FOXO轉(zhuǎn)錄因子與腫瘤的研究進展

苗婷茹　姚定國★

FOXO轉(zhuǎn)錄因子與腫瘤的研究進展

苗婷茹姚定國★

FOXO是一類廣泛存在于真核生物中的轉(zhuǎn)錄因子，是叉頭框（Forkhead box，F(xiàn)ox）蛋白家族的成員之一，在細胞代謝、增殖、氧化應(yīng)激和凋亡等方面發(fā)揮重要作用，因其抑制細胞增殖和誘導(dǎo)凋亡的主要作用，被認為是重要的腫瘤抑制因子。FOXO在促進腫瘤生長和侵襲、維持腫瘤生存等方面具有重要作用。本文就FOXO與腫瘤的關(guān)系作一綜述，揭示FOXO在腫瘤發(fā)展中的雙重作用。

1　FOXO概述

FOXO是Fox蛋白家族的一個亞族，該家族的特點是含有“翼狀螺旋”結(jié)構(gòu)域，為高度保守的DNA結(jié)合域，稱為Forkhead結(jié)構(gòu)域。Forkhead結(jié)構(gòu)域一般是由三個α-螺旋（H1、H2、H3）、三個β-折疊（S1、S2、S3）和兩側(cè)的環(huán)（W1、W2）以H1-S1-H2-H3-S2-W1-S3-W2的順序組成［1］。研究表明Fox蛋白家族在調(diào)控細胞周期、分化、代謝、免疫等過程中具有重要作用。在哺乳動物中，F(xiàn)OXO亞族包括4個成員：FOXO1（FKHR）、FOXO3（FKHRL1）、FOXO4（AFX）、FOXO6，分別定位于不同染色體上的基因編碼。FOXO家族各成員在組織中的表達存在差異，F(xiàn)OXO1、FOXO3和FOXO4廣泛表達于如心、腦、腎、肌肉、脂肪等器官組織中，而FOXO6僅發(fā)現(xiàn)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中表達［2］。FOXOs通過轉(zhuǎn)錄激活或抑制下游靶基因的表達，在細胞周期調(diào)控、細胞衰老與凋亡、氧化應(yīng)激、干細胞分化、腫瘤發(fā)生發(fā)展等生物過程中發(fā)揮重要的作用。

2　FOXO腫瘤調(diào)控信號通路

2.1PI3K-AKT 通路 PI3K-AKT 信號通路與腫瘤細胞的生長和發(fā)展關(guān)系密切，F(xiàn)OXOs作為PI3K-AKT 信號通路的下游靶點，AKT通過磷酸化FOXOs從而抑制其功能［3］。在腫瘤細胞中，PI3K-AKT 信號通路異?；钴S，導(dǎo)致FOXOs轉(zhuǎn)錄失活而促進腫瘤的生長增殖。FOXO與PI3K-AKT 信號通路已被廣泛研究，Scheijen等［4］發(fā)現(xiàn)白血病中FLT3-ITD的表達，導(dǎo)致PI3K-AKT通路活化，阻止FOXO3誘導(dǎo)p27Kip1和Bim的凋亡途徑。Kelly等［5］利用PI3K抑制劑，重新激活FOXO，參與細胞周期阻滯和細胞凋亡。

2.2MAPK通路 MAPK信號通路包括ERK、JNK 和p38。Yang等［6］研究發(fā)現(xiàn)ERK能夠磷酸化S294、 S344、S425位點下調(diào)FOXO3，并且FOXO3通過MDM2介導(dǎo)的泛素化蛋白酶體降解途徑被降解，導(dǎo)致腫瘤細胞凋亡抑制而促進腫瘤發(fā)展。Sunayama等［7］研究在角質(zhì)母細胞瘤中，AKT與ERK在調(diào)控FOXO3a導(dǎo)致腫瘤發(fā)生的重要作用。Asada等［8］發(fā)現(xiàn)FOXO1能夠被ERK和p38磷酸化，參與調(diào)控Ets-1的轉(zhuǎn)錄活動，而Ets-1的表達在腫瘤血管生長中具有促進作用。

2.3IKK通路 FOXO還參與IKK信號通路，Hu等［9］發(fā)現(xiàn)IKKβ通過磷酸化FOXO3的S644位點，從而抑制FOXO3，的作用，促進細胞生長及腫瘤發(fā)生。Chapuis等［10］發(fā)現(xiàn)在急性髓細胞白血病中，IKKβ對于FOXO3a的磷酸化作用，使FOXO3a定植于胞漿，導(dǎo)致FOXO3a失活，利于腫瘤細胞的增殖。此外，IKK家族的另一個成員IKKε，也可通過磷酸化FOXO3a，從而抑制其活性［11］。

3　FOXO的抗腫瘤作用

3.1調(diào)控細胞增殖與凋亡 FOXOs是細胞增殖的負性調(diào)節(jié)因子，調(diào)節(jié)多種細胞周期蛋白的活動使細胞周期停滯。FOXOs通過抑制細胞周期蛋白cyclinD1和cyclinD2的活動，F(xiàn)OXOs也可誘導(dǎo)特異性細胞周期抑制劑p21、p27、p15、p19的表達，使G1/S期過渡阻滯［12-14］。FOXOs還在G2/M期過渡發(fā)揮調(diào)控作用，通過與生長停滯和DNA損傷誘導(dǎo)因子a（GADD45A）、細胞周期蛋白cyclinG2和Polo樣激酶1（PLK1）的作用［15-16］。此外，F(xiàn)OXOs通過調(diào)控細胞凋亡從而抑制腫瘤細胞的增殖。研究發(fā)現(xiàn)FOXOs通過調(diào)節(jié)Fas配體（FasL）和腫瘤壞死因子相關(guān)凋亡誘導(dǎo)配體（TRAIL）等凋亡因子的活性，來調(diào)控外源性凋亡途徑［3］。而對內(nèi)源性凋亡途徑的調(diào)控，F(xiàn)OXOs是作用BCL-2家族成員（如Bim、p53）而實現(xiàn)［17］。

3.2控制細胞侵襲 研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)OXOs具有控制腫瘤細胞遷移和侵襲的作用。Kikuno等［18］發(fā)現(xiàn)前列腺癌細胞的侵襲作用與AEG1的過度表達有關(guān)，而通過敲除AEG1基因，在降低細胞侵襲性的同時，發(fā)現(xiàn)FOXO3的表達增加，因此認為AEG1的促侵襲性與FOXO3的抑制有關(guān)。此外，Zhang等［19］發(fā)現(xiàn)FOXO1可通過拮抗轉(zhuǎn)錄因子RUNX2，限制前列腺癌細胞的遷襲。Su等［20］發(fā)現(xiàn)前列腺癌的轉(zhuǎn)移與FOXO4缺失有關(guān)，通過重新表達FOXO4能夠抑制癌癥轉(zhuǎn)移。

3.3誘導(dǎo)細胞衰老 在動物細胞中，癌基因的活化可以誘導(dǎo)細胞衰老，從而抑制腫瘤的發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)OXOs在癌基因誘導(dǎo)的細胞衰老中也發(fā)揮著重要作用。Courtois等［21］發(fā)現(xiàn)，通過抑制Ras和PI3K信號傳導(dǎo)的負反饋通路，使RAS的異常激活觸發(fā)衰老，這一過程會激活FOXO1和FOXO3。De Keizer等［12］的研究表明，BRAFV600E誘導(dǎo)FOXO4在Thr（223）、Ser（226）、Thr（447）和Thr（451）位點的磷酸化，導(dǎo)致p21cip1表達，引起癌基因誘導(dǎo)的細胞衰老。

3.4參與氧化應(yīng)激 FOXOs在防御細胞氧化應(yīng)激中具有重要作用。氧化應(yīng)激損傷是由活性氧（reactive oxygen species，ROS）過量聚積或不完全降解引起的。FOXOs通過有效清除ROS，從而減少ROS的致癌作用。Kops等［22］研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)OXOs的抗氧化應(yīng)激作用是通過增加錳超氧化物歧化酶（MnSOD）和過氧化氫酶的表達水平實現(xiàn)的。FOXOs調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激的作用也在基因缺失的研究證實，Tothova 等發(fā)現(xiàn)［23］FOXO基因缺失的小鼠細胞表現(xiàn)為ROS水平上升和抗氧化酶水平降低，此外在Foxo3-/-小鼠，ROS的積聚會導(dǎo)致骨髓增生綜合征。Ambrogini等［24］發(fā)現(xiàn)FOXO1缺失的成骨細胞中谷胱甘肽等抗氧化劑表達下降。

3.5FOXO與p53的相互作用 p53是重要的抑癌基因。研究表明，F(xiàn)OXO與p53在腫瘤抑制中可能具有協(xié)同作用，You等［25］研究發(fā)現(xiàn)FOXO3a能夠促進p53出核在細胞質(zhì)內(nèi)的累積，通過上調(diào)PUMA和Bax，促進P53依賴性促凋亡作用。Renault等［26］在小鼠胚胎成纖維細胞和胸腺細胞亦發(fā)現(xiàn)FOXO3參與調(diào)節(jié)p53依賴的凋亡途徑。Bouchard等［27］發(fā)現(xiàn)FOXO可通過上調(diào)p19ARF的表達，間接激活p53。

4　FOXO的促腫瘤作用

隨著對FOXO研究的深入，在白血病、乳腺癌、結(jié)腸癌等腫瘤研究中，發(fā)現(xiàn)FOXO在腫瘤的生存和發(fā)展中具有促進作用。

4.1FOXO與白血病 在慢性粒細胞白血?。–ML）的治療中，酪氨酸激酶抑制劑伊馬替尼（imatinib）目前已廣泛應(yīng)用于臨床，使CML患者得到長期緩解。伊馬替尼的藥理作用是通過拮抗BCR-ABL致癌融合蛋白的作用，使得被AKT抑制的FOXOs重新激活，導(dǎo)致腫瘤細胞生長停滯和凋亡，從而起到腫瘤治療作用［28］。然而，Naka等［29］研究發(fā)現(xiàn)，在白血病起始細胞（LICs）核中的FOXO3是持續(xù)激活的，并且FOXO3參與白血病細胞的生存和維持，而FOXO3的激活是由于TGFβ信號通路對于AKT的抑制作用。Hurtz等［30］發(fā)現(xiàn)FOXO的下游信號BCL-6，通過抑制p53抑癌基因，增強CML白血病細胞的自我更新能力。另外，在急性髓細胞白血?。ˋML）中，F(xiàn)OXOs也發(fā)現(xiàn)在白血病起始細胞中的維持作用，在LICs中FOXOs的缺失能夠誘導(dǎo)白血病細胞成熟和死亡［31］。

4.2FOXO與乳腺癌 FOXOs在促進乳腺癌細胞的侵襲和轉(zhuǎn)移中發(fā)揮重要作用，F(xiàn)eng等［32］發(fā)現(xiàn)在人類乳腺癌細胞周期激酶Cdc25A通過FOXO1直接調(diào)節(jié)基質(zhì)金屬蛋白酶MMP1的轉(zhuǎn)錄，從而增強癌細胞的侵襲能力，此外，在小鼠模型中發(fā)現(xiàn)Cdc25A能夠促進乳腺癌細胞的轉(zhuǎn)移。Storz等［33］發(fā)現(xiàn)FOXO3誘導(dǎo)基質(zhì)金屬蛋白酶9和13（MMP9/MMP13）的表達，導(dǎo)致癌細胞遷移和侵襲。Sisci等［34］研究認為，F(xiàn)OXO3對于癌細胞侵襲的作用，與雌激素受體α（ERα）的表達密切相關(guān)，在ERα+細胞中，F(xiàn)OXO3與17β雌二醇協(xié)同作用，降低癌細胞的侵襲能力，而在ERα-細胞中，F(xiàn)OXO3表現(xiàn)為增加其侵襲能力。

4.3FOXO與結(jié)腸癌 在結(jié)腸癌研究中發(fā)現(xiàn)，通過與WNT/ β-catenin通路相互作用，F(xiàn)OXOs表現(xiàn)為促進腫瘤的侵襲和轉(zhuǎn)移。Tenbaum等［35］研究發(fā)現(xiàn)β-catenin和FOXO3的同時激活，能夠阻止癌細胞死亡并且促進癌細胞的轉(zhuǎn)移。Arques等［36］發(fā)現(xiàn)β-catenin可以抵抗PI3K-AKT抑制劑作用，從而重新激活FOXOs，F(xiàn)OXO3和β-catenin在人類結(jié)腸癌細胞的高表達，會導(dǎo)致癌癥轉(zhuǎn)移的發(fā)生，同時與患者生存率降低密切相關(guān)。

5　總結(jié)

FOXO在腫瘤的發(fā)生和發(fā)展中起著重要的調(diào)節(jié)作用，一方面FOXO通過調(diào)控細胞周期、凋亡、衰老、氧化應(yīng)激等，作為腫瘤抑制因子的作用已被廣泛研究；另一方面FOXO在促進腫瘤生長和侵襲、維持腫瘤生存發(fā)揮重要作用。同時，F(xiàn)OXO作為腫瘤治療的靶點，仍需更進一步的研究，隨著對FOXO的抗腫瘤與促腫瘤的雙重作用的認識深入，將為臨床上腫瘤的治療提供了新的思路。

［1］Clark KL,Halay ED,Lai E,et al.Co-crystal structure of the HNF-3/fork head DNA-recognition motif resembles histone H5.Natu re,1993,364(6436):412-420.

［2］Fu Z,Tindall DJ.FOXOs,cancer and regulation of apoptosis. Oncogene,2008,27(16):2312-2319.

［3］Brunet A,Bonni A,Zigmond MJ,et al.Akt promotes cell survival by phosphorylating and inhibiting a Forkhead transcription factor. Cell,1999,96(6):857-868.

［4］Scheijen B,Ngo HT,Kang H,et al.FLT3 receptors with internal tandem duplications promote cell viability and proliferation by signaling through Foxo proteins.Oncogene,2004,23(19):3338-3349.

［5］Kelly-Spratt KS,Philipp-Staheli J,Gurley KE,et al.Inhibition of PI-3K restores nuclear p27Kip1 expression in a mouse model of Kras-driven lung cancer.Oncogene,2009,28(41):3652-3662.

［6］Yang JY,Zong CS,Xia W,et al.ERK promotes tumorigenesis by inhibiting FOXO3a via MDM2-mediated degradation.Nat Cell Biol,2008,10(2):138-148.

［7］Sunayama J,Sato A,Matsuda K,et al.FoxO3a functions as a key integrator of cellular signals that control glioblastoma stem-like cell differentiation and tumorigenicity.Stem Cells,2011, 29(9):1327-1337.

［8］Asada S,Daitoku H,Matsuzaki H,et al.Mitogen-activated protein kinases,Erk and p38,phosphorylate and regulate Foxo1.Cell Signal, 2007, 19(3):519-527.

［9］Hu MC,Lee DF,Xia W,et al.IkappaB kinase promotes tumorigenesis through inhibition of forkhead FOXO3a.Cell,2004,117(2):225-237.

［10］Chapuis N,Park S,Leotoing L,et al.IκB kinase overcomes PI3K/ Akt and ERK/MAPK to control FOXO3a activity in acutemyeloid leukemia.Blood,2010,116(20):4240-4250.

［11］Guo JP,Tian W,Shu S,et al.IKBKE phosphorylation and inhibition of FOXO3a: a mechanism of IKBKE oncogenic function.PLoS One, 2013,8(5):e63636.

［12］De Keizer PL,Packer LM,Szypowska AA,et al.Activation of forkhead box O transcription factors by oncogenic BRAF promotes p21cip1-dependent senescence.Cancer Res,2010,70(21):8526-8536.

［13］Medema RH, Kops GJ, Bos JL, et al. AFX-like Forkhead transcription factors mediate cell-cycle regulation by Ras and PKB through p27kip1.Nature,2000,404(6779):782-787.

［14］Katayama K, Nakamura A, Sugimoto Y, et al.FOXO transcription factor-dependent p15(INK4b) and p19(INK4d) expression. Oncogene, 2008,27(12):1677-1686.

［15］Fu G,Peng C.Nodal enhances the activity of FoxO3a and its synergistic interaction with Smads to regulate cyclin G2 transcription in ovarian cancer cells.Oncogene,2011,30(37):3953-3966.

［16］Tran H,Brunet A,Grenier JM,et al.DNA repair pathway stimulated by the forkhead transcription factor FOXO3a through the Gadd45 protein.Science,2002,296(5567):530-534.

［17］Essafi A,De Mattos S F,Hassen YA,et al.Direct transcriptional regulation of Bim by FoxO3a mediates STI571-induced apoptosis in Bcr-Abl-expressing cells.Oncogene,2005,24(14):2317-2329.

［18］Kikuno N,Shiina H,Urakami S,et al.Knockdown of astrocyteelevated gene-1 inhibits prostate cancer progression through upregulation of FOXO3a activity.Oncogene,2007, 26(55):7647-7655.

［19］Zhang H,Pan Y,Zheng L,et al.FOXO1 inhibits Runχ2 transcriptional activity and prostate cancer cell migration and invasion.Cancer Res,2011,71(9):3257-3267.

［20］Su B,Gao L,Baranowski C,et al.A genome-wide RNAi screen identifies FOXO4 as a metastasis-suppressor through counteracting PI3K/AKT signal pathway in prostate cancer.PLoS One,2014,9(7):e101411.

［21］Courtois Cox S, Genther WSM, Reczek EE, et al. A negative feedback signaling network underlies oncogene-induced senescence. Cancer Cell, 2006,10(6):459-472.

［22］Kops GJ,Dansen TB,Polderman PE,et al.Forkhead transcription factor FOXO3a protects quiescent cells from oxidative stress. Nature,2002,419(6904):316-321.

［23］Tothova Z, Kollipara R, Huntly BJ, et al. FoxOs are critical mediators of hematopoietic stem cell resistance to physiologic oxidative stress.Cell,2007,128(2):325-339.

［24］Ambrogini E,Almeida M,Martin-Millan M,et al.FoxO-mediated defense against oxidative stress in osteoblasts is indispensable for skeletal homeostasis in mice.Cell Metab,2010,11(2):136-146.

［25］You H,Yamamoto K,Mak TW.Regulation of transactivationindependent proapoptotic activity of p53 by FOXO3a.Proc Natl Acad Sci U S A,2006,103(24):9051-9056.

［26］Renault VM,Thekkat PU,Hoang KL,et al.The pro-longevity gene FoxO3 is a direct target of the p53 tumor suppressor. Oncogene, 2011,30(29):3207-3221.

［27］Bouchard C,Lee S,Paulus-Hock V,et al.FoxO transcription factors suppress Myc-driven lymphomagenesis via direct activation of Arf.Genes Dev,2007,21(21):2775-2787.

［28］Pellicano F,Scott MT,Helgason GV,et al.The antiproliferative activity of kinase inhibitors in chronic myeloid leukemia cells is mediated by FOXO transcription factors.Stem Cells,2014, 32(9): 2324-2337.

［29］Naka K, Hoshii T, Muraguchi T, et al. TGF-beta-FOXO signalling maintains leukaemia-initiating cells in chronic myeloid leukaemia.Nature,2010,463(7281):676-680.

［30］Hurtz C,Hatzi K,Cerchietti L,et al.BCL6-mediated repression of p53 is critical for leukemia stem cell survival in chronic myeloid leukemia.J Exp Med,2011,208(11):2163-2174.

［31］Sykes SM,Lane SW,Bullinger L,et al.AKT/FOXO signaling enforces reversible differentiation blockade in myeloid leukemias. Cell,2011,146(5):697-708.

［32］Feng X,Wu Z,Wu Y,et al.Cdc25A regulates matrix metalloprotease 1 through Foxo1 and mediates metastasis of breast cancer cells.Mol Cell Biol,2011,31(16):3457-3471.

［33］Storz P,D?ppler H,Copland JA,et al.FOXO3a promotes tumor cell invasion through the induction of matrix metalloproteinases. Mol Cell Biol,2009,29(18):4906-4917.

［34］Sisci D,Maris P,Cesario MG,et al.The estrogen receptor α is the key regulator of the bifunctional role of FoxO3a transcription factor in breast cancer motility and invasiveness.Cell Cycle,2013, 12(21):3405-3420.

［35］Tenbaum SP,Ordó?ez-Morán P,Puig I,et al.β-catenin confers resistance to PI3K and AKT inhibitors and subverts FOXO3a to promote metastasis in colon cancer.Nat Med,2012,18(6):892-901.

［36］Arqués O,Chicote I,Puig I,et al.Tankyrase Inhibition Blocks Wnt/β-Catenin Pathway and Reverts Resistance to PI3K and AKT Inhibitors in the Treatment of Colorectal Cancer.Clin Cancer Res,2016,22(3):644-656.

310053 浙江中醫(yī)藥大學第一臨床醫(yī)學院（苗婷茹）

310006 浙江中醫(yī)藥大學附屬第一醫(yī)院（姚定國）