的SIRT1对FoxO的去乙酰化调节，在细胞自噬调控中具有重要作用，大量研究表明，SIRT1-FoxO-自噬通路对糖尿病、衰老、肥胖、肿瘤、心血管疾病等具有重要影响。本文将阐释FoxO的转录调控机制，进而综述SIRT1-FoxO通路调控自噬，对多种组织、器官中病理生理过程的调节。

1 FoxO的转录调节机制

FoxO1和FoxO3是叉头蛋白转录因子大家族（Foxes）O亚家族的重要成员，广泛表达于心脏、血管内皮、脂肪、肝脏、脑、骨骼肌等多种器官与组织。FoxO蛋白质结构可分为“叉头区”（FH）、核定位信号（NLS）、核输出信号（NES）、转录激活区（TA或TAD）。FoxO中的乙酰化位点、磷酸化位点等转录后修饰位点，对其DNA结合活性和亚细胞定位等具有重要影响。

1．1 FoxO的乙酰化/去乙酰化调节其转录活性CBP、p300等细胞核蛋白具有组蛋白乙酰转移酶（HAT）活性，可对FoxO蛋白结构中DNA结合区域的赖氨酸残基乙酰化，导致FoxO的转录激活能力降低。氧化应激时，FoxO被CBP、p300等乙酰化增多，乙酰化的FoxO（Ac-FoxO）在细胞核内积累，并与核小体结合，以屏蔽其转录调节活性［4］，而细胞核中的SIRT1可能通过对Ac-FoxO去乙酰化而激活FoxO的转录调节活性，这与β细胞中被CBP/p300乙酰化形成的Ac-FoxO可由SIRT1去乙酰化而激活的事实相符［5］。

1．2 FoxO的磷酸化/去磷酸化决定其亚细胞定位FoxO蛋白磷酸化调控其自身的亚细胞定位，磷酸化主要由蛋白激酶B（PKB或Akt）完成。当FoxO被PKB磷酸化后，FoxO与细胞核内的分子伴侣14-3-3蛋白质结合，通过FoxO蛋白质结构中核定位信号（NLS）的调节，将FoxO1输出到细胞质中，从而无法发挥其转录调节的功能。尽管14-3-3蛋白质大多存在于细胞质中，但与FoxO的结合主要发生在细胞核内［6］。FoxO定位于细胞核内，主要发生在氧化应激、遗传毒性应激等条件下，磷酸化的FoxO受到JNK、哺乳动物St20-样激酶的作用，去磷酸化而进入细胞核［5］，这表明氧化应激等条件下诱导的FoxO细胞核定位可能与JNK依赖的磷酸化过程和细胞质隔离14-3-3蛋白质有关。

1．3 FoxO的乙酰化/去乙酰化、磷酸化/去磷酸化过程的相互调节FoxO蛋白乙酰化/去乙酰化、磷酸化/去磷酸化分别调控其转录活性和亚细胞定位，同时具有相互调节的作用。有文献报道，Sir2激活可使FoxO蛋白叉头区域的带正电的赖氨酸发生去乙酰化，减弱FoxO对靶DNA的结合作用，降低靶DNA的转录活性，同时，PKB对FoxO的磷酸化作用可使FoxO对Sir2的去乙酰化作用更加敏感，可见FoxO的乙酰化/去乙酰化、磷酸化/去磷酸化过程起到相互调节的作用［7］。

2 SIRT1-FoxO-自噬通路对疾病的影响

自噬被抑制后导致变性蛋白质和失能细胞器等清除延迟及异常蓄积，可能诱发糖尿病、衰老、肥胖、肿瘤、心血管疾病等多种代谢性疾病［2］。SIRT1对FoxO的去乙酰化调节作用，对自噬水平的调节具有重要意义。研究发现，SIRT1-FoxO-自噬通路对糖尿病、肥胖、肿瘤、心血管疾病、衰老等病理生理过程，具有重要调控作用。

2．1 SIRT1-FoxO-自噬通路对糖尿病的影响自噬相关基因vps34、Atg12和Gabarapl1的表达影响自噬程度，SIRT1-FoxO可通过调节自噬相关基因的表达水平，对糖尿病产生影响。在胰岛素抵抗或高胰岛素血症的小鼠肝脏中，自噬相关基因vps34、Atg12和Gabarapl1的表达水平较低，而使用链脲霉素诱导胰岛素缺乏时，表达水平提高。由于这3种自噬相关基因的表达依赖于FoxO1转录因子，表明胰岛素可能通过抑制FoxO1的表达抑制自噬。进一步研究表明，胰岛素可能是通过诱导mTOR，经Akt/S6K通路调节FoxO1活性抑制自噬［2］。水飞蓟素可翻转链脲霉素诱导的SIRT1表达降低的现象，通过促进SIRT1的表达，进而调控自噬，修复受损胰岛β细胞，表明自噬参与调节胰岛β细胞量缺失和代谢紊乱［8］。持续性高血糖时，大鼠胰腺肿瘤β（INS-1）细胞的Ac-FoxO与SIRT1结合率较高，而使用SIRT1抑制剂时，可提高该条件下INS-1细胞凋亡。SIRT1-FoxO通路对高糖条件下INS-1细胞存活的调控作用，与SIRT1-FoxO通过调控自噬调节细胞存活相一致［9］。

2．2 SIRT1-FoxO-自噬通路对衰老的影响氧化应激、炎症反应是导致衰老的重要因素，SIRT1-FoxO-自噬通路通过调节氧化应激和炎症反应，参与对衰老的调节，该过程与调节AMPK信号有关。在内皮细胞（ECs）中，采用化学诱导增强SIRT1活性或敲除p300，可逆转高糖条件下FoxO1的DNA结合能力减弱、抗氧化靶基因表达降低的状况，表明高血糖症促进衰老的过程与下调SIRT1，并通过p300、FoxO1有关通路减少线粒体抗氧化酶有关［10］。当p300乙酰化并激活PPAR-γ时，PPAR-γ可与SIRT1的促进剂相结合，减少SIRT1表达［11］；同时，p300对FoxO1乙酰化有助于FoxO1被Akt磷酸化，并从细胞核内随14-3-3蛋白质一起输出至细胞质［12］。此外，AMPK诱导激活 FoxO/DAF-16、Nrf2/SKN-1和SIRT信号通路，可促进细胞抵抗应激，且AMPK可通过抑制NF-κB信号抑制炎症反应［13］。ROS可直接或间接的降低SIRT1的酶活性，而SIRT1能够通过FoxO途径，刺激抗氧化物的表达，同时 SIRT1活性降低能够增强 NF-κB信号。SIRT1和ROS的信号串扰，可引起自噬信号的降低、并减少炎症反应的发生［14］。

2．3 SIRT1-FoxO-自噬通路对肥胖的影响PPAR-γ是脂肪组织中表达水平较高的转录因子，在脂质分化、代谢过程中具有重要作用，SIRT1-FoxO-自噬通路对肥胖的影响与调节PPAR-γ有关。FoxO1与PPAR-γ结合并抑制其转录活性，而FoxO1去乙酰化是抑制FoxO1与PPAR-γ结合的关键步骤。在3T3-L1脂肪细胞中，石榴酸可明显下调PPAR-γ蛋白水平，上调 SIRT1，激活 AMPK信号，同时促进 Akt对FOXO1和FOXO3a的磷酸化作用，表明石榴酸抑制脂肪细胞分化和脂质积累可能与调节PPAR-γ水平、SIRT1乙酰化作用及FOXO1和FOXO3a磷酸化水平有关［15］。在脂肪组织的形成过程中，SIRT2可能具有与SIRT1相似的功能。3T3-L1脂肪细胞中SIRT2表达可促进脂质分解、抑制脂质生成，该过程是通过调节FoxO1的乙酰化/去乙酰化过程完成的。SIRT2表达可升高FoxO1的去乙酰化水平，促进FoxO1与PPAR-γ的结合，抑制PPAR-γ的转录活性，进而抑制脂质生成。提示SIRT2可通过调控FoxO1乙酰化水平，抑制 PPAR-γ，参与调控脂肪生成［16］。

2．4 SIRT1-FoxO-自噬通路对肿瘤的影响SIRT1-FoxO-自噬通路对肿瘤具有重要调控作用。SIRT1参与肿瘤的发生发展和肿瘤的化学治疗作用的双向过程，尤其在抗药性肿瘤中，SIRT1明显过表达，且与调节FoxO3a相关。化学治疗时，SIRT1可去乙酰化FoxO3a，调节相关基因表达，抑制肿瘤细胞增殖，促进肿瘤细胞死亡［17］。而通过自噬通路抑制肿瘤细胞活性，FoxO具有不可或缺的重要作用。氧化应激时，FoxO1被激活，FoxO1与Atg7、E1样蛋白结合能力升高，影响肿瘤细胞自噬［18］。非折叠蛋白反应（UPR）转录因子XBP-1u可促进FoxO1降解，对肿瘤细胞的自噬产生调控作用。细胞外蛋白激酶ERK1/2对XBP-1u蛋白Ser61和Ser176磷酸化，可提高XBP-1u和FoxO1的相互反应能力，增加20S蛋白酶体对FoxO1的降解。敲除XBP-1u可使FoxO1维持较高水平，持续激活自噬，降低肿瘤细胞活力，表明肿瘤细胞中XBP-1u抑制自噬活性与FoxO1密切相关［19－20］。此外，丝/苏氨酸激酶LKB1作为一个关键的肿瘤抑制因子，可通过自噬通路，下调mTOR活性，抑制肿瘤发生，而LKB1可能同时受到SIRT1-FoxO-自噬通路的调节。敲除FoxO3基因，抑制FoxO3表达，可明显降低LKB1活性，减少AMPK磷酸化，表明FoxO3参与肿瘤抑制因子LKB1的转录调节过程［21］。

2．5 SIRT1-FoxO-自噬通路对亨廷顿病的影响亨廷顿蛋白（Htt）氨基末端第17位氨基酸残基产生突变时，CAG过度重复编码形成的多聚谷氨酰胺（Poly Q），是引起亨廷顿病的重要原因。自噬水平升高，可增加对突变亨廷顿蛋白（mHtt）的清除，减轻mHtt的细胞毒性，改善亨廷顿病病情。在神经元中，XBP-1缺失可诱导FoxO1表达，增强自噬，清除mHtt［22］。SIRT1过表达，可降低 Poly Q毒性扩散对新杆状线虫神经元的损伤，该过程需要FoxO及其伴侣β-连环蛋白的参与。敲除小鼠β-连环蛋白基因后，亨廷顿蛋白发生突变的纹状体细胞更容易死亡，而SIRT1过表达可逆转此现象，表明β-连环蛋白、SIRT1-FoxO可能对神经元具有保护作用［23］。人成神经细胞瘤SH-SY5Y细胞经抗肿瘤试剂β-拉帕醌（β-lapachone）处理后，SIRT1活性明显提高，FoxO1核转位增加，自噬水平明显升高，使mHtt的细胞毒性明显降低，自噬抑制剂3-甲基腺嘌呤（3MA）可抑制该过程，表明提高SIRT1活性，减少poly Q蛋白聚合物并降低其细胞毒性的过程，是在FoxO1的参与下，调节自噬水平完成的［24］。

2．6 SIRT1-FoxO-自噬通路对心血管疾病的影响错误折叠、丧失功能的蛋白质和破损、衰老的细胞器（如线粒体、内质网等）是引起心肌肥大、缺血性心肌病、动脉粥样硬化等多种心血管疾病的重要病理生理机制，自噬在维持心肌结构和功能方面具有重要作用。葡萄糖剥夺可减小大鼠乳鼠心肌细胞体积、诱导自噬相关基因LC3、Gabarapl1和Atg12的表达，FoxO1、FoxO3转位于细胞核内，并与Gabarapl1和Atg12的启动子序列相结合增多。进一步研究发现，饥饿或缺血/再灌注（I/R）在诱导大鼠自噬时，FoxO1磷酸化水平同时升高，细胞核内FoxO1的转录活性增加，表明FoxO1可能通过调节自噬发挥调控心肌细胞大小的作用［25］。缺血或营养剥夺可通过SIRT1-FoxO激活自噬，以维持心脏功能，而在缺血后再灌注过程中，自噬相关蛋白Beclin1水平大幅上调，导致过度自噬，引起心肌细胞死亡［26］。GTP结合蛋白Rab7在自噬体与内含体/溶酶体的融合过程中具有重要作用。葡萄糖缺乏时，SIRT1对FoxO1的去乙酰化增强，提高Rab7的表达，在介导自噬中也具有一定作用，表明 SIRT1诱导的FoxO1去乙酰化和Rab7上调，可能在介导饥饿条件下心肌细胞自噬过程中具有重要功能［27］。

2．7 SIRT1-FoxO-自噬通路对肌肉萎缩的影响SIRT1-FoxO对Ⅱ型骨骼肌萎缩的影响，可能与降低自噬活性，减少骨骼肌细胞损失有关。尽管在肝脏、心脏等多种组织、器官中已证实，营养剥夺可提高SIRT1活性，进而去乙酰化并激活FoxO，通过增强自噬，清除毒性蛋白质、功能失调的细胞器甚至细胞，维持细胞内稳态、调节细胞数量。但有趣的是，对成年雄性CD1小鼠营养剥夺后，Ⅱ型骨骼肌胫骨前肌中SIRT1水平明显降低，肌肉迅速萎缩；而在正常肌肉中，SIRT1过表达则可通过抑制FoxO1和FoxO3表达，减轻肌肉萎缩，甚至导致肌肉肥大，该过程与阻断肌肉泛素连接酶atrogin1、MuRF1及多种自噬相关基因Atg的激活，降低蛋白水解反应有关［28］。在II型骨骼肌中发现的这一现象与其他组织、器官的情况截然相反，提示在不同组织、器官中或不同疾病的病理生理过程中，SIRT1-FoxO-自噬通路可能具有不同的功能。

3 展望

SIRT1-FoxO-自噬通路广泛存在与肝脏、脂肪、脑、心脏等多种组织、器官中，可能为糖尿病、肥胖、神经退行性疾病、心血管疾病等多种疾病提供新的防治策略。目前研究发现，SIRT1可通过两种途径调节自噬：一是通过去乙酰化自噬相关基因Atg5、Atg7和Atg8的表达产物，直接影响自噬；二是细胞核内的SIRT1通过激活FoxO诱导自噬。FoxO影响自噬是一个复杂的过程，如乙酰化的FoxO1还可在细胞质内与Atg7相结合调节自噬，而SIRT1-FoxO-自噬的过程与细胞质内FoxO1调节自噬的过程有所区别，因为自噬条件下，FoxO和SIRT1可能同时受到JNK介导的应激信号的调控［29］。SIRT1-FoxO-自噬通路在II型骨骼肌中的作用可能有所不同。

除SIRT1外，Sir2基因家族其他成员可能对FoxO及其下游的自噬信号具有调控作用。氧化应激时，SIRT2可使FoxO1去乙酰化，并促进FoxO1与Atg7、E1样蛋白结合，增加肿瘤细胞自噬［19］。在心血管系统中，SIRT1、SIRT3、SIRT7均有表达，分别定位于细胞核、线粒体、核仁，但对FoxO-自噬通路的调节作用主要与SIRT1有关［30］，表明Sir2基因家族对FoxO-自噬信号存在复杂的调节作用。

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