FOXO3a 轉錄因子在腫瘤臨床診療中的應用

劉庚綜述，孫晉津審校

（天津醫科大學第二醫院肝膽胰外科，天津300211）

叉頭框（forkhead box，FOX）蛋白在進化上屬于保守的轉錄因子家族，由FOXM，FOXK，FOXA 和FOXO 等4 個亞族組成[1]。其中FOXO（forkhead box class O）亞族是研究最多的亞族之一，是細胞凋亡、增殖、新陳代謝狀態、細胞周期阻滯、DNA 損傷和壽命等的關鍵調控因子[2-3]。FOXO 功能的失調將導致細胞增殖失控以及DNA 損傷的累積，從而導致腫瘤的發生。

叉頭框轉錄因子O 亞型3a（forkhead box class O3a，FOXO3a） 又名叉頭橫紋肌肉瘤1（forkheadhabdomyosarcoma-like 1，FKHR-L1），是FOXO 亞族最重要的成員之一，其轉錄活性和亞細胞定位受包括磷酸化、乙酰化、甲基化和泛素化在內的嚴格調控[2,4-5]。作為腫瘤抑制因子在多種腫瘤中可以檢測到其表達的失調，更被證明是乳腺癌、胃癌、結直腸癌和其他腫瘤預后的標志物[6-8]。筆者就FOXO3a 在腫瘤診治及預后等研究進展做一系統闡述。

1 FOXO3a 活性及功能的調節機制

FOXO3a 位于6 號染色體長臂21 區（6q21）[9]，由1 個高度保守的DNA 結合域即“叉頭區”（FKH）、2 個核定位信號（NLS）、轉錄激活區（TAD）及核輸出信號（NES）共5 個結構域組成。FOXO3a 的活性及功能的調節受多種信號通路的影響，并參與生物體細胞中多個病理和生理過程的調節。

1.1 轉錄后調節（Post-transcriptional regulation）FOXO3a 是許多MicroRNA（miRNA）的作用靶點，FOXO3a 蛋白的表達直接或間接的受到多種miRNA 調節。實驗研究表明，在乳腺癌[10]、腎缺血再灌注損傷[11]中，miR-155 的過表達下調FOXO3a 的表達，并且在神經膠質瘤[12]中miR-155 通過直接靶向FOXO3a 的3′端非翻譯區（3′-UTR）來下調其表達。同時在阿爾茨海默病[13]、炎癥性腸病[14]、人類乳腺癌[15]和特發性肺纖維化等疾病中，分別通過miR-132 及miR-212、miR-132 及miR-223、miR-96 靶向FOXO3a 的3′端非翻譯區（3′-UTR），從而下調FOXO3a 的表達。此外，miR-205、miR-1307、miR-182、miR-592 等均可以直接或間接的調節FOXO3a的表達[16-19]。因此，通過抑制與FOXO3a 表達相關的miRNA 上調FOXO3a 的表達量，進而促進腫瘤細胞的凋亡可以作為抗腫瘤治療的又一新策略。

1.2 翻譯后修飾（Post-translational modifications，PTMs） 翻譯后修飾是調節蛋白質功能的基本過程，通過多種官能團的加入引起蛋白質亞細胞位置、分子半衰期、DNA 結合親和力以及蛋白質分子與其他細胞相互作用的改變。FOXO3a 活性可以由多種類型的翻譯后修飾所調節，涉及多種酶及信號分子的改變[20-21]。

FOXO3a 活性及其靶基因調節主要機制是通過一系列激酶的磷酸化來實現的。蛋白激酶B（PKB/Akt）是最重要的可以直接磷酸化FOXO3a 的激酶，FOXO3a 被Akt 磷酸化后轉錄活性受到抑制，并與14-3-3 核輸出蛋白相互作用，通過隱藏FOXO3a 核定位信號阻止其再次進入至胞核，激活的Akt 進一步促進磷酸化的FOXO3a 與泛素E3 連接酶結合，使FOXO3a 多聚泛素化后通過蛋白酶體途徑將其降解[22-23]。此外，血清和糖皮質激素調節激酶（SGK）、酪蛋白激酶1（CK1）、雙特異性酪氨酸磷酸化和調節激酶1A（DYRK1A）、janus N 末端激酶（JNK）、絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）、哺乳動物不育系20 樣激酶1（MST1）和AMP 活化蛋白激酶（AMPK）均可以通過磷酸化多個殘基調節FOXO3a 和其他家族成員[24-27]。MDM2 癌基因可以介導FOXO3a 多聚泛素化，促進其降解，單獨敲除或敲低MDM2 能夠增加FOXO3a 的穩定性[28]。乙酰化在FOXO3a 功能調節中也起著重要作用，氧化應激引起FOXO3a 乙酰化/去乙酰化并影響FOXO3a 的定位。在細胞核中，FOXO3a 可被p300 和CBP 乙酰化，而被SIRT1 和SIRT2 去乙酰化[29-30]。

與激酶不同，調節FOXO3a 的磷酸酶很少，蛋白磷酸酶-2A（protein phosphatase-2A，PP2A）是一種可以調節FOXO3a 功能的特殊的磷酸酶，在控制FOXO3a 亞細胞定位和功能中的作用尚不清楚。Singh 等[31]發現PP2A 和FOXO3a 之間相互作用非常密切，14-3-3 核輸出蛋白不影響PP2A 和FOXO3a 之間的相互作用，但能限制AKT 磷酸化位點Thr 32/Ser 253 的活性，由此認為PP2A 介導的Thr32/Ser253 的去磷酸化是14-3-3 核輸出蛋白解離、FOXO3a 核-質穿梭及轉錄激活所必需的。Richard等將成纖維細胞附著在PP2A 活性受到抑制的膠原蛋白涂層板上時，發現Akt 的活性增強使FOXO3a活性喪失從而促進了成纖維細胞增殖，但同時也發現，過度表達PP2A 可以逆轉FOXO3a 的失活并增加去磷酸化的FOXO3a 的比例，從而抑制成纖維細胞增殖[32]。

因此，細胞中激酶和磷酸酶等之間的不平衡通過調節FOXO3a 的表達可以極大地影響細胞的命運，FOXO3a 翻譯后修飾可能與某些疾病包括腫瘤的發生和進展直接相關。

2 FOXO3a 與腫瘤的關系

2.1 FOXO3a 對腫瘤發生發展的調控作用 在大多數惡性腫瘤中細胞，FOXO3a 的失調主要是通過異常的翻譯后修飾。在乳腺癌中，海兔素（Aplysin）可以通過PI3K / AKT / FOXO3a 信號通路引起FOXO3a 的去磷酸化，通過抑制細胞的增殖并促進腫瘤細胞的凋亡來抑制腫瘤的生長[33]。FOXO3a 與RUNX3 在Bim 啟動子上相互作用協同激活Bim 的轉錄，參與誘導細胞凋亡，提示FOXO3a 可能在胃癌的抑癌作用中發揮重要作用[34]。FOXO3a 通過優先與DNA 甲基轉移酶3B（DNMT3B）啟動子的結合元件FOXO3a-E（+166 至+173）相互作用而負向調節DNMT3B 啟動子活性從而促進DNMT3B 過表達導致肺癌的進一步發展[35]。在尿路上皮癌細胞系KK47 及表達Twist 1 的TCC-sup 細胞中，FOXO3a可負向調節Twist 1 和Y-box 結合蛋白1（YB-1），同時正向調節E-鈣粘蛋白的表達，從而抑制尿路上皮癌的侵襲及轉移[36]。這些研究表明，異常的翻譯后修飾可能導致FOXO3a 表達或功能失調從而引起腫瘤的發生與發展。

2.2 FOXO3a 與腫瘤化療 與常規化療相比，靶向FOXO3a 的化療具有針對性，可特異性識別腫瘤組織，因此對正常組織的毒性作用較低。化療藥物可通過PI3K-AKT、ERK、JNK、P38 MAPK 及IκB 激酶等信號通路將其信號與FOXO3a 整合，增強FOXO3a 的表達，介導FOXO3a 磷酸化并誘導其核-質易位現象及降解從而發揮抗腫瘤作用。紫杉醇、多柔比星吉非替尼、伊馬替尼、順鉑和他莫昔芬等細胞生長或細胞毒性藥物的抗腫瘤效應是通過FOXO3a 的活化反向抑制PI3K-AKT 信號軸所介導的[37-40]。目前，FOXO3a 的亞細胞定位被用于預測宮頸癌，乳腺癌和食道癌放、化療反應[41-42]。

FOXO3a 作為PI3K-AKT 信號通路重要的下游靶分子，不僅是許多常規基因治療藥物和細胞毒性藥物的靶標，同時也是新型內分泌治療藥物、新型化療藥物和分子靶向藥物的細胞作用位點，通過對FOXO3a 基因及上下游分子的調控有望提高腫瘤化療的效果。

3 FOXO3a 在腫瘤治療中的應用

3.1 FOXO3a 在腫瘤中的診療及預后意義 目前，FOXO3a 作為潛在的生物標志物已被用于多種惡性腫瘤的診斷、治療和預后。在胃癌[43]、肝細胞肝癌[44]、膠質母細胞瘤[45]及急性髓系白血病[46]等腫瘤中均觀察到FOXO3a 的過表達與預后不良相關。然而，在鼻咽癌[47]、卵巢癌[6]、膠質瘤[48]及尿路上皮癌[36]患者中，低表達FOXO3a 與預后不良相關。Akt、IKK 和ERK 這三種激酶介導的磷酸化刺激FOXO3a 的泛素化，導致其被蛋白酶體降解，從而減弱其對腫瘤的抑制作用[49]。因此，目前通過靶向FOXO3a 調節以上激酶治療腫瘤的相關研究正在進行，如化療藥物（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） 通過抑制PI3K-AKT 提高FOXO3a 的活性來抑制上皮生長因子受體（epidermal growth factor receptor，EGFR），為治療乳腺癌，結腸癌，前列腺癌，卵巢癌，肺癌和頭頸癌提供了一種新的有價值的治療策略[50]。

3.2 作為生物標志物和治療靶點 由于FOXO3a在腫瘤發生發展中的關鍵作用，FOXO3a 已成為化療藥物的潛在靶點。在霍奇金淋巴瘤（HL）中可以檢測到FOXO3a 的表達，而在非霍奇金淋巴瘤（NHL）中則未觀察到FOXO3a 的表達，FOXO3a 表達僅限于處于靜止狀態的少量霍奇金細胞，而部分表達FOXO3a 的細胞被認為具有類似腫瘤起始細胞（Cancer-initiating cells，CICs）的潛力，說明FOXO3a可以是部分HL 的CIC 的生物標志物，但不是非HL的CIC 標記[51]。三陰性乳腺癌中FOXO3a 的表達量與淋巴結轉移和無病生存率相關，提示FOXO3a 可能在促進腫瘤細胞遷移和增殖中具有潛在作用，可以作為三陰性乳腺癌預后的生物標志物和潛在治療靶標[52]。由于FOXO3a 活性直接受多種miRNA 調節，篩選或合成靶向這些miRNA 的新型化療藥物也可能是治療腫瘤的有價值的策略。

4 展望

FOXO3a 功能的復雜性和多樣性表明其可能通過多種信號通路、多種方式發揮抗腫瘤作用。鑒于其在腫瘤中的關鍵作用，深入探討FOXO3a 生物學功能、調控機制及其在腫瘤中的作用和下游靶點，將有助于FOXO3a 發展成可靠的腫瘤診斷的標志物和治療靶點。