FOXO3a 转录因子在肿瘤临床诊疗中的应用

刘庚综述，孙晋津审校

（天津医科大学第二医院肝胆胰外科，天津300211）

叉头框（forkhead box，FOX）蛋白在进化上属于保守的转录因子家族，由FOXM，FOXK，FOXA 和FOXO 等4 个亚族组成[1]。其中FOXO（forkhead box class O）亚族是研究最多的亚族之一，是细胞凋亡、增殖、新陈代谢状态、细胞周期阻滞、DNA 损伤和寿命等的关键调控因子[2-3]。FOXO 功能的失调将导致细胞增殖失控以及DNA 损伤的累积，从而导致肿瘤的发生。

叉头框转录因子O 亚型3a（forkhead box class O3a，FOXO3a） 又名叉头横纹肌肉瘤1（forkheadhabdomyosarcoma-like 1，FKHR-L1），是FOXO 亚族最重要的成员之一，其转录活性和亚细胞定位受包括磷酸化、乙酰化、甲基化和泛素化在内的严格调控[2,4-5]。作为肿瘤抑制因子在多种肿瘤中可以检测到其表达的失调，更被证明是乳腺癌、胃癌、结直肠癌和其他肿瘤预后的标志物[6-8]。笔者就FOXO3a 在肿瘤诊治及预后等研究进展做一系统阐述。

1 FOXO3a 活性及功能的调节机制

FOXO3a 位于6 号染色体长臂21 区（6q21）[9]，由1 个高度保守的DNA 结合域即“叉头区”（FKH）、2 个核定位信号（NLS）、转录激活区（TAD）及核输出信号（NES）共5 个结构域组成。FOXO3a 的活性及功能的调节受多种信号通路的影响，并参与生物体细胞中多个病理和生理过程的调节。

1.1 转录后调节（Post-transcriptional regulation）FOXO3a 是许多MicroRNA（miRNA）的作用靶点，FOXO3a 蛋白的表达直接或间接的受到多种miRNA 调节。实验研究表明，在乳腺癌[10]、肾缺血再灌注损伤[11]中，miR-155 的过表达下调FOXO3a 的表达，并且在神经胶质瘤[12]中miR-155 通过直接靶向FOXO3a 的3′端非翻译区（3′-UTR）来下调其表达。同时在阿尔茨海默病[13]、炎症性肠病[14]、人类乳腺癌[15]和特发性肺纤维化等疾病中，分别通过miR-132 及miR-212、miR-132 及miR-223、miR-96 靶向FOXO3a 的3′端非翻译区（3′-UTR），从而下调FOXO3a 的表达。此外，miR-205、miR-1307、miR-182、miR-592 等均可以直接或间接的调节FOXO3a的表达[16-19]。因此，通过抑制与FOXO3a 表达相关的miRNA 上调FOXO3a 的表达量，进而促进肿瘤细胞的凋亡可以作为抗肿瘤治疗的又一新策略。

1.2 翻译后修饰（Post-translational modifications，PTMs） 翻译后修饰是调节蛋白质功能的基本过程，通过多种官能团的加入引起蛋白质亚细胞位置、分子半衰期、DNA 结合亲和力以及蛋白质分子与其他细胞相互作用的改变。FOXO3a 活性可以由多种类型的翻译后修饰所调节，涉及多种酶及信号分子的改变[20-21]。

FOXO3a 活性及其靶基因调节主要机制是通过一系列激酶的磷酸化来实现的。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 磷酸化后转录活性受到抑制，并与14-3-3 核输出蛋白相互作用，通过隐藏FOXO3a 核定位信号阻止其再次进入至胞核，激活的Akt 进一步促进磷酸化的FOXO3a 与泛素E3 连接酶结合，使FOXO3a 多聚泛素化后通过蛋白酶体途径将其降解[22-23]。此外，血清和糖皮质激素调节激酶（SGK）、酪蛋白激酶1（CK1）、双特异性酪氨酸磷酸化和调节激酶1A（DYRK1A）、janus N 末端激酶（JNK）、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）、哺乳动物不育系20 样激酶1（MST1）和AMP 活化蛋白激酶（AMPK）均可以通过磷酸化多个残基调节FOXO3a 和其他家族成员[24-27]。MDM2 癌基因可以介导FOXO3a 多聚泛素化，促进其降解，单独敲除或敲低MDM2 能够增加FOXO3a 的稳定性[28]。乙酰化在FOXO3a 功能调节中也起着重要作用，氧化应激引起FOXO3a 乙酰化/去乙酰化并影响FOXO3a 的定位。在细胞核中，FOXO3a 可被p300 和CBP 乙酰化，而被SIRT1 和SIRT2 去乙酰化[29-30]。

与激酶不同，调节FOXO3a 的磷酸酶很少，蛋白磷酸酶-2A（protein phosphatase-2A，PP2A）是一种可以调节FOXO3a 功能的特殊的磷酸酶，在控制FOXO3a 亚细胞定位和功能中的作用尚不清楚。Singh 等[31]发现PP2A 和FOXO3a 之间相互作用非常密切，14-3-3 核输出蛋白不影响PP2A 和FOXO3a 之间的相互作用，但能限制AKT 磷酸化位点Thr 32/Ser 253 的活性，由此认为PP2A 介导的Thr32/Ser253 的去磷酸化是14-3-3 核输出蛋白解离、FOXO3a 核-质穿梭及转录激活所必需的。Richard等将成纤维细胞附着在PP2A 活性受到抑制的胶原蛋白涂层板上时，发现Akt 的活性增强使FOXO3a活性丧失从而促进了成纤维细胞增殖，但同时也发现，过度表达PP2A 可以逆转FOXO3a 的失活并增加去磷酸化的FOXO3a 的比例，从而抑制成纤维细胞增殖[32]。

因此，细胞中激酶和磷酸酶等之间的不平衡通过调节FOXO3a 的表达可以极大地影响细胞的命运，FOXO3a 翻译后修饰可能与某些疾病包括肿瘤的发生和进展直接相关。

2 FOXO3a 与肿瘤的关系

2.1 FOXO3a 对肿瘤发生发展的调控作用 在大多数恶性肿瘤中细胞，FOXO3a 的失调主要是通过异常的翻译后修饰。在乳腺癌中，海兔素（Aplysin）可以通过PI3K / AKT / FOXO3a 信号通路引起FOXO3a 的去磷酸化，通过抑制细胞的增殖并促进肿瘤细胞的凋亡来抑制肿瘤的生长[33]。FOXO3a 与RUNX3 在Bim 启动子上相互作用协同激活Bim 的转录，参与诱导细胞凋亡，提示FOXO3a 可能在胃癌的抑癌作用中发挥重要作用[34]。FOXO3a 通过优先与DNA 甲基转移酶3B（DNMT3B）启动子的结合元件FOXO3a-E（+166 至+173）相互作用而负向调节DNMT3B 启动子活性从而促进DNMT3B 过表达导致肺癌的进一步发展[35]。在尿路上皮癌细胞系KK47 及表达Twist 1 的TCC-sup 细胞中，FOXO3a可负向调节Twist 1 和Y-box 结合蛋白1（YB-1），同时正向调节E-钙粘蛋白的表达，从而抑制尿路上皮癌的侵袭及转移[36]。这些研究表明，异常的翻译后修饰可能导致FOXO3a 表达或功能失调从而引起肿瘤的发生与发展。

2.2 FOXO3a 与肿瘤化疗 与常规化疗相比，靶向FOXO3a 的化疗具有针对性，可特异性识别肿瘤组织，因此对正常组织的毒性作用较低。化疗药物可通过PI3K-AKT、ERK、JNK、P38 MAPK 及IκB 激酶等信号通路将其信号与FOXO3a 整合，增强FOXO3a 的表达，介导FOXO3a 磷酸化并诱导其核-质易位现象及降解从而发挥抗肿瘤作用。紫杉醇、多柔比星吉非替尼、伊马替尼、顺铂和他莫昔芬等细胞生长或细胞毒性药物的抗肿瘤效应是通过FOXO3a 的活化反向抑制PI3K-AKT 信号轴所介导的[37-40]。目前，FOXO3a 的亚细胞定位被用于预测宫颈癌，乳腺癌和食道癌放、化疗反应[41-42]。

FOXO3a 作为PI3K-AKT 信号通路重要的下游靶分子，不仅是许多常规基因治疗药物和细胞毒性药物的靶标，同时也是新型内分泌治疗药物、新型化疗药物和分子靶向药物的细胞作用位点，通过对FOXO3a 基因及上下游分子的调控有望提高肿瘤化疗的效果。

3 FOXO3a 在肿瘤治疗中的应用

3.1 FOXO3a 在肿瘤中的诊疗及预后意义 目前，FOXO3a 作为潜在的生物标志物已被用于多种恶性肿瘤的诊断、治疗和预后。在胃癌[43]、肝细胞肝癌[44]、胶质母细胞瘤[45]及急性髓系白血病[46]等肿瘤中均观察到FOXO3a 的过表达与预后不良相关。然而，在鼻咽癌[47]、卵巢癌[6]、胶质瘤[48]及尿路上皮癌[36]患者中，低表达FOXO3a 与预后不良相关。Akt、IKK 和ERK 这三种激酶介导的磷酸化刺激FOXO3a 的泛素化，导致其被蛋白酶体降解，从而减弱其对肿瘤的抑制作用[49]。因此，目前通过靶向FOXO3a 调节以上激酶治疗肿瘤的相关研究正在进行，如化疗药物（曲妥珠单抗，拉帕替尼，阿法替尼，西妥昔单抗，吉非替尼和奈拉替尼） 通过抑制PI3K-AKT 提高FOXO3a 的活性来抑制上皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor，EGFR），为治疗乳腺癌，结肠癌，前列腺癌，卵巢癌，肺癌和头颈癌提供了一种新的有价值的治疗策略[50]。

3.2 作为生物标志物和治疗靶点 由于FOXO3a在肿瘤发生发展中的关键作用，FOXO3a 已成为化疗药物的潜在靶点。在霍奇金淋巴瘤（HL）中可以检测到FOXO3a 的表达，而在非霍奇金淋巴瘤（NHL）中则未观察到FOXO3a 的表达，FOXO3a 表达仅限于处于静止状态的少量霍奇金细胞，而部分表达FOXO3a 的细胞被认为具有类似肿瘤起始细胞（Cancer-initiating cells，CICs）的潜力，说明FOXO3a可以是部分HL 的CIC 的生物标志物，但不是非HL的CIC 标记[51]。三阴性乳腺癌中FOXO3a 的表达量与淋巴结转移和无病生存率相关，提示FOXO3a 可能在促进肿瘤细胞迁移和增殖中具有潜在作用，可以作为三阴性乳腺癌预后的生物标志物和潜在治疗靶标[52]。由于FOXO3a 活性直接受多种miRNA 调节，筛选或合成靶向这些miRNA 的新型化疗药物也可能是治疗肿瘤的有价值的策略。

4 展望

FOXO3a 功能的复杂性和多样性表明其可能通过多种信号通路、多种方式发挥抗肿瘤作用。鉴于其在肿瘤中的关键作用，深入探讨FOXO3a 生物学功能、调控机制及其在肿瘤中的作用和下游靶点，将有助于FOXO3a 发展成可靠的肿瘤诊断的标志物和治疗靶点。