文摘
糖尿病是一种慢性代谢紊乱,表现为高血糖产生的胰岛素缺乏或胰岛素抵抗。最近的证据表明,高浓度的活性氧(ROS)和随后的氧化应激在糖尿病并发症的发展关键贡献者。FOXO forkhead家族转录因子包括FOXO1 FOXO3 FOXO4, FOXO6扮演重要的角色在许多细胞和生物过程的监管和监管机构至关重要的细胞氧化应激反应通路。FOXO1转录因子可以影响许多不同的组织包括肝、视网膜,骨骼,和细胞类型包括肝细胞、微血管内皮细胞和周成骨细胞。所诱导的氧化应激,导致ROS-induced细胞损伤和凋亡。在本文中,我们讨论FOXO转录因子的作用在调节细胞氧化应激反应。
1。介绍
糖尿病是一种慢性疾病,其特征是血糖水平升高导致缺乏胰岛素或胰岛素抵抗。2010年,全世界有近2.3亿糖尿病患者据估计到2030年将达到4.3亿(1]。最近,一项由美国疾病控制和预防中心(CDC)表示,2580万年美国人或8.3%的人口在2010年受糖尿病影响(2]。糖尿病有严重的健康后果与众多糖尿病相关并发症包括视网膜病变、神经病变、肾病(3- - - - - -5]。越来越多的证据表明,高血糖诱导自由基的生产和随后的氧化应激导致的开发和发展糖尿病和相关并发症(6- - - - - -8]。
活性氧(ROS)是氧自由基生成的副产品线粒体代谢和功能作为信号分子在各种细胞内过程包括细胞增殖、迁移、凋亡[9]。ROS产生在正常代谢过程中迅速的帮助下各种内源性解毒酶。在正常的细胞ROS浓度是正常运转所必需的细胞,过度,non-physiological ROS浓度导致氧化应激。ROS如超氧化物(O2−)和羟基自由基(HO)•)和过氧化氢(H2O2),是高度活性并能破坏生物大分子如DNA、蛋白质和脂质(9]。氧化应激在糖尿病的主要来源包括葡萄糖自动氧化作用,线粒体活性氧的生产过剩,non-enzymatic糖化,和多元醇通路6,10]。多元醇通路,醛糖还原酶将葡萄糖转化为山梨糖醇与NADPH作为辅酶。在糖尿病、增加通量增加消费的多元醇途径增强氧化应激因为NADPH的醛糖还原酶。自从NADPH需要一代的内源性抗氧化剂谷胱甘肽(GSH),降低NADPH耗尽可用性谷胱甘肽导致更大的氧化应激(6]。其他机制通过高葡萄糖水平可能导致晚期糖化成品在下面讨论。
活性氧导致胞内信号的生成,刺激炎症和细胞死亡。它们包括蛋白激酶C (PKC) c-Jun-N-terminal激酶(物),和p38增殖蛋白激酶(MAPK) [11- - - - - -15]。在许多细胞类型,活性氧导致forkhead盒O (FOXO)的激活转录因子,包括FOXO1 FOXO3, FOXO4,可以调解ROS通过调节基因转录的影响。这些转录因子参与多种细胞过程从葡萄糖代谢细胞行为包括细胞周期和细胞凋亡16,17]。除了被活性氧激活,FOXO蛋白质氧化应激中发挥关键作用的抗氧化基因的上调表达(9]。然而,FOXO蛋白质也参与许多其他流程和有明显矛盾的影响在不同的细胞类型18]。FOXO蛋白质转录因子也有重要的作用作为辅阻遏物或辅活化因子,以便直接DNA结合不是一个先决条件调节基因的转录目标(19]。为简单起见,我们将使用术语FOXO FOXO转录因子的所有或任何在这篇文章中,除非另有说明。
2。FOXO调节氧化应激
FOXO转录因子至关重要介质的氧化应激和通过各种细胞应激刺激所激活。氧化应激调节FOXO活动通过各种翻译后修饰包括磷酸化、乙酰化、泛素化,进而调节FOXO的亚细胞定位,FOXO蛋白质的蛋白质相互作用和转录活动。而这些修改促进FOXO转录活动,其他人则抑制。例如,压力激发了激酶磷酸化直接物FOXO4残留Thr447 Thr451,导致其核易位和诱发FOXO4转录活动20.]。另一个激酶参与氧化应激的磷酸化FOXO是哺乳动物Ste20-like蛋白激酶1 (MST1)。在氧化应激,MST1磷酸化FOXO3 Ser207残留,导致FOXO3释放结合蛋白,14-3-3。这个版本允许FOXO3把原子核从而调节目标基因表达(21]。
FOXO转录活动也是由乙酰化作用。氧化应激的影响乙酰化作用对FOXO功能根据不同实验条件。Sirtuins蛋白(sirt),哺乳动物同源染色体的酵母沉默信息监管机构2 (sir2)脱乙酰酶至关重要的监管机构FOXO转录活性和诱导的氧化应激(22,23]。据报道,由cAMP-response-element-binding-protein乙酰化作用(分子)结合蛋白(CBP) / P300积极调节FOXO转录活性氧化应激期间,虽然SIRT1-mediated脱乙酰作用压制FOXO转录因子的活性(FOXO1、FOXO3 FOXO4) (24]。其他报告显示,氧化应激FOXO4乙酰化消极调节其转录活性,和脱乙酰作用SIRT1抵消acetylation-mediated FOXO4抑制(25]。此外,深色等人的研究表明,SIRT1的不同影响FOXO3函数在氧化应激反应23]。SIRT1 associates和脱去乙酰基FOXO3在体外和在活的有机体内。SIRT1的脱乙酰作用FOXO3增加目标基因的表达参与了细胞周期阻滞和DNA修复如p27和GADD45。相比之下,SIRT1脱乙酰作用降低表达FOXO3 proapoptotic目标基因Bim和Fas配体等。这些结果表明,脱乙酰作用可以提高和降低FOXO3-induced活动取决于目标基因。
除了磷酸化和乙酰化作用,FOXO蛋白质进一步氧化应激期间由泛素化。为了应对胰岛素或生长因子信号,FOXO转录因子磷酸化,polyubiquitinated和退化26]。据报道,AKT-dependent磷酸化所必需的先决条件ubiquitin-mediated FOXO1退化和FOXO3。FOXO泛素化是由盒Skp2蛋白亚基的自洽场(Skp1 / Cul1 /盒)E3泛素连接酶蛋白复合物(27,28]。/胰岛素生长因子信号相比,氧化应激,FOXO4变得monoubiquitinated和易位到细胞核,从而导致其转录活动增加。Monoubiquitination FOXO4是由E3泛素连接酶小鼠双2分钟(MDM2) [28]。图1(一)ROS-induced氧化应激的影响表明,调节FOXO通过改变其磷酸化或乙酰化状态。相比之下,增长factor-mediated感应的一种蛋白激酶磷酸化FOXO在特定氨基酸导致其出口离原子核和Skp2导致其泛素化和退化(图1 (b))。
(一)
(b)
3所示。FOXO在氧化应激中的作用
FOXO蛋白质发挥重要作用在保护细胞对抗氧化应激。氧化应激是由生产过剩的活性氧或低效的ROS的崩溃。有效解毒细胞活性氧的解毒系统保护细胞免受氧化损伤。各种抗氧化酶的含量和酶的活动如锰超氧化物歧化酶(MnSOD)、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶是降低在高血糖诱导的氧化应激(11]。现在良好的细胞激活FOXO转录因子减少诱导的氧化应激水平的酶分解ROS如MnSOD和过氧化氢酶(29日,30.]。例如,FOXO3直接绑定到MnSOD启动子在FOXO绑定元素来增加其表达。激活线粒体保护细胞免受ROS-mediated受伤的MnSOD超氧化物自由基转化为氧气和过氧化氢(H2O2)。过氧化氢酶,谷胱甘肽过氧化物酶进一步分解酶H2O2成水和氧气30.,31日]。FOXO调节氧化应激的功能性意义进一步揭示了基因缺失的研究。老鼠缺乏FOXO因素(FOXO 1/3/4)造血干细胞(hsc)展览减少自我更新,导致缺陷重新繁衍活动(32]。与此一致的是,FOXO-deficient肝星状细胞显示增加活性氧的水平,降低抗氧化蛋白的表达和细胞凋亡增加,表明关键作用的foxo压力阻力。最近的证据表明,FOXO因素发挥着基础性的作用在骨骼内稳态上调抗氧化酶(33,34]。删除FOXO1在成骨细胞结果等抗氧化剂谷胱甘肽的表达下降。由此产生的氧化应激增加降低成骨细胞数量和骨形成。与此一致的是,条件删除FOXO因素(FOXO 1/3/4)骨导致氧化应激增加,成骨细胞的损失,和骨量减少,暗示,FOXO骨骼内稳态的因素是不可或缺的,因为他们的抗氧化防御属性33,34]。也发现FOXO1删除在成骨细胞与蛋白质合成减少。FOXO1促进蛋白质合成ATF4成骨细胞通过直接调控,转录因子所需的氨基酸和蛋白质合成(进口33]。在上一个示例中,FOXO1是通过诱导保护性的抗氧化剂。然而,在炎症条件下高,FOXO1也可能直接影响成骨细胞通过调节inflammation-induced凋亡[35]。在这种情况下,FOXO1被认为proapoptotic因素和产生凋亡的诱导表达,而不是一个保护作用。骨形成的条件下,FOXO1可能产生另一组效果。据报道,需要FOXO1分化成骨细胞的成骨细胞和过度的先兆FOXO1干扰的成骨细胞前体通过细胞周期36]。因此,FOXO1对成骨细胞的影响或其前驱物可能是高度依赖于环境和微环境。
4所示。FOXO在细胞增殖和生存
FOXO转录因子在细胞增殖和生存中发挥作用通过调节基因的表达参与许多细胞过程包括细胞周期阻滞,DNA修复和细胞凋亡。针对特定的氧化应激水平,FOXO因素的诱导表达目标基因控制细胞周期进展和DNA修复,包括p27Kip1、retinoblastoma-like蛋白质p130,和细胞周期蛋白D1/2,增长逮捕,DNA damage-inducible基因45α(GADD45α)[37- - - - - -41]。例如,FOXO导致G1期细胞循环逮捕诱导-细胞循环cdk抑制剂p27等监管机构kip1(37),通过抑制细胞周期蛋白D1和D2 (G1的表达40]。除了促进细胞周期阻滞,FOXO也发挥了至关重要的作用压力阻力通过促进修复受损的DNA。FOXO3诱导细胞周期阻滞G2-M检查站和触发器DNA修复DNA损伤反应的诱导表达基因GADD45α(41]。尽管在大多数情况下FOXO蛋白质与细胞周期阻滞有关,在某些情况下似乎FOXO蛋白质促进细胞周期进程。
FOXO转录因子诱导细胞死亡通过调节proapoptotic基因但通常根据上下文可以提高生存。为了应对某些ROS水平,FOXO转录因子从prosurvival转向proapoptotic信号导致细胞死亡。然而,FOXO开关的具体分子机制从prosurvival prodeath信号仍然未知。在糖尿病、慢性高血糖诱导线粒体ROS刺激FOXO的各种信号通路导致激活,进而激活几个proapoptotic因素。FOXO1激活升高糖尿病结缔组织和介导先进的糖化成品和TNF-alpha-induced细胞凋亡和炎症在糖尿病的结缔组织(42- - - - - -44]。有人提议diabetes-enhanced激活FOXO1限制伤口愈合的增强纤维母细胞凋亡和增殖43]。FOXO1调节基因的外在和内在的凋亡通路(42]。FOXO3 FOXO4诱导细胞凋亡,直接绑定Bcl-6启动子和增强其表达和负调控BCL-X抗凋亡蛋白的表达l(45]。它进一步表明,内生FOXO3沉默或超表达的显性负突变FOXO3导致各种proapoptotic基因的表达减少,包括Bcl-6和荡妇,peroxide-induced氢氧化应激反应。我们最近发现,在糖尿病高血糖刺激微血管内皮细胞和周皮细胞凋亡导致糖尿病性视网膜病变的早期阶段(46]。高葡萄糖导致活性氧生成,增强FOXO1激活和感应的几类的基因调节内皮细胞的行为包括proapoptotic和促炎因子。这些结果表明,FOXO1在糖尿病性视网膜病变的发展起着重要的作用因为它影响炎症和微血管细胞凋亡基因的表达46]。此外,高葡萄糖和先进的糖化成品中升高糖尿病刺激视网膜微血管周损失通过一个过程,涉及的激活FOXO1 [46,47]。在后者,先进的糖化成品激活FOXO1通过MAP激酶途径,在周和周的丧失是反驳一种蛋白激酶的激活和NF-kappaB [47]。
5。FOXO Diabetes-Induced炎症
炎症一直被视为一个主要危险因素在糖尿病和相关的开发和糖尿病并发症的发展。高血糖诱导氧化应激促进炎症通过增加内皮细胞损伤,微血管通透性,增加促炎细胞因子的释放,包括TNF -α,interlukin-1β(il - 1β),interlukin-6 (il - 6),最终导致降低胰岛素敏感性和糖尿病并发症。高血糖诱导FOXO促炎细胞因子的诱导中起着重要的作用。结果表明:FOXO1直接绑定到il - 1β启动子和增加其表达在巨噬细胞48]。FOXO1由炎性细胞因子诱导,可能参与转发放大循环。例如,在微血管内皮细胞,FOXO1诱导在活的有机体内diabetes-enhanced肿瘤坏死因子-α也导致TNF的表达α这些细胞水平(46]。增加il - 1β和肿瘤坏死因子-α生产一直与肥胖和糖尿病的发病机理。糖尿病的高血糖也刺激toll样受体(TLR)信号,从而导致长期炎症和组织损伤。最近的研究表明,FOXO1促进炎症在糖尿病提高TLR4-mediated信号,暗示FOXO1作为炎症反应在肥胖和糖尿病的一个重要中介(49]。在糖尿病患者骨折愈合,增强upregulation促炎和proapoptotic因素(50,51]。已经表明FOXO1诱导表达促炎和软骨细胞,FOXO1 proapoptotic因素与肿瘤坏死因子-直接结合α启动子。此外,diabetes-enhanced TNF -α激活FOXO1在软骨细胞在活的有机体内通过提高其核本地化(50]。
另一个转录因子在刺激炎症中扮演一个重要的角色在高血糖和NF -氧化应激κB (52]。激活NF -κB通路与糖尿病并发症的发展,包括视网膜病变,并可以调节各种促炎细胞因子的表达,包括TNF -α和il - 1β(53]。ROS水平长期过高与糖尿病相关的可能诱发NF -κB和FOXO导致增加炎症和细胞损伤。在大多数细胞类型,NF -κB是直接凋亡,而FOXO1直接proapoptotic。因此,在炎症条件下当NF -κB和FOXO1被激活,他们的相对平衡可能最终决定细胞存活,要么经历凋亡[42,47]。
5.1。线粒体ROS和糖尿病
一个机制,通过这个机制,糖尿病会增加氧化应激包括线粒体电子传递。已经提出,高细胞内葡萄糖水平提高下的电子通过电子传递链在线粒体氧化呼吸(6]。这可能导致电子的转移2导致形成O2−各种活性氧的生成和线粒体。此外,糖尿病引起的变化改变氧化还原平衡,影响redox-sensitive蛋白等蛋白激酶C-epsilon,这会导致增强线粒体活性氧的生产。高级糖化终端产品(年龄)的条件下生成的高血糖刺激NADPH氧化酶,反过来可以诱导活性氧的生产。在一个令人惊讶的发展,增加Wnt信号刺激线粒体生物起源,从而增强线粒体ROS水平和更大的氧化损伤54]。在线粒体ROS的增加被认为是由于许多不同的机制问题。一是ROS损害线粒体组件如DNA、膜蛋白、脂质。ROS也可以诱导的线粒体渗透性转换孔注射(MPTP药物)[55]。当这个毛孔打开,proapoptotic蛋白质从线粒体释放细胞色素c等刺激细胞死亡。线粒体呼吸链中ROS生成提出了作为激活NF -二级信使κB TNF -α和il - 16]。
ROS可能影响胰岛素信号。胰岛素信号降低氧化应激条件下,可能导致胰岛素抵抗。通过几种机制这可能发生。在一个场景中,活性氧诱发丝氨酸的磷酸化胰岛素受体底物,从而减少酪氨酸磷酸化干扰胰岛素信号(56]。同样,ROS已被证明部分调节血管紧张素ⅱ的影响抑制胰岛素信号(57]。甲基乙二醛,生物活性前体高血糖条件下形成的时代,抑制胰岛素受体底物磷酸化,激活磷脂酰肌醇的3-kinase (PI3K) /蛋白激酶B (PKB)途径58]。
FOXO1胰岛素信号使其失去活性,介导的胰岛素受体通过AKT substrates-1和2。胰岛素抵抗的一个特征是生产的葡萄糖升高导致高血糖。FOXO1调节肝葡萄糖生产通过基因的表达,促进糖质新生(59]。因此,存在一个通路,胰岛素抵抗导致高架FOXO1激活,upregulation基因促进葡萄糖生产,和更大的血清葡萄糖水平。中断insulin-Akt-FOXO1平衡也会影响线粒体。激活FOXO1诱导血红素oxygenase-1 (HMOX1)劈开血红素和扰乱了线粒体电子传递链60]。因此,当FOXO1活动是由胰岛素抵抗、高更的表达血红素oxygenase-1随之而来。更大的血红素oxygenase-1水平干扰导致受损的线粒体氧化呼吸,负面影响脂肪酸氧化和ATP的生产。此外,FOXO1影响表达的增强激活线粒体融合与分裂从而影响线粒体生物起源。胰岛素抵抗的情况下,有足够的线粒体和线粒体形态异常,这是扭转当FOXO1被删除(60]。图2展示了复杂的信号通路,氧化应激和胰岛素可以通过调节FOXO活动影响线粒体。
6。结论和观点
高血糖诱导活性氧和随后的氧化应激是糖尿病的主要贡献者开发和进展及相关并发症。然而,有效的治疗策略,防止自由基的产生仍然有限。现在,FOXO转录因子是细胞命运的至关重要的监管机构和发挥重要作用在diabetes-enhanced diabetes-induced氧化应激抵抗和细胞凋亡。似乎FOXO转录因子可能功能分子开关决定细胞命运在回应各种水平的氧化应激通过促进抗氧化剂(prosurvival)反应或者加强proapoptotic基因表达和细胞死亡。然而,FOXO的确切机制介导prosurvival / proapoptotic反应所涉及的分子机制尚不清楚,说明可能提供新的治疗靶点。此外,多个信号通路,包括物和MAPK、调节的活动FOXO转录因子在糖尿病高血糖反应。因为我们了解这些不同的信号通路调节FOXO活动协调他们的影响在糖尿病仍然有限,详细了解这些途径可以提供洞察开发新的治疗糖尿病的治疗策略。
确认
作者要感谢Sunitha Batchu帮忙准备,由美国国立卫生研究院的资助支持R01 DE019108 R01 DE017732。