FoxO

Introduction

Parmi les systèmes protéolytiques il existe plusieurs voies qui vont conduire à une atrophie musculaire qui ne résulte pas simplement d’un effet inverse par rapport à l’hypertrophie Durant les années 2000 les recherches avaient déjà mis en évidence plus de 100 gènes dans les organismes allant de la levure à l’homme qui codaient pour des protéines dites « Forkhead box proteins ». Ces protéines correspondaient  à des facteurs de transcriptions qui jouaient des rôles importants dans la régulation de l’expression des gènes impliqués dans la croissance cellulaire, la prolifération et la différenciation ainsi que la longévité cellulaire. En conséquence de cette identification rapide qui concernait donc une multitude de gènes dits «Forkhead box», il est devenu impératif d’adopter une nomenclature unifiée. En prenant la première et les 2 dernières lettres du terme anglais on a obtenu l’appellation Fox. On peut trouver ainsi des données informatives regroupant tous ces gènes et toutes ces protéines sur le lien ici indiqué

Un arbre phylogénétique a été publié en référence ci-dessous. La mise à jour de cet arbre developmental est consultable sur le lien indiqué pour bien identifier chaque nom des protéines Fox, selon la nomenclature adoptée par le comité sur la famille Fox. .

Aussi les gènes définis comme « Forkhead box gene » vont-ils  jouer une variété de rôles dans le développement normal cellulaire. L’analyse génétique  démontre que tous les membres de cette famille jouent un rôle essentiel dans la régulation de la différenciation et de la prolifération cellulaire, à la fois au cours du développement mais également au stade adulte. C’est ainsi que durant l’évolution cellulaire, il va exister plusieurs voies qui vont conduire à une atrophie musculaire qui ne résulte pas  simplement d’un effet inverse par rapport à  l’hypertrophie. On parle alors plus particulièrement d’une nouvelle voie, la voie « FoxO ».

 

 La voie « FoxO »

 

Au cours de la recherche sur de nouveaux facteurs impliqués dans la transcription des gènes on va progressivement identifier sous le terme de «ForKhead Homologue in Rhabdomyosarcoma = FKHR » un nouveau facteur. En effet l’Insuline en se liant à ce facteur de transcription était capable de bloquer l’activation de sa transcription. Progressivement la voie AKT est également démontrée comme participant à une régulation négative qui implique FKHR comme l’indique l’article en référence. Puis la prolifération des myotubes fut mise en relation avec le facteur FKRH. On va alors codifier ces facteurs Fox particulier en créant la terminologie des facteurs FoxO (=Forkhead box , de classe O). En fait, des études portant sur le facteur DAF-16 (voir article en référence), orientaient la découverte chez l’homme vers la découverte de 3 facteurs orthologues. La première codification en fut alors : « AFX (acute-lymphocyticleukaemia-1 gène fusionné sur le chromosome X), FKHR (Forkhead in rhabdomyosarcoma) and FKHR-L1 (FKHRlike1).

Séquences de la famille FoxOUne nouvelle nomenclature a alors été proposée et cette sous-famille de Fox fut dénommée FoxO (=Forkhead box, facteurs de class O). Alors on eut le facteur  FKHR qui correspondit à  FOXO1, le facteur FKHR-L1 à FOXO3a et le facteur  AFX à FOXO4. Ainsi les facteurs de transcription FoxO furent progressivement recensés comme capables de se lier, en tant que monomère,  à une liaison consensus de la séquence d’ADN : telle par exemple la séquence  nucléotidique TTGTTTAC On trouvera dans le tableau ci-dessous de multiples informations sur les diverses protéines de la famille FoxO chez l’homme . Un tableau résume toutes les données de séquences sur les produits FoxO principaux et on trouvera des données complémentaires sur les lien suivants pour chacune des protéines du tableau respectivement : Q12778 ; O43524 ; P98177 : A8MYZ6

Portrait-robot de FoxO1Un portrait-robot permet de concrétiser l’allure générale d’une protéine FoxO et de situer le domaine dit « ForKHead DNA-binding «, (également comptabilisé comme domaine FKH). Pour illustrer un tel portrait-robot on schématise la forme FoxO-1 qui a un poids moléculaire d’environ 70 kDa. La partie FKH ne se compose que de seulement 77 résidus pour le domaine de la protéine FoxO-1 et on a des liaisons fortes avec le DNA qui vont impliquer plus particulièrement les résidus, 158,165 et 225. Pour plus de détails ci-dessous le chapitre suivant présente une courte description du domaine FKH dans le cadre des protéines FoxO.

Le domaine FKH

Arrangement structural du domaine FKHÉgalement connu comme étant une hélice « en forme d’aile », le domaine Fork-Head va se lier à l’ADN sous forme monomérique. On en trouvera une définition sur le lien indiqué. Ce domaine est en fait trouvé au sein d’une protéine nucléaire que l’on va d’abord détecter  dans l’analyse de l’embryon de Drosophile.  On va ensuite lui donner le nom de domaine FKH. Sur l’illustration suivante le domaine FKH de la protéine FoxO-3 qui possède 94 résidus est présenté avec l’organisation spatiale de la chaîne constitutive avec 3 hélices alpha et 3 feuillets Bêta. On y distingue parfaitement la séquence dite « Wing » qui représente «  l’aile » de la protéine. Une protéine dans laquelle on localise le domaine FKH se trouve impliquée dans de nombreux tissus au sein par exemple de l’embryon de Drosophile.

Dès 1990 on va ainsi pouvoir proposer le  domaine FKH comme d’un nouveau motif capable de lier l’ADN. Son motif central ressemble à celui que l’on va identifier dans les Histones de type 5.  Un tel motif que l’on va trouver dans de multiples protéines va aider à réunir dans une même famille de protéine des entités contenant une version homologue de ce motif comme cela est mentionné dans l’article en référence. Des données supplémentaires vont résulter d’une analyse d’un Crystal réalisé entre le DNA et la protéine FOX1a. La structure détaillée de ce domaine lié à l’ADN en particulier en relation avec une séquence nucléotidique spécifique  est présenté pour la protéine FOXA3, pour les études en cristallographie référencée dans l’article indiqué. Mais il existe cependant  des parties conservées et des zones de divergences qui sont spécifiques des différents types de liaison avec l’ADN et des différentes versions des protéines FoxO considérées.

Comparaison de séquences FKH dans la famille FoxOCi-contre est présentée la séquence primaire de la zone du domaine FKH de la protéine Humaine FoxO3. On y trouve de plus l’arrangement secondaire avec les structures en hélices (H1, H2, et H3, sous forme de cylindres) ainsi que les zones en feuillet bêta (S1, S2 et S3, sous forme de flêches). De plus l’arrangement en structure quaternaire est présenté selon la référence indiquée dans l’illustration. La partie très conservée de cette séquence est indiquée en rouge. Une telle organisation architecturale est en fait une allure générale de toutes les protéines de la famille des protéines référencées comme FoxO comme cela est bien identifié dans l’article en référence qui est indiqué dans cette illustration. Une comparaison des séquences primaires de plusieurs versions de FoxO montre la relative bonne conservation des hélices alpha dont le détail peut être consulté dans la référence figurant sur cette illustration. Ainsi on trouve un alignement relativement conservés de cette zone du domaine FKH liant l’ADN parmi différentes version de la famille des protéines FoxO, comme cela est présenté dans l’illustration ci-contres. On y retrouve en particulier encadré par une ligne rouge la partie conservée du domaine FKH. (Voir article en référence dans l’illustration).Relation domaine FKH et ADN

Pour mieux comprendre la liaison avec l’ADN de ce domaine on parle de la formation d’une prise en pince de l’ADN par le domaine FKH, en ce qui concerne la protéine FoxO3, cela  va impliquer plus particulièrement certains résidus localisés dans l’Hélice 3 et la séquence de la protéine qui suit ce domaine FKH au sein de la protéine FoxO3, ce qui stabilise la liaison à l’ADN. On pourra   trouver plus de détails dans l’article indiqué sur l’illustration présentée ci-dessous qui reprend les informations précises sur les relations entre la séquence particulière de l’ADN concerné,  (= 5’-TGTTTAC-3’), séquence indiquée en couleur orangée dans l’illustration ci-dessous), et les résidus du domaine FKH impliqués.On trouvera des détails sur l’arrangement spatial du complexe FoxO1 et le brin d’ADN sur le site suivant .

 Nouvelle structure de la région FKH de la famille FoxOEn 2008 on disposera des bases structurales encore plus précise pour la reconnaissance du DNA par la protéine FoxO1 . Par ailleurs la séquence des diverses formes de FoxO, présentent un arrangement spatial relativement similaire avec cependant une petite hélice supplémentaire H4 et la comparaison des séquences permet d’établir en un seul schéma un récapitulatif de l’architecture générale de cette famille de protéines avec la présence d’une autre hélice H5 qui figure dans la séquence de FoxO4 par exemple mais également dans d’autres versions de la famille Foxo (voir article original). En 2010 une reprise de l’analyse de la séquence 152-274 de la protéine FoxO1 et sa relation avec l’ADN donne de plus large détails sur un tel assemblage d’une séquence protéique+ et d’une séquence nucléotidique.

Régulation des protéines FoxO

localisation sur la séquence de FoxO des sites de maturationIl existe au sein de la séquence des facteurs de transcription de la famille des protéines FoxO, divers résidus, Tyrosine et /ou Sérine,  qui sont susceptibles d’être phosphoryler.  On va trouver un arbre de cette grande famille de protéines dans la référence suivante. Les sites de phosphorylations sur FoxO3a, par la famille des kinases AKT,  sont indiqués sur le schéma suivant en référence à l’article indiqué. L’ensemble de ces sites d’identification fut totalement confirmé dans l’analyse du Crystal de FoxO3 comme indiqué dans cette référence.  Le schéma suivant donne l’emplacement des résidus (2 Sérines et  1Tyrosine), qui sont sujet à une phosphorylation. De plus les récents travaux sur le type de glycosylation (O-GlcNAcylation)  qui mature la protéine FoxO1 sont maintenant disponible et intégré dans ce schéma.

voies de régulation de FoxOCependant en relation avec  l’illustration précédente la régulation par AKT est de type négatif, et ces différents sites de phosphorylations  impliquent  également d’autres types de régulations qui seront selon les cas l’effet de l’action des kinases  comme PKB et SGK ce qui permet la régulation et de la prolifération des cellules par les protéines de la famille des FoxO. La phosphorylation de FoxO par AKT et SGK se traduit par la séquestration de ces facteurs dans le cytoplasme via  l’interaction avec la protéine chaperonne 14.3.3. Ainsi on trouvera dans le cytoplasme d’une cellule le facteur FoxO sous forme libre dans le cytoplasme, avec une possibilité d’ubiquitination pour la filière de dégradation via le protéasome, ce qui permet de réguler la masse musculaire, (voir illustration figure 3). Un schéma issu de ce travail est présenté ci-contre et indique les voies de régulation et les compartiment ou est distribué la protéine FoxO

Relation hyperthrophie cardiaque et la protéine FoxOMais également sous forme complexé avec la chaperonne 14-3-3. Cette chaperonne retient une forme phosphorylée de FoxO, complexe qui est susceptible d’être transporté dans le cytoplasme et alors spécifiquement le facteur FoxO sera libéré et déphosphorylé dans le cytoplasme. Pénétrant dans le noyau le facteur FoxO subira selon les cas, une acétylation et/ou une phosphorylation. Le facteur FoxO pourra aura pour cible soit l’ADN nucléaire ou sera piégé par la chaperonne 14-3-3. Une illustration résume ces diverses étapes avec incluses les références aux articles principaux démontrant les différents états dans lesquels on retrouve FoxO selon le compartiment cellulaire observé. Avec dans le cœur un contrôle du métabolisme et un rôle évident des phosphatases sur le facteur FoxO et  les phénomènes d’hypertrophie. Un schéma reprend les informations de régulation en retour (feedback) au niveau du cœur et la mise en place d’une hypertrophie via la translation noyau vers cytoplasme de la protéine FoxO.

Des cibles majeures d’interaction de FoxO

 Rapidement il est mis en évidence que la protéine FoxO va inhiber  l’action de  la forme TORC1 dans la cellule. Avec cependant une possibilité de voir également un rôle de ce facteur FoxO  au sein du complexe TORC2. Dans le cas particulier du facteur  FoxO3a et de  BCR-ABL r, il y a possibilité de réguler la transcription de la  cycline de type  D2 L’activation chronique de la kinase (PKB/c-AKT) conduit à un phénomène d’apoptose induite par le stress oxydatif via une surexpression du facteur FOXO3a Ce même facteur FoxO3a sera également susceptible d’induire une différenciation cellulaire dans des conditions spéciales.

 En 2012, une étude propose de Cartographier la zone d’interaction entre  MKP-3 / FOXO1 et d’évaluer l’effet de mutation ciblée sur la néoglucogenèse.  Cette étude avait  pour bût  d’ élucider le mécanisme de l’interaction entre MKP-3 / FOXO1 et d’étudier l’effet sur la production de glucose in vitro ainsi que FOXO1 comme un effecteur en aval de MKP-3 in vivo. Les résultats de cette étude ont montrés que l’activité de phosphatase de MKP-3 est essentielle pour promouvoir la transcription des gènes gluconéogéniques et la production de glucose bien qu’il ne soit pas nécessaire pour MKP-3 pour se lier à FOXO1. En construisant et en exprimant des mutants pour MKP-3 et FOXO1 , les résidus critiques pour la médiation de l’interaction entre MKP-3 / FOXO1 ont été identifiés. Une étude la même année analyse les espèces réactives de l’oxygène et leurs impacts sur l’expression cardiaque NaV1.5 t via la protéine Foxo1. Il est également  mis en évidence que la Protéine FoxO1 est nécessaire pour la mise en place des lignées de cellules endothéliales du myocarde, mais pas au cours du développement cardiovasculaire.

En 2013, la protéine SIRT1, en bloquant l’activité de facteurs de transcription FoxO1 et  FOXO3, inhibe l’atrophie musculaire et favorise la croissance musculaire. La protéine Foxo1 en concentration élevée dans le noyau va  supprimer les propriétés d’excitabilité des fibres musculaires squelettiques. Cette même protéine FoxO1 est cruciale pour le maintien du métabolisme des cardiomyocytes et la survie cellulaire en général.

Rôle de FoxO

Pour être plus complet sur ce chapitre il est intéressant de consulter plusieurs récentes revues en français sur la voie de signalisation particulière que représente la voie « Insuline-FoxO ». On y trouve des schémas sur l’implication de FoxO dans le cadre des cellules souches et de la longévité cellulaire, les facteurs de transcription FoxO se trouvent ainsi transportés dans le noyau des cellules où ils induisent l’expression de gènes impliqués dans la détoxification des ROS (=espèces réactives à l’oxygène) et participent ainsi à la réparation des dommages sur l’ADN, ce qui a pour résultat d’accroitre la durée de vie. Actuellement les facteurs de transcription FoxO apparaissent comme ayant un rôle à multifacettes. Cela rentre bien évidemment  dans l’homéostasie métabolique du cœur  et on va donc impliquer les facteurs FoxO dans le vieillissement cardiaque. Mais un rôle des facteurs de transcription FoxO est conçu comme ayant un pouvoir sur la maintenance des cellules souches ce qui représente bien sur une clé importante dans les visées actuelles à perspectives thérapeutiques utilisant ces cellules pluri et/ou Totipotentes, avec en particulier le facteur FoxO1 comme régulateur spécifique des cellules souches d’embryons humains.

Les facteurs de transcription FoxO sont également des régulateurs de l’homéostasie immunitaire. Ils sont ainsi impliqués dans plusieurs voies de la cascade des Caspases. La régulation de FoxO1 va alors impliquer de nouveaux sites de phosphorylation comme cela est indiqué dans la figure 2 de l’article en référence. De plus les facteurs de transcription FoxO sont aussi impliqués dans la régulation métabolique de la cellule. Les facteurs (FoxO1 et FoxO3), contribuent ainsi au remodelage du muscle cardiaque et à la voie de signalisation impliquant l’insuline.  La régulation du stockage de l’énergie via le tissue adipeux et son utilisation impliquent également l’intervention du facteur FoxO1.

Régulation FoxO via l'AtrogineAinsi il est démontré que la voie de signalisation PDK-1/FoxO1 permet de réguler via  les neurones l’expression et la prise alimentaire. Par ailleurs il apparait que la protéine dite Atrogine de type-1  augmente l’activité transcriptionnelle des facteurs FOXO en stimulant une voie non-canonique d’ubiquitination de la protéine FoxO. La figure 2 de l’article en référence illustre bien ce type d’action stimulante de l’Atrogine (Consuter également les nombreuses illustrations didactiques de ce travail) . La figure citée plus haut est reprise ici pour illustrer le rôle important de la protéine FoxO dans la cellule.

En 2011, on va  observer  également un rôle prépondérant de la Protéine Foxo durant le développement embryonnaire chez la souris. Puis progressivement la Protéine FoxO est conçue comme étant le chef d’orchestre pour une bonne gestion de l’énergie produite dans la cellule  et le schéma ci-contre résume la situation pour FoxO comme régulateur de l’énergie cellulaire.

 FoxO1 régulateur du métabolisme énergétiqueEn 2012, un nouveau statut pour la protéine FoxO1, elle est considérée comme la protéine qui joue le rôle de chef du personnel de la transcription et du métabolisme énergétique de la cellule Un tel rôle est schématisé ci-contre dans un diagramme résumant cette situation.

La même année, on détermine que la  surexpression de FoxO1 dans l’hypothalamus et le pancréas provoque l’obésité et l’intolérance au glucoses.
Puis on découvre que la protéine FOXO3 induit une autophagie sous la dépendance de  FOXO1 via l’activation de la voie de signalisation qui implique les phosphorylation sous le contrôle de la Kinase  AKT1.

Les protéines FoxO et la Pathologie

 Les facteurs de transcription FoxO sont impliqués dans le processus de nécrose musculaire. Les protéines FoxO sont capables d’inhiber la prolifération vasculaire des cellules musculaires lisses et conduisent à une hyperplasie de la zone néo-intima de la paroi des vaisseaux. Les voies de régulation impliquant la cascade  IGF-1/PI3K/Akt  permettent de moduler l’atrophie musculaire.

En particulier la souris transgénique pour FoxO1 présente une masse musculaire plus faible que la souris sauvage. Ainsi on observe si le facteur FoxO1 est activé une implication dans la pathogenèse de la Sarcopénie, une baisse liée à l’âge de la masse musculaire chez les humains, ce qui va conduire à un profil d’obésité et là un  diabète. Mais il y a des cas d’hypertrophie cardiaque impliquant les facteurs de transcription FoxO suite à une  inhibition de la signalisation par la Calcineurine.
C’est par ailleurs un bilan sur la fonction cardiaque normale et pathologique qui permet de dresser  une corrélation évidente de l’implication des protéines FoxO dans la physiologie du cœur.
Dès 2007 les protéines FoxO sont identifiées comme des cibles pour traiter les cancers. Dans les cas de cancer de la prostate les protéines FoxO régulent la nécrose des tumeurs. Ainsi progressivement les protéines FoxO prennent un rôle majeur dans le développement des cancers au niveau des cellules bêta pancréatiques.

De plus dans le cancer gastrique c’est l’étape de phosphorylation de la protéine Foxo1A qui semble avoir une grande importance au cours de son évolution.En conséquence, actuellement la cible de traitement des cancers passe dans certain cas par l’axe que constitue le  tandem AMPK-FoxO3A comme cela est largement illustré en couleur dans l’article en référence. Tous les aspects du rôle et de l’importance de ces protéines FoxO dans divers types cellulaires  sont analysés dès 2007 comme étape ultime vers une pathologie comme un cancer dans l’article en référence.

En 2010 un travail rapporte que la protéine FoxO est susceptible d’ inhiber  l’action de  la forme TORC1 dans la cellule Puis durant l’année 2011, on aura également des revues en français plus anciennes sur les multiples actions des facteurs de transcription FoxO, mais également un bilan entre les réponses au stress et la possibilité de vie éternelle en maitrisant de tels facteurs. . Ainsi  pour le métabolisme des lipides (cas hépatique) les analyses démontrent l’importance de la cible  FoxO1. Tandis que pour ce qui concerne les muscles cela sera plutôt FoxO3 en particulier au niveau cardiaque comme l’indiquent  les études chez la souris Mais, un large bilan sur l’activité biologique des facteurs FoxO est disponible dans la référence indiquée. Avec de plus l’implication dans les cancers des protéines FoxO qui est dressée dans une récente revue indiquée ici (bilan de 2011).

Mutations sur la séquence de FoxO1En 2013, un travail réalise le bilan sur toutes  les mutations connues de FOXO1 qui provoquent des  lymphomes diffus  à grandes cellules B. Un tel travail est résumé dans le schéma suivant ou l’on retrouve ces divers résidus mutés en relation avec le portrait-robot de FoxO1.

Régulation des voies de signalisation impliquant FoxO1En  2014, c’est une analyse complète de la relation entre la protéine  FOXO3a et la progression de la maladie que cela entraîne. Par ailleurs un autre bilan est réalisé sur la régulation de l’entité TGF-Bêta et la protéine FoxO1.Il est aussi publié un travail sur la modulation des récepteurs d’androgènes par les facteurs de FOXA1 FOXO1 et la possible relation avec le cancer de la prostate. Dans ce même numéro une analyse plus général sur  gènes FoxO et la réponse immunitaire est résumée en regard des connaissances acquises. Une analyse détaillée de la protéine FoxO1 est réalisée comparativement chez une  souris dénervée atrophique et hypertrophique. Les  facteurs de transcription FoxO jouent un  rôle dans le maintien de l’homéostasie musculaire du muscle squelettique. Par ailleurs, FoxO1représente un partenaire important dans un réseau dynamique de facteurs de transcription qui orchestrent la différenciation des cellules B et leurs  spécialisations. Dans le travail en référence  les mécanismes moléculaires de la transduction du signal  via PI3K-AKT-est mis à jour  et leurs impacts sur le développement précoce des cellules B, sur homéostasie des lymphocytes B et sur  la différenciation terminale de ces cellules est illustré par un schéma présenté ci-contre qui reprend les informations du travail cité plus haut.

Puis en  2015 on aborde la la voie de signalisation entre SIRT1 et Foxo1   et sa modulation  par le Resveratrol. Cela est analysé au regard des implications que cela provoque dans le vieillissement musculaire et la résistance à l’insuline. Il est alors découvert qu’une inhibition des protéines FoxO1 et/ou FoxO3 est susceptible de provoquer une calcification vasculaire (Voir détail dans l’article en référence).

En conclusion

Pour suivre l’évolution des connaissances sur la famille de protéine FoxO il existe des banques de données récentes qui sont  automatiquement mises à jour qui répertorient :

A)   La famille des « FoxO » avec son lot de références historiques.

B)      Les principales maladies actuellement connues qui résultent d’une mutation ou d’un défaut dans la protéine considérée (avec des références associées).

Protéine : FORKHEAD BOX O1A; FOXO1A

Pathologies associées: RHABDOMYOSARCOMA 2; RMS2


Protéine: 
FORKHEAD IN RHABDOMYOSARCOMA-LIKE 1; FKHRL1; FOXO3;

Protéine :  FORKHEAD BOX O4; FOXO4

Pathologies associées: aucune identification à ce jour.