轉錄因子叉頭框O 促進腫瘤發生、發展的作用及機制研究進展

周靜，王靜萱

哈爾濱醫科大學附屬腫瘤醫院腫瘤內科，哈爾濱 150000

轉錄因子通過調節轉錄速率來影響特定蛋白質的表達，甚至決定細胞的命運，其突變、刪除或擴增與腫瘤的發生密切相關，因此，轉錄因子被認為是腫瘤治療的有效靶點[1-2]。叉頭框（forkhead box，FOX）蛋白家族由19個轉錄因子組成，分為FOXA、FOXC、FOXO、FOXP和FOXM5個亞群，其中，FOXO亞群在腫瘤發生、發展中的作用尤為重要 ，FOXO 包 含 FOXO1（FKHR）、FOXO3（FKHRL1）、FOXO4（AFX）和 FOXO6[3-4]。轉錄因子FOXO在腫瘤的發生、發展中起著重要的調節作用，基于FOXO的抗增殖和促凋亡功能，其被認為是腫瘤抑制因子。FOXO與致癌信號通路相互調節，尤其是磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，PKB，又稱AKT）信號轉導通路。該通路的激活可以抑制FOXO的活性，同時，當FOXO被激活時可通過生長因子負反饋環激活該通路的活性。此外，FOXO的活化誘導了腫瘤的復發、轉移和治療耐藥，與腫瘤的進展和不良預后密切相關。本文主要闡述了FOXO對腫瘤促進作用的研究進展。

1 FOXO與腫瘤

轉錄因子FOXO在腫瘤細胞中參與許多重要的生物學活動，包括細胞凋亡、氧化應激、DNA修復和細胞代謝等，其活性還受翻譯后修飾的調控，包括磷酸化、乙?；?、泛素化、甲基化等[5-6]。

1.1 FOXO 與生長因子信號

FOXO通過在細胞核和細胞質之間的穿梭實現對細胞活動的調控。在細胞核中，FOXO介導多種靶基因的轉錄，而細胞質中的FOXO處于無活性狀態。當腫瘤細胞中的受體酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinase，RTK）突變而激活時，PI3K被活化并在細胞膜上生成PIP3，PIP3作為PDPK1和PKB/AKT的對接位點，促使PDPK1激活AKT，AKT通過磷酸化一系列靶蛋白，促進葡萄糖的攝取、細胞的增殖和細胞的存活[7]。被激活的AKT可以在3個保守的RxRxxS/T殘基上磷酸化細胞核中的FOXO，誘導其與14-3-3蛋白結合并從細胞核轉移至細胞質中，同時阻礙其重新回到細胞核[8-10]，細胞質中的FOXO失去了生物學活性，隨后被蛋白酶體泛素化降解。

生長因子信號的傳導是一個動態平衡的過程，當生長因子信號缺失時，細胞可以誘導RTK的轉錄并使其表達于細胞膜上，刺激致癌相關通路的活性[11]。轉錄因子FOXO作為PI3K/AKT通路下游的調控因子，當FOXO的活性受突變或致癌激酶抑制劑的影響被激活時，PI3K/AKT通路受反饋信號的激活，傳導更強的增殖信號。此外，當生長因子信號傳導效率低下時，致癌激酶對FOXO的磷酸化作用減弱，細胞核內FOXO的蓄積可以誘導信號傳導所需基因的轉錄[12]，致癌信號通路得以重新激活甚至異常增強。

FOXO還可以通過調控雷帕霉素靶蛋白復合物（mammalian target of rapamycin complex，MTORC）1和MTORC2的活性從而激活AKT[13]，過表達的FOXO1可以誘導雷帕霉素不敏感的雷帕霉素靶蛋白伴侶（rapamycin insensitive companion of mammalian target of rapamycin，RICTOR）轉錄從而上調MTORC2的表達，MTORC2通過磷酸化Ser473增強AKT的活性[14]。同時，FOXO1還可以通過刺激SESN3的表達抑制GTPase RHEB的活性，使MTORC1失活，減少MTORC1對AKT的抑制作用[15]。

FOXO不僅參與了PI3K的信號反饋，還可與含IQ模序的鳥苷三磷酸酶活化蛋白1（IQ motifcontaining GTPase-activating protein 1，IQGAP1）結合抑制胞外信號調節激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）的表達來影響RAS-MEK-ERK通路的活性。當FOXO被PI3K抑制劑激活時，FOXO從細胞質轉移至細胞核，避免了與細胞質中的IQGAP1結合，RAS-MEK-ERK通路也因此被激活[16]。

1.2 FOXO 與細胞氧化應激

FOXO參與了腫瘤細胞的應激反應，當細胞中活性氧類（reactive oxygen species，ROS）水平升高、營養缺乏或DNA損傷時，FOXO將以兩種不同的方式回到細胞核，恢復其活性以維持細胞穩態[17]。首先，細胞應激刺激了c-Jun氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）的活性，被激活的JNK通過磷酸化胰島素受體底物（insulin receptor substrate，IRS）蛋白1/2拮抗RTK信號，避免了生長因子信號通路引起的FOXO的失活。JNK還可以直接磷酸化FOXO，阻止其與14-3-3蛋白結合，刺激FOXO轉移至細胞核[18-19]。其次，當細胞受外界影響發生氧化反應時，FOXO可與轉運蛋白1（recombinant transportin 1，TNPO1）、IPO7、IPO8之間形成二硫鍵，隨之共同轉運至細胞核，介導CAT、超氧化物歧化酶 2（superoxide dismutase 2，SOD2）、谷胱甘肽過氧化物酶 1（glutathione peroxidase 1，GPX1）、谷胱甘肽硫轉移酶M1（glutathione S-transferase M1，GSTM1）等抗氧化基因的轉錄以維持細胞穩態[20-22]。

1.3 FOXO 與細胞代謝

在腫瘤組織中，細胞的高代謝狀態造成了葡萄糖的相對缺乏，由于細胞內三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）水平的不足，刺激了5'-腺苷一磷酸激活的蛋白激酶（5'-adenosine monophosphate activated protein kinase，AMPK）的活化。AMPK可以在Ser413、Ser588和Ser626三個殘基上磷酸化FOXO，導致FOXO核轉移進而刺激參與代謝的靶基因的轉錄[23]。

2 FOXO 促進腫瘤進展

FOXO因子通過多種方式促進腫瘤發展，包括維持腫瘤干細胞的穩態、增強細胞的侵襲性及誘導治療耐藥等，并被證實其與患者的不良預后存在確切的聯系。

2.1 FOXO 維持腫瘤干細胞穩態

FOXO在細胞代謝、DNA損傷和氧化應激反應等生理過程中起著重要作用，有助于維持干細胞的穩定性和完整性[24-25]。在慢性髓細胞性白血?。╟hronic myelogenous leukemia，CML）中，白血病起始細胞（leukemia initiating cell，LIC）具有自我更新、誘導復發及抵抗治療的特征，FOXO被證實高表達于LIC中且維持了細胞的穩態。Naka等[26]研究發現，LIC細胞核中FOXO3的表達水平并不受致癌融合基因BCR-ABL活化的抑制，而當LIC中FOXO3的水平下調或缺失時，LIC趨向于凋亡。酪氨酸激酶抑制藥（tyrosine kinase inhibitor，TKI）如伊馬替尼是CML的一線治療藥物，其通過降低BCR-ABL的活性，阻斷PI3K/AKT信號通路來抑制腫瘤細胞的增殖[27]。該療法改善了CML的長期緩解率，但LIC對TKI的治療并不敏感，患者仍存在復發、轉移的風險。在CML小鼠模型中的研究將LIC中FOXO的活化歸因于轉化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）對 AKT 的抑制作用，FOXO3的缺失及TGF-β受體的失活均可改善伊馬替尼的療效。后續的研究提出TGF-β-FOXO3-B細胞淋巴瘤/白血病-6（B cell lymphoma/leukemia-6，Bcl-6）通路在CML的LIC中起重要作用，LIC中高活性的FOXO上調了Bcl-6的表達，BCL-6可以抑制MYC、p53、細胞周期蛋白D2和細胞周期蛋白依賴性激酶抑制因子2A（cyclin-dependent kinase inhibitor 2A，CDKN2A）的活性，增強CML的LIC的自我更新能力，有利于LIC的存活[28]。

FOXO在急性髓細胞性白血病（acute myeloid leukemia，AML）的LIC中也發揮著類似的作用。在由MLL-AF9融合基因誘導的AML小鼠模型中，FOXO在LIC中處于高度活化狀態時，白血病細胞表現出較強的生長和增殖能力，而當FOXO缺失時，白血病細胞趨向成熟，細胞凋亡較前加快，在人AML細胞系中也可以觀察到此現象。此外，Sykes等[29]通過對436例AML樣本分析發現，FOXO3的過度活化存在于40%的樣本中，且與AML患者的總體生存率呈負相關。

2.2 FOXO 誘導耐藥

FOXO轉錄因子參與了白血病、乳腺癌、卵巢癌等多種腫瘤耐藥的發生，是防治腫瘤耐藥的潛在靶點。PI3K/AKT通路在多種腫瘤中發揮作用，是改善療效的一個確切且具有吸引力的靶點，然而，FOXO轉錄因子受PI3K/AKT抑制劑的活化，誘導細胞補償性和適應性機制的激活，導致耐藥性的產生和療效的降低。在PI3K/AKT通路過度活化的人表皮生長因子受體（human epidermal growth factor receptor，HER）2陽性腫瘤細胞系中，FOXO3的活性被AKT抑制劑激活后誘導了酪氨酸激酶受體的表達，如HER3、胰島素樣生長因子1受體（insulin-like growth factor 1 receptor，IGF-1R）和胰島素受體，增強了細胞的侵襲性[30]。在腎細胞癌中，由于FOXO對MTORC2的成員RTOR的誘導刺激了AKT的活化，抑制FOXO1和FOXO3的活性被證實可以增強腎細胞癌細胞對PI3K和AKT抑制劑的敏感性[14]。曲妥珠單抗可通過誘導miRNA-542-3p表達從而減少乳腺癌細胞的增殖，PI3K抑制劑通過激活FOXO1下調miRNA-542-3p的表達，進而降低曲妥珠單抗的療效[31]。PI3K抑制劑在臨床中的廣泛應用更加凸顯了FOXO對預防甚至逆轉腫瘤耐藥的重要性。

FOXO還可以通過其他機制誘導耐藥，多藥耐藥相關蛋白2（multidrug resistance-associated protein 2，MRP2）的啟動子區域包含4個FOXO結合位點，三苯氧胺及他莫昔芬耐藥乳腺癌細胞中MRP2的過表達與FOXO的轉錄調控密切相關[32]。多柔比星耐藥的乳腺癌細胞中的FOXO1通過激活多藥耐藥相關蛋白1（multidrug resistance-associated protein 1，MRP1）的表達誘導細胞的治療抵抗，而多柔比星耐藥的白血病細胞K562中的FOXO3被證實是MRP1的重要調節因子[33-34]。一些抗腫瘤藥物通過提高腫瘤細胞的氧化應激水平從而發揮細胞毒性作用，FOXO可以通過誘導抗氧化酶的表達從而維持細胞的穩定。例如，FOXO1在紫杉醇耐藥的卵巢癌細胞中過表達，其可通過調控SOD2的表達保護卵巢癌細胞免受氧化應激誘導的凋亡[35]。此外，在食管鱗狀細胞癌中，FOXO1的活化上調了腫瘤相關成纖維細胞（cancer associated fibroblast，CAF）的表達，促進了TGFβ-1的分泌，從而引起食管鱗狀細胞癌細胞對順鉑和紫杉醇耐藥[36]。上述研究表明FOXO是防治腫瘤耐藥的重要調節因子。然而，大多數的研究成果是在細胞系或小鼠模型中獲得的，為了明確FOXO在藥物反應和腫瘤細胞耐藥性方面的作用，未來的研究還需要對原發性腫瘤細胞進行機制方面的驗證。

2.3 FOXO 誘導腫瘤細胞轉移

FOXO轉錄因子不僅誘導了治療耐藥，還參與了腫瘤細胞的侵襲和轉移過程。在乳腺癌細胞中，FOXO3誘導細胞遷移和侵襲的作用與雌激素受體α（estrogen receptor α，ERα）狀態有關，在ERα陽性細胞中，FOXO3可與17b-雌二醇結合減弱細胞的侵襲力，而在ERα陰性細胞中，FOXO3傾向于增加細胞的侵襲性[37]。此外，FOXO通過上調基質金屬蛋白酶（matrix metallopreteinase，MMP）的表達促進細胞的遷移。MMP是腫瘤侵襲時蛋白水解和細胞外基質重構的關鍵性成分，FOXO3可以刺激MMP9和MMP13活化[38]。在人乳腺癌細胞中，細胞侵襲性的增強可部分歸因于FOXO1對MMP1轉錄的激活，MMP1還可以通過調節細胞分裂周期因子25A（cell division cycle 25A，CDC25A）的活性促進乳腺癌細胞的轉移[39]。研究發現，在β-連環蛋白高表達的人結腸癌細胞DLD1中，FOXO3的活化能夠抑制結腸癌細胞的凋亡，促進細胞的遷移。在人結腸癌樣本中，細胞核中高水平的FOXO3和β-連環蛋白與結腸癌的轉移、進展及患者生存期的縮短有關[40]。在胰腺導管腺癌和膠質母細胞瘤異種移植物中，FOXO3的敲除降低了腫瘤的生長速率和細胞的侵襲性[41-42]。

2.4 FOXO 與不良預后

研究發現，FOXO3的過表達與AML患者總生存期和無進展生存期的縮短有關，與胰腺導管腺癌和膠質母細胞瘤的進展和預后不良有關[41-43]。針對FOXO3在乳腺癌和結直腸癌中定位的研究表明，FOXO3在細胞核中的高表達預示患者預后不良[40,44]。B細胞非霍奇金淋巴瘤（non-Hodgkin lymphoma，NHL）中FOXO1突變與患者接受利妥昔單抗、環磷酰胺、多柔比星、長春新堿和強的松（RCHOP）方案治療后總生存期的縮短有關[45]。研究發現，磷酸化的FOXO1抑制了胃癌細胞的增殖和血管的生成，提高了患者的總生存率，降低了胃癌細胞的轉移率[46]。

3 靶向抑制FOXO的研究進展

既往的研究將FOXO的激活作為腫瘤的治療方案，有研究證實FOXO在腫瘤的發生及生長因子信號反饋中起關鍵作用，抑制FOXO的活性似乎是一種更合理的治療策略。聯合使用FOXO和PI3K抑制劑有助于預防腫瘤藥物耐藥性的發生，該治療方案可能會干擾FOXO誘導的細胞凋亡和細胞周期的阻滯。但是，PI3K通路誘導的增殖信號不僅依賴于FOXO，還可以直接誘導多種細胞凋亡或誘導細胞周期因子發揮強大的抗凋亡和促增殖作用[47]。AS1842856是目前唯一可以阻止FOXO1易位至細胞核的靶向小分子抑制劑。AS1842856可阻斷MYC誘導的乳腺癌拉帕替尼耐藥[48]。除了小分子抑制劑外，研究者還研發出兩種具有FOXO抑制功能的多肽。FOXO1模擬肽可以如內源性FOXO1一樣與IQGAP1結合，抑制ERK在FOXO1易位時發生的反饋性激活，改善前列腺癌細胞對PI3K抑制劑和紫杉醇的療效[16]。因此，抑制FOXO的活性并不會抵消PI3K抑制劑的治療效果，且有助于預防耐藥現象的發生。另一種FOXO4模擬肽能夠阻止FOXO4與p53結合，誘導細胞凋亡，清除衰老細胞，但其在腫瘤中的作用尚不完全明確[49]。

4 小結與展望

FOXO轉錄因子是重要的腫瘤抑制因子。FOXO通過參與致癌信號傳導、氧化應激及細胞代謝等細胞活動，調控多種腫瘤的發生、發展。FOXO主要受PI3K/AKT通路的負調控，而FOXO受突變或PI3K抑制劑的影響被激活時，活化的FOXO通過負反饋調節機制激活PI3K/AKT信號通路，誘導腫瘤的復發、轉移及耐藥，促進腫瘤的發生、發展，且高表達的FOXO與多種腫瘤的不良預后有關。此外，FOXO抑制劑與PI3K抑制劑聯合或單獨運用被證實可以有效預防腫瘤治療耐藥的發生。FOXO有望成為阻止腫瘤生長、抑制腫瘤治療抵抗、改善患者預后的有效靶點，為腫瘤的治療提供新的思路。