FOXO的調控與腫瘤治療關系的研究進展*

楊明建 綜述 于振濤 審校

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FOXO的調控與腫瘤治療關系的研究進展*

楊明建 綜述 于振濤 審校

叉頭框（forkhead box，F(xiàn)ox）基因家族即Forkhead是以果蠅中發(fā)現(xiàn)的叉頭基因來命名的，廣泛存在于從酵母到哺乳類的真核生物中，其編碼產物FOXO蛋白家族在細胞代謝、增殖、氧化應激和凋亡等方面發(fā)揮重要作用。細胞存活相關的信號通路的激活如PI3K/AKT或RAS/ERK等，通過磷酸化FOXO不同位點調節(jié)FOXO核定位或降解。FOXO因子作為腫瘤抑制因子在多種腫瘤中起重要作用，腫瘤與FOXO之間的關系已成為研究的熱點。增加或恢復FOXO活性的藥物治療有望成為與化療或放療結合的潛在治療策略。本文就FOXO的調控和作為分子靶向治療靶點的最新研究進展進行綜述。

FOXO 腫瘤治療 凋亡 增殖 自噬

叉頭框（forkhead box，F(xiàn)ox）基因家族即Forkhead是以果蠅中發(fā)現(xiàn)的叉頭基因來命名，廣泛存在于從酵母到哺乳類的真核生物中，其編碼產物稱為Fox蛋白家族，該家族具有一個共同特征，即有一個長約110個氨基酸的高度保守的DNA結合域，稱為Fox結構域（forkhead box），目前已發(fā)現(xiàn)該家族分為A到S共19個亞族，其中研究最為深入的是FOXO亞家族［1-2］。在哺乳動物中FOXO主要有4個成員，分別為FOXO1（FKHR）、FOXO3（FKHROL1）、FOXO4（AFX）和FOXO6，分別由不同的基因編碼，并定位于不同的染色體上［3］。FOXO轉錄活化或抑制下游靶基因的表達參與包括細胞增殖、凋亡、自噬、分化和應激抵抗等多種重要的細胞生物學過程，腫瘤與FOXO之間的關系成為研究的熱點。

1 FOXO結構與分布

1.1 基本結構與功能

FOXO蛋白表現(xiàn)出顯著的序列同源性，具有4個不同的功能結構域，其中包括叉頭序列（FKH）、核定位序列（NLS）、核輸出序列（NES）和轉錄激活序列（TAD）。這些結構域高度保守，NLS維持蛋白質在核內，而NES保持蛋白在細胞質中。FOXO蛋白C末端的DNA結合域內同時具有核定位序列和核輸出序列。FOXO蛋白發(fā)揮功能是通過結合伴侶蛋白和改變DNA親和力來實現(xiàn)的。Brunet等［4］研究發(fā)現(xiàn)伴侶蛋白14-3-3在細胞核中與FOXO因子結合后轉位出核，喪失轉錄活性，同時Tzivion等［5］指出蛋白14-3-3也阻斷核定位信號以防止FOXO重新進入核內，進一步引起FOXO蛋白在細胞質內降解。FOXO蛋白的這種結構特點使得激酶和其他蛋白質能有效地調節(jié)這些序列，使FOXO穿梭于細胞核內外，從而激活或抑制下游靶基因，發(fā)揮各種細胞生物學作用。

1.2 生理分布與腫瘤組織中表達

FOXO蛋白廣泛表達機體組織，然而其表達模式與功能各不相同。FOXO1在脂肪組織，肌肉，肝臟或胰臟中高表達，F(xiàn)OXO3和FOXO4二者廣泛分布于組織中，包括免疫系統(tǒng)、肝、腎、心臟和大腦［6］，而FOXO6主要在成人大腦表達。近年來的研究表明，在白血病和一些其他腫瘤類型如前列腺癌、肺癌、胃癌等都存在FOXO的下調和染色體缺失［7-8］。Yang等［9］對胃腺癌組織及癌旁組織進行PCR等分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)OXO3a表達與腫瘤體積、組織分化類型及組織浸潤深度呈負相關；進一步的預后分析也發(fā)現(xiàn)FOXO3a低表達的患者預后差。同樣Su等［10］研究發(fā)現(xiàn)FOXO4在胃癌組織中低表達，并且證實FOXO4可抑制癌細胞增殖和轉移。這些都提示FOXO蛋白家族可能作為腫瘤抑制因子在腫瘤發(fā)生發(fā)展中起關鍵作用。

2 FOXO的調控

一般情況下，F(xiàn)OXO受到如表皮生長因子（EGF）、胰島素、胰島素樣生長因子和氧化應激等刺激時，眾多激酶通過不同通路對FOXO不同的位點進行一系列的翻譯后修飾（PTMs），包括磷酸化、乙?；?、泛素化等，從而改變FOXO分子的亞細胞定位，分子半衰期或DNA結合力影響FOXO轉錄活性［11］。FOXO的活化則引起細胞周期或凋亡等相關靶基因的激活或抑制。這些信號通路和靶基因都與腫瘤增殖、凋亡、侵襲轉移等密切相關，均說明FOXO可能是腫瘤發(fā)生發(fā)展中的關鍵因子。

2.1 FOXO的調控與信號通路

PI3K-AKT信號通路在包括腫瘤細胞生長、增殖、存活等在內的各種細胞過程中起關鍵作用［12］。此通路與FOXO關系也最為密切。AKT和SGK是胰島素/PI3K通路中重要的下游組件。有文獻報道，在胰島素和生長因子存在的條件下，AKT/SGK可磷酸化FOXO1和FOXO3，磷酸化后的FOXO與DNA親和力下降，同時與蛋白14-3-3結合，并從核內向細胞質內轉移，通過蛋白酶體途徑降解，轉錄失活，促進腫瘤增殖［13］。Lin等［14］對腎癌研究中也發(fā)現(xiàn)藥物抑制PI3K-AKT信號通路后，AKT磷酸化FOXO位點，促進腫瘤生長。

除PI3K/AKT通路外，研究比較清楚地還有MAPK通路。MAPK家族有三大成員：ERK、JNK和p38。Yang等［15］研究表明，ERK可直接磷酸化Ser294、Ser344和Ser425下調FOXO3a，并通過MDM2介導的泛素化蛋白酶體降解途徑引起FOXO3a的降解，從而抑制腫瘤細胞凋亡和促進其存活。與AKT和ERK不同，JNK和MST具有促進FOXO的核定位及增加其轉錄活性的功能。有文獻報道，氧化應激條件下JNK與MST的活化可引起伴侶蛋白14-3-3磷酸化，進一步使FOXO3a在細胞質中與蛋白14-3-3解離，使FOXO3a重新核定位，這可能與增加氧化應激抵抗相關［16-17］。

此外，F(xiàn)OXO還參與其他細胞通路，包括NF-κB和TGF-β途徑等。NF-κB通路中重要的激酶IKK，即可以通過磷酸化途徑，通過泛素化和蛋白酶體降解途徑使FOXO3a的蛋白水解促進腫瘤生成，揭示了PI3K/AKT與NF-κB信號通路的交互關系［18］。Zhao等［19］研究顯示TGF-β信號刺激時，F(xiàn)OXO通過與Bim蛋白相互作用，增強靶基因的轉錄，促進肝細胞凋亡。綜上推斷，在不同條件下，F(xiàn)OXO受到不同調節(jié)方式，從而決定細胞表現(xiàn)出周期停滯、凋亡或應激抵抗等效應。同時，F(xiàn)OXO參與多種與腫瘤細胞存活相關的信號通路的轉導，信號通路之間又存在交互作用，因此對于FOXO調控的整體研究仍是今后的熱點［20］。

2.2 FOXO的調控與下游靶效應

自從FOXO1被發(fā)現(xiàn)與人類橫紋肌肉瘤直接相關，以及隨后FOXO3和FOXO4又被確定參與了急性髓系白血病的染色體易位，F(xiàn)OXO蛋白家族在人類腫瘤的作用受到極大關注。腫瘤的發(fā)生與細胞增殖與凋亡失調關系密切，二者平衡失調導致細胞凋亡不足、凋亡敏感性降低等，F(xiàn)OXO是細胞增殖和凋亡的關鍵分子，研究發(fā)現(xiàn)FOXO能激活促凋亡Bcl-2家族成員Bim，以及Fas依賴的凋亡通路的配體FASL，啟動腫瘤細胞凋亡［21］。同時FOXO家族成員能夠調控細胞周期，抑制腫瘤細胞增殖。Medema等［22］研究發(fā)現(xiàn)RAS和PKB能夠調節(jié)FOXO4的活性，進而上調p27KIP1和/或下調cyclin D，引起細胞在G期停滯。自噬在腫瘤中的作用雖不明確，但靶向通路的研究已表明自噬能夠促進腫瘤的發(fā)生并維持其生長［23-24］。FOXO最初被強調為肌肉廢用引起的萎縮過程中肌肉細胞的自噬調節(jié)因子［25］，不過近期Milan等［26］研究也發(fā)現(xiàn)FOXO能夠轉錄激活溶酶體蛋白降解通路中的成分（LC3、BNIP3、ATG12、GABARAPL1），F(xiàn)OXO介導的自噬刺激下腫瘤存活和維持的功能意義有待研究。綜上都提示FOXO與腫瘤發(fā)生發(fā)展密切相關，可能成為腫瘤抑制的關鍵點。

3 FOXO與腫瘤治療

根據(jù)FOXO成員的抗腫瘤特性，阻斷PI3K/AKT、RAS/ERK和NF-κB等通路中重要的激酶，促進或恢復FOXO活性，誘導細胞周期阻滯和細胞凋亡的藥物研制是非常有前景的腫瘤治療方法。另外，目前耐藥性仍然是癌癥治療的主要障礙之一，因此研究耐藥的分子機制，研發(fā)新靶點的分子靶向藥物同樣迫切。

3.1 FOXO與腫瘤藥物

基于上述對FOXO調控與其下游靶效應的研究理論，Liu等［27］對肺癌研究表明FOXO3a介導紫杉醇的細胞毒作用，同樣Boreddy等［28］在胰腺癌細胞研究中得到相同結論。同時一些研究發(fā)現(xiàn)，天然抗腫瘤物如白藜蘆醇和芹菜素能夠通過抑制PI3K/AKT或ERK信號通路，提高FOXO轉錄活性，引起胰腺癌和前列腺癌細胞周期阻滯和凋亡［29-30］。Li等［31］在對乳腺癌研究中發(fā)現(xiàn)，5-FU通過調節(jié)FOXO1轉錄后修飾位點與HUR蛋白結合，促進癌細胞凋亡。因此，部分腫瘤治療藥物通過調控FOXO活性發(fā)揮抗腫瘤作用，對于以FOXO為靶點的靶向藥物的研制具有重要意義。

3.2 FOXO與腫瘤耐藥性

耐藥性是癌癥治療中的主要障礙之一，恢復FOXO活性對抗耐藥的研究也取得肯定效果。Yang等［32］研究表明PI3K抑制劑對MEK抑制劑耐藥的腫瘤有效，這可能與激活FOXO3a轉錄有關。Ausser?lechner等［33］也指出部分急性白血病對強的松耐藥是因為FOXO3a的失活，使白血病細胞得以逃避TRAIL和NOXA基因的凋亡作用。另外，Shiota等［34］報道稱FOXO3a的乙酰化狀態(tài)是腫瘤順鉑耐藥的關鍵因素。除了化學抑制劑，使用的siRNA已經成為不同實驗中強大的武器，對耐藥的研究十分重要。Sun等［35］用siRNA轉染大腸癌細胞阻斷P85和PI3K調節(jié)亞基，增加了FOXO活性，表現(xiàn)出細胞增殖、周期停滯和對5-FU敏感性增高的結果。Shi等［36］對胰腺癌細胞的體外實驗中發(fā)現(xiàn)，利用小RNA干擾同時沉默Panc-1胰腺癌細胞的RAS和AKT癌基因，具有協(xié)同效應，及更高的凋亡率，降低了細胞增殖和克隆形成，進一步行裸鼠體內研究表明其能夠抑制腫瘤生長。總之，增強或恢復FOXO活性的聯(lián)合療法有可能成為逆轉耐藥性的突破口。

4 結語

FOXO廣泛表達于機體組織中，其活性受到一系列翻譯后修飾調節(jié)，同時與多條致癌信號通路相關聯(lián)。目前認為FOXO作為腫瘤抑制因子，調控下游細胞周期阻滯、細胞凋亡、自噬等相關基因的表達，并與其他抑癌因子相互作用。因此，有理由預測以增加或恢復FOXO活性的藥物治療可以成為與化療或放療組合的潛在治療策略，但是也有相反結果出現(xiàn)，如Charitou等［37］發(fā)現(xiàn)FOXO促進正常細胞和腫瘤細胞的生長，對FOXO隨著研究的深入，在腫瘤發(fā)生發(fā)展和治療中的作用將得到明確，為腫瘤臨床治療開辟新思路。

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（2015-07-10收稿）

（2015-08-28修回）

（編輯：周曉穎）

Research progress on the relationship between FOXO regulation and cancer treatment

Mingjian YANG,Zhentao YU

Department of Esophageal Cancer,Tianjin Medical University Cancer Institute and Hospital,National Clinical Research Center for Cancer,Tianjin Key Laboratory of Cancer Prevention and Therapy,Tianjin 300060,China
This work was supported by Development Funds of Scientific Projects for Colleges and Universities in Tianjin(No.20130121)

The FOXO gene,which is a member of the Forkhead box(Fox)gene family,is found in drosophila and is widespread in the eukaryotes of many organisms,including yeast and mammals.This gene transcripts the FOXO protein family,which has important roles in metabolism,cellular proliferation,stress resistance,and apoptosis.Activation of cell survival pathways,such as phosphoinositide-3-kinase/AKT or RAS/mitogen-activated protein kinase,phosphorylates FOXOs at different sites,thus regulating the nuclear localization or degradation of FOXOs.A growing number of evidence indicates that FOXO acts as a tumor suppressor in a wide variety of tumors.Scientists have focused on the correlation between tumors and FOXO.In combination with other chemo-or radiotherapy treatments,drugs designed to increase or restore FOXO activity may constitute a potential strategy in cancer treatment.This review summarizes details on the regulation of FOXO and the latest research progress of FOXO as a molecule therapeutic target.

FOXO,cancer treatment,apoptosis,proliferation,autophagy

10.3969/j.issn.1000-8179.2015.18.756

天津醫(yī)科大學腫瘤醫(yī)院食管腫瘤科，國家腫瘤臨床醫(yī)學研究中心，天津市腫瘤防治重點實驗室（天津市300060）

*本文課題受天津市高等學校科技發(fā)展基金計劃項目（編號：20130121）資助

于振濤 yztao2012@163.com

楊明建 專業(yè)方向為食管癌的侵襲轉移機制研究。

E-mail：yangmingjian0818@163.com