Email this article Expression of FOXO1, FOXO3 and BECN1 genes in peripheral blood leukocytes in chronic course of pulmonary sarcoidosis
- Authors: Malysheva I.E.1, Balan O.V.1, Tikhonovich E.L.2
-
Affiliations:
- Institute of Biology of the Karelian Research Centre of the Russian Academy of Sciences
- V.A. Baranov Republican Hospital
- Issue: Vol 15, No 3 (2025)
- Pages: 582-586
- Section: SHORT COMMUNICATIONS
- Submitted: 28.01.2025
- Accepted: 18.05.2025
- Published: 15.09.2025
- URL: https://iimmun.ru/iimm/article/view/17856
- DOI: https://doi.org/10.15789/2220-7619-IOF-17856
- ID: 17856
Cite item
Full Text
Abstract
Among the FOXO (Forkhead box O) family proteins, which are the most studied and widely represented in various human organs and tissues, transcription factors FOXO1 and FOXO3 are of special importance. Numerous studies evidence about their crucial role in maintaining cell metabolism and homeostasis, as well as in the pathogenesis of various pathological conditions. The involvement of the FOXO-signaling pathway in the pathogenesis of pulmonary sarcoidosis is also confirmed by RNA sequencing data. FOXO activation is related to the regulation of autophagy processes, the disruption of which is noted in pulmonary sarcoidosis, a systemic immunoinflammatory disease of unknown etiology, characterized by the formation of epithelioid cell granulomas in various organs, primarily in the lungs. The study was aimed at investigating expression of FOXO1, FOXO3 and BECLN1 genes in peripheral blood leukocytes from patients with chronic pulmonary sarcoidosis compared with apparently healthy donors (control). It is shown that the expression of transcription factors FOXO1 and FOXO3 genes is significantly higher in peripheral blood leukocytes (PBL) from patients with pulmonary sarcoidosis stage II, with chronic course (stabilization of the condition), in the absence of therapy compared to the control (p < 0.01 and p < 0.001). The PBL BECN1 gene mRNA level from patients with chronic pulmonary sarcoidosis is also higher compared to control group. Correlation analysis revealed a close positive relation between the expression of FOXO1, FOXO3 and BECN1 genes, with Spearman rank correlation coefficients comprising 0.69 (FOXO1/BECN1) and 0.61 (FOXO3/BECN1) (p = 0.0002 and p = 0.0016, respectively). Thus, in stage II pulmonary sarcoidosis patients without therapy, FOXO1/3 activation is likely associated with upregulated BECN1 gene expression encoding the autophagy protein BECLIN1 (ATG6). Numerous molecular genetic markers that contribute to the risk of pulmonary sarcoidosis have been identified. Studying the underlying molecular mechanisms is essential to better understand the disease pathogenesis not only allowing to gain insight into the clinical symptomatology but also to predict the disease outcome. In addition, increased knowledge on pathogenesis contributes to developing more targeted, effective and safe treatment methods for pulmonary sarcoidosis, taking into account individual characteristics of each patient’s health status.
Full Text
Введение
Транскрипционные факторы семейства Forkhead box O (FOXO) принимают участие в контроле широкого спектра клеточных процессов. Это эволюционно-консервативные белки, являющиеся ключевыми компонентами множества сигнальных путей в клетке. Они принимают участие в активации/ингибировании транскрипции нижестоящих генов-мишеней, играя важную роль в регуляции пролиферации, дифференцировки, апоптоза, роста и старения клеток и других внутриклеточных процессов [3, 14]. Белки FOXO локализуются в ядре клетки (активируют транскрипцию генов-мишеней) и перемещаются в цитоплазму под действие регуляторных механизмов [7, 9]. Их активность регулируется посттрансляционными модификациями, включая фосфорилирование, ацетилирование и убиквитинирование [14]. Показано, что белки FoxO участвуют в поддержании иммунного гомеостаза и регуляции иммунных реакций. Они играют важную роль в развитии и функционировании регуляторных Т-клеток, регуляции развития и созревания T- и B-лимфоцитов, а также других лейкоцитов [12]. Среди белков семейства FoxO, наиболее изучены и широко экспрессируются в различных органах и тканях человека белки FOXO1 и FOXO3 [14]. Показана их значимая роль в регуляции воспалительного ответа. Указанные белки способствуют повышению экспрессии генов провоспалительных цитокинов, Toll-подобных рецепторов [14].
В настоящее время установлено, что транскрипционные факторы FOXO вовлечены в патогенез многих заболеваний, в том числе саркоидоза (болезнь Бенье–Бека–Шаумана). Это системное иммунновоспалительное заболевание неустановленной этиологии, характеризующееся образованием эпителиоидно-клеточных гранулем в различных органах, преимущественно в легких. Результаты эпидемиологических исследований и использование мышиных моделей гранулематозного заболевания свидетельствуют о значимой роли инфекционных агентов (микобактерии, пропионобактерии) в этиологии саркоидоза легких [1, 4]. В работе Чжао и соавт. отмечено, что сигнальный путь FOXO вовлечен в патогенез данного заболевания [15]. По данным литературы, транскрипционные факторы FOXO участвуют в регуляции и дисрегуляции аутофагии [15]. Этот процесс имеет важное значение для поддержании клеточного гомеостаза, посредством удаления из клеток поврежденных органелл, агрегированных белков, внутриклеточных патогенов [2, 6]. Транскрипционные факторы FOXO (в частности, FOXO1 и FOXO3) хорошо известны как важнейшие индукторы аутофагии. Активация FOXO связана с повышением экспрессии генов аутофагии, что также регулируется белком аутофагии BECLIN 1 (Atg6). BECLIN 1 связывается с макромолекулярным комплексом, который активирует аутофагию. По данным литературы, нарушение процесса аутофагии имеет место при саркоидозе [2]. Цель настоящего исследования заключалась в изучении экспрессии генов FOXO1, FOXO3 и BECLN1 в ЛПК крови больных саркоидозом легких с хроническим течением заболевания и у здоровых людей.
Материалы и методы
Обследовано 44 человека (20 больных с хроническим течением саркоидоза легких, II стадия заболевания (средний возраст — 42,11±2,21)) и 24 человека из группы контроля (условно здоровые доноры) (средний возраст — 43,03±1,84). Диагноз саркоидоз легких установлен в соответствии с критериями на основе клинико-рентгенологических и лабораторных изменений. Саркоидоз у всех пациентов (100%) был верифицирован гистологически на основании исследования биоптата. Больные саркоидозом легких со стабильным течением, при отсутствии активности данного заболевания находились без терапии и не получали других видов лечения на момент проведения исследования. От всех пациентов было получено информированное согласие до проведения исследований. Критерии исключения из исследования: наличие сахарного диабета, выраженные нарушения функции внутренних органов, а также перенесенные в последний месяц инфекционные заболевания, курение табака, беременность и лактация, алкогольная зависимость, индекс массы тела ≥ 30 кг/м. Работа была выполнена с соблюдением этических норм согласно критериям Всемирной ассоциации медицинских редакторов (The World Association of Medical Editors — WAME) и одобрено локальным этическим комитетом ГБУ3 «Pеспубликанская больница им. В.А. Баранова» г. Петрозаводска, протокол № 165 от 02.11.2023 г. Пробы периферической крови использовали в качестве материала для исследования.
Из лейкоцитов крови выделяли тотальную РНК, с помощью реагента для выделения РНК PureZol (Bio-Rad). Синтез кДНК осуществляли с помощью набора «MMLV RT kit» (Евроген, Россия). Уровень транскриптов генов FOXO1, FOXO3, BECN1 в ЛПК оценивали c помощью полимеразной цепной реакции в режиме реального времени (ПЦР-РВ), используя наборы «qPCRmix-HS SYBR» (Евроген, Россия). Гены 18sRNA и RPL19 были выбраны в качестве референсных. Для каждого образца ПЦР-РВ проводили не менее трех раз. Конструирование праймеров осуществляли в программе Beacon Designer 5.0. Нуклеотидная последовательность праймеров представлена в табл.
Таблица. Нуклеотидная последовательность праймеров для ПЦР-РВ
Table. Nucleotide sequence of primers for RT-PCR
Ген (№ в NCBI) Gene (No. in NCBI) | Праймер Primer | Последовательность праймера 5'→3' Primer sequence 5'→3' | Источник Source |
18sRNA (NR_145819.1) | Прямой Forward | agaaacggctaccacatcca | Pinto et al., 2010 |
Обратный Reverse | caccagacttgccctcca | ||
RPL19 (NM_000981.4) | Прямой Forward | aatcgccaatgccaactc | Собственный дизайн Own design |
Обратный Reverse | ccttccgcttacctatgc | ||
FOXO1 (NM_002015.4) | Прямой Forward | aacagccaccactctatcatc | Собственный дизайн Own design |
Обратный Reverse | gcaccaagttcagttacatacc | ||
FOXO3 (NM_001455.4) | Прямой Forward | tgagtgagaggcaatagcatac | Собственный дизайн Own design |
Обратный Reverse | agcacctatacagcaccataac | ||
BECN1 (NM_004849.4) | Прямой Forward | gctgccgttatactgttctgg | Собственный дизайн Own design |
Обратный Reverse | cctcctgtgtcttcaatcttgc |
Статистическая обработка данных проведена в программе StatGraphics Centurion XVI версия 16.1.11. Достоверность различий уровня транскриптов гена между группами оценивали с помощью непараметрического критерия U Вилкоксона–Манна–Уитни. Различия считали достоверными при p < 0,05
Исследования выполнены на научном оборудовании Центра коллективного пользования Федерального исследовательского центра «Карельский научный центр Российской академии наук».
Результаты и обсуждение
Представителей семейства FOXO объединяет наличие в структуре белков высококонсервативного ДНК-связывающего домена Forkhead (FKH). В его составе есть уникальная вставка из пяти аминокислотных остатков, что делает их более дивергентной группой белков семейства Fox [10]. FoxO являются нижестоящими мишенями сигнального пути фосфоинозитид-3-киназы (PI3K)/Akt и играют важную роль в регуляции клеточного цикла, включая пролиферацию, рост, апоптоз, экспрессию белков-антиоксидантов и белков аутофагии [5]. Согласно результатам исследований, в ЛПК пациентов с хроническим течением саркоидоза легких, без терапии, значимо повышена экспрессия мРНК генов транскрипционных факторов FOXO1 и FOXO3 по сравнению с контролем (p < 0,01 и p < 0,001) (рис.).
Рисунок. Уровень транскриптов генов FOXO1, FOXO3 и BECN1 в лейкоцитах периферической крови пациентов c хроническим течением саркоидоза легких (2) и в контрольной группе (1)
Figure. FOXO1, FOXO3 and BECN1 gene expression in peripheral blood leukocytes of patients with chronic pulmonary sarcoidosis (2) and in controls (1)
По данным литературы, FOXO3 может действовать на свой собственный промотор, промотор гена FOXO1, а также связываться с промоторами генов аутофагии, индуцируя их экспрессию. При этом отмечается транслокация FOXO3 из цитоплазмы в ядро клетки [5]. Согласно полученным нами данным, в лейкоцитах периферической крови больных саркоидозом легких отмечено достоверное повышение уровня транскриптов гена BECN1 по сравнению с контролем, p = 0,0002 (рис.). По результатам корреляционного анализа выявлена тесная положительная связь между экспрессией генов FOXO1, FOXO3 и BECN1. Коэффициенты ранговой корреляции Спирмена составили 0,69 (FOXO1/BECN1) и 0,61 (FOXO3/BECN1) (p = 0,0002 и p = 0,0016, соответственно). Активация FOXO1/FOXO3, вероятно, связана с усилением экспрессии гена BECN1 (ATG6), который является важным регулятором процессов аутофагии. BECN1 взаимодействует с ATG14L и фосфатидилинозитол-3-фосфат-киназами Vps34 и Vps15, образуя белковый комплекс, который индуцирует образование фосфатидилинозитол-3-фосфата (PI3P), участвуя в мембране зарождающегося фагофора [8, 11].
Таким образом, по результатам исследований, у больных саркоидозом легких II стадии, при хроническом течении заболевания (стабилизация состояния, без терапии), в лейкоцитах периферической крови значимо повышена экспрессия генов транскрипционных факторов FOXO и аутофагии.
Заключение
В настоящее время установлены многочисленные молекулярно-генетические маркеры, которые вносят вклад в развитие саркоидоза легких. Более полное понимание патогенеза данного заболевания, имеет важное значение для разработки более эффективных и безопасных методов лечения.
About the authors
Irina E. Malysheva
Institute of Biology of the Karelian Research Centre of the Russian Academy of Sciences
Author for correspondence.
Email: I.E.Malysheva@yandex.ru
PhD (Biology), Senior Researcher, Laboratory of Genetics
Россия, PetrozavodskOlga V. Balan
Institute of Biology of the Karelian Research Centre of the Russian Academy of Sciences
Email: ovbalan@mail.ru
PhD (Biology), Senior Researcher, Laboratory of Genetics
Россия, PetrozavodskElla L. Tikhonovich
V.A. Baranov Republican Hospital
Email: tikhonovich.ella@mail.ru
PhD (Medicine), Head of the Respiratory Therapy Department
Россия, PetrozavodskReferences
- Визель А.А., Гурылева М.Э. Потенциальные инфекционные триггеры при саркоидозе // Клиническая микробиология и антимикробная химиотерапия. 2002. Т. 4, № 4. С. 313–324. [Vizel A.A., Gurileva M.E. Potential Infectious Triggers in Sarcoidosis. Klinicheskaya mikrobiologiya i antimikrobnaya khimioterapiya = Clinical Microbiology and Antimicrobial Chemotherapy, 2002, vol. 4, no. 4, pp. 313–324. (In Russ.)]
- Adouli J., Fried A., Swier R., Ghio A., Petrache I., Tilley S. Cellular Recycling Gone Wrong: The Role of Dysregulated Autophagy and Hyperactive mTORC1 in the Pathogenesis of Sarcoidosis. Sarcoidosis Vasc. Diffuse Lung Dis., 2023, vol. 40, no. 2: e2023016. doi: 10.36141/svdld.v40i2.13498
- Carter M.E., Brunet A. FOXO transcription factors. Curr. Biol., 2007, vol. 17, no. 4, pp. R113–R114. doi: 10.1016/j.cub.2007.01.008
- Chen E., Moller D. Etiologies of Sarcoidosis. Clin. Rev. Allergy Immunol., 2015, vol. 49, no. 1, pp. 6–18. doi: 10.1007/s12016-015-8481-z
- Cheng Z. The FoxO-Autophagy Axis in Health and Disease. Trends Endocrinol. Metab., 2019, vol. 30, no. 9, pp. 658–671. doi: 10.1016/j.tem.2019.07.009
- Deretic V. Autophagy in inflammation, infection, and immunometabolism. Immunity., 2021, vol. 54, no. 3, pp. 437–453. doi: 10.1016/j.immuni.2021.01.018
- Guo X., Peng K., He Y., Xue L. Mechanistic regulation of FOXO transcription factors in the nucleus. Biochim. Biophys. Acta Rev. Cancer, 2024, vol. 1879, no. 2: 189083. doi: 10.1016/j.bbcan.2024.189083
- Kang R., Zeh H.J., Lotze M.T., Tang D. The Beclin 1 network regulates autophagy and apoptosis. Cell Death Differ., 2011, vol. 18, no. 4, pp. 571–580. doi: 10.1038/cdd.2010.191
- Lasick K.A., Jose E., Samayoa A.M., Shanks L., Pond K.W., Thorne C.A., Paek A.L. FOXO nuclear shuttling dynamics are stimulus-dependent and correspond with cell fate. Mol. Biol. Cell., 2023, vol. 34, no. 3: ar21. doi: 10.1091/mbc.E22-05-0193
- Obsil T., Obsilova V. Structure/function relationships underlying regulation of FOXO transcription factors. Oncogene., 2008, vol. 27, no. 16, pp. 2263–2275. doi: 10.1038/onc.2008.20
- Ohashi Y. Activation Mechanisms of the VPS34 Complexes. Cells., 2021, vol. 10, no. 11: 3124. doi: 10.3390/cells10113124
- Peng S.L. Forkhead transcription factors in chronic inflammation. Int. J. Biochem. Cell Biol., 2010, vol. 42, no. 4, pp. 482–485. doi: 10.1016/j.biocel.2009.10.013
- Pinto J., Dias V., Zoller H., Porto G., Carmo H., Carvalho F., de Sousa M. Hepcidin messenger RNA expression in human lymphocytes. Immunology., 2010, vol. 130, no. 2, pp. 217–230. doi: 10.1111/j.1365-2567.2009.03226.x
- Wang Y., Zhou Y., Graves D.T. FOXO transcription factors: their clinical significance and regulation. Biomed. Res. Int., 2014, vol. 2014: 925350. doi: 10.1155/2014/925350
- Zhao M., Tian C., Di X., Cong S., Cao Y., Zhou X., Wang K. Systematic and Comprehensive Analysis of tRNA-Derived Small RNAs Reveals Their Potential Regulatory Roles and Clinical Relevance in Sarcoidosis. J. Inflamm. Res., 2023, vol. 16, no. 1, pp. 2357–2374. doi: 10.2147/JIR.S406484
Supplementary files
СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).