Regulation of Growth by Drosophila FoxO Transcription Factor

Forkhead box class O (FoxO) transcription factors are members of the forkhead box transcription factor superfamily, with orthologues in various species such as human, worm and fly. FoxO proteins are key regulators of growth, metabolism, stress resistance and, consequently, life span. FoxOs integrate signals from different pathways, e.g. the growth controlling Insulin-TOR signaling pathway and the stress induced JNK and Hippo signaling pathways. FoxO proteins have evolved to guide the cellular response to varying energy and stress conditions by inducing the expression of genes involved in the regulation of growth and metabolism. This work has aimed to deepen the understanding of how FoxO executes its biological functions. A particular emphasis has been laid to its role in growth control. Specifically, evidence is presented indicating that FoxO restricts tissue growth in a situation when TOR signaling is high. This finding can have implications in a human condition called Tuberous sclerosis, manifested by multiple benign tumors. Further, it is shown that FoxO directly binds to the promoter and regulates the expression of a Drosophila Adenylate cyclase gene, ac76e, which in turn modulates the fly s development and growth systemically. These results strengthen FoxOs position among central size regulators as it is able to operate at the level of individual cells as well as in the whole organism. Finally, an attempt to reveal the regulatory network upstream of FoxO has been carried out. Several putative FoxO activity regulators were identified in an RNAi screen of Drosophila kinases and phosphatases. The results underscore that FoxO is regulated through an elaborate network, ensuring the correct execution of key cellular processes in metabolism and response to stress. Overall, the evidence provided in this study strengthens our view of FoxO as a key integrator of growth and stress signals.

Forkhead box class O (FoxO) geenienluennan säätelijä on konservoitunut proteiini, jonka toiminta liittyy mm. energia-aineenvaihduntaan, kasvun säätelyyn sekä solun suojeluun stressin aiheuttamilta vaurioilta. FoxO-proteiinit muodostavat perheen, jonka jäseniä esiintyy lähes kaikissa monisoluisissa. Näihin kuuluvat mm. ihminen, sukkulamato ja banaanikärpänen. FoxO-proteiinin tärkeimpänä tunnettuna tehtävänä voidaan pitää sen osallistumista aineenvaihdunnan ja kasvun mukauttamiseen ravinnon saatavuuteen. Sen säätelijöinä toimivat mm. ravinnetasoon reagoiva insuliini/TOR signalointiverkosto sekä solustressin aktivoimat JNK- ja Hippo-signaalinvälitysreitit. Kasvulle suotuisissa olosuhteissa FoxO-proteiinin aktiivisuus estetään insuliinisignaloinnin välityksellä. Kun ravinteita on vähän tai kun solun stressitaso kasvaa, esim. lisääntyneiden happiradikaalien seurauksena, FoxO siirtyy solulimasta tumaan, jossa se säätelee useiden eri geenien luentaa. Tällaisiin lukeutuvat mm. glukoosin uudismuodostuksessa oleellisten entsyymien pepck- ja g6pase-geenit, sekä solun jakautumisen negatiivisina säätelijöinä toimivat p27kip1- ja p21cip1-geenit. FoxO toimii sekä koko elimistön, että yksittäisen solun tasolla. Esimerkiksi maksassa FoxO-proteiinin tehtävänä on säädellä veren sokeritasoa, glukoosin uudismuodostuksen kautta. Energiaa kuluttavissa ja varastoivissa kudoksissa, kuten lihaksissa ja rasvakudoksessa, FoxO hidastaa kasvua ja aktivoi energiavaraston käyttöönottoa. Näiden prosessien säätely on elimistön aineenvaihdunnan tasapainon kannalta oleellista. Häiriöt FoxO-proteiinin säätelyssä onkin yhdistetty aineenvaihdunnan sairauksiin kuten insuliiniresistenssiin ja syövän syntyyn. Tässä työssä on tutkittu FoxO-proteiinin aktiivisuuden säätelyä sekä toimintaa, erityisesti kasvun säätelyn mekanismeja joissa FoxO on osallisena. Tutkimus on jaettu osajulkaisuihin, joiden tuloksena (1) on identifioitu uusia FoxO-proteiinin aktiivisuuden säätelijöitä (mm. PKC-, GSK-3β- ja POLO-kinaasit), (2) selvitetty FoxO-proteiinin roolia kudoksen kasvun säätelyssä tilanteessa, jossa TOR signalointireitti on yliaktiivinen, mm. perinnöllisessä sairaudessa nimeltään tuberoosiskleroosi, sekä (3) karakterisoitu uusi FoxO-proteiinin säätelemä geeni, ac76e, sekä selvitetty sen toimintaa banaanikärpäsen kasvun säätelyssä. Tämän tutkimuksen tulokset auttavat ymmärtämään kasvun säätelyn biologiaa sekä syventävät tietämystämme FoxO-proteiinin merkityksestä solun energiatasapainolle. Tulokset ovat askel kudosten kasvun ja aineenvaihdunnan säätelyn parempaan ymmärtämiseen.