FOXM1與腫瘤代謝關系的研究進展*

張義 葉小娟 綜述 高勇 審校

·綜 述·

FOXM1與腫瘤代謝關系的研究進展*

張義 葉小娟 綜述 高勇 審校

叉頭盆蛋白質M1（Forkhead box protein M1，FOXM1）是Forkhead家族的一個致瘤轉錄因子，已被證實在多種腫瘤細胞增殖和周期進展中發揮至關重要的作用。FOXM1在超過20種人類腫瘤中過表達，促進腫瘤細胞的增殖、侵襲、轉移、抗凋亡和化療耐藥等過程。越來越多的證據表明，FOXM1在腫瘤細胞增殖與代謝之間發揮信使作用，使腫瘤細胞的增殖與代謝相適應。代謝異常是腫瘤細胞的一個重要特點，腫瘤細胞代謝決定腫瘤細胞的生長、存活和凋亡。本文旨在對FOXM1與腫瘤細胞代謝的關系及其在腫瘤代謝過程中發揮的重要作用作簡要綜述。

FOXM1腫瘤 代謝 糖酵解 氧化性應激

沃伯格效應（Warburg effect）被認為是腫瘤細胞的一個顯著特征［1］，即與正常細胞相比，腫瘤細胞攝取并消耗大量的葡萄糖，即使在氧氣充足的條件下，糖酵解率和乳酸產量也會大大增加。許多研究試圖解釋這一現象，其中一種解釋為癌基因激活葡萄糖轉運蛋白和糖酵解途徑中的酶過表達而導致這種結果［2］。沃伯格效應也可能與腫瘤的低氧微環境以及某些信號通路異常有關。近年來隨著對腫瘤代謝研究的深入，越來越多的學者認為，糖酵解過程中所產生的中間產物能夠為腫瘤細胞所用，用于合成蛋白質、核酸及脂類等生物大分子，為其本身的生長和增殖提供必需的物質基礎。此外，腫瘤細胞的異常代謝還為其侵襲轉移、逃避免疫和抵制凋亡提供微環境［1］。叉頭盒蛋白質M1（Forkhead box protein M1，FOXM1）被證實在多種腫瘤細胞中均有高表達，大量研究提示FOXM1對腫瘤細胞的增殖、遷移、侵襲至關重要，FOXM1表達異常升高與腫瘤臨床分型差、增殖率高、預后差有顯著相關性［3-4］。最近一項研究發現，FOXM1通過反式激活乳酸脫氫酶（LDHA）的表達來促進沃伯格效應以及胰腺癌的進展［5］。因此了解FOXM1與腫瘤代謝的相關性及其在腫瘤代謝中所發揮的作用具有一定的臨床意義。

1 FOXM1的結構與功能

1.1 FOXM1的結構與亞型

FOXM1是一個屬于Forkhead轉錄因子超家族的促癌轉錄因子。人類FOXM1根據外顯子Ⅴa和Ⅶa可變剪接分為3種亞型，即FOXM1A、FOXM1B和FOXM1C。在功能上，FOXM1A由于存在反式激活結構域而缺失轉錄活性。FOXM1B可顯著增強腫瘤細胞遷移侵襲的能力，而FOXM1C則不僅增強腫瘤細胞遷移侵襲的能力而且能夠促進腫瘤細胞增殖［6］。

1.2 FOXM1的轉錄與表達

FOXM1受轉錄及轉錄后等方式調控，FOXM1的轉錄水平在S期的起始階段開始升高，并在G1期開始時急劇減少。胚胎發育期間，FOXM1廣泛地表達于胚胎組織中，特別是增殖的上皮細胞和間充質細胞。在成人組織中，FOXM1表達局限于分裂活躍的細胞，如胸腺、睪丸、結腸和小腸，在靜止期或晚期分化的細胞中均消失。FOXM1的表達是通過組織損傷或氧化應激，由成熟細胞促有絲分裂的刺激誘導的，其轉錄活性與自身的磷酸化水平有關［7］。

1.3 FOXM1與腫瘤發生

大量研究證實FOXM1參與腫瘤細胞的增殖、血管生成、侵襲和轉移，FOXM1表達增加與腫瘤患者的臨床分型差、預后差有顯著相關性［8］。如Madureira等［9］發現FOXM1直接與ER-α的啟動子結合，刺激其轉錄，從而促進乳腺癌細胞增殖。FOXM1和ER-α之間相互作用形成正反饋，FOXM1是ER-α的下游轉錄靶點，從而增強了雌激素的促有絲分裂的作用［10］。另外，FOXM1通過直接調控VEGF的表達來誘導腫瘤血管形成［11］。有研究提示FOXM1也參與腫瘤基因不穩定性及逃避抑癌基因的作用［12-13］。

2 腫瘤細胞代謝特點

腫瘤細胞的代謝與正常細胞有明顯不同，代謝的改變是腫瘤發生發展的重要特征之一，多數情況下，腫瘤細胞是由于生長因子受體的活化突變而導致其對營養物質的攝取不依賴生長因子的刺激，從而促進細胞存活和生長；無論氧氣是否充足，腫瘤細胞都會從微環境中攝取大量的葡萄糖，利用糖酵解對葡萄糖進行代謝；腫瘤細胞通常將大量的經葡萄糖代謝產生的乳酸，同谷氨酸代謝過程產生的丙氨酸一起以廢物的形式分泌至細胞外，即腫瘤對葡萄糖及谷氨酸的利用不充分；此外，無論循環的脂肪酸是否充足，腫瘤細胞均有非常高的內源性脂肪酸的合成效率，即脂肪酸的從頭合成增加［14］。

3 FOXM1與腫瘤細胞代謝的相關性

3.1 FOXM1表達受OGT調控

Linch等［15-16］提出代謝途徑的改變可促進腫瘤發生發展。腫瘤細胞需要大量的葡萄糖來滿足能量的需要，腫瘤細胞中大部分葡萄糖通過糖酵解途徑代謝，小部分進入其他代謝途徑，如氨基己糖合成途徑（hexosamine biosynthetic pathway，HBP）。HBP途徑調控O-linkedβ-N-acetylglucosamine（O-GlcNAc）修飾多種蛋白質，與磷酸化一樣，是不斷伴隨著O-GlcNAc添加和移除的動態過程。O-GlcNAc轉移酶（O-linked-β-N-acetyl?glucosamine transferase，OGT）是一種哺乳動物必需的酶，將單個N-乙酰氨基葡萄糖（GlcNAc）以β-構型的O-糖苷鍵連接到蛋白質的絲氨酸和蘇氨酸（Ser/Thr）的羥基上。O-GlcNAc糖基化在細胞質和細胞核中廣泛存在，這種蛋白質翻譯后修飾對細胞內的許多信號通路具有調節作用，并與多種重大疾病的發生和發展密切相關。研究發現OGT在乳腺癌和前列腺癌中均有過表達，降低OGT水平可抑制乳腺癌和前列腺癌細胞的生長、侵襲能力和血管生成能力，并降低FOXM1及下游靶基因的蛋白表達，同時也可加強FOXM1蛋白的降解。

3.2 FOXM1與抗氧化應激反應

細胞可以啟動轉錄水平的抗氧化應激（anti-oxi?dative stress，AOS）反應來清除因化學、物理損傷和代謝形成的活性氧（reactive oxygen species，ROS）。這種防護程序可以減少化學和物理因素引發的致癌作用。然而，其也被腫瘤細胞用于抵抗不利于腫瘤的微環境，并獲得耐受放化療的能力。FOXM1可以使腫瘤細胞在低氧環境下存活，降低FOXM1表達將使缺氧的腫瘤細胞增殖能力受損［17］。有研究發現缺氧可以使HIF-1（hypoxia-inducible factor-1）直接結合在FOXM1啟動子上從而誘導FOXM1表達，因此可推測腫瘤細胞的增殖和代謝之間有潛在的相互作用［18］。經過深入探索后發現硫氧化還原蛋白和谷胱甘肽途徑參與腫瘤細胞逃避活性氧損害的過程，且在許多腫瘤中這兩種途徑均普遍激活。有趣的是，大部分AOS基因是紅系衍生的核因子2相關因子2（nuclear factor-erythroid 2-related factor 2，NRF2）、核內轉錄因子（nuclear factor-KappaB，NF-κB）和FOXM1的下游靶基因。另外上調FOXM1表達可以刺激ROS清道夫基因的表達，從而下調ROS的水平，如錳超氧化物歧化酶（manganese superoxide dis?mutase，MnSOD）、過氧化氫酶（catalase）和硫氧還蛋白過氧化物酶3（peroxiredoxin，PRDX3），從而保護細胞抵抗ROS引起的衰老和死亡，腫瘤細胞可通過過表達FOXM1來適應代謝增加和致瘤基因激活導致的ROS的增加。這種需要FOXM1的表達來確保細胞正常增殖的現象，進一步證實細胞代謝與增殖之間有相互作用［19］。有學者設想，聯合FOXM1抑制劑和ROS誘導劑可以選擇性地清除腫瘤細胞。用ROS誘導劑處理后，小干擾RNA敲降FOXM1表達可進一步增加細胞內ROS水平，增加腫瘤細胞對ROS介導的細胞死亡的敏感性。此外，FOXM1/蛋白酶體抑制劑硼替佐米與ROS誘導劑b-異硫氰酸苯乙酯可以有效地抑制乳腺腫瘤異種移植瘤的生長［20］。硫鏈絲菌素（Thiostrepton，TS）是一種抑制FOXM1表達的噻唑類抗生素，增強TS的活性的治療方案可以提高治療效果。TS在惡性間質瘤（malignant mesothelioma，MM）中可抑制FOXM1表達，并存在劑量依賴的現象。TS抑制FOXM1表達和激活ERK1/2通路的能力通過與抗氧化劑N-乙酰-L-半胱氨酸（N-acetyl-L-cysteine，NAC）預孵育后顯著降低。因此，硫鏈絲菌素的作用機制可能與FOXM1表達和氧化還原有關，提示FOXM1與腫瘤代謝密切相關［21］。Jiang等［22］研究發現線粒體靶向的氮氧自由基可以通過破壞線粒體結構、擾亂氧化還原穩態而抑制FOXM1的表達和MM細胞活力。氮氧自由基與TS的聯合用藥可提供可靠的MM的治療選擇。

3.3 代謝相關信號通路與FOXM1的相互作用

Cui等［5］研究發現FOXM1通過反式激活LDHA的表達來促進Warburg效應以及胰腺癌的進展，最新研究發現FOXM1通過反式激活LDHA，在胃癌細胞中也能夠通過調控有氧糖酵解而調節腫瘤細胞表型、增殖、遷移和侵襲。該信號通路發揮著糖酵解激活劑的功能，并促進胃癌進展［23］。在正常細胞內，細胞周期的進程受到嚴格調控，E2F轉錄因子家族在這個過程中也發揮有重要作用。E2F在肺癌、胃癌、結腸癌、卵巢癌和乳腺癌等多數人類腫瘤中都有較高的活性。有學者發現研究E2F能夠通過調控過氧化物酶體增殖物激活受體（PPARγ）的表達促進脂肪生成［24］。而De等［24］研究腫瘤細胞對表柔比星的反應時發現，E2F1在促進FOXM1表達、細胞生存和表柔比星抗性中起到關鍵作用，用siRNA敲降E2F1后可減弱FOXM1表達和細胞活性，提示FOXM1與腫瘤細胞脂肪酸生成之間的潛在聯系。絲氨酸與蘇氨酸激酶Akt（protein kinase B）是在增殖和代謝方面發揮雙重調控的激酶，在葡萄糖代謝平衡、蛋白合成、脂肪酸合成中均發揮重要作用，同時也是很多生長因子信號通路的重要組成部分，廣泛參與細胞的生長及生存的調控。FOXM1是PI3K-AKT-FOXO信號級聯的下游效應蛋白。AMP激活蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）是一種代謝傳感器，在低氧和葡萄糖缺乏的情況下，使用AMPK激活劑如鈣離子載體A23187、5-氨基咪唑-4-甲酰胺核苷酸（AICAR）和二甲雙胍等檢測AMPK激活對FOXM1表達的影響，結果顯示均顯著抑制宮頸癌細胞生長，同時伴隨FOXM1在mRNA和蛋白水平的降低。在機制方面，激活AMPK能夠減少AKT介導的p-FOXO3a（Ser253）磷酸化。當用siRNA敲降內源性FOXO3a表達后，激活AMPK不能改變FOXM1的水平［25］。肝X受體（liver X receptors，LXRs）包括LXRalpha和LXRbeta兩種亞型，在葡萄糖、膽固醇和脂質代謝調控中起重要作用。特異性LXR激動劑可以下調肝癌細胞中FOXM1及其下游靶基因cyclin D1和cyclin B1表達，引起細胞周期和細胞增殖的阻滯。敲降FOXM1顯著減輕LXR激活介導的細胞周期阻制和細胞生長抑制。報告基因實驗顯示LXR激活顯著減少FOXM1啟動子的轉錄活性。電泳遷移率變動分析和染色質免疫共沉淀等實驗證明LXRalpha可以與FOXM1基因啟動子上一個反向重復序列（-52CCGTCAcgTGACCT-39）結合，從而抑制其轉錄［26］。該研究提示，FOXM1與細胞周期的關系密切，在細胞增殖和細胞代謝之間發揮信使的作用，使細胞在內環境中代謝有益的情況下才進行增殖。FOXM1的mRNA水平在靜止期細胞中較低，細胞受到輻射后上升2到3倍，而相同的處理對增殖期細胞無明顯影響。用RNA干擾和藥物將FOXM1下調后，可以使靜止期細胞的抗輻射性減弱。該研究發現靜止細胞的抗輻射性與葡萄糖消耗及葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（glucose-6-phosphate dehydrogenase，G6PD）表達增加有關，敲降FOXM1后造成G6PD明顯下降［27］。

4 小結

腫瘤的發生發展是一個多因素多階段的復雜過程，其中代謝異常與腫瘤發生發展之間存在必然聯系。腫瘤代謝異常不僅是腫瘤發生后信號通路改變引起的適應腫瘤增殖的結果，也可能是誘導腫瘤發生發展的上游信號源頭。FOXM1是細胞內一類重要的轉錄調控因子，同時也參與細胞代謝并行使重要的調節功能。越來越多的證據表明，FOXM1通過對相關代謝過程的調控，協調腫瘤細胞的增殖和能量代謝的平衡，然而FOXM1是否直接影響腫瘤代謝相關的調節因子，從而影響腫瘤的能量代謝，將成為進一步研究的焦點。相關分子機制的進一步闡明將有助于深入揭示腫瘤能量代謝與腫瘤發生發展的關聯，為靶向腫瘤細胞能量代謝的治療策略提供新機遇。

總之，進一步提高對哺乳動物是如何調節細胞內代謝反應和信號轉導，以及FOXM1與腫瘤代謝之間關系的認識，將有助于揭示FOXM1影響健康和疾病的機制。

[1] Hanahan D,Weinberg RA.Hallmarks of cancer:the next Genera?tion[J].Cell,2011,144(5):646-674.

[2] Chen JQ,Russo J.Dysregulation of glucose transport,glycolysis, TCA cycle and glutaminolysis by oncogenes and tumor suppres?sors in cancer cells[J].Biochim Biophys Acta,2012,1826(2):370-384.

[3] Kong X,Li L,Li Z,et al.Dysregulated expression of FOXM1 iso?forms drives progression of pancreatic cancer[J].Cancer Res, 2013,73(13):3987-3996.

[4] Wen N,Wang Y,Wen L,et al.Overexpression of FOXM1 pre?dicts poor prognosis and promotes cancer cell proliferation,migra?tion and invasion in epithelial ovarian cancer[J].J Trancl Med, 2014,12:134.

[5] Cui J,Shi M,Xie D,et al.FOXM1 promotes the warburg effect and pancreatic cancer progression via transactivation of LDHA expression[J].Clin Cancer Res,2014,20(10):2595-2606.

[6] Lok GT,Chan DW,Liu VW,et al.Aberrant activation of ERK/ FOXM1 signaling cascade triggers the cell migration/invasion in ovarian cancer cells[J].PLoS One,2011,6(8):e23790.

[7] Halasi M,Gartel AL.Fox(M1)news-it is cancer[J].Mol Cancer Ther,2013,12(3):245-254.

[8] Millour J,Constantinidou D,Stavropoulou AV,et al.FOXM1 is a transcriptional target of ERalpha and has a critical role in breast cancer endocrine sensitivity and resistance[J].Oncogene,2010,29 (20):2983-2995.

[9] Madureira PA,Varshochi R,Constantinidou D,et al.The fork?head box M1 protein regulates the transcription of the estrogen re?ceptor alpha in breast cancer cells[J].J Biol Chem,2006,281(35): 25167-25176.

[10]Li Q,Zhang N,Jia Z,et al.Critical role and regulation of tran?scription factor FoxM1 in human gastric cancer angiogenesis and progression[J].Cancer Res,2009,69(8):3501-3509.

[11]Pandit B,Halasi M,Gartel AL.p53 negatively regulates expres?sion of FoxM1[J].Cell Cycle,2009,8(20):3425-3427.

[12]Teh MT,Gemenetzidis E,Chaplin T,et al.Upregulation of FOXM1 induces genomic instability in human epidermal kerati?nocytes[J],2010,9:45.

[13]Ruan D.Progress in tumor mechanism research[J].Medical Infor?mation,2013,26(8):688-689.[阮 丹.腫瘤代謝研究進展綜述[J].醫學信息,2013,26(8):688-689.]

[14]Caldwell SA,Jackson SR,Shahriari KS,et al.Nutrient sensor OGlcNAc transferase regulates breast cancer tumorigenesis through targeting of the oncogenic transcription factor FoxM1[J].Onco?gene,2010,29(19):2831-2842.

[15]Lynch TP,Ferrer CM,Jackson SR,et al.Critical role of OLinked β-N-acetylglucosamine transferase in prostate cancer in?vasion,angiogenesis,and metastasis[J].J Biol Chem,2012,287 (14):11070-11081.

[16]Xia LM,Huang WJ,Wang B,et al.Transcriptional up-regula?tion of FoxM1 in response to hypoxia is mediated by HIF-1[J].J Cell Biochem,2009,106(2):247-256.

[17]Park HJ,Carr JR,Wang Z,et al.FoxM1,a critical regulator of oxi?dative stress during oncogenesis[J].EMBO J,2009,28(19):2908-2918.

[18]Park HJ,Carr JR,Wang Z,et al.FoxM1,a critical regulator of ox?idative stress during oncogenesis[J].EMBO J,2009,28(19):2908-2918.

[19]Halasi M,Pandit B,Wang M,et al.Combination of oxidative stress and FOXM1 inhibitors induces apoptosis in cancer cells and inhibits xenograft tumor growth[J].Am J Pathol,2013,183(1): 257-265.

[20]Newick K,Cunniff B,Preston K,et al.Peroxiredoxin 3 is a re?dox-dependent target of thiostrepton in malignant mesothelioma cells[J].PLoS One,2012,7(6):e39404.

[21]Cunniff B,Benson K,Stumpff J,et al.Mitochondrial-targeted ni?troxides disrupt mitochondrial architecture and inhibit expression of peroxiredoxin 3 and FOXM1 in malignant mesothelioma cells [J].J Cell Physiol,2013,228(4):835-845.

[22]Jiang W,Zhou F,Li N,et al.FOXM1-LDHA signaling promot?ed gastric cancer glycolytic phenotype and progression[J].Int J Clin Exp Pathol,2015,8(6):6756-6763.

[23]Fajas L,Landsberg RL,Huss-Garcia Y,et al.E2Fs regulate adipo?cyte differentiation[J].Dev Cell,2002,3(1):39-49.

[24]De Olano N,Koo CY,Monteiro LJ,et al.The p38 MAPK-MK2 axis regulates E2F1 and FOXM1 expression after epirubicin treat?ment[J].Mol Cancer Res,2012,10(9):1189-1202.

[25]Yung MM,Chan DW,Liu VW,et al.Activation of AMPK inhib?its cervical cancer cell growth through AKT/FOXO3a/FOXM1 signaling cascade[J].BMC Cancer,2013,13:327.

[26]Hu C,Liu D,Zhang Y,et al.LXRα-mediated downregulation of FOXM1 suppresses the proliferation of hepatocellular carcinoma cells[J].Oncogene,2014,33(22):2888-2897.

[27]Eckers JC,Kalen AL,Sarsour EH,et al.Forkhead box M1 regu?lates quiescence-associated radioresistance of human head and neck squamous carcinoma cells[J].Radiat Res,2014,182(4):420-429.

（2015-07-26收稿）

（2015-10-02修回）

（編輯：鄭莉）

Research progress on the relationship between FOXM1 and neoplasm metabolism

Yi ZHANG,Xiaojuan YE,Yong GAO

Department of Oncology and Hematology,Shanghai East Hospital,Shanghai 200120,China
This work was supported by the Key Specialty Construction Project of the Pudong Health Bureau of Shanghai(No.ZK2012A26), the Key Disciplines Group Construction Project of the Pudong Health Bureau of Shanghai(No.PWZxq2014-04),and the Outstanding Leaders Training Program of the Pudong Health Bureau of Shanghai(No.PWRL2013-02)

FOXM1 is a member of the FOX family of transcription factors and has been confirmed to participate in cell proliferation and cell cycle progress.FOXM1 has been reported to play an important role in more than 20 types of human neoplasms,and its upregulation promotes tumor cell proliferation,invasion,metastasis,chemotherapy drug resistance,and resistance to apoptosis.In recent years,various studies have shown that FOXM1 also plays an important role in tumor metabolism.The metabolism of cancer cells determines the growth and survival of cancer,and metabolic alteration is a key feature of tumor cells.The connection between metabolic abnormalities and tumorigenesis has been reported.The O-linked β-N-acetylglucosamine transferase regulates the expression of FOXM1, which helps tumor cells survive without damage caused by oxidative stress.This review aims to summarize the known relationships of FOXM1 and tumor cell metabolism,as well as its role in the potential pathways of tumor metabolism.

FOXM1,neoplasms,metabolism,glycolysis,oxidative stress

10.3969/j.issn.1000-8179.2015.22.828

上海市東方醫院腫瘤血液科（上海市200120）

*本文課題受上海市醫學重點專科項目（編號：ZK2012A26）、上海市浦東新區衛生系統重點學科群項目（編號：PWZxq2014-04）、上海市浦東新區衛生系統領先人才培養計劃項目（編號：PWRL2013-02）資助

高勇 gaoyon@hotmail.com

張義 專業方向為血液腫瘤學。

E-mail：15040546705@163.com