FOXO的调控与肿瘤治疗关系的研究进展*

杨明建 综述 于振涛 审校

·综 述·

FOXO的调控与肿瘤治疗关系的研究进展*

杨明建 综述 于振涛 审校

叉头框（forkhead box，Fox）基因家族即Forkhead是以果蝇中发现的叉头基因来命名的，广泛存在于从酵母到哺乳类的真核生物中，其编码产物FOXO蛋白家族在细胞代谢、增殖、氧化应激和凋亡等方面发挥重要作用。细胞存活相关的信号通路的激活如PI3K/AKT或RAS/ERK等，通过磷酸化FOXO不同位点调节FOXO核定位或降解。FOXO因子作为肿瘤抑制因子在多种肿瘤中起重要作用，肿瘤与FOXO之间的关系已成为研究的热点。增加或恢复FOXO活性的药物治疗有望成为与化疗或放疗结合的潜在治疗策略。本文就FOXO的调控和作为分子靶向治疗靶点的最新研究进展进行综述。

FOXO 肿瘤治疗 凋亡 增殖 自噬

叉头框（forkhead box，Fox）基因家族即Forkhead是以果蝇中发现的叉头基因来命名，广泛存在于从酵母到哺乳类的真核生物中，其编码产物称为Fox蛋白家族，该家族具有一个共同特征，即有一个长约110个氨基酸的高度保守的DNA结合域，称为Fox结构域（forkhead box），目前已发现该家族分为A到S共19个亚族，其中研究最为深入的是FOXO亚家族［1-2］。在哺乳动物中FOXO主要有4个成员，分别为FOXO1（FKHR）、FOXO3（FKHROL1）、FOXO4（AFX）和FOXO6，分别由不同的基因编码，并定位于不同的染色体上［3］。FOXO转录活化或抑制下游靶基因的表达参与包括细胞增殖、凋亡、自噬、分化和应激抵抗等多种重要的细胞生物学过程，肿瘤与FOXO之间的关系成为研究的热点。

1 FOXO结构与分布

1.1 基本结构与功能

FOXO蛋白表现出显著的序列同源性，具有4个不同的功能结构域，其中包括叉头序列（FKH）、核定位序列（NLS）、核输出序列（NES）和转录激活序列（TAD）。这些结构域高度保守，NLS维持蛋白质在核内，而NES保持蛋白在细胞质中。FOXO蛋白C末端的DNA结合域内同时具有核定位序列和核输出序列。FOXO蛋白发挥功能是通过结合伴侣蛋白和改变DNA亲和力来实现的。Brunet等［4］研究发现伴侣蛋白14-3-3在细胞核中与FOXO因子结合后转位出核，丧失转录活性，同时Tzivion等［5］指出蛋白14-3-3也阻断核定位信号以防止FOXO重新进入核内，进一步引起FOXO蛋白在细胞质内降解。FOXO蛋白的这种结构特点使得激酶和其他蛋白质能有效地调节这些序列，使FOXO穿梭于细胞核内外，从而激活或抑制下游靶基因，发挥各种细胞生物学作用。

1.2 生理分布与肿瘤组织中表达

FOXO蛋白广泛表达机体组织，然而其表达模式与功能各不相同。FOXO1在脂肪组织，肌肉，肝脏或胰脏中高表达，FOXO3和FOXO4二者广泛分布于组织中，包括免疫系统、肝、肾、心脏和大脑［6］，而FOXO6主要在成人大脑表达。近年来的研究表明，在白血病和一些其他肿瘤类型如前列腺癌、肺癌、胃癌等都存在FOXO的下调和染色体缺失［7-8］。Yang等［9］对胃腺癌组织及癌旁组织进行PCR等分析发现，FOXO3a表达与肿瘤体积、组织分化类型及组织浸润深度呈负相关；进一步的预后分析也发现FOXO3a低表达的患者预后差。同样Su等［10］研究发现FOXO4在胃癌组织中低表达，并且证实FOXO4可抑制癌细胞增殖和转移。这些都提示FOXO蛋白家族可能作为肿瘤抑制因子在肿瘤发生发展中起关键作用。

2 FOXO的调控

一般情况下，FOXO受到如表皮生长因子（EGF）、胰岛素、胰岛素样生长因子和氧化应激等刺激时，众多激酶通过不同通路对FOXO不同的位点进行一系列的翻译后修饰（PTMs），包括磷酸化、乙酰化、泛素化等，从而改变FOXO分子的亚细胞定位，分子半衰期或DNA结合力影响FOXO转录活性［11］。FOXO的活化则引起细胞周期或凋亡等相关靶基因的激活或抑制。这些信号通路和靶基因都与肿瘤增殖、凋亡、侵袭转移等密切相关，均说明FOXO可能是肿瘤发生发展中的关键因子。

2.1 FOXO的调控与信号通路

PI3K-AKT信号通路在包括肿瘤细胞生长、增殖、存活等在内的各种细胞过程中起关键作用［12］。此通路与FOXO关系也最为密切。AKT和SGK是胰岛素/PI3K通路中重要的下游组件。有文献报道，在胰岛素和生长因子存在的条件下，AKT/SGK可磷酸化FOXO1和FOXO3，磷酸化后的FOXO与DNA亲和力下降，同时与蛋白14-3-3结合，并从核内向细胞质内转移，通过蛋白酶体途径降解，转录失活，促进肿瘤增殖［13］。Lin等［14］对肾癌研究中也发现药物抑制PI3K-AKT信号通路后，AKT磷酸化FOXO位点，促进肿瘤生长。

除PI3K/AKT通路外，研究比较清楚地还有MAPK通路。MAPK家族有三大成员：ERK、JNK和p38。Yang等［15］研究表明，ERK可直接磷酸化Ser294、Ser344和Ser425下调FOXO3a，并通过MDM2介导的泛素化蛋白酶体降解途径引起FOXO3a的降解，从而抑制肿瘤细胞凋亡和促进其存活。与AKT和ERK不同，JNK和MST具有促进FOXO的核定位及增加其转录活性的功能。有文献报道，氧化应激条件下JNK与MST的活化可引起伴侣蛋白14-3-3磷酸化，进一步使FOXO3a在细胞质中与蛋白14-3-3解离，使FOXO3a重新核定位，这可能与增加氧化应激抵抗相关［16-17］。

此外，FOXO还参与其他细胞通路，包括NF-κB和TGF-β途径等。NF-κB通路中重要的激酶IKK，即可以通过磷酸化途径，通过泛素化和蛋白酶体降解途径使FOXO3a的蛋白水解促进肿瘤生成，揭示了PI3K/AKT与NF-κB信号通路的交互关系［18］。Zhao等［19］研究显示TGF-β信号刺激时，FOXO通过与Bim蛋白相互作用，增强靶基因的转录，促进肝细胞凋亡。综上推断，在不同条件下，FOXO受到不同调节方式，从而决定细胞表现出周期停滞、凋亡或应激抵抗等效应。同时，FOXO参与多种与肿瘤细胞存活相关的信号通路的转导，信号通路之间又存在交互作用，因此对于FOXO调控的整体研究仍是今后的热点［20］。

2.2 FOXO的调控与下游靶效应

自从FOXO1被发现与人类横纹肌肉瘤直接相关，以及随后FOXO3和FOXO4又被确定参与了急性髓系白血病的染色体易位，FOXO蛋白家族在人类肿瘤的作用受到极大关注。肿瘤的发生与细胞增殖与凋亡失调关系密切，二者平衡失调导致细胞凋亡不足、凋亡敏感性降低等，FOXO是细胞增殖和凋亡的关键分子，研究发现FOXO能激活促凋亡Bcl-2家族成员Bim，以及Fas依赖的凋亡通路的配体FASL，启动肿瘤细胞凋亡［21］。同时FOXO家族成员能够调控细胞周期，抑制肿瘤细胞增殖。Medema等［22］研究发现RAS和PKB能够调节FOXO4的活性，进而上调p27KIP1和/或下调cyclin D，引起细胞在G期停滞。自噬在肿瘤中的作用虽不明确，但靶向通路的研究已表明自噬能够促进肿瘤的发生并维持其生长［23-24］。FOXO最初被强调为肌肉废用引起的萎缩过程中肌肉细胞的自噬调节因子［25］，不过近期Milan等［26］研究也发现FOXO能够转录激活溶酶体蛋白降解通路中的成分（LC3、BNIP3、ATG12、GABARAPL1），FOXO介导的自噬刺激下肿瘤存活和维持的功能意义有待研究。综上都提示FOXO与肿瘤发生发展密切相关，可能成为肿瘤抑制的关键点。

3 FOXO与肿瘤治疗

根据FOXO成员的抗肿瘤特性，阻断PI3K/AKT、RAS/ERK和NF-κB等通路中重要的激酶，促进或恢复FOXO活性，诱导细胞周期阻滞和细胞凋亡的药物研制是非常有前景的肿瘤治疗方法。另外，目前耐药性仍然是癌症治疗的主要障碍之一，因此研究耐药的分子机制，研发新靶点的分子靶向药物同样迫切。

3.1 FOXO与肿瘤药物

基于上述对FOXO调控与其下游靶效应的研究理论，Liu等［27］对肺癌研究表明FOXO3a介导紫杉醇的细胞毒作用，同样Boreddy等［28］在胰腺癌细胞研究中得到相同结论。同时一些研究发现，天然抗肿瘤物如白藜芦醇和芹菜素能够通过抑制PI3K/AKT或ERK信号通路，提高FOXO转录活性，引起胰腺癌和前列腺癌细胞周期阻滞和凋亡［29-30］。Li等［31］在对乳腺癌研究中发现，5-FU通过调节FOXO1转录后修饰位点与HUR蛋白结合，促进癌细胞凋亡。因此，部分肿瘤治疗药物通过调控FOXO活性发挥抗肿瘤作用，对于以FOXO为靶点的靶向药物的研制具有重要意义。

3.2 FOXO与肿瘤耐药性

耐药性是癌症治疗中的主要障碍之一，恢复FOXO活性对抗耐药的研究也取得肯定效果。Yang等［32］研究表明PI3K抑制剂对MEK抑制剂耐药的肿瘤有效，这可能与激活FOXO3a转录有关。Ausser⁃lechner等［33］也指出部分急性白血病对强的松耐药是因为FOXO3a的失活，使白血病细胞得以逃避TRAIL和NOXA基因的凋亡作用。另外，Shiota等［34］报道称FOXO3a的乙酰化状态是肿瘤顺铂耐药的关键因素。除了化学抑制剂，使用的siRNA已经成为不同实验中强大的武器，对耐药的研究十分重要。Sun等［35］用siRNA转染大肠癌细胞阻断P85和PI3K调节亚基，增加了FOXO活性，表现出细胞增殖、周期停滞和对5-FU敏感性增高的结果。Shi等［36］对胰腺癌细胞的体外实验中发现，利用小RNA干扰同时沉默Panc-1胰腺癌细胞的RAS和AKT癌基因，具有协同效应，及更高的凋亡率，降低了细胞增殖和克隆形成，进一步行裸鼠体内研究表明其能够抑制肿瘤生长。总之，增强或恢复FOXO活性的联合疗法有可能成为逆转耐药性的突破口。

4 结语

FOXO广泛表达于机体组织中，其活性受到一系列翻译后修饰调节，同时与多条致癌信号通路相关联。目前认为FOXO作为肿瘤抑制因子，调控下游细胞周期阻滞、细胞凋亡、自噬等相关基因的表达，并与其他抑癌因子相互作用。因此，有理由预测以增加或恢复FOXO活性的药物治疗可以成为与化疗或放疗组合的潜在治疗策略，但是也有相反结果出现，如Charitou等［37］发现FOXO促进正常细胞和肿瘤细胞的生长，对FOXO随着研究的深入，在肿瘤发生发展和治疗中的作用将得到明确，为肿瘤临床治疗开辟新思路。

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（2015-07-10收稿）

（2015-08-28修回）

（编辑：周晓颖）

Research progress on the relationship between FOXO regulation and cancer treatment

Mingjian YANG,Zhentao YU

Department of Esophageal Cancer,Tianjin Medical University Cancer Institute and Hospital,National Clinical Research Center for Cancer,Tianjin Key Laboratory of Cancer Prevention and Therapy,Tianjin 300060,China
This work was supported by Development Funds of Scientific Projects for Colleges and Universities in Tianjin(No.20130121)

The FOXO gene,which is a member of the Forkhead box(Fox)gene family,is found in drosophila and is widespread in the eukaryotes of many organisms,including yeast and mammals.This gene transcripts the FOXO protein family,which has important roles in metabolism,cellular proliferation,stress resistance,and apoptosis.Activation of cell survival pathways,such as phosphoinositide-3-kinase/AKT or RAS/mitogen-activated protein kinase,phosphorylates FOXOs at different sites,thus regulating the nuclear localization or degradation of FOXOs.A growing number of evidence indicates that FOXO acts as a tumor suppressor in a wide variety of tumors.Scientists have focused on the correlation between tumors and FOXO.In combination with other chemo-or radiotherapy treatments,drugs designed to increase or restore FOXO activity may constitute a potential strategy in cancer treatment.This review summarizes details on the regulation of FOXO and the latest research progress of FOXO as a molecule therapeutic target.

FOXO,cancer treatment,apoptosis,proliferation,autophagy

10.3969/j.issn.1000-8179.2015.18.756

天津医科大学肿瘤医院食管肿瘤科，国家肿瘤临床医学研究中心，天津市肿瘤防治重点实验室（天津市300060）

*本文课题受天津市高等学校科技发展基金计划项目（编号：20130121）资助

于振涛 yztao2012@163.com

杨明建 专业方向为食管癌的侵袭转移机制研究。

E-mail：yangmingjian0818@163.com