Foxo1在肥胖相關下丘腦炎癥中的作用及其機制

劉 爽， 曲 伸

(同濟大學附屬第十人民醫院內分泌科,上海 200072)

下丘腦是調節攝食和能量平衡的中樞。其中，弓狀核中的神經肽 Y(neuropeptide Y, AgRP)/刺鼠相關肽(agouti-related peptide, NPY)和POMC/CART神經元能夠感知并整合機體營養和激素信號，在胰島素和瘦素的刺激下分泌促食欲性和厭食性神經肽以保證能量穩態[1]。已知肥胖可誘發包括下丘腦在內的全身慢性低度炎癥，導致許多共病的發生[2]，而中樞炎癥也會導致肥胖和代謝失衡，兩者互為因果，形成惡性循環，導致肥胖的發生發展并且難以逆轉。另有研究發現，高脂飲食(high fat diet, HFD)誘導的下丘腦炎癥先于體質量增加和外周組織炎癥發生，表明下丘腦炎癥可能是肥胖發生的啟動因素和助燃器[3]，因此，在肥胖的干預和治療過程中，抑制中樞炎癥的發生、發展，尋找抗炎靶點可能是臨床上的治療策略之一。

Foxo1是一種核轉錄因子，其在胰腺、肝臟和脂肪組織中調節脂質和葡萄糖的作用已被公認[4]，但在CNS中的表達以及在肥胖癥中的潛在作用仍未得到系統研究。近期研究發現，Foxo1在下丘腦ARC的阿片黑素細胞皮質激素(proopiomelanocortin, POMC)和AgRP神經元中大量表達，是瘦素和胰島素級聯反應中的重要轉錄因子[5]。此外，Foxo1在小膠質細胞介導的下丘腦炎癥中也發揮著關鍵作用。因此，本文綜述了下丘腦炎癥在肥胖癥發生中的作用以及Foxo1的中樞調控及作用機制。

1 下丘腦調控體內能量平衡

下丘腦是調節進食行為和能量平衡的關鍵腦區[1]。下丘腦的弓狀核(arcuate nucleus, ARC)、室旁核(paraventricular nucleus, PVN)和外側區(lateral hypothalamic area, LH)是控制攝食的中樞，其中ARC是調節攝食的“一級中心”[6]。ARC臨近第三腦室和正中隆起，該部位的伸長細胞具有特殊的極性和屏障特性，使得外周物質能更快進入ARC。因此，該區域的神經元可以感知機體的營養狀態，并整合來自外周激素的信號，以調節熱量攝入、葡萄糖代謝和能量消耗[7]。ARC中有兩組功能相互拮抗的神經元: 共表達促食欲性NPY和AgRP的AgRP/NPY神經元，以及共表達厭食性前POMC和可卡因-苯丙胺調節轉錄肽(cocaine- and amphe-tamine-regulated transcript, CART)的POMC/CART神經元，它們共同構成黑皮質素系統[8]。POMC和AgRP神經元軸突投射到位于PVN和LH的“二級中心”，并競爭性地調節這些核團的活動。它們進一步處理來自ARC的信息，并投射到下丘腦外的多個神經回路，參與調控能量的攝入和消耗[6,8]。

在進食狀態時，厭食性POMC/CART神經元表達POMC作為前體蛋白，依賴于前激素轉換酶的細胞類型特異性表達模式，被加工成不同的生物活性產物[9]。其中包括黑素細胞刺激素(α-,β-, and γ-melanocyte-stimulating hormoneα-,β-和γ-MSH)。α-和β-MSH作用于PVN上的黑素皮質激素受體(melanocortin-3 and -4 receptors, MC3R/MC4R)，抑制攝食并增加能量消耗。在禁食狀態時，促食欲性AgRP/NPY神經元釋放NPY和γ-氨基丁酸，分別與MC4R結合并抑制POMC神經元，從而刺激攝食和降低能量消耗[10]。

2 下丘腦炎癥與肥胖

圖1 HFD引起下丘腦炎癥和肥胖的機制Fig.1 Mechanism of hypothalamic inflammation and obesity induced by HFD

雖然多項研究已證實了下丘腦炎癥的作用，并在小鼠和人類中均觀察到了高脂飲食相關的代謝應激及下丘腦炎癥反應[16-18]，但具體機制仍不十分清楚。目前公認的參與下丘腦炎癥的介質是營養成分，細胞因子，趨化因子，黏附分子，免疫/炎癥細胞和細胞內事件(如內質網應激，氧化應激，自噬失調)[19]。脂肪是誘發下丘腦炎癥的主要物質，長鏈飽和脂肪酸(如棕櫚酸鹽和硬脂酸鹽)能夠穿過血腦屏障在下丘腦積聚，通過Toll樣受體4(Toll-like receptor 4, TLR4)和受體分子髓樣分化初級反應基因88(MyD88)激活炎癥IKKβ/NF-κB級聯反應，導致下丘腦中促炎基因表達[20-21]，從而誘導下丘腦炎癥，以及下丘腦對瘦素和胰島素敏感性的降低，即瘦素/胰島素抵抗[22]，這個機制對目前的生酮飲食提出了挑戰。

3 Foxo1在下丘腦炎癥中的調控作用

Foxo1是Foxo蛋白家族中的核轉錄因子，在肝臟、胰腺、骨骼肌和脂肪組織等調節能量穩態的組織中高度表達[4]，是胰島素抵抗發生中的關鍵轉錄因子，并參與了調控細胞周期阻滯、DNA損傷修復和氧化應激抑制等生物學過程，對機體發育、代謝和細胞存活至關重要[23]。Foxo1在中樞中的表達及其作用研究起步較晚，近年發現，Foxo1在下丘腦ARC的POMC和AgRP神經元中大量表達，同時也是整合瘦素和胰島素信號的代謝傳感器[5]，見圖2。Foxo1受翻譯后修飾的控制，包括磷酸化、乙?；头核鼗?，它們決定了Foxo1在各種組織中的亞細胞定位、DNA結合特性和轉錄活性。其中，Foxo1的磷酸化在調節其易位和活性中發揮主要作用，磷酸化的Foxo1被排出細胞核外并抑制轉錄活性[24]。已有大量研究證明Foxo1與肥胖個體內臟脂肪組織中的胰島素抵抗和肝糖代謝密切相關[25-26]，但關于其在下丘腦炎癥中的表現及在肥胖癥中的潛在作用尚未得到深入研究。

圖2 Foxo1在下丘腦炎癥中的調控作用Fig.2 The regulatory role of Foxo1 in hypothalamic inflammation

3.1 Foxo1與胰島素和瘦素

下丘腦控制攝食主要是通過胰島素和瘦素之間的相關作用來實現，它們的表達水平和作用強度與體內脂肪的儲存和分布相關。能量過剩時，循環胰島素和瘦素增加，通過血腦屏障與胰島素和瘦素受體結合，這兩種受體在POMC和AgRP神經元中高度表達[27]。雖然瘦素和胰島素的主要信號轉導途徑不同，但它們對體質量維持具有相似的生物學效應，抑制AgRP神經元并刺激POMC神經元，從而減少能量攝入并增加能量消耗[28-29]。

高脂飲食改變了瘦素和胰島素的下丘腦反應及其敏感性，誘發瘦素和胰島素抵抗，從而導致食欲過盛和肥胖[30]。同時，高脂飲食導致POMC和AgRP神經元中的炎癥信號通路(TLR4、Myd-88、JNK、和IKKβ/NF-κB)激活，損傷瘦素和胰島素信號通路(JAK2-STAT3信號轉導和PI3K-Akt信號轉導)，從而阻礙了這些神經元對代謝信號的感知和能量穩態的調節[13,31]。

3.1.1 Foxo1與胰島素 最初Foxo1是作為胰島β細胞、脂肪細胞和肝細胞等多種細胞的胰島素信號轉導的主要轉錄介質被發現的[4]。而在下丘腦中發現Foxo1可以增加食物攝入，Foxo1通過調節ARC中AgRP和POMC神經元中的關鍵啟動子來調節能量消耗、食物攝入和葡萄糖穩態[5]。Foxo1可以抑制POMC神經元中抑制羧肽酶E(Cpe)的表達，減少POMC來源的厭食性α-MSH的產生，從而增加食物攝入量[5]。在AgRP神經元中，Foxo1影響進食行為和胰島素調節肝葡萄糖的能力[32]。

正常狀態下，Foxo1定位于細胞核中，具有轉錄活性。攝食期間，循環胰島素以受體依賴性方式穿過血腦屏障到達下丘腦，激活具有內源性酪氨酸激酶活性的胰島素受體及其下游通路，并誘導Foxo1磷酸化，使Foxo1從核內轉移至細胞質并喪失轉錄活性，從而使胰島素降低Foxo1誘導的AgRP的表達，并解除對POMC表達的抑制[33]。相反，禁食期間，Foxo1在AKT位點去磷酸化，進入細胞核中并被激活，促進下丘腦內NPY/AgRP的轉錄并減少POMC來源的厭食性α-MSH的產生[34]。因此，Foxo1的中樞作用主要是依賴于胰島素的中樞作用，通過下丘腦AKT/Foxo1通路來調節攝食。

小鼠體內研究顯示，抑制下丘腦中由AKT直接磷酸化的Foxo1可減少食物攝入，減輕體質量，而激活Foxo1則會增加攝食，升高體質量[32]。INS2作為胰島素的增敏劑，可以通過調節下丘腦神經元中的AKT/Foxo1通路下調AgRP的表達并上調POMC的表達，從而減少食物攝入[35]。另有研究發現，AKT/Foxo1信號傳導抑制POMC表達可使肉雞過度進食而快速生長[36]，這和之前報道的肉雞中樞胰島素抵抗的結果一致[37]。高脂飲食誘導的胰島素抵抗使大鼠的下丘腦Foxo1磷酸化受損，增強了核Foxo1活性，從而引起過度進食，而腦室內微量灌注Foxo1反義寡核苷酸(Foxo1-ASO)可顯著降低Foxo1的表達，從而減少大鼠的食物攝入量、體質量增加量、附睪脂肪墊重量和空腹血清胰島素水平，并增加胰島素敏感性[38]?？筂STN多克隆抗體可以通過調節PI3K/AKT/mTOR&Foxo1信號通路逆轉飲食誘導的肥胖大鼠的胰島素抵抗[39]。因此，下丘腦Foxo1的靶向干預可能用于預防或治療肥胖及胰島素抵抗。目前大部分研究局限于干預Foxo1對飲食和體質量的影響，關于其對中樞炎癥的影響尚未得到深入研究。

3.1.2 Foxo1與瘦素 下丘腦ARC是瘦素作用的主要靶點。瘦素穿過血腦屏障與ARC瘦素受體結合，激活多個信號通路，其中JAK2-STAT3通路在控制能量穩態中至關重要。瘦素激活JAK2后導致STAT3的磷酸化，STAT3移位到細胞核中與POMC和AgRP啟動子結合，刺激POMC并抑制AgRP的表達，從而抑制進食[40]。研究表明，在高脂飲食的肥胖者中，雖然循環瘦素增加，但由于增加的Foxo1在細胞核內與STAT3結合，阻止STAT3與POMC啟動子結合，從而抑制STAT3介導的瘦素作用，使得機體對增加的瘦素沒有反應，即肥胖小鼠的瘦素抵抗[41]。當腺病毒顯微注射使Foxo1在大鼠下丘腦過表達時，瘦素調控攝食和抑制AgRP表達的功能喪失[33]。

此外，PI3K信號通路也是瘦素作用的重要靶點。瘦素激活PI3K，從而誘導PIP2合成PIP3[42]。PIP3的積累導致PDK1活化，從而激活AKT，在這里PI3K/PDK1/PKB-FoxO1信號軸整合瘦素和胰島素信號，以調節POMC和AgRP的分泌。Foxo1作為這些激酶的下游靶點，在神經元中被磷酸化并失活，從而促進POMC轉錄并抑制AgRP轉錄[43]。研究表明，除POMC和AgRP神經元之外，在其他表達瘦素受體的神經元中，胰島素也通過抑制Foxo1信號發揮作用[44]。

綜上所述，Foxo1是胰島素和瘦素信號的共同效應子，瘦素信號通過與Foxo1競爭來抑制食物攝入，而胰島素信號通過負向調節Foxo1來抑制食物攝入[5]。

3.2 Foxo1與小膠質細胞及炎癥反應

神經膠質細胞是CNS中的穩態調節器，通過為神經元提供代謝支持而發揮重要作用。多項研究表明神經膠質細胞參與了HFD誘導的下丘腦炎癥的早期階段[3,45-46]。因為在體質量增加之前，HFD短期喂養的小鼠下丘腦中就觀察到了神經膠質細胞反應，即星形膠質細胞和小膠質細胞響應腦損傷的募集、增殖和形態轉化過程[47-48]。

研究發現，Foxo1在帕金森病小鼠模型中過表達，并加劇了MPP+誘導的神經元損傷和小膠質細胞炎癥，表現為炎癥因子和磷酸化NF-κB的上調，以及NLRP3炎性體的激活，而miR-615-3p過表達可以減弱Foxo1上調的影響[49]，這與之前在人類腰椎黃韌帶細胞中的研究結果一致[50]。此外，黃芩苷(從黃芩的根中提取分離出的一種黃酮類化合物)可通過增加PI3K、AKT和Foxo1的磷酸化，導致Foxo1核轉位和轉錄活性抑制，從而抑制小膠質細胞中TLR4的表達改善由LPS觸發的神經炎癥[51]。同樣，組胺2/3受體激動劑[amthamine/(R)-(-)-α-methylhistamine]通過激活PI3K/AKT/Foxo1信號通路抑制小膠質細胞的活化，改善老年大鼠圍手術期神經認知障礙[52]；鋰通過激活PI3K/AKT/Foxo1通路抑制TLR4的表達，改善LPS誘導的小膠質細胞活化，從而在神經退行性疾病期間發揮神經保護作用[53]；CD73可通過激活PI3K/AKT/Foxo1信號通路，介導成孔蛋白GSDMD，抑制脊髓損傷后的小膠質細胞焦亡[54]；腦多巴胺神經營養因子(cerebral dopamine neurotrophic factor, CDNF)通過與AKT結合抑制Foxo1/mTOR信號轉導，從而在小膠質細胞的神經炎癥中發揮保護作用[55]。這些研究表明，Foxo1在小膠質細胞介導的不同神經炎癥中發揮關鍵作用。然而，目前尚無Foxo1與肥胖相關神經炎癥的直接報道，因此迫切需要深入研究其在肥胖癥中的作用，這可能為肥胖癥帶來新的治療策略。

研究表明，miR-378轉基因小鼠可以通過miR-378-Akt1-FoxO1-PEPCK途徑激活骨骼肌中的丙酮酸-PEP無效循環，增加脂肪組織中的脂肪分解，有助于協調肌肉和脂肪之間的相互作用，以控制小鼠體內的能量穩態。因此，miR-378可能是預防和治療肥胖的一種有前景的藥物[56]。中、低劑量的阿托伐他汀可以通過調節SIRT1的活化及其下游Foxo1的乙?；?，減少氧化應激及抑制炎癥，從而顯著減輕HFD誘導的認知障礙[57]。23-EPI-26-Deoxyactein(DA)通過激活AMPK信號傳導和SIRT1-FOXO1途徑促進小鼠脂肪細胞脂解，從而表現出有效的抗肥胖活性[58]。

4 展 望

肥胖及相關疾病對公共健康構成的威脅越來越大。然而，目前很少有臨床藥物能長期維持體質量減輕，減重手術雖然有效但具有高度侵入性，適用范圍有限。越來越多的證據表明，中樞調控及炎癥在肥胖發生發展中起了關鍵作用。因此，迫切需要進一步破譯導致能量穩態失調的中樞機制。這可能為開發新的治療策略奠定基礎。核轉錄因子Foxo1在中樞的食欲調控及炎癥發生中都起了一定的作用，參與了腦內胰島素及瘦素的調控作用，對中樞能量穩態調控起了關鍵作用。因此，干預Foxo1的中樞作用靶點可以起到既控制代謝又抑制炎癥的雙重優勢，值得進一步研究。