FOXO3a在腫瘤發生發展中作用的研究進展

李超，鄭洪

(遵義醫學院附屬醫院，貴州遵義563000)

叉頭轉錄蛋白O(FOXO)家族通過對轉錄過程的特異性激活參與調節細胞周期進程、能量代謝及腫瘤發生[1]。FOXO功能失調將導致細胞增殖失控和DNA損傷積累，從而產生致癌作用。FOXO3a是FOXO亞家族的成員，亦稱為橫紋肌肉瘤樣1叉頭框，最先在人胎盤中被鑒別出來。FOXO3a基因位于染色體6q21[2]，其通過調節靶基因的表達在多種細胞周期進程中發揮重要作用。FOXO3a的亞細胞定位對其活性和功能有重要影響。FOXO3a的磷酸化導致其從細胞核易位到細胞質中，在胞質中與14-3-3蛋白結合，進而阻止FOXO3a再入細胞核。現將FOXO3a結構、與翻譯后修飾(PTM)的關系及其在腫瘤發生發展中的作用綜述如下。

1 FOXO3a的結構

FOXO3a的相對分子質量約為71 kD，其包含5個結構域：高度保守的叉頭翼狀螺旋-轉角-螺旋DNA結合結構域(FKH)、兩個核定位序列(NLS)、1個核輸出序列、1個C-末端反式激活結構域(TAD)。FOXO家族成員中，以上區域均為高度保守。高度保守的FKH主要負責FOXO3a與DNA間的相互作用，亦介導其與雌激素受體α(ERα)[3]和p53[4]間的相互作用。FOXO3a從細胞質轉移至細胞核需通過NLS結構域，該結構域亦介導FOXO3a從細胞核的釋放。C-末端的TAD結構域對于FOXO3a靶基因的反式激活至關重要。

2 FOXO3a的翻譯后修飾(PTM)

PTM是調節蛋白質功能的基本過程，其影響蛋白質的亞細胞定位、分子半衰期、DNA結合親和力及與其他細胞蛋白質之間的相互作用。FOXO3a的活性可通過多種類型的PTM進行調節，包括磷酸化、乙酰化、泛素化和甲基化[5,6]。這些可逆的PTM改變FOXO3a的定位，影響其DNA結合親和力，并在靶基因特定位點改變轉錄模式[7]。FOXO3a中的這些修飾通過酶和信號分子的各種組合連續發生。

調節FOXO3a活性及其靶基因的主要機制是通過控制FOXO3a的細胞核-質穿梭，該過程可通過一系列激酶的磷酸化來實現，如蛋白激酶B、細胞外信號調節激酶(ERK)、血清和糖皮質激素誘導蛋白激酶(SGK)和I-κB激酶β亞型(IKKβ)的磷酸化促進FOXO3a的核輸出[8]。然而，由多聚二磷酸腺苷(ADP)-核糖聚合酶1介導的FOXO3a的聚ADP-核糖基化修飾促進FOXO3a從細胞核中排出[9]。FOXO3a在細胞質滯留后被泛素化，然后被蛋白酶體降解。FOXO3a PTM的位點已明確，這些激酶的激活通常與核FOXO3a的喪失相關。然而，p38、哺乳動物不育系20樣激酶1和腺苷酸激活蛋白激酶對FOXO3a的磷酸化促進其核輸入并增加其轉錄活性[10]。核輸入和輸出的平衡對維持FOXO3a功能非常重要，該平衡喪失導致包括癌癥在內的各種疾病的發生發展。

核FOXO3a的PTM通過改變DNA結合親和力和啟動子結合特異性來調節其轉錄活性。在細胞核中，FOXO3a被p300和CREB結合蛋白乙酰化，并被組蛋白去乙酰化酶Sirt1和組蛋白去乙酰化酶Sirt2去乙酰化。Sirt1介導的去乙酰化改變了FOXO3a的DNA結合親和力，而Sirt2的去乙酰化增加了其DNA結合活性。共激活因子相關的精氨酸甲基轉移酶1在細胞核中的活化必須依賴于FOXO3a甲基化[5]。研究發現，K270上FOXO3a的甲基化導致DNA結合能力喪失，并減輕FOXO3a介導的細胞凋亡。FOXO3a的許多PTM可彼此組合或競爭從而相互作用。由于FOXO3a在細胞凋亡、細胞增殖、DNA損傷和對抗氧化應激中起關鍵作用。因此FOXO3a失調與一系列惡性腫瘤高度相關[11～15]。在多數惡性腫瘤細胞中，FOXO3a失調與異常的PTM調控有關。

3 FOXO3a上游激酶失調

FOXO3a可被上游激酶磷酸化，如AKT、ERK、SGK、IKKβ和IKBKE。磷酸化的FOXO3a通過與14-3-3蛋白結合，從胞核中易位至胞質中，FOXO3a進一步泛素化，然后通過泛素/蛋白酶體依賴性方式降解[16]。這些激酶的失調經常在不同類型的癌癥中發生，且通過促進FOXO核-質穿梭或泛素蛋白酶體依賴性激酶降解而促進腫瘤的發生發展。

IKK在染色質重塑、細胞周期進程和核因子κB信號通路中起重要作用，其參與各種疾病的進展。IKK不依賴于AKT直接與FOXO3a相互作用并使其磷酸化，導致FOXO3a降解。胞質FOXO3a水平與諸多類型腫瘤中IKKβ表達相關。IKK對FOXO3a的負性調控在促進腫瘤發生中起關鍵作用。RAS-ERK信號傳導途徑可被廣泛的細胞外生長信號激活，這些信號在分化、增殖和腫瘤進展中起關鍵作用。

PI3K-AKT信號傳導途徑涉及細胞多種基本功能，如增殖、生長和存活。PI3K-AKT信號傳導途徑常被不同類型的細胞應激刺激或毒性損傷而失調。如上游激活劑對PI3K-AKT的激活或PI3K/AKT基因的擴增導致AKT途徑不受控制的激活，導致腫瘤發生。AKT在白血病細胞中被一些蛋白激酶異常激活。融合蛋白激酶NPM-ALK在30%～50%的晚期間變性大細胞淋巴瘤患者中產生。

10號染色體缺失的磷酸酶和張力蛋白同源物(PTEN)是一種具有雙重蛋白磷酸酶活性的腫瘤抑制因子。PTEN通過PIP3的去磷酸化和下調PI3K活性負性調節PI3K-AKT途徑。在諸多原發性腫瘤中觀察到由于基因突變導致PTEN失活，如甲狀腺、前列腺、子宮和乳腺的原發腫瘤，PTEN活性的突變或喪失導致AKT信號通路異常激活及腫瘤發生過程中FOXO3a的核輸出。

4 FOXO3a功能失調

FOXO3a功能失調引起的致癌作用與多種機制有關，因其調控許多參與細胞凋亡的基因(Bim、Noxa、Puma、FasL、TRAIL)和增殖的基因(p21、p27、p130、Cyclin G2、GADD45)[17]。已有研究證明FOXO3a與miR-21基因的啟動子區域結合并抑制其在人神經母細胞瘤細胞中的啟動子活性。Fas配體是促凋亡因子，是miR-21的下游靶標。FOXO3a轉錄因子抑制miR-21，導致Fas配體上調，從而引發細胞凋亡。轉錄抑制因子MXI1-SRα是FOXO3a的直接靶標，其介導FOXO3a對MYC基因活性的抑制。這些結果表明FOXO3a失調通過直接調節其靶基因表達和影響其下游效應因子如MXI1-SRα而促進其致癌作用。

5 FOXO3a與癌癥中的其他轉錄因子協同作用

FOXO3a通過下調與雌激素受體(ER)相關基因的表達來抑制癌細胞增殖。FOXO3a與ER-α和ER-β蛋白的直接相互作用引起17β-雌二醇依賴性ER基因轉錄活性的抑制。在ER陽性乳腺癌MCF-7細胞系中，FOXO3a過表達上調細胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑(p21、p27和p57)表達，從而抑制MCF-7細胞的生長和存活。分子研究表明p53和FOXO3a間存在一些結構和功能上的相似性。p53和FOXO3a均調控細胞周期進程和DNA損傷修復，且均可通過乙酰化和磷酸化進行PTM，二者調節了一系列共同的基因。因此，這兩種轉錄因子之間存在功能性串擾。p53促進SGK的表達，而SGK磷酸化后抑制FOXO3a的表達。另一方面，FOXO3a可減輕由p53介導的Sirt1表達所產生的抑制作用，從而使p53脫乙酰化。轉錄因子RUNX3是一種候選腫瘤抑制因子，介導胃上皮細胞的凋亡和生長抑制，并與FOXO3a相互作用形成復合物，激活Bim誘導的細胞凋亡[11]。FOXO3a還與叉頭框轉錄因子的其他成員協同作用，如FOXO3a與乳腺癌細胞中的FOXM1相互作用，它們調節ERα基因的轉錄。FOXO3a與其他FOX成員之間存在相互監管機制。在膠質母細胞瘤細胞中，SMAD基因通過轉化生長因子β激活并與FOXO3a形成復合物以誘導生長抑制基因如p21的表達，而FOXG1與FOXO3a-SMAD3復合物結合并阻斷p21表達。在這種情況下，不同FOX蛋白之間的潛在相互作用可能在FOX蛋白對腫瘤發生的影響方面產生更多的并發癥。總之，它們的相互作用為腫瘤有效治療的不同信號傳導途徑提供了整合點。

6 FOXO3a作為癌癥的生物標志物和治療靶點

目前，鑒于腫瘤的生理和解剖學特征，很難觀察到患者明顯的早期癥狀，導致大量患者在晚期診斷。因此，臨床實踐中需要尋找用于癌癥早期診斷和判斷預后的有價值的生物標志物。FOXO3a最近已成為多種惡性腫瘤的診斷、預后和治療的潛在生物標志物。如FOXO3a表達被鑒定為霍奇金淋巴瘤腫瘤起始細胞生物標志物[18]。研究表明，FOXO3a表達可作為多種癌癥的預后生物標志物[19～23]。有趣的是，FOXO3a的過表達與三陰性乳腺癌[21]、肝細胞癌[22]、膠質母細胞瘤[19]和胃癌[23]患者的預后不良相關，而FOXO3a的低表達與膠質瘤和卵巢癌患者預后不良有關。磷酸化FOXO3a的表達亦被確定為卵巢癌和急性髓性白血病的預后生物標志物[24]。FOXO3a的核定位被證明是管腔樣乳腺癌的預后生物標志物。此外，FOXO3a的亞細胞定位被確定為預測宮頸癌、乳腺癌和食道癌中化療和放療反應的生物標志物[25]。雖然FOXO3a作為生物標志物的潛在價值已在小規模研究中確立，但很難在大量癌癥患者群體中對其進行驗證。因此，需對患者群體進一步大規模研究，以證實FOXO3a作為癌癥生物標志物的效用。

由于FOXO3a在腫瘤發生過程中作用顯著，其已成為化療藥物的潛在靶點。臨床和實驗室已測試了許多靶向作用于FOXO3a的藥物。FOXO3a是急性T淋巴細胞白血病(T-ALL)中BMS-345541(高選擇性IKK抑制劑)的間接靶點，其中p21的表達通過BMS-345541處理后FOXO3a的核轉位增加而上調。該過程與AKT和ERK信號無關，這表明FOXO3a抑癌功能的喪失可能主要是由于IKK的過度活化[26]。在BCR-ABL陽性慢性粒細胞白血病細胞系中，STI571(伊馬替尼)是BCR-ABL的抑制劑，通過觸發FOXO3a依賴性細胞周期停滯和Bim表達來增加FOXO3a介導的細胞凋亡。兒茶素是綠茶的主要成分，可通過靶向作用于胰腺癌[27]和乳腺癌細胞中的FOXO3a進而誘導細胞凋亡。FOXO3a是許多抗癌藥物的間接靶標，包括紫杉醇、順鉑、伊馬替尼和力達霉素在乳腺癌細胞中的作用。所有這些化合物通過降低AKT活性來激活FOXO3a。然而，紫杉醇還增強了JNK活性，其靶向作用于FOXO3a和14-3-3蛋白。JNK通過磷酸化調節FOXO3a的活性或穩定性，并且減少其與14-3-3蛋白的相互作用，導致FOXO3a的核輸出。

PI3K-AKT途徑是表皮生長因子受體(EGFR)的主要下游信號傳導途徑，EGFR是參與癌細胞增殖的關鍵細胞表面受體。因此，化療藥物(曲妥珠單抗、拉帕替尼、阿法替尼、西妥昔單抗、吉非替尼和奈拉替尼)對EGFR的抑制導致PI3K-AKT抑制而增加FOXO3a的活性，這為乳腺癌、結腸癌、前列腺癌、卵巢癌、肺癌和頭頸部腫瘤提供了一種新的有價值的治療方案[28]。BNIP3L是促凋亡基因，是癌細胞化學增敏所必需的。該基因是FOXO3a的靶標之一。在乳腺癌細胞系中，抗體或小分子抑制劑對EGFR的阻斷誘導FOXO3a的核轉位并促進BNIP3L基因的表達，從而導致乳腺癌細胞的凋亡。FOXO3a的敲低也促進了結直腸癌對西妥昔單抗治療的反應[29]。這些發現表明FOXO3a可能是小分子EGFR抑制劑的關鍵靶點，其活性也增加了癌細胞對拉帕替尼等藥物的化學敏感性。與此一致，其他抗癌劑對FOXO3a的活化也使癌細胞對細胞凋亡具有抗性。然而，對于某些類型的癌癥，FOXO3a靶向治療效果存在差異。IGFR1和PI3KCA已被鑒定為結腸癌細胞系中FOXO3a的靶基因，此表明FOXO3a可通過多種機制激活PI3K-AKT信號通路，并可能有助于結腸癌的耐藥性。然而，多數研究表明，FOXO3a的激活與腫瘤細胞中的凋亡途徑高度相關。

FOXO3a通過直接誘導或介導與細胞增殖、生長和存活相關基因的表達而調節多種病理生理過程。FOXO3a信號傳導的失調促進腫瘤的發生發展。目前研究表明，與腫瘤組織相比，FOXO3a靶向化療在正常組織中具有較低的毒性。在化療耐藥的乳腺癌細胞系中，FOXO3a活化使細胞對化學治療劑敏感是至關重要的。ERα是乳腺癌發展的關鍵調節因子，是內分泌治療的有效靶點。ERα表達被認為是預后良好的標志物，功能性ERα水平在乳腺癌成功內分泌治療中起關鍵作用。有充分證據表明，FOXO3a和FOXM1調節ERα的表達。因此，FOXO3a可能是決定內分泌治療敏感性和耐藥性的關鍵因素。PI3K-AKT信號傳導途徑是相對穩定的信號傳導途徑，其在癌癥中通常不發生突變。因此，通過靶向PI3K-AKT途徑的下游節點，鑒定FOXO3a的新型抑制劑用于未來的抗癌藥物設計是有前景的策略。由于FOXO3a需為其活性或其失活募集共激活劑或抑制劑，故FOXO3a的共激活因子或輔阻遏物的靶向治療是調控FOXO3a功能的一種方式。鑒于FOXO3a通路存在復雜的調控及存在與其他轉錄因子之間的相互作用，需進一步研究FOXO3a在腫瘤發生中的影響，以開發基于FOXO3a的有效治療手段，使FOXO3a的臨床應用有望在未來限制人類癌癥的進展。