叉頭框蛋白O與惡性腫瘤的研究進(jìn)展△

翁小坤，孫菲，于靜萍

南京醫(yī)科大學(xué)附屬常州第二人民醫(yī)院放療科，江蘇 常州 213003

近年來(lái)，惡性腫瘤的發(fā)病率逐年上升，臨床現(xiàn)有的治療手段，如手術(shù)、放療、化療及免疫治療等均無(wú)法達(dá)到理想的治療效果。叉頭框蛋白O（forkhead box O，F(xiàn)OXO）可在多個(gè)方面對(duì)放療、化療、免疫治療等發(fā)揮增敏作用，對(duì)其進(jìn)行深入研究，可為臨床惡性腫瘤的治療提供新思路，本文就近年來(lái)FOXO的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 FOXO概述

叉頭框蛋白（forkhead box，F(xiàn)OX）家族屬于進(jìn)化較為保守的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄因子家族，由3個(gè)α-螺旋和2個(gè)環(huán)或“翼”結(jié)構(gòu)域組成。FOXO蛋白家族是一種普遍表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子，在高等生物中發(fā)揮重要作用。FOXO1、FOXO3a、FOXO4和FOXO6主要在哺乳動(dòng)物中發(fā)揮作用，但其在組織中表達(dá)情況并不相同，F(xiàn)OXO1、FOXO3a和FOXO4在心、腦、腎、肌肉、脂肪等組織中廣泛表達(dá)，但FOXO6目前僅表達(dá)于中樞神經(jīng)系統(tǒng)。上述轉(zhuǎn)錄因子均有一個(gè)叉狀的DNA結(jié)合區(qū)域，受磷脂酰肌醇-3-羥激酶（phosphatidylinositol 3-hydroxy kinase，PI3K）-蛋白激酶B（protein kinase B，PKB，又稱AKT）信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路調(diào)控，參與細(xì)胞的周期阻滯、DNA損傷修復(fù)及凋亡等過(guò)程。此外，有研究表明，F(xiàn)OXO基因家族通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子的特異性激活來(lái)調(diào)控機(jī)體生長(zhǎng)發(fā)育、能量代謝及腫瘤的發(fā)生發(fā)展過(guò)程。

2 FOXO的作用機(jī)制

FOXO是PI3K/AKT信號(hào)通路的下游靶點(diǎn)，并通過(guò)生長(zhǎng)因子/PI3K/AKT通路對(duì)FOXO進(jìn)行負(fù)調(diào)控。生長(zhǎng)因子與受體酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinase，RTK）結(jié)合可使RTK通過(guò)自身磷酸化而活化?；罨腞TK可通過(guò)RTK或銜接蛋白細(xì)胞尾部的磷酸酪氨酸位點(diǎn)募集PI3K并使其激活，從而進(jìn)一步活化磷脂酰肌醇-3，4，5-三磷酸（phosphatidylinositol-3，4，5-triphosphate，PIP3）。活化的PIP3可導(dǎo)致AKT活化，而活化AKT又可導(dǎo)致FOXO的磷酸化。14-3-3蛋白可以與磷酸化的FOXO結(jié)合，并將其從細(xì)胞核轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)，從而抑制其轉(zhuǎn)錄功能。相反，c-Jun氨基末端激酶（c-jun N-terminal kinase，JNK）及蛋白激酶（mammalian Ste20-like kinase，MST）活化可導(dǎo)致FOXO3a或14-3-3蛋白的磷酸化，使FOXO3a與14-3-3蛋白在細(xì)胞質(zhì)中解離，從而導(dǎo)致FOXO3a重新向細(xì)胞核移位。此外，AMP依賴的蛋白激酶[Adenosine 5'-monophosphate（AMP）-activated protein kinase，AMPK]可介導(dǎo)FOXO的磷酸化，并增強(qiáng)其轉(zhuǎn)錄活性，但卻不改變 FOXO的細(xì)胞定位。IκB激酶（IκB-kinase，IKK）可不依賴AKT而直接與FOXO3a相互作用使其磷酸化，并導(dǎo)致FOXO3a的降解。激活的FOXO通過(guò)下游的細(xì)胞死亡調(diào)解因子（Bim）、脂肪酸合成酶配體（fatty acid synthase-ligand，F(xiàn)AS-L）、腫瘤壞死因子相關(guān)的凋亡誘導(dǎo)配體（TNF-related apoptosis-inducing ligand，TRAIL）等調(diào)控細(xì)胞的凋亡過(guò)程。FOXO3a激活后可移位至細(xì)胞核靶基因，激活FAS-L以誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。此外，F(xiàn)OXO3a激活后可與Bim啟動(dòng)子結(jié)合上調(diào)Bim的表達(dá)，與B細(xì)胞淋巴瘤/白血病-2（B cell lymphoma/leukemia-2，Bcl-2）家族結(jié)合進(jìn)一步激活胱天蛋白酶（caspase）和凋亡效應(yīng)蛋白[Bcl-2相關(guān)X蛋白（Bcl-2-associated X protein，BAX）、Bak]，以引起細(xì)胞凋亡。FOXO還可通過(guò)TRAIL，激活TRAIL受體1（TRAIL receptor 1，TRAILR1，又稱DR4）和TRAILR2（又稱DR5）以促進(jìn)細(xì)胞凋亡。此外，TRAIL與DR4、DR5結(jié)合并募集死亡結(jié)構(gòu)域銜接分子（fas-associated protein with death domain，F(xiàn)ADD）與caspase 8形成信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)復(fù)合物，導(dǎo)致caspase 8的自催化活化，經(jīng)caspase 3觸發(fā)caspase級(jí)聯(lián)反應(yīng)以誘導(dǎo)凋亡性細(xì)胞凋亡。

生理狀態(tài)下，通過(guò)上述通路，可使FOXO在磷酸化與去磷酸化間維持平衡，在細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)間穿梭維持正常水平，在促進(jìn)細(xì)胞凋亡與促進(jìn)細(xì)胞增殖間保持平衡。但在病理狀態(tài)下，F(xiàn)OXO上的AKT、ERK、IKK等激酶異常激活，導(dǎo)致FOXO的大量磷酸化，使大量FOXO從細(xì)胞核排出，并通過(guò)泛素/蛋白酶體途徑降解，而這種磷酸化失調(diào)引起的FOXO降解可導(dǎo)致細(xì)胞的代謝水平失調(diào)。

3 FOXO與惡性腫瘤的關(guān)系

3.1 抑制腫瘤的發(fā)生發(fā)展

細(xì)胞在氧化應(yīng)激和缺氧等應(yīng)激條件下常可發(fā)生癌變，最終形成腫瘤，哺乳動(dòng)物FOXO基因表達(dá)的蛋白是一種多效轉(zhuǎn)錄因子，參與調(diào)節(jié)對(duì)細(xì)胞存活至關(guān)重要的廣泛通路。研究表明，敲除FOXO3a會(huì)增加胸腺淋巴瘤及血管瘤的發(fā)生率，這多與FOXO3a的異常轉(zhuǎn)錄后修飾相關(guān)，而這多與上游PI3K/AKT等激酶異常激活導(dǎo)致FOXO的磷酸化失調(diào)有關(guān)。大量上游激酶過(guò)度激活后，引起大量FOXO的磷酸化，使其從細(xì)胞核排出至細(xì)胞質(zhì)中被降解，抑制細(xì)胞凋亡等途徑，從而促進(jìn)細(xì)胞的增殖和癌變。

FOXO也被證明抑制腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移的作用，這可能是因?yàn)槠渖嫌瓮芳せ顪p少，導(dǎo)致FOXO磷酸化水平減少，細(xì)胞核中發(fā)揮功能的FOXO含量增加。FOXO表達(dá)與前列腺癌的轉(zhuǎn)移呈反比，敲低FOXO4可促進(jìn)前列腺癌的淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移，這種轉(zhuǎn)移與PIP、鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ抑制性蛋白1（calmodulin dependent protein kinase Ⅱ inhibitor 1，CAMK2N1）、脂肪特異性磷脂酶A2（adipose-specific phospholipase A2，PLA2G16）和胃泌素（progastricsin，PGC）等基因相關(guān)，敲低上述基因可以減少FOXO4低表達(dá)引起的淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移。FOXO1及FOXO4的表達(dá)可以通過(guò)負(fù)調(diào)控RUNX2的轉(zhuǎn)錄活性而抑制前列腺癌細(xì)胞遷移和侵襲。FOXO1還可以直接與RUNX2結(jié)合，抑制與RUNX2結(jié)合的轉(zhuǎn)移基因如白細(xì)胞介素-8（interleukin 8，IL-8）、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）和基質(zhì)金屬肽酶13（matrix metallopeptidase 13，MMP13）的啟動(dòng)子，來(lái)減少腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移。FOXO4還可增強(qiáng)膜聯(lián)蛋白A8（annexin 8，ANXA8）的表達(dá)，從而抑制膽管癌中生長(zhǎng)因子介導(dǎo)的腫瘤轉(zhuǎn)移。此外，F(xiàn)OXO1也可以通過(guò)抑制上皮細(xì)胞-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）過(guò)程達(dá)到抑制腫瘤轉(zhuǎn)移的目的。持續(xù)的腫瘤血管生成是腫瘤侵襲獲取營(yíng)養(yǎng)的關(guān)鍵，而FOXO1和FOXO3可通過(guò)限制內(nèi)皮細(xì)胞遷移和管腔形成導(dǎo)致血管生成受阻，進(jìn)一步抑制腫瘤轉(zhuǎn)移。由此可見(jiàn)，F(xiàn)OXO基因的表達(dá)可以有效抑制腫瘤細(xì)胞的侵襲和轉(zhuǎn)移過(guò)程。

3.2 促進(jìn)腫瘤的發(fā)生

越來(lái)越多研究表明，F(xiàn)OXO可促進(jìn)腫瘤的發(fā)生和發(fā)展，但其具體機(jī)制尚未完全明確，可能與其上游激酶的異常調(diào)節(jié)相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)OXO6在乳腺癌、膀胱癌、胃癌及腦腫瘤組織中表達(dá)上調(diào)。FOXO還對(duì)慢性和急性髓性白血病中的腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)和維持有支持作用，其主要通過(guò)與轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）/骨形態(tài)發(fā)生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的相互作用介導(dǎo)。FOXO因子和TGF-β/BMP可以在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)節(jié)真核細(xì)胞生長(zhǎng)正調(diào)節(jié)因子哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白復(fù)合物1（mammalian target of rapamycin complex 1，MTORC1）水平，從而導(dǎo)致干細(xì)胞過(guò)度增殖，最終促進(jìn)腫瘤的生長(zhǎng)。

3.3 抗腫瘤治療

FOXO轉(zhuǎn)錄因子在上游PI3K、AKT等的激酶調(diào)控下參與了腫瘤發(fā)生發(fā)展的多個(gè)過(guò)程，因此，對(duì)FOXO深入研究有助于抗腫瘤治療。調(diào)節(jié)性T細(xì)胞（regulatory T cell，Treg）在維持自身免疫耐受和預(yù)防自身免疫疾病方面有重要意義。Treg細(xì)胞在惡性腫瘤患者中表達(dá)上調(diào)，且可能會(huì)被募集到腫瘤組織中以促進(jìn)細(xì)胞免疫耐受，從而促進(jìn)腫瘤的生長(zhǎng)。但對(duì)于AKT不敏感的FOXO1突變體來(lái)說(shuō)，F(xiàn)OXO轉(zhuǎn)錄因子可阻斷Treg細(xì)胞歸巢至非淋巴器官，從而抑制腫瘤的生長(zhǎng)。由此可見(jiàn)，研究FOXO1突變與Treg細(xì)胞的關(guān)系可能可通過(guò)免疫途徑進(jìn)行腫瘤治療。

FOXO轉(zhuǎn)錄因子可通過(guò)Bim介導(dǎo)伊馬替尼對(duì)BCR/ABL基因融合突變白血病細(xì)胞凋亡的促進(jìn)作用；其他抗腫瘤藥物，如曲妥珠單抗，也可激活FOXO介導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡。上述抗腫瘤藥物主要作為PI3K/AKT通路抑制劑來(lái)促進(jìn)FOXO的激活，但其在利用FOXO進(jìn)行治療腫瘤時(shí)也會(huì)引起耐藥，主要耐藥機(jī)制包括以下兩個(gè)方面：①FOXO1可上調(diào)腫瘤細(xì)胞中多藥耐藥蛋白1（multidrug resistance protein 1，MDR1）的表達(dá)。②FOXO激活與PI3K的反饋回環(huán)，促進(jìn)耐藥。研究發(fā)現(xiàn)，在PI3K/AKT通路過(guò)度激活的腫瘤細(xì)胞中，PI3K/AKT抑制劑在促進(jìn)FOXO活化、抑制腫瘤生長(zhǎng)的同時(shí)，F(xiàn)OXO蛋白的過(guò)表達(dá)可反饋性引起AKT的活化和磷酸化，從而導(dǎo)致FOXO失活，形成耐藥。此外，一些抗腫瘤藥物可通過(guò)促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的氧化應(yīng)激反應(yīng)而發(fā)揮細(xì)胞毒性作用，而FOXO可誘導(dǎo)抗氧化酶的表達(dá)保護(hù)使腫瘤細(xì)胞免受其細(xì)胞毒性作用來(lái)減弱藥物的抗腫瘤作用。

因放療可精確照射腫瘤病灶發(fā)揮重要的抗腫瘤作用，F(xiàn)OXO對(duì)于放療的敏感性極為重要，而DNA損傷修復(fù)是放療療效的決定性因素。電離輻射在照射腫瘤組織時(shí)，射線作用于細(xì)胞間水分子及其他分子，導(dǎo)致其電離產(chǎn)生活性氧（reactive oxygen species，ROS）和其他有害物質(zhì)。ROS和有害物質(zhì)可與脂質(zhì)、DNA及蛋白質(zhì)結(jié)合并對(duì)其造成損害，從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞凋亡以達(dá)到抗腫瘤治療的目的。電離輻射還可直接照射在腫瘤細(xì)胞的DNA上，導(dǎo)致DNA單鏈或雙鏈斷裂引起腫瘤細(xì)胞凋亡來(lái)達(dá)到抗治療腫瘤的目的。DNA損傷后可通過(guò)阻滯細(xì)胞周期、影響細(xì)胞的自噬過(guò)程、改善組織細(xì)胞的乏氧狀態(tài)等，修復(fù)DNA引起的放療抵抗。DNA損傷時(shí)可激活共濟(jì)失調(diào)毛細(xì)血管擴(kuò)張RAD3相關(guān)蛋白（ataxia telangiectasia and Rad 3-related protein，ATR），進(jìn)一步激活細(xì)胞周期檢查點(diǎn)（checkpoint 1，CHK1），將細(xì)胞周期阻滯于S期及G/M期，進(jìn)而促進(jìn)DNA損傷修復(fù)。DNA雙鏈損傷時(shí)可以激活毛細(xì)血管擴(kuò)張性共濟(jì)失調(diào)突變基因（ataxia telangiectasiamutated gene，ATM）進(jìn)一步上調(diào)P21的表達(dá)，并誘導(dǎo)細(xì)胞周期G期停滯；CHK2和乳腺癌易感基因1（breast cancer susceptibility gene l，BRCA1）可誘導(dǎo)細(xì)胞周期S期和G/M期停滯，為DNA損傷修復(fù)提供時(shí)間。ATM還可以通過(guò)非同源末端連接（non-homologous end joining，NHEJ）及同源重組（homologous recombination，HR）參與DNA的損傷修復(fù)過(guò)程。此外，DNA損傷時(shí)，DNA依賴性蛋白激酶催化亞基（DNA-dependent protein kinase,catalytic subunit，DNA-PKcs）與 Ku70/80 異二聚體形成結(jié)合DNA-PK全酶，然后通過(guò)與NHEJ介導(dǎo)斷裂的DNA末端直接相連，達(dá)到修復(fù)DNA的目的。多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)OXO3丟失可導(dǎo)致原始造血干細(xì)胞和祖細(xì)胞（hematopoietic stem and progenitor cell，HSPC）中DNA損傷的累積，特別是與修復(fù)氧化性DNA損傷的基因表達(dá)下調(diào)有關(guān)。FOXO3a過(guò)表達(dá)與哺乳動(dòng)物的生存期延長(zhǎng)有關(guān)，且這可能與FOXO3a參與DNA的損傷修復(fù)過(guò)程有關(guān)。DNA受射線照射損傷時(shí)，可以觸發(fā)FOXO3a在細(xì)胞周期中的兩個(gè)關(guān)鍵檢查點(diǎn)（G/S和G/M），有效將細(xì)胞周期阻滯于G、G期，從而延長(zhǎng)細(xì)胞周期由G期向S期及G期向M期進(jìn)展的時(shí)間。此外，F(xiàn)OXO因子還可以與DNA結(jié)合以誘導(dǎo)DNA的損傷修復(fù)，這可能與涉及的基因啟動(dòng)子的位點(diǎn)有關(guān)。FOXO3a還可與ATM結(jié)合，并通過(guò)ATM的磷酸化來(lái)激活，從而進(jìn)一步導(dǎo)致DNA的損傷修復(fù)過(guò)程。FOXO3a缺失的造血干細(xì)胞似乎更容易發(fā)生受損DNA的累積與染色體異常。這主要是因?yàn)镕OXO3a缺失可導(dǎo)致堿基切除修復(fù)（base-excision repair，BER）相關(guān)的多種關(guān)鍵基因，如 DNA 聚合酶β（DNA polymerase β，POLB）、X 線修復(fù)交叉互補(bǔ)蛋白1（X-ray repair cross complementing 1，XRCC1）、DNA連接酶1（DNA ligase 1，LIG1）及核苷酸切除修復(fù)（nucleotide excision repair，NER）的表達(dá)明顯下調(diào)，導(dǎo)致細(xì)胞DNA損傷修復(fù)功能受損，從而引起受損DNA的累積。由此可見(jiàn)，上游通路通過(guò)抑制FOXO的激活來(lái)減少DNA的損傷修復(fù)，以降低放療抵抗，從而增加放療療效。

FOXO1因子轉(zhuǎn)錄活性的增強(qiáng)不僅可上調(diào)自噬相關(guān)基因（autophagy-related gene，ATG）的表達(dá)，還可通過(guò)雌三醇（sestrin3，SESN3）基因的轉(zhuǎn)錄抑制雷帕霉素（mechanistic target of rapamycin，MTOR）機(jī)制性靶標(biāo)，誘導(dǎo)自噬的增強(qiáng)。研究顯示，通過(guò)抑制腫瘤細(xì)胞自噬可發(fā)揮良好的抗腫瘤治療效果，這是因?yàn)榛熎陂g自噬可能作為保護(hù)機(jī)制誘發(fā)耐藥，最終導(dǎo)致多藥耐藥。自噬還可以通過(guò)清除X線照射產(chǎn)生的有毒物質(zhì)（如自由基、受損的蛋白質(zhì)或細(xì)胞器），從而達(dá)到保護(hù)細(xì)胞的作用，引起腫瘤細(xì)胞的放療抵抗。通過(guò)使用自噬抑制劑和自噬相關(guān)基因（如BECN1、ATG）的遺傳沉默或敲低，具有增加腫瘤細(xì)胞放射敏感性的潛力?？紤]到FOXO可以促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的自噬，或許可通過(guò)靶向FOXO調(diào)控腫瘤細(xì)胞的自噬過(guò)程，為抗腫瘤治療提供新方案。

4 小結(jié)與展望

近年來(lái)，腫瘤已經(jīng)是人類死亡的主要原因，而多種腫瘤的發(fā)生發(fā)展過(guò)程與人體內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)失衡有關(guān)。盡管目前對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究有了較大的進(jìn)展，并研制出了相應(yīng)藥物，但仍存在多種難以理解的耐藥機(jī)制。因此，明確細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制，據(jù)此研制新型抗腫瘤藥物顯得格外重要，而PI3K、AKT、IKK等上游激酶代謝失調(diào)引起體內(nèi)FOXO代謝失衡是導(dǎo)致腫瘤發(fā)生發(fā)展的主要原因之一。因此，研究FOXO信號(hào)通路可以為減少腫瘤發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)及抗腫瘤治療提供一種新思路。

FOXO作為一種轉(zhuǎn)錄因子，其激活被可通過(guò)促進(jìn)細(xì)胞凋亡、抑制增殖而達(dá)到抗腫瘤治療的目的，F(xiàn)OXO也可通過(guò)Treg的作用來(lái)增強(qiáng)免疫治療療效。且FOXO可以增強(qiáng)自噬而發(fā)揮放化療增敏作用，但抑制FOXO的活化又可減少DNA損傷修復(fù)而增強(qiáng)放療療效。此外，F(xiàn)OXO可促進(jìn)腫瘤細(xì)胞發(fā)生轉(zhuǎn)移，表明其在腫瘤的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中的作用較為復(fù)雜，但造成這種作用的原因尚不明確。FOXO可影響人體正常的代謝過(guò)程，其持續(xù)性激活會(huì)導(dǎo)致人體正常生理功能紊亂，導(dǎo)致人體無(wú)法耐受。

本文簡(jiǎn)略討論了FOXO基因?qū)δ[瘤發(fā)生發(fā)展的影響，其失衡與腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，而干擾其上游通路可影響FOXO的活化狀態(tài)，因此，對(duì)這些通路的研究可能有助于開(kāi)發(fā)抗腫瘤治療新型藥物。