FoxO3调控线粒体功能的研究进展

蒋薇 姚松 黄兰

[摘要] 线粒体涉及多种生物学行为，维持线粒体的稳态及其功能至关重要。叉头盒转录因子O3（forkhead box O3，FoxO3）可对应急环境做出反应，并及时调整细胞状态。研究发现，FoxO3是调控线粒体功能的关键因子，可通过多种分子机制调控线粒体稳态。本文对FoxO3调控线粒体功能的机制研究进展进行综述，为线粒体功能障碍相关疾病的治疗提供依据。

[关键词] 叉头盒转录因子O3；线粒体功能；线粒体生物发生；线粒体质量控制

[中图分类号] R393      [文献标识码] A      [DOI] 10.3969/j.issn.1673-9701.2023.21.023

线粒体以三磷酸腺苷或热量形式利用能量，在细胞死亡、应激抵抗等过程中发挥关键作用，属机体重要的细胞器。一旦线粒体功能受损，可能会引起细胞稳态失调并导致疾病的发生[1]。线粒体功能障碍可导致活性氧（reactive oxygen species，ROS）的过量产生；还会造成能量供应不足，导致线粒体信号、功能等异常。病理学研究发现，线粒体功能障碍会影响核基因组稳定性、细胞生物能量学等多种生物学过程。为降低其负面影响，线粒体会部署若干质量控制途径，这对于维持其多效性功能、减少线粒体压力至关重要[2]。

常见疾病中的代谢和神经、肌肉功能障碍很少由单一遗传缺陷引起，通常是多基因影响及易感环境因素相互作用的结果，导致机体新陈代谢、认知功能和记忆功能等受损，这通常是衰老过程中潜在器官功能障碍的信号[3]。线粒体的生物发生、应激反应、动力学及其自噬的多尺度调控网络在上述疾病中也起重要作用。多项研究表明，叉头盒转录因子O3（forkhead box O3，FoxO3）在线粒体功能调控中发挥重要作用。本文从FoxO3的基本概念、作用机制、线粒体质量控制等方面综述其在线粒体功能调节中的研究进展。

1  FoxO3概述

FoxO主要由DNA结合结构域（DNA-binding domain，DBD）、转录激活结构域（transactivation domain，TAD）、核输出序列（nuclear export sequence，NES）及核定位信号（nuclear localization signal，NLS）共4个结构域组成。FoxO的进化保守，哺乳动物通常包括FoxO1、FoxO3（FoxO3a）、FoxO4及FoxO6。

NLS和NES结构域可分别与调节FoxO亚细胞分布的特定受体蛋白结合。NLS由精氨酸和赖氨酸残基构成[4]。NLS与DBD重叠，并与蛋白激酶B（protein kinase B，PKB/AKT）磷酸化底物RXRXXS/T共享同一残基。第2个下游富含亮氨酸的NES结构域位于蛋白质C端，对来普霉素B（leptomycin B）敏感，其可与染色体区域稳定蛋白1发生相互作用[5]。FoxO也含固有无序区，包括FoxO的C端TAD。

FoxO称为稳态调节因子，对环境变化做出反应，维持组织稳态[6]。FoxO是应激条件的传感器和调节剂，而非正常细胞生理学的基本介质。FoxO可触发对环境刺激的不同细胞反应，控制氧化还原状态，维持基因组稳定性及蛋白质运输。FoxO在葡萄糖和脂质代谢、细胞凋亡、细胞自噬、细胞周期抑制、应激抵抗、DNA修复、血管生成、炎症反应、免疫反应、多能性及分化等细胞过程中发挥重要作用。

2  FoxO3在线粒体生物发生中的作用

调节线粒体生物能量的途径：①靶向上游调节器（能量和营养传感器）；②靶向对调节器作出反应的下游效应器（转录因子、辅因子和核受体）；③直接干扰线粒体解偶联。FoxO3通过途径①和②调控线粒体的生物发生，进而调控线粒体功能[2]。

2.1  FoxO3参与上游调控机制

研究表明，FoxO3参与上游基因去乙酰化酶（sirtuin，SIRT）、AMP活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）調控线粒体生物发生的过程。SIRT通常在能量或营养不足时被激活，从而引发细胞适应性反应，提高代谢效率。SIRT1是一种重要的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸依赖性脱乙酰酶，其在维持线粒体功能、促进线粒体生物发生及调节自噬-溶酶体途径等方面发挥关键作用[7]。在地塞米松诱导的肌管萎缩研究中发现，岩藻黄素可改善肌管萎缩中线粒体的生物发生和功能，推测其机制可能是岩藻黄素通过激活SIRT1并抑制FoxO转录活性以减少蛋白质降解，诱导自噬以增强降解蛋白质的清除，促进线粒体功能并减少细胞凋亡[8]。Asokan等[9]研究表明，运动训练可随着SIRT1水平的升高而降低FoxO3a的表达水平，保护心脏。Ni等[10]体外研究证实，松果菊苷通过上调SIRT1/FoxO3a/锰超氧化物歧化酶信号轴，抑制心力衰竭大鼠线粒体的氧化应激，逆转心肌重塑并改善心脏功能。SIRT1还可通过降低线粒体ROS来改善线粒体活性。

SIRT3是一种线粒体蛋白脱乙酰酶，具有维持呼吸的功能。Ma等[11]研究指出，褪黑素可通过SIRT3-FoxO3信号通路降低ROS的产生，诱导线粒体自噬并减弱炎症小体的激活。Liu等[12]评估5-十七烷基间苯二酚对氧化应激的保护作用，结果发现5-十七烷基间苯二酚在一定程度上可通过激活SIRT3-FoxO3a轴，改善氧化应激触发的细胞损伤和线粒体功能障碍。

AMPK在结构上高度保守。应激条件下AMPK与FoxO3相互作用，可磷酸化Thr179等多个位点，促进下游自噬相关基因的转录[13]。Asokan等[9]在小鼠模型研究中发现，AMPK可通过FoxO3调控线粒体的生物发生。肌肉萎缩是抗炎药物地塞米松的不良反应，而20（S）-人参皂苷Rg3可促进FoxO3表达、抑制AMPK磷酸化，减轻线粒体功能障碍，从而预防不良反应[14]。综上，FoxO3可参与SIRT及AMPK相关上游信号通路对线粒体生物发生的调控过程。

2.2  FoxO3参与下游调控机制

靶向线粒体生物能量的下游效应器包括核受体、核呼吸因子1/2（nuclear respiratory factor 1/2，NRF1/2）、线粒体转录因子A（mitochondrial transcription factor A，TFAM）、辅激活剂及辅抑制剂。FoxO3可参与调控上述效应器而影响线粒体的生物发生[2]。在能量传感调节器的下游，核受体可被小分子配体激活，是良好的药物靶点。多聚ADP核糖聚合酶（poly ADP-ribose polymerase，PARP）是核受体的小亚家族。PARP1属翻译后修饰酶，能在发育过程中刺激或抑制转录并响应环境刺激。研究表明，PARP1依赖性自噬对线粒体稳态和心肌细胞凋亡产生不利影响[15]。

线粒体功能障碍是肌减少症的诱因。Chang等[16]研究发现，寡糖醇可增加小鼠骨骼肌中AKT/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白/p70sk6的磷酸化，抑制FoxO3a、核因子κB的核定位，且可逆转线粒体生物发生基因、线粒体融合基因及线粒体内膜融合蛋白的表达。Jang等[17]研究表明，丙戊酸可通过改变人神经母细胞瘤SH-SY5Y细胞系中FoxO3a的表达及翻译后修饰诱导线粒体生物发生和自噬，且丙戊酸处理后，线粒体生物发生相关蛋白的表达水平增加。

3  FoxO3在线粒体质量控制中的作用

线粒体质量控制对线粒体活性和功能的调节至关重要。FoxO3参与调控线粒体自噬和ROS的清除途径，是关键性调节因子。

3.1  FoxO3与线粒体自噬

线粒体自噬即消除受损或功能失调的线粒体，并控制线粒体数量。高活性自噬和线粒体自噬可能在慢性肾脏病肌肉萎缩中起重要作用，慢性肾脏病患者骨骼肌组织中的FoxO3可激活线粒体自噬[18]。Wang等[19]研究发现，敲低FoxO3会抑制线粒体自噬，加重营养缺乏诱导的髓核细胞线粒体功能障碍、凋亡和基质降解。研究证实，FoxO3可诱导线粒体自噬并调控线粒体功能与生物发生[8，17]。

线粒体通过泛素依赖性和泛素非依赖性途径完成其自噬。最具特征的泛素依赖性线粒体自噬机制是PTEN诱导激酶1（PTEN induced putative kinase 1，PINK1）/Parkin轴[20]。棕榈酸酯诱导的乙酰辅酶A可促进FoxO3a乙酰化，阻断脂多糖/三磷酸腺苷诱导的FoxO3a与紧张素同系物诱导激酶1启动子的结合，降低紧张素同系物诱导激酶1依赖性线粒体自噬，导致线粒体膜电位的降低、线粒体活性氧的生成及线粒体DNA的释放，从而导致线粒体功能失调[21]。

作为泛素非依赖性线粒体自噬的效应器，BCL2相互作用蛋白3（BCL2 interacting protein 3，BNIP3）、FUN14域蛋白1可调控相关途径，靶向线粒体不同应激条件下的降解。在FoxO3調控胶质瘤细胞对替莫唑胺敏感性作用机制的研究中发现，替莫唑胺通过增强线粒体超氧化物水平，诱导胶质瘤细胞内ROS积累，不仅能增加DNA双链断裂、加重线粒体功能障碍，还能上调FoxO3a的表达，敲除FoxO3a则会加重替莫唑胺诱导的DNA双链断裂、线粒体损伤及胶质瘤细胞的死亡，且会抑制替莫唑胺诱导的BNIP3上调和线粒体自噬激活，表明FoxO3a通过促进BNIP3介导的线粒体自噬减弱替莫唑胺诱导的人脑胶质瘤细胞DNA双链断裂[22]。研究发现，钼和（或）镉可能通过FUN14域蛋白1/FoxO3介导的线粒体自噬共同诱导线粒体质量控制障碍，钼、镉可能表现出协同作用[23]。研究发现，西番莲可促进上游转录调节因子FoxO3/DAF-16的核易位，并介导BNIP3/DCT1信号通路诱导线粒体自噬[24]。综上，FoxO3可参与线粒体自噬调控机制，从而影响线粒体活性及功能。

3.2  FoxO3参与调控ROS清除途径

因线粒体在细胞代谢反应中发挥中心作用，线粒体在ROS产生后易受氧化损伤。研究表明，百草枯会引起骨髓红细胞中线粒体膜电位、抗氧化基因SOD1和SOD2、谷胱甘肽过氧化物酶1及FoxO3的表达水平显著降低[25]。Yang等[26]研究发现，FoxO3a可调节与线粒体毒性和核易位激活后细胞死亡相关的凋亡基因。研究证明，甜茶可促进SIRT3、FoxO3a和SOD2的表达，并发挥抗氧化作用，从而改善线粒体毒性[27]。在一项关于姜黄素对大鼠I型糖尿病的肾保护作用机制研究中发现，姜黄素可降低炎症细胞因子的水平，改善线粒体功能标志物，FoxO3a核水平增加，表明FoxO3参与抗氧化应激途径[28]。在一项探讨香烟烟雾提取物对肺癌的作用机制中发现，香烟烟雾提取物会导致ROS增加、FoxO3减少，进而引起线粒体损伤[29]。研究表明，钠–葡萄糖协同转运蛋白-2抑制剂可上调AMPK和SIRT1的表达，激活FoxO3，改善线粒体功能，减少氧化应激引起的组织损伤[30]。综上，ROS的产生很可能会引起线粒体ROS的增加并导致线粒体氧化损伤，而FoxO3可通过多种抗氧化途径清除ROS进而改善线粒体功能。

4  小结与展望

線粒体功能障碍会引起多种疾病，FoxO3可调控线粒体功能。FoxO3主要通过线粒体生物发生、线粒体质量控制对线粒体功能产生影响，其中包括各种调控机制，涉及多条信号通路，这为线粒体障碍相关疾病的治疗提供一定参考。但FoxO3对线粒体功能的分子调控机制错综复杂，未来仍需进一步研究和探索。

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[23] WU Y， YANG F， ZHOU G， et al. Molybdenum and cadmium co-induce mitochondrial quality control disorder via FUNDC1-mediated mitophagy in sheep kidney[J]. Front Vet Sci， 2022， 9： 842259.