叉头框蛋白O与急性心肌梗死的研究进展

李颖 王先梅

[摘 要] 叉头框蛋白O的生物学效应复杂，与心脏、血管疾病的发生发展密切相关。急性心肌梗死是冠状动脉急性、持续性缺血缺氧所引起的心肌坏死。传统危险因素主要有高血压、糖尿病、血脂异常，病变基础是动脉粥样硬化，缺血/再灌注损伤造成了急性心肌梗死患者血管开通后的二次重创。研究表明，FoxO与急性心肌梗死相关的这些因素关系密切，现围绕其研究进行综述。

[关键词] 叉头框蛋白O;急性心肌梗死;转录

中图分类号：R541.4

文献标识码：A文章编号：1009-816X（2019）02-0164-04

doi：10.3969/j.issn.1009-816x.2019.02.019

急性心肌梗死（acute myocardial infarction，AMI）多发生在冠状动脉粥样硬化狭窄基础上，由于激动、暴饮暴食、寒冷刺激、便秘、吸烟、大量饮酒等诱因致使冠状动脉粥样斑块破裂，血小板聚集在破裂的斑块表面，形成血栓，突然阻塞冠状动脉管腔，導致心肌缺血坏死。近年来我国AMI的发病率呈明显上升趋势，每年新发人数至少50万，现患人数至少200万。因此，研究预防、治疗AMI的新路径、新药物成为关注的重点。FoxO（forkhead box subtype O）是叉头框蛋白家族的一个重要亚群，受磷酸化、乙酰化、糖基化及泛素化等转录后修饰。平滑肌细胞、内皮细胞、心肌细胞的相关因子和氧化应激等均可调节FoxO的表达，从而影响细胞代谢、凋亡及自噬，参与血管生成、糖脂代谢及压力抵抗等过程。随着对FoxO研究逐步深入，其可能为预防AMI、减少梗死面积提供新的靶点。

1 FoxO的分子结构及功能叉头框蛋白（forkhead box protein，FOX）首次由Weigel等[1]在研究果蝇的异常突变体基因时发现，含有19个亚家族成员，分别以A至S命名。FoxO是叉头框蛋白家族中研究最为广泛的一个亚群，此亚群约由100个氨基酸组成的保守DNA结合结构域，包含3个α螺旋、2个翅膀状的大环结构[1，2]。生物进化过程中，脊椎动物叉头基因的数量明显多于无脊椎动物，后者只有一个FoxO基因，而前者含有四个FoxO基因：FoxO1（FKHR），FoxO3a（FKHRL1），FoxO4（AFX），FoxO6[3]。FoxO在组织器官中的表达具有时间差异性和空间差异性，研究表明，FoxO1在脂肪组织中高度表达，在糖脂代谢过程发挥重要作用;FoxO4、FoxO3a分别在肌肉及肝脏组织中高表达，对维持心脏、血管功能至关重要;而FoxO6主要表达于脑组织[4]。磷酸化、乙酰化、糖基化和泛素化等转录后修饰是FoxO活性调控的主要方式。FoxO与蛋白质结合作为转录刺激因子，启动下游基因的转录，调节多条信号转导通路，促进DNA修复、细胞代谢、细胞凋亡，阻滞自噬过程，参与氧化应激状态、血管生成，调节糖脂代谢及压力抵抗，抑制肿瘤的复发，减缓器官的衰老、维持长寿等[3，5]。炎症、缺血缺氧和代谢异常等病理状态是导致心血管疾病的原因。高血压、糖尿病、血脂异常是AMI的传统危险因素，冠状动脉粥样硬化是AMI发病的基础，缺血再灌注损伤（I/R）是AMI血运重建后造成心脏血管遭受二次损伤的重要因素，从而影响AMI的预后，FoxO转录因子与以上过程密切相关[5]。

2 FoxO与AMI的传统危险因素

2.1 FoxO与高血压：高血压主要表现为外周阻力血管张力的持续升高，导致血管舒缩功能减弱。血管舒缩功能主要取决于血管平滑肌细胞（vascular smooth muscle cell，VSMC），正常机体的VSMC呈收缩表型，具有良好的收缩功能，高血压时VSMC收缩表型向合成表型转化，造成VSMC增生、肥大、向内膜下迁移，使血管腔变窄、管壁增厚、外周阻力增高。因此，高血压是一种以血管平滑肌细胞增生为主要病变的疾病。FoxO1是VSMC增殖的关键调控因子，Gu等[6]在高血压条件下，异常张应变与VSMC增殖的研究中发现，高血压大鼠张应变的加载可促进FoxO1磷酸化，使胸主动脉VSMC中FoxO1表达增加，导致VSMC增殖，管壁增厚、管腔狭窄;反之，干扰RNA（siRNA）干扰FoxO1表达，VSMC增殖减少，外周阻力降低，张应变承载减少，高血压进展减慢。在高脂饮食诱导的雄性自发性高血压大鼠中，过氧化物酶体增殖剂激活受体α（PPARα）激动剂或抗氧化剂可通过PPARα-FoxO3a-PGC-1α途径激活PPARα，使下游信号FoxO3a和辅助激活因子-1α（PGC-1α）表达增加，可降低大鼠收缩压，提示FoxO3a可能是高血压疾病的保护性因子[7]。根据Laplaces定律，主动脉壁的张力与血压和主动脉腔半径成正比，因此高血压和增大的主动脉半径促进了主动脉的扩张，导致动脉硬化的发生，血管壁变薄、弹性降低，血压进一步升高。研究发现，FoxO4与主动脉瘤发生密切相关，在血管紧张素II诱导的动脉瘤模型中，X盒结合蛋白1（XBP1）缺陷可诱导VSMC从收缩表型转换为促炎表型和蛋白水解表型，增强血管炎症并且显著加重小鼠的胸主动脉瘤和腹主动脉瘤形成。机制研究表明，XBP1u在细胞质中与FoxO4的N端呈相互结合状态，阻断XBP1u-FoxO4相互作用促进FoxO4的核易位，阻遏平滑肌细胞标记基因表达，促进促炎症和蛋白水解表型转换并刺激主动脉瘤形成。平滑肌细胞中的XBP1缺失可引起VSMC去分化，增强的血管炎症并显著加重小鼠的胸主动脉瘤和腹主动脉瘤，VSMC中的XBP1缺陷可引起VSMC去分化，增强血管炎症反应，加重血管病变[8]。

2.2 FoxO与糖尿病、血脂异常：糖尿病、血脂异常引起冠状动脉粥样硬化导致AMI，通常糖尿病患者多伴有脂质和葡萄糖代谢失调，FoxO参与了胰岛素样信号途径及血脂代谢异常途径;FoxO1、FoxO3a、FoxO4、FoxO6在糖尿病、血脂异常的调节方面均发挥了重要的作用。在编码纯合子小鼠的胰岛功能区植入脱乙酰FoxO1的等位基因，FoxO1脱乙酰化，使核易位，能增强胰岛β细胞代谢，加强胰岛素分泌，同时还降低脂肪酸氧化，使血脂代谢异常;在高脂饮食诱导的糖尿病小鼠中，经胰岛素调节的FoxO1转录因子可抑制编码胆固醇7-羟化酶基因的转录，从而抑制胆汁酸的合成，致高胆固醇血症的发生[9，10]。FoxO1脱乙酰化可减少糖尿病合并心肌梗死（myocardial infarction，MI）小鼠的梗死面积，FoxO1的翻译后调节有助于缺血后心力衰竭的心脏重塑，具体机制不明[11]。在研究治疗糖尿病的药物时，发现FoxO1介导糖异生，如二甲双胍和丙戊酸（VPA）治疗糖尿病大鼠时，两种药物都能通过胰岛素信号传导途径，降低脂肪组织和肝脏中的血浆葡萄糖，降低胰岛素抗性，但是VPA能通过FoxO1的介导，抑制糖异生和胰高血糖素表达，具体机制有待研究[12]。用链脲佐菌素（STZ）诱导沉默信息调节因子3（Sirt3）敲除的糖尿病小鼠，由Sirt3-FoxO3a-Parkin信号传导通路介导，Sirt3敲除使FoxO3a脱乙酰化，降低Parkin的表达，使间质纤维化、心肌细胞凋亡、线粒体损伤、线粒体自噬受抑制，致心脏功能受损。高葡萄糖降低细胞活力，阻止丝氨酸-苏氨酸激酶（Akt）和FoxO3a磷酸化，抑制FoxO3a的细胞质易位。研究显示，白藜芦醇通过PI3K/Akt/FoxO3a通路抑制糖尿病心肌病大鼠的细胞凋亡从而改善心脏功能障碍[13，14]。

FoxO4能抑制胆固醇的生物合成，增强葡萄糖的基础摄取和甘油三酯的沉积，在FoxO4过度表达的小鼠中能快速清除摄入的葡萄糖。在鼠类糖尿病足细胞暴露于晚期糖基化终产物-牛血清白蛋白（AGE-BSA）时，凋亡效应蛋白Bim/Bcl2l11的表达与FoxO4的激活密切，AGE-BSA诱导乙酰肝素酶表达使FoxO4乙酰化后激活，促进VSMC迁移，抑制VSMC分化，加重糖尿病性血管损伤病变[15]。胰岛素抵抗时FoxO6磷酸化能促进胰岛素活性，降低胰岛素抵抗，从而能降低2型糖尿病小鼠的空腹高血糖[16]。

3 FoxO与动脉粥样硬化

动脉粥样硬化（atherosclerosis，AS）形成早期，吸烟、高血压、高血糖、氧化型低密度脂蛋白（ox-LDL）、感染等引起内皮细胞损伤，单核细胞及淋巴细胞表面特性发生变化，粘附因子表达增加，粘附在内皮细胞上，进入内膜下成为巨噬细胞，巨噬细胞能合成分泌多种生长因子和促炎介质，促进斑块生长及炎症反应，AS斑块扩大破裂后，血栓调节蛋白的表达减少，促进了血小板的活化，凝血和血栓阻塞冠状动脉导致AMI的发生[17]。

在研究抗AS药物时发现FoxO1、FoxO3a对AS的内皮细胞损伤具有保护作用，FoxO3a脱乙酰化参与金雀异黄素对抗ox-LDL诱导的人脐静脉内皮细胞氧化损伤;Elatoside C能增加FoxO1表达水平，诱导自噬，减弱了ox-LDL诱导的人脐静脉内皮细胞氧化损伤[18，19]。内源性FoxO3a的激活诱导了基质金属蛋白酶13和基质金属蛋白酶2的表达，促进细胞外基质（ECM）降解，引起VSMC凋亡，加速AS[20]。脂多糖诱导FoxO6磷酸化，FoxO6活性降低通过Akt和Pak1途径使NF-κB活化，促进炎症反应的发生，FoxO6在促炎症条件下维持细胞的稳态，可抗AS[21]。由此可见FoxO3a、FoxO6参与了AS的炎症反应，但具体分子作用机制还需深入研究。

4 FoxO与缺血再灌注损伤

众所周知，治疗AMI，降低AMI死亡率最有效的措施是开通梗死相关冠状动脉，完成血运重建。I/R损伤造成了AMI患者心脏、血管的二次伤害，可导致恶性心律失常、急性心力衰竭等加重病情，提高AMI患者的死亡率。活性氧的形成和氧化应激反应是心肌细胞I/R损伤、功能障碍的关键机制，FoxO在多种细胞类型中是氧化应激耐受的关键介质。在AMI的I/R损伤中，FoxO参与抗氧化应激过程，氧化应激条件下FoxO1、FoxO3a能诱导细胞抗氧化，提高心肌细胞的存活率。MI小鼠的心肌细胞，氧化应激促进了FoxO1和FoxO3a转录因子的核定位，激活靶基因，FoxO1或FoxO3a的表达，减少活性氧自由基，降低受损心肌细胞死亡率;反之，FoxO1和FoxO3a在心肌细胞中的表达减少或消失时，小鼠梗死面积显著增加，心脏功能降低，瘢痕形成增多[22]。近年来，在研究特殊蛋白sirtuin家族與I/R损伤机制时，发现在不同家族成员介导下，FoxO3a发挥的作用不尽相同，如在研究小檗碱对肝移植后的I/R损伤保护机制时，小檗碱激活了SIRT1，使FoxO3a脱乙酰化增强，诱导细胞自噬，降低氧化应激水平;在心脏I/R期间，SIRT6能上调一磷酸腺苷/三磷酸腺苷（AMP/ATP），激活腺苷5'-单磷酸激活蛋白激酶（AMPK）-FoxO3a轴，启动下游的抗氧化剂编码基因表达，促进锰超氧化物歧化酶和过氧化氢酶的合成，降低氧化应激造成的心肌细胞损伤，保护心肌细胞免受I/R损伤;然而，肾脏I/R激活了SIRT2，激活的SIRT2结合脱乙酰化的FoxO3a，使FoxO3a发生核移位，引起细胞凋亡，导致超微结构损伤[23～25]。

MI后的炎症反应是I/R心肌细胞修复和伤口愈合所必需的，FoxO4基因敲除抑制了内皮细胞的内皮精氨酸酶1转录，导致一氧化氮的增加，使单核细胞的粘附减少，嗜中性粒细胞减少，这一过程可能是提高FoxO4缺乏的小鼠MI后存活率，改善心脏功能和减小梗死面积的原因之一[26]。

综上所述，FoxO在不同环境条件下，通过不同信号通路介导的生物效应，对血管平滑肌细胞、内皮细胞、心肌细胞，在氧化应激、细胞凋亡、自噬、炎症反应等过程中的调控作用，以及对心脏和血管的功能既有利也有弊，它是一把“双刃剑”，成功的应用好这把剑，将为AMI的预防、治疗带来福音，FoxO在AMI中有利的潜能需进一步挖掘，深入研究，为人类疾病治疗作出贡献。参考文献

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（收稿日期：2018-8-23）