2. 广东天然药物研究与开发重点实验室, 广东 湛江 524023
2. Guangdong Key Laboratory for Research and Development of Natural Drugs, Zhanjiang Guangdong 524023, China
FoxOs转录因子属于叉头框蛋白(forkhead proteins)家族中的一个亚类，这一类转录因子的特点是被称为叉头盒的一个翼状螺旋DNA结合域，是细胞对抗氧化损伤的主要防御机制之一[1]。
随着人口的增长以及老龄化社会的到来，骨质疏松症作为一种“悄无声息的流行病”，被视为全球最严重的公共健康问题之一[2]。骨质疏松是一种以低骨量与骨微结构破坏、骨的脆性增加、骨折风险增强为特征的全身代谢性疾病，其发病机制较为复杂，受多种因素，并由多种基因参与调控，目前尚未完全阐明[3]。越来越多的证据表明，FoxOs是影响成骨细胞的氧化还原平衡和骨骼内环境稳态的关键因素，而FoxOs介导的氧化应激在骨质疏松发生和发展过程中的重要作用已成为骨生物学家研究的热点[4]。本文主要综述FoxOs与骨质疏松的关系，为探讨骨质疏松发病机制及防治策略研究提供参考。
1 FoxOs在氧化应激过程中的防御作用在哺乳动物中，FoxOs包括4个成员：FoxO1(或FKHR)、FoxO3(或FKHRL1)、FoxO4(或AFX)和FoxO6。其中，FoxO1和FoxO4在脂肪组织和骨骼肌中表达丰富；而FoxO3在多种组织中高度表达，尤其是脑、肾、心脏、肌肉和骨骼等组织；FoxO6主要存在脑组织[1]。早期研究证实了FoxOs转录因子在新杆线虫和果蝇的寿命中的关键作用。采用转基因小鼠进一步研究发现，FoxOs可以减少与年龄相关的组织损伤。更多证据表明，在神经退行性疾病、代谢性疾病和癌症等疾病中[5]，FoxOs对于防御细胞氧化应激发挥着至关重要的作用。 现已明确，FoxOs是参与介导细胞抗氧化应激活动的转录因子。FoxOs通过磷酸化和去乙酰化控制其细胞内的定位和转录活性，改变这种平衡即可影响FoxOs的生物效应[4]。活化的蛋白激酶B(protein kinase B,PKB或Akt)将FoxOs的Thr-23、Ser-253和Ser-315 3个位点磷酸化，在结构蛋白14-3-3的协同作用下，抑制其转位入核或者滞留在胞质，最终影响FoxOs的转录活性[1]。少量的活性氧自由基(ROS)可促进FoxOs的去磷酸化和核易位，与寿命延长密切相关[6, 7, 8]。在应激状态下，细胞内FoxOs转位入核，在核激素受体CREB结合蛋白(CBP)和p300乙酰转移酶的作用下发生乙酰化，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[9]，而沉默信息调节因子1(SIRT1) 是FoxOs的另一种共激活剂[10]，可引起FoxOs在细胞核中去乙酰化而激活 FoxO 的转录调节活性[11]，调控参与氧化应激反应的抗氧化剂(MnSOD)、生长阻滞和DNA损伤修复基因(GADD45)、细胞周期调节蛋白(蛋白D1与D2、p27kip1等)和细胞凋亡基因(BIM和Fas配体)，从而调节氧化应激反应[4]。因此，FoxOs是机体内调控氧化应激的防御中心。
2 FoxOs对成骨细胞的作用采用FoxO3过表达或FoxO1被敲除的小鼠模型，现已初步阐明FoxOs在成骨细胞中的作用。小鼠在骨钙素启动子的控制下过表达FoxO3，表现出椎骨骨量增加，同时原癌基因shc编码的蛋白(p66Shc)的磷酸化水平减少[12]。相反，FoxO3的缺失导致成骨细胞凋亡增加，成骨细胞数量和骨形成率以及骨量下降，结果提示FoxO3能够减少氧化应激，并能够促进成骨细胞的凋亡。同样，当敲除FoxO1基因后，引起氧化应激增加，造成骨细胞数量和骨量减少，但不影响细胞凋亡[13]。FoxO1的缺失也促进谷胱甘肽(GSH)和collagen1蛋白水平下降[13]。体外研究已经表明，FoxO1与ATF4相互作用并能够促进氨基酸的参入，提示FoxO1有利于谷胱甘肽和collagen1的合成。尽管成骨细胞FoxO1缺失的小鼠出现蛋白质合成和骨细胞数量减少，但仍表现出骨钙素明显增加，其分子机制可能是FoxO1直接结合到骨钙基因启动子并抑制骨钙素表达，并与 Runx2结合并抑制其活性[14]。因此，FoxO1、FoxO3通过不同的表达形式和机制调控氧化应激，进而影响成骨细胞的增殖与凋亡。
3 FoxOs对破骨细胞的影响FoxOs能够直接影响破骨细胞的生成及其功能的发挥。单核细胞/巨噬细胞特异性FoxO3基因敲入鼠表现出骨量增加和几个骨吸收标记物减少的现象，提示FoxOs通过单核细胞/巨噬细胞直接抑制破骨细胞的形成[15]。研究表明，在破骨细胞中，人巨噬细胞集落刺激因子(M-CSF)和核因子κB受体活化因子配体(RANKL)诱导Akt信号，进而促进细胞的增殖分化和抑制细胞凋亡，可能与Akt通过FoxOs磷酸化抑制其介导的破骨细胞凋亡有关[16, 17, 18]。与Akt作用相反，Mst1激酶可通过FoxOs磷酸化引起转录激活，从而促进破骨细胞的凋亡[19]。OS促进SIRT1和FoxOs相互作用，引起FoxOs去乙酰化，从而调节破骨细胞活动并维持骨量[20]。然而，FoxOs介导的Akt、Mst1和SIRT1对破骨细胞的生成是否产生作用尚不清楚。
FoxOs也通过成骨细胞间接地影响破骨细胞。研究表明，小鼠成骨细胞特异性过表达FoxO3可引起破骨细胞的数量减少，而FoxO1基因缺失，从而引起破骨细胞的数量增加[12, 14]，提示在成骨细胞中激活FoxOs通路可减少破骨细胞数量。此外，FoxOs可抑制经典的Wnt信号通路，进而抵制Wnt下游靶蛋白骨保护素(OPG)的分泌，由于OPG与RANKL结合可竞争性地阻断RANK与RANKL之间的相互作用，进而抑制破骨细胞的分化与成熟[21]。进一步研究发现，小鼠成骨细胞特异性FoxO1缺失，骨组织中OPG表达减弱，相反，成骨细胞中胰岛素可通过阻止FoxO1对OPG表达的影响，从而促进骨吸收[22]。然而，小鼠成骨细胞中FoxO3过表达可能不影响OPG的表达，表明FoxO3调节破骨细胞的生成与OPG的表达无关。因此，在成骨细胞中FoxOs可以抑制破骨细胞形成。因此，FoxOs可能通过调控成骨细胞OPG表达和活性，间接地促进破骨细胞的活性与功能，但详细机制尚需进一步研究。
4 FoxO/Wnt信号通路对骨代谢的调控众所周知，经典Wnt/β-catenin通路可通过促进T细胞因子(TCF)/淋巴增强因子(LEF)发挥转录活性，在成骨细胞生成、增殖和分化过程产生中发挥重要作用。研究发现，β-catenin也是FoxO家族转录因子必需的一种共激活剂[23]。当机体处于氧化应激状态时，FoxO诱导表达增加，与β-catenin结合后转位入核，从而激活FoxO的转录活性，启动调节细胞凋亡、DNA修复和清除ROS的转录程序，构建以FoxO为中心的抗氧化应激防线[23]。然而，骨组织在受到氧化刺激或机体衰老的影响时，氧化应激水平增加，在促进FoxO转录的过程中，Wnt/TCF介导的转录和成骨细胞祖细胞的增殖与分化受到抑制，从而导致骨形成减少，最终造成骨质疏松[23]。
5 结语最近，越来越多证据表明，FoxOs在骨骼动态平衡中发挥着重要作用。在成骨细胞谱系，FoxOs调控成骨细胞特异性基因(如骨钙素)的表达和其它转录因子(如ATF4、Runx2和β-catenin)的功能，并通过直接或间接作用抑制破骨细胞的形成，通过调节骨形成和骨吸收的动态平衡影响骨组织的微结构和骨质量。因此，“氧化应激为中心”理论已成为目前人们研究骨质疏松的病理机制的焦点。由于FoxO信号网络极其复杂，许多关键的细胞因子或蛋白参与或调控其下游涉及的信号通路，因此，有必要在未来的研究中探讨 FoxO靶基因群，阐明FoxO信号通路对骨细胞生物学中重要转录因子的直接或间接调控作用，为深入研究骨质疏松的发病机制，从而寻找骨质疏松的防治策略提供依据。
目前，诸多研究者支持和证实了抗氧化剂在抗骨质疏松方面的疗效。一些天然药物活性分子也显示很好的防治骨质疏松症的作用。其中，已经证明了淫羊藿、蛇床子、丹参、首乌等中药及其复方、有效成分具有抗骨质疏松作用，作用机制很可能与影响FoxOs的转录活性有关。
本课题组前期研究发现，丹参素作为一种天然抗氧化物质，能够通过下调FoxO活性对抗氧化应激，同时也能通过上调Wnt信号通路促进成骨分化，具有防治氧化应激介导骨质疏松的潜力[24]。
总之，小分子抗氧化中药和天然药物的抗骨质疏松作用很可能与FoxOs的转录活性有关，通过进一步研究可揭示中药及天然药物有效成分的新的作用靶点，为从与FoxO相关的通路寻找和开发抗骨质疏松的新药提供思路。
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