FOXO3基因与肿瘤的研究进展

张庚艳 综述 陈余清 审校

·综 述·

FOXO3基因与肿瘤的研究进展

张庚艳 综述 陈余清 审校

近年来，肿瘤的发病呈增加趋势，肿瘤的发生、发展是一个复杂的过程，其发病机制尚未研究清楚，叉头盒状O转录因子(Forkhead box O transcription factors，FOXO)家族在调节细胞增殖、细胞周期和新陈代谢等过程中发挥重要作用，FOXO3基因是其家族的一员，FOXO3的低表达及缺失与多种肿瘤的发生、发展密切相关，FOXO3基因的这一功能与其参与多种信号转导通路有关，本文就FOXO3基因与各种系统肿瘤的研究现状、相关信号传导通路以及肿瘤未来可能的治疗方向、前景进行综述。

一、FOXO3基因的结构与功能

在人类基因组中，叉头盒状O转录因子(Forkhead box O transcription factors)家族有4个成员，分别是FOXO1(FOXO1A)，FOXO2 (FOXO6)，FOXO3 (FOXO3A)以及 FOXO4 ，其共同的结构特征是有一个叉状的DNA结合结构域，FOXO转录因子家族可以诱发细胞周期停滞、细胞凋亡以及抵抗各种与癌症有关的生理病理应激反应，例如DNA损伤和氧化应激反应等。FOXO3是叉头盒状O转录因子家族的一员，其分子量约为82-97KD，人类FOXO3基因位于六号染色体的长臂2区1带，一系列与FOXO3有关的基因已被证实可诱导细胞凋亡。多篇文献研究证实FOXO3基因与人类长寿有关，这一现象已经在汉族人、日本人、德国人以及意大利人群中得到证实[1-4]。FOXO3基因的这一抑癌效应在不同来源的肿瘤中都被证实。研究发现，在人类肺腺癌细胞中，FOXO3在基因水平、mRNA水平以及蛋白水平的降低是一致的。在对小鼠肺腺癌的研究中发现，FOXO3基因是缺失的。在这些研究中发现，FOXO3基因抑癌效应的发挥与其受到相关基因作用后的核质转位现象有关[5-9]。FOXO3的抑癌效应体现在多个方面，例如，FOXO3的表达强度与癌症患者的肿瘤分化程度、临床TNM分期、淋巴结转移及患者生存期有关。有研究统计学数据表明FOXO3表达阳性组患者中位生存期为72个月，较FOXO3阴性组16.5个月的中位生存期明显延长[10-12]。

二、FOXO3 基因与肿瘤

在我国男性人群中，肿瘤已经成为危害生命的第一大杀手，在我国女性死亡原因中恶性肿瘤也位居第三位[13]。研究发现FOXO3可以调节与细胞周期停滞、细胞凋亡等相关病理过程有关的基因，进一步参与这些细胞活动，所以FOXO3基因的调节与多种肿瘤的发生及进展有关。香烟烟雾里的致癌物质引起的细胞DNA的损害是导致肺癌的主要原因，在致癌物质引起的肺腺癌中，我们发现FOXO3基因通常是失活的，所以导致此过程的关键原因可能是香烟烟雾抑制了FOXO3的转录活性。除此之外，FOXO3还可以引发促凋亡转录程序，当细胞暴露于人类肺癌致癌物质尼古丁衍生物硝基胺基酮(NNK)时，还可以引发细胞的应激反应。FOXO3对于NNK诱导的DNA损伤所引起的肺腺癌的增殖过程，起到一个重要抑制作用。有研究发现，实验中烟雾暴露组与空气暴露组比较，磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)/ Akt的表达也显著降低，PI3K/ Akt通路受到抑制与烟草相关致癌物质引起的肺癌的发生机制息息相关[11,14-17]。在对消化道肿瘤的研究中发现，表皮生长因子引起的结肠癌细胞的增殖与结肠癌进展，也是由FOXO3转录因子活性抑制所调节的。在结肠癌细胞中，表皮生长因子可以诱导FOXO3与突变型的肿瘤抑制基因p53解离，而FOXO3-p53(突变型)复合物的解离可以导致 p27kip1的表达的降低，进而促进细胞增殖及肿瘤的发生。有研究结果显示FOXO3基因的敲除可以增加尿路上皮细胞的迁移和侵袭。在黑色素瘤，非小细胞肺癌，白血病，胃肠道肿瘤以及前列腺癌等多种恶性肿瘤中，PLK1(Polo-like Kinase 1)原癌基因呈现过度表达状态，PLK1属于Polo样激酶家族，属于丝氨酸/苏氨酸激酶，而PLK1基因可以与FOXO3结合、发挥对FOXO3的负性调节作用，FOXO3基因活性受到抑制，导致细胞凋亡减少、细胞增殖、细胞侵袭以及肿瘤的发生[18-20]。

三、FOXO3 基因上游与肿瘤相关的转导通路

1. IKBKE通路

IKBKE是IκB激酶家族的一员，参与多种肿瘤的发生和发展。在对原发性肺癌及乳腺癌的研究中发现，IKBKE对FOXO3的负性调节是促进细胞生长及肿瘤发生的主要机制。IKBKE的表达会导致FOXO3从细胞核转位到细胞质，实现这一现象主要是通过在丝氨酸644位点(Ser644)上磷酸化FOXO3，磷酸化的FOXO3失去转录活性，进而导致FOXO3蛋白表达降低。此为IKBKE以直接的方式磷酸化FOXO3，另外IKBKE 也可以以间接的方式磷酸化FOXO3基因，间接磷酸化FOXO3基因主要是通过激活AKT实现的，通过AKT磷酸化FOXO3的具体方式将在下文AKT通路中讲述[6,21-23]。

2. AKT通路

蛋白激酶B(AKT)可以通过磷酸化FOXO3促进细胞增殖[24-25]。AKT可以导致FOXO3转录因子在Thr32，Ser253,以及Ser315三个位点上磷酸化，而FOXO3的磷酸化可以使其自身保留在细胞质，转录活性受到抑制，FOXO3转录因子在mRNA及蛋白质水平降低[6,26]。AKT主要是通过两种机制实现对FOXO3的这种负性调控。首先，Wang[27]等人发现在人肺腺癌细胞中，C-Jun氨基末端蛋白激酶(JNK)受到相关刺激后在苏氨酸183位点及酪氨酸185位(Thr183/Tyr185)上磷酸化，从而被激活，激活的JNK会使AKT在苏氨酸308位点(Thr308)上磷酸化，磷酸化的AKT活性受到抑制，导致去磷酸化的FOXO3水平上升，FOXO3回到细胞核。还有研究结果显示FOXO3基因是PI3K-AKT通路下游的一个靶基因，磷脂酰肌醇-3激酶(PI3K)可以增强AKT的活性，进而抑制FOXO3的转录及翻译[16,26,28]。Barbara等研究结果显示非小细胞肺癌中Ⅰ型类胰岛素生长因子受体(IGF1)可以使AKT在Ser473位点上磷酸化，进一步导致FOXO3的核质转位[29]。

3. ERK通路

细胞外信号调节激酶(ERK)的抑制可以使FOXO3磷酸化的水平降低，促进FOXO3核移位。当JNK磷酸化后，其活性较去磷酸化状态的JNK明显增加，可以进一步导致ERK在Thr202/Tyr204位点上磷酸化，磷酸化的ERK活性被抑制，从而引发FOXO3核移位[4]。ERK蛋白被MDM2介导的泛素-蛋白酶体途径降解，ERK蛋白降解导致FOXO3磷酸化的水平降低[22,30]。

4. 去乙酰化信号通路

研究表明，去乙酰化酶可以引起非小细胞肺癌细胞周期停滞，达到抑制癌细胞的增殖、诱导其凋亡的目的[31]。SIRT5是一种烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)依赖的蛋白去乙酰化酶，烟草凝集物可以诱导SIRT5在K271和K290位点上将FOXO3去乙酰化，乙酰化的FOXO3可以促使自身核质转移，抑制细胞凋亡[32-33]。

5. microRNA信号通路

Li等发现microRNA-96在非小细胞肺癌组织中的表达高于正常组织，而且这种表达的增加与肺癌淋巴结转移呈显著相关性。研究表明miR-96水平的下调抑制着肺癌细胞的侵袭和增殖。FOXO3是miR-96的直接作用靶点，miR-96可以通过与FOXO3的3’ 非编码区直接结合而发挥对FOXO3的负调控作用[34]。关于microRNA与FOXO3调控通路，有研究显示转录因子特异性蛋白1(Sp1)的过度表达可以促进肿瘤细胞的增殖，但却可以抑制转移，在此过程中，FOXO3的转录活性增加，但其蛋白水平却随着Sp1的表达而下降。在肺癌的早期阶段，Sp1促进miR-182的表达，反过来抑制FOXO3的表达，这一过程促进细胞增殖和生长；在肺癌的晚期阶段，Sp1和miR-182水平下降，FOXO3的表达增加，抑制肺癌的转移[35]。

6.P53信号通路

FOXO3基因是肿瘤抑制基因p53的直接靶点，p53基因激活FOXO3是通过与FOXO3基因的第二个内含子上的一个位点结合来实现的。在对小鼠的成纤维细胞研究发现，p53基因可以直接上调FOXO3的转录活性，使得FOXO3基因mRNA的表达增加。在淋巴细胞的DNA受到损伤时，会引起p53上调FOXO3基因mRNA的水平。研究结果表明，p53和FOXO3这两个基因在人类长寿及肿瘤抑制方面发挥重要作用[20,36]。

四、FOXO3下游与肿瘤相关的靶基因

1. RRM2B位点

RRM2B被认为是P53诱导的核苷酸还原酶亚基，它参与多种至关重要的细胞活动机制，例如细胞周期的调节、DNA的修复和复制等。FOXO3是RRM2B的调节器，FOXO3可以与RRM2B的启动子结合，激活RRM2B的转录，使得RRM2B在RNA及蛋白质水平上表达。在对于肺癌细胞系H1299的研究中发现FOXO3基因被敲除后，RRM2B的表达水平明显下降。通过对肺癌组织的分析发现，肺癌患者生存率的延长、复发率及转移率的降低与FOXO3增加RRM2B的表达有很强的相关性[37]。

2.Bim位点

Bim基因是一种抑癌基因，可以诱导细胞凋亡。FOXO3转录因子的表达诱导Bim 基因表达增强，主要体现在两个方面。首先是增强Bim基因转录的mRNA增多，其次是可以增加翻译后的蛋白质的稳定性[26]。

3. DNMT3B位点

DNA甲基化转移酶3B(DNMT3B)有助于DNA 的从头甲基化，其过度表达可以促进肿瘤的发生。FOXO3可以负调控DNMT3B启动子活性，FOXO3通过与DNMT3B特定位点结合，使DNMT3B的启动子的染色质呈凝结状态，从而抑制DNMT3B基因的过度表达[38]。

4. nm23-H1位点

nm23-H1是一种肿瘤转移抑制基因，这在大多数肿瘤模型中都已经被证实，例如前列腺癌[39]、宫颈癌[40]、白血病[41]等。有研究发现在非小细胞肺癌中，转录因子FOXO3负调控nm23-H1的表达。nm23-H1表达的减少或者缺失与肿瘤的进展和转移有关[42]。FOXO3基因做为nm23-H1基因的上游调控位点有可能为抑制肿瘤转移过程提供新的治疗靶点。

五、结语与展望

FOXO3转录因子可以通过多种信号传导通路促进肿瘤细胞的凋亡、抑制其增殖，所以我们也将FOXO3基因称为“肿瘤抑制器”。由于FOXO3基因与肿瘤发生发展的关系使其日益成为人们关注的热点，随着对FOXO3相关信号转导通路及其下游靶点研究的深入，对于FOXO3基因的再激活，以及对于FOXO3上游通路及下游靶基因的干预，将为临床肿瘤治疗方案寻找新的突破点，在不久的将来，与之有关的药物及其他相关治疗方案的问世，肿瘤患者预后的改善及其生存期的延长将指日可待。

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10.3969/j.issn.1009-6663.2017.05.040

蚌埠医学院研究生科研创新计划项目(No Byycx1505)

233000 安徽 蚌埠，蚌埠医学院第一附属医院呼吸与危重症科

陈余清，E-mail:bbmccyq@126.com

2016-09-26]