Foxc2对骨和脂肪组织的调节作用研究进展

潘虹旭

上海市嘉定区中心医院 口腔科，上海 201800

Foxc2 (forkhead box C2, Foxc2) / Mfh1是Forkhead转录因子家族中的一员，定位于人类染色体16q24.1区域。编码Foxc2的基因仅包含一个外显子，无内含子，在人和小鼠间高度保守。Foxc2蛋白在发育中的鳃弓，鼻突，心脏等部位中均有表达， Foxc2基因敲除小鼠多在胚胎时期死亡，少量出生的小鼠常伴有腭裂，颅颌面骨骼及椎骨异常等畸形[1, 2]。颅颌面骨组织的发育涉及到颅神经嵴细胞的迁移、定位、增殖、定向分化等一系列过程，其中还有BMP、TGF、Wnt等多个信号通路的参与，构成了复杂的生物调控网络。关键基因表达异常、转录因子活性改变、信号通路异常激活等因素均可影响颅颌面骨组织形成的调控网络，导致表型各异的颅颌面畸形。除了调节骨组织形成，Foxc2在脂肪细胞内亦有表达，脂肪组织通过调控Foxc2的表达控制白色和棕色脂肪组织间的相互转化，影响机体能量代谢[3]。

1 Foxc2的诱导骨形成作用

骨形成是一个由多基因调控，受多因素影响的复杂过程，小鼠的膜内成骨及软骨内成骨过程最早始于13.5天的胚胎，成骨区域细胞内有成骨分化基因Runx2和OSX的表达[4-6]。骨形成涉及到BMP-smad，Wnt-β/catenin，Ihh等多个通路的参与，Foxc2蛋白在不同调节通路中发挥着不同程度的作用。以往研究证实，Foxc2突变小鼠可产生颅颌面及中轴骨异常，付使用原位杂交技术检测小鼠胚胎发现，Foxc2在鼠胚胎头区的间充质细胞中广泛表达，并且表达具有一定的时间特异性和组织特异性。Foxc2突变小鼠主要表现为衍生于第一鳃弓骨组织的骨化中心缺乏，软骨机能不全，脊柱发育不良。付认为Foxc2可能是受SHH信号通路调控的下游蛋白，Foxc2蛋白表达异常导致间充质细胞的骨向分化受阻，颅颌面及中轴骨发育障碍[2,7]。Yang使用BMP-2刺激C2C12细胞发现细胞内Foxc2 mRNA含量及蛋白表达升高，抑制Foxc2表达后BMP-2的诱导细胞骨向分化能力明显下降[8]。Foxc2在小鼠肌卫星细胞分化早期表达，随着细胞成肌向分化后表达量逐渐下降，下调未分化的C2C12细胞内Foxc2表达导致细胞增殖能力减弱，诱导细胞持续性表达Foxc2则导致C2C12细胞向成骨方向转化[9]。PTH和BMP-2均可诱导Foxc2的表达并且呈剂量依赖关系，通过siRNA抑制Foxc2表达后，小鼠颅骨细胞及MC3T3-E1细胞增殖及分化能力减弱，死亡细胞数量增多；而当在细胞内过表达Foxc2后，细胞内整合素-β1表达上调，细胞成骨分化增强[10]。除了参与BMP通路，Foxc2还可通过Wnt-β/catenin通路调节骨形成。Foxc2质粒转染细胞并过表达后，间充质细胞及前成骨细胞不仅成骨分化标志物表达上调，细胞内β-catenin含量亦增加，T细胞因子/淋巴增强因子(T Cell Factor/LymphoId Enhancer Factor, TCF/LEF)转录活性增强。值得指出的是，该实验中验证性阻断Foxc2诱导激活的Wnt-β/catenin通路时使用的是蛋白激酶A(Protein Kinase A, PKA)抑制剂H-89，对此Kim的解释是cAMP/PKA通路和Wnt-β/catenin通路存在相互激活作用[11]。对此笔者认为，尽管已有相关文献支持cAMP/PKA通路和Wnt-β/catenin通路的相互作用，但Foxc2在这两条通路中究竟扮演着怎样的角色值得进一步的研究。过表达Foxc2促进骨髓间充质干细胞(Bone Marrow Mesenchymal Stem Cells, BMSCs)表达Col I，OCN，OPN，而使用Wnt-β/catenin通路抑制剂XAV939将该效应阻断，这一证据直接证明了Foxc2可激活Wnt-β/catenin通路[12]。有意思的是，Foxc2并不直接刺激β/catenin的表达，而是通过增强β/catenin的稳定性，抑制其降解并在细胞内富集进而激活Wnt-β/catenin通路[11, 12]。近来有报道柚皮苷的诱导成骨作用，柚皮苷通过激活IHH信号通路上调Foxc2表达从而促进BMSC成骨分化，鉴于柚皮苷来源广泛，可直接从植物骨碎补中提取这一优势，该化合物在后续研究中可能具有比较重要的临床价值[13]。

2 Foxc2对脂肪组织的调节

骨髓是位于长骨髓腔及松质骨内的一种海绵状组织，根据其有无造血能力分为红骨髓和黄骨髓，黄骨髓内含有较多的脂肪细胞，无造血能力。随着年龄的增长，人体代谢水平发生改变，脂肪细胞增多，黄骨髓含量升高。以往研究表明，Foxc2在诱导间充质组织成骨分化的同时，对脂肪组织的生成同样具有一定的调节作用， Foxc2可下调PPARγ，C/EBPα，FABP4/aP2，脂连素等成脂相关蛋白的表达，抑制间充质组织成脂分化[12-14]。高热量饮食和胰岛素分泌可促进脂肪细胞表达Foxc2，上调的Foxc2具有拮抗肥胖症，高血脂及胰岛素抵抗的能力，这一作用在Foxc2过表达小鼠模型中得到验证[15]。Gan证实高脂诱导Foxc2表达后脂肪前体细胞内Akt/mTORC1和ERK/mTORC1信号通路激活，细胞凋亡受抑制，细胞周期蛋白E表达增加，细胞增殖水平升高，但是细胞的分化同样被抑制，脂肪前体细胞无法进一步分化为成熟的脂肪细胞[16]。然而当延长高脂饮食时间后，Foxc2的表达水平则呈现相反的变化:长期高血脂可导致白色脂肪组织(White Adipose Tissue，WAT)内FABP4/aP2，DIO2，Foxc2等一系列与机体能量代谢和骨形成相关基因的表达水平下调，成骨及破骨细胞活性减弱，骨代谢水平降低，小鼠表现为肥胖，葡萄糖耐受不良，骨质下降，能量代谢紊乱等异常改变[17, 18]。WAT内表达的早期生长反应因子1(Early Growth Response-1, Egr-1)可能与高脂饮食诱导的肥胖症及胰岛素抵抗密切相关：高脂饮食饲养12周后小鼠WAT内Egr-1 mRNA即出现升高，而在Egr-1敲除小鼠WAT内Foxc2表达水平较对照组明显上调，Foxc2下游基因表达亦相应增强，WAT呈现以能量消耗为主的状态[19]。UCP1是棕色脂肪组织(Brown Adipose Tissue, BAT)的特异性标志物，实验中高脂饮食诱导的Egr-1敲除小鼠WAT内UCP1表达水平较正常组高，研究表明Foxc2过表达可促进脂肪细胞表达UCP1，因此缺乏Egr-1的WAT可能通过上调Foxc2表达获得了BAT的部分表型特征[15, 19]。随着WAT不断向BAT转化，Foxc2激活脂肪组织分解，机体能量代谢水平发生相应改变。

3 小结

Foxc2具有诱导间充质组织成骨分化的能力并在颅颌面骨及中轴骨的发育中发挥着重要的调控作用。随着研究的不断深入，Foxc2调控骨形成过程的机制正在逐渐揭开，后续系统性的研究将给颅颌面骨组织发育异常的病因探索提供参考，同时相关促成骨机制研究也将为颅颌面骨缺损的临床治疗提供指导。另外，Foxc2蛋白具有调控脂肪组织转化的能力，通过上调BAT相关表型促进WAT的转化，提高机体能量消耗，有效减少机体脂肪。Foxc2的这一特点将为肥胖症，高脂血症，2型糖尿病等疾病的治疗提供新的思路[20]。