Наука | 
1
8085

Белки семейства FOXO: регуляторы продолжительности жизни

В данном компасе рассмотрены белки семейства FOXO, одни из ключевых регуляторов процессов старения, переключающие программы выживания или гибели клеток в ответ на внешние стимулы.

на сайте с 15 января 2009

Введение

Транскрипционные факторы forkhead box O (FOXO) принадлежат к большому семейству белков, характеризующихся консервативным ДНК-связывающим доменом forkhead box (FOX). Подсемейство этих белков, о которых пойдет речь в этом компасе, относится к группе "О" (FOXO) и состоит у млекопитающих из 4 представителей: FOXO1, FOXO3, FOXO4 и FOXO6. Представители подсемейства FOXO участвуют во многих клеточных процессах, начиная от клеточной смерти до выживания. FOXO-белки млекопитающих являются гомологами транскрипционного фактора DAF-16 (abnormal DAuer Formation-16) нематоды Caenorhabditis elegans, который регулирует продолжительность жизни под воздействием инсулинового сигналинга, и dFOXO у Drosophila melanogaster. Исследование транскрипционной активности белков FOXO показали, что они также регулируются инсулином и/или инсулиноподобным фактором роста (IGF) через активацию PI3K/AKT-механизма. Сигнальные механизмы регуляции DAF-16/FOXO сходны в клетках нематоды, дрозофилы и млекопитающих, что подтверждает их консервативность в эволюции. Консервативность механизмов активации привело к гипотезе, что белки семейства FOXO, подобно DAF-16, способны влиять на продолжительность жизни у высших эукариот, у человека. Некоторые доказательства этой гипотезы будут рассмотрены в этом компасе.


Являясь транскрипционными факторами, представители подсемейства FOXO должны связываться с ДНК для активации или, наоборот, репрессии генов-мишеней. У FOXOs ДНК-связывающим доменом является "forkhead" (вильчатая головка)-домен, который также иногда называется "winged helix" (крыловидная спираль). Происхождение первого названия связано с тем, чем первым представителем семейства FOX (FOXA) был локализован ген, мутации в котором приводили к изменениям формы головы у дрозофилы, похожим на вилку. Второе название связано с тем, что по данным ренгеноструктурного анализа, а также по данным ЯМР, данные белки имеют трехмерную структуру, сильно напоминающую крылья бабочки.

Клеточные функции FOXOs

роль FOXOs


Транскрипционные факторы FOXOs являются мишенью PI3K/AKT-сигнального каскада. Запуск данного механизма может осуществляться с помощью инсулина, который контролирует метаболизм глюкозы. FOXOs регулируют экспрессию ферментов глюконеогенеза: фосфоенолпируват карбоксиназы и глюкоза-6-фосфатазы. Кроме того, FOXOs подавляют активность генов, вовлеченных в гликолиз, липогенез и в другие биохимические процессы. Таким образом, активность FOXOs приводит к метаболическим последствиям, сходным с глюкозным голоданием. В этих условиях для поддержания достаточного уровня синтеза АТФ в клетках начинается расщепление жиров и окислительное фосфорилирование. Для уменьшения последствий окислительного стресса FOXOs индуцируют экспрессию белков-антиоксидантов: каталазу и супероксиддисмутазу. На модели Caenorhabditis elegans в лаборатории доктора Kevin Strange из Vanderbilt University Medical Center показано, что гомолог белков FOXOs - DAF-16 регулирует стрессоустойчивость и к гипертоническому стрессу через экспрессию генов белков теплового шока и ферментов синтеза трегалозы.

Исследователями под руководством Boudewijn Burgering из University Medical Center Utrecht показали, что представители подсемейства FOXO негативно влияют на пролиферацию клеток через регуляторные белки p27kip1, p130Rb2, циклин D и циклин G2. В случае отсутствия инсулиновой активации  FOXOs останавливают продвижение клетки по клеточному циклу, переводя ее в состояние покоя. Интересно, что, являясь антагонистом инсулинового сигнального механизма, FOXOs усиливают чувствительность к инсулину, активируя экспрессию рецептора инсулина и формируя петлю негативной обратной связи. Также транскрипционные факторы FOXOs способны индуцировать апоптоз через активацию проапоптотических генов: Fas-лиганд, BIM, BCL-6. Эти данные могут противоречить роли FOXOs в увеличении продолжительности жизни. Однако, FOXOs адаптирует клетки и организм к голоданию, и эта адаптация временная. Индукция апоптоза осуществляется только в случае продолжительной активации FOXOs или в определенных типах клеток, характеризующихся высокой степенью самообновления, например, в гематопоэтических клетках крови. Также FOXO3a контролирует процессы аутофагии в клетке.

Транскрипционные факторы FOXOs участвуют в развитии различных процессах на уровне организма Так, обнаружены однонуклеотидные полиморфизмы в генах FOXOs, ассоциированные с избыточной массой тела человека. В работе Domenico Accili из Naomi Berrie Diabetes Center показано, что при диабете FOXOs снижает уровень белка PDX1, увеличивающий активность инсулинового сигналинга. Также показано, что удаление одной аллели FOXO1 у мыши с диабетом приводит к изменению фенотипа на нормальный, в то время как гиперактивация FOXO1 способна приводить к развитию диабета. Продемонстрирована роль FOXOs в иммунных процессах. Так, отсутствие экспрессии FOXO3a приводит к лимфопролиферативным синдромам, воспалению органов и к усилению активности Т-хелперов. В то же время показано, что усиление активности FOXO3a влечет за собой изменения в активности Т-клеточного ответа. FOXO3a необходим для активации нейтрофилов. Доказана роль FOXO3a в формировании эритроцитов, а также в самообновление и дифференцировке стволовых клеток. В книге Алексея Москалева "Старение и гены" описано, что делеция генов FOXO3 и FOXO4 в гематопоэтических стволовых клетках мышей приводит к удвоению числа дифференцированных клеток крови, но при этом количество долгоживущих гематопоэтических клеток снижается. Механизмом этого явления может быть нарушение FOXO-зависимой регуляции клеточного цикла, что приводит к усилению пролиферации клеток и к накоплению свободных радикалов за счет снижения уровня экспрессии антиоксидантных генов. В то же время показано, что активные формы кислорода способствуют выходу гематопотических ствловых клеток из состояния покоя.

Гены, регулируемые FOXOs

Гены, регулируемые FOXOs


FOXOs и канцерогенез

Антипролиферативное и проапоптотическое действие FOXOs  представляет эти транскрипционными факторы удобными терапевтическими мишенями для контроля за трансформацией нормальной клетки в опухолевую. В работе Ronald A. DePinho из Harvard Medical School показано, что удаление у мышей FOXO1, FOXO3a и FOXO4 приводит к росту лифмом и гемангиом. Таким образом, FOXOs могут выступать, как опухолевые супрессоры. Другими исследователями получены результаты, подтверждающие эти данные. Так, продемонстрировано, что увеличение активности FOXO3a вместе с киназой JNK или в сочетании с ингибитором клеточного цикла р27Kip может задерживать рост клеток опухоли груди. Гиперэкспрессия FOXO1и FOXO3a  в клетках рака простаты может компенсировать ингибирующие мутации опухолевого супрессора PTEN. В то же время подавление активности FOXO3a влечет за собой усиление пролиферации раковых клеток. Изменения активности FOXOs отмечены и при развитии других новообразований. Интересно, что изменения в активности FOXOs могут влиять на чувствительность опухолевых клеток к химиотерапии.
Поскольку клеточные функции белков FOXOs чрезвычайно разнообразные и, в некоторых случаях, противоположные, то большое значение имеет регуляция активности FOXOs в ответ на различные стимулы. Регуляция FOXOs осуществляется посредством пост-трансляционных модификаций: фосфорилирование, ацетилирование и убиквитинилирование.

Регуляция FOXOs фосфорилированием


Одним из ключевых механизмов, строго регулирующих активность FOXOs, является его локализация: либо в цитоплазме, либо в ядре. Транслокация FOXOs  в ядро требует его фосфорилирования по различным сайтам, а также взаимодействия с белками семейства 14-3-3 и другими компонентами ядерного транспорта. Первой, в лаборатории Anne Brunet из Stanford University, была показана регуляция активности FOXOs киназой AKT в составе PI3K/AKT сигнального каскада в ответ на стимуляцию инсулином и IGF-1. Фосфорилирование белков FOXOs киназами AKT и SGK не только препятствует их ядерной транслокации, но и индуцирует их экспорт из ядра, ингибируя, таким образом, их транскрипционную активность. Киназы CK1 и DYRK1A, фосфорилируя FOXOs, также негативно регулируют их активность. Фосфорилирование белков FOXOs по сайту серин-256 приводит к протеосомной деградации через взаимодействие с убиквитин-лигазой skp2. На модели мышиной лимфомы продемонстрировано, что гиперэкспрессия skp2 приводит к полной прекращению экспрессии FOXO1a.

Активирующее фосфорилирование FOXOs осуществляется киназой JNK. Кроме того, JNK непосредственно может фосфорилировать белки 14-3-3, что приводит к высвобождению связанных с ними транскрипционных факторов FOXOs. JNK-зависимое фосфорилирование FOXOs приводит к их транслокации в ядро и усиленной транскрипционной активности. В лаборатории Heidi Tissenbaum из University of Massachusetts показано, что ортолог FOXOs у Caenorhabditis elegans белок DAF-16 также регулируется JNK сигнальным механизмом, что приводит к увеличению продолжительности жизни. Помимо PI3K/AKT и JNK сигнальных каскадов фосфорилирование FOXOs осуществляет киназа MST1. В лаборатории Azad Bonni из Harvard Medical School обнаружили, что MST1 фосфорилирует белки подсемейства FOXO по сайту серин-207. который чрезвычайно консервативен в эволюции и обнаруживается как и у нематоды, так и у человека. В нейронах MSt1, индуцируемая окислительным стрессом, модифицирует FOXO3a, что приводит к высвобождению из комплекса с белками 14-3-3 и ядерной транслокации FOXO3a с последующей активацией экспрессии проапоптотического гена BIM. На модели Caenorhabditis elegans показано, что генетический нокаут ортолога MST1 гена CST1 приводит к ускорению старения и сокращению продолжительности жизни, в то время как гиперэкспрессия CST1, наоборот увеличивает продолжительность жизни и замедляет процессы старения.

Регуляция FOXOs ацетилированием


Обратимое ацетилирование транскрипционных факторов FOXOs соответствующими ко-активаторами и ко-репрессорами представляет собой другой уровень регуляции активности FOXOs. Стрессовые сигналы, в частности окислительное воздействие, усиливают ацетилирование FOXOs. Комплекс белков CBP/p300, модулирующих экспрессию многих генов в клетке, взаимодействуют также и с FOXOs.  В группе доктора Akiyoshi Fukamizu из University of Tsukuba продемонстрировано, что подобная модификация изменяет трансактивационную активность FOXOs. В качестве гипотезы авторы предположили, что CBP активирует FOXO-зависимую транскрипцию, ацетилируя гистоны, окружающие гены-мишени. В то же время непосредственное ацетилирование FOXOs ведет к их транскрипционному ослаблению.

взаимодействия FOXOs и сиртуинов


Деацетилирование FOXOs осуществляется белками сиртуинами, NAD-зависимыми деацетилазами. Взаимодействия с сиртуинами индуцируется окислительным стрессом и приводит к активации генов, вовлеченных в остановку клеточного цикла,  генов, кодирующих антиоксиданты. Вместе с этим происходит негативная регуляция
экспрессии проапоптотических генов. Сиртуины переключают FOXO- обусловленный ответ с апоптоза на остановку клеточного цикла, что соотносится с ролью сиртуинов в выживании клеток. Более того, помимо остановки клеточного цикла в чекпойнтах сиртуины активируют защитные механизмы клетки, индуцируя экспрессию MnSOD и GADD45. Недавно было показано, что SIRT1 регулирует процессы старения и ответа на окислительный стресс в сердце через FOXO- зависимый механизм. В работе  Leonard Guarente из Massachusetts Institute of Technology указывается, что у Caenorhabditis elegans способность SIRT2 увеличивать продолжительсноть жизни непосредственно связана с белком DAF-16, ортологом FOXOs.

Регуляция FOXOs убиквитинилированием


В дополнение к фосфорилированию и ацетилированию транскрипционные факторы FOXOs регулируются необратимым полиубиквитинилированием и обратимым моноубиквитинилированием. Полиубиквитинилирование FOXOs приводит к деградации в протеосомах, и индуцируется сигнальным каскадом PI3K/AKT и, возможно, IkB. В лаборатории Donald J. Tindall из Mayo Clinic College of Medicine идентифицировали фермент, катализирующий полиубиквитинилирование FOXO1- SKP2. Полиубиквитинилирование FOXOs и последующая деградация достаточно медленный процесс, относительно других белков. В лаборатории Boudewijn  Burgering из University Medical Center Utrecht обнаружили новый механизм регуляции FOXOs с помощью обратимого моноубиквитинилирования. Моноубиквитинилирование осуществляется в ответ на окислительный стресс, индуцирует транслокацию FOXOs в ядро и стимулирует транскрипционную активность FOXOs. Деубиквитинилирование осуществляется ферментом USP7, что приводит к блокированию активности FOXOs.

FOXOs и старение

FOXOs и p53


Просуммировав указанное выше в этом компасе, транскрипционные факторы FOXOs координируют процессы остановки клеточного цикла, клеточной смерти, реагируют на внешние стрессы. В общем, недостаток инсулина, глюкозы, или окислительное повреждение приводят к FOXO-зависимой остановке в сверочных точках клеточного цикла, чекпойнтах. Этот позволяет организму (будь то млекопитающее или нематода) пережить неблагоприятный период. В этом функции FOXOs похожи на функции p53, "стража генома". В то время как FOXOs обеспечивают метаболическую стабильность, р53 следит за повреждениями генома. Р53 является всеобъемлющим регулятором клеточных процессов. Поэтому неудивительно, что р53 может как активировать, так и ингибировать FOXOs, в зависимости от ситуации, от состояния клетки. Взаимодействия FOXOs и р53 зависят не только от типа стресса, но и от типа клетки. Вместе с тем существует ряд регуляторных молекул, влияющих одновременно и на FOXOs, и на р53: JNK, SIRT1, USP7.

Продолжительность жизни организма тесно связана с тем, как организм реагирует, борется со стрессами, будь то метаболические, или генотоксические. У короткоживущие животных (Caenorhabditis elegans) метаболические стрессы больше влияют на старение и продолжительность жизни, так как повреждения генома гораздо более опасны в половых клетках и не успевают проявиться, а метаболические повреждения (контролирует FOXOs) одинаковы опасны во всех соматических клетках. У животных с большей продолжительностью жизни ситуация обратная. Для них генотоксические стрессы (контролирует р53) также несут существенную опасность, так как за время их жизни мутации накапливаются, что, с высокой вероятностью, может привести к развитию опухолей и к снижению продолжительности жизни. У человека ценой продолжительной жизни (относительно некоторых других организмов) является как раз вероятность нарушения в процессах обновления и пролиферации клеток.

Система FOXOs-p53 обеспечивает компромисс между продолжительностью жизни и развитием новообразований. Наличие общих регуляторных белков (JNK, SIRT1, USP7) свидетельствует о том, что одни и те же модификации могут оказывать противоположное действие на FOXOs и р53. Например, замедление процессов старения за счет позитивной регуляции FOXOs белком SIRT1 будет скомпенсировано ингибированием активности р53 и, как следствие, возможным развитием опухолей. И, наоборот, увеличение активности р53 белком USP7 приведет к ускорению процессов старения за счет уменьшения активности FOXOs. Таким образом, белок SIRT1 может выступать как онкоген, а белок USP7 как опухолевый супрессор. Активность JNK киназы усиливает функции как FOXOs, так и р53. Однако, вместе с этим, усиление активности JNK приводит не только к повышению стрессоустойчивости организма, но и к возможному развитию диабета, связывая его появление с увеличением продолжительности жизни.

В заключение

Сигнальные каскады, участвующие в регуляции процессов старения (инсулиновый, JNK-киназный, SIRT-деацетилазный) имеют общую мишень - транскрипционные факторы подсемейства FOXO. Данные белки консервативны в эволюции и контролируют экспрессию многих генов, вовлеченных в различные процессы в организме: пролиферация, дифференцировка, апоптоз, реакция на внешние стрессы. Влияя на экспрессию генов-мишеней, FOXOs минимизируют для организма последствия внешних воздействий, активируют защитные механизмы, что, в свою очередь, замедляет процессы старения. Несмотря на большой интерес к функциям и регуляции FOXOs в клетке, некоторые аспекты деятельности этих транскрипционных факторов недостаточно изучены:

1) Альтернативные регуляторные механизмы, влияющие на активность FOXOs.

2) Влияние FOXOs на лекарственную устойчивость при химиотерапии.

3) С чем связана специфичность экспрессии FOXOs в определенных типах клеток?

4) Как меняется экспрессия FOXOs при различных заболеваниях?

5) Роль FOXOs в ответ на другие внешние стрессы (ионизирующая радиация..)

Комментарии

Оставить комментарий

Поделиться с друзьями

Share on Twitter