FOXO3a转录因子的研究进展

裴艳宏 刘坤祥

(遵义医学院人体解剖学教研室，贵州 遵义 563003)

叉头框蛋白(forkhead box protein,FOX)家族是于2000年发现的一个新蛋白质家族，它在大肠杆菌及人类中均有表达，对细胞增殖、分化、机体生长发育、细胞周期、凋亡等具有重要作用。该家族包括很多亚族，其中研究最深的是O亚家族，即叉头框蛋白O(forkhead box protein O, FOXO)。目前已知FOXO家族有4个成员：FOXO1(FKHR)、FOXO3a(FKHRL1)、FOXO4(AFx)、FOXO6。它们在进化中属于高度保守的家族，位于不同染色体上的这4个成员受不同的基因编码[1-2]。其中FOXO3a是该家族的核心，并参与调节其它成员的基因表达。

1 FOXO3a结构特点

FOXO3a位于第6号染色体上，其cDNA全长2.8 kb，有2个内含子，3个外显子，一共编码673个氨基酸。FOXO3a结构域中ɑ螺旋是识别DNA特异序列的位置，以及作为核定位信号的c末端，对 FOXO3a蛋白和DNA结合成复合物的稳定性具有重要作用[3]。

2 FOXO3a活性调节

主要包括上游调节和下游调节两种类型。

2.1 FOXO3a上游调节

2.1.1FOXO3a的乙酰化修饰

乙酰化/去乙酰化作为十分重要的共价修饰，可以调控转录因子的活性及参与细胞凋亡过程。位于胞核内FOXO3a的乙酰化修饰主要是p300，而去乙酰化修饰主要是SIRT1。另外FOXO3a是去乙酰化酶SIRT1的下游靶蛋白。研究表明，当机体处于氧化应激状态时，p300乙酰化FOXO3a，从而加速细胞凋亡[4]；相反，SIRT1则直接或间接的去乙酰化FOXO3a，进而抑制细胞凋亡，促进细胞存活[5]。

2.1.2FOXO3a的磷酸化修饰

PI3K-Akt通路下游重要的转录因子是FOXO3a。具体过程是磷酸化的PI3K激活Akt，Akt进而激活磷酸化的FOXO3a，使其与胞核内结构蛋白14-3-3特异性结合，从胞核转移到胞浆，经过泛素化降解，丧失正常的转录活性，从而降低细胞凋亡；然而当抑制Akt途径时，去磷酸化的FOXO3a大部分进入胞核，最终加速细胞凋亡[6]。Jover-Mengual[7]通过建立大鼠脑缺血模型，检测FOXO3a表达情况及海马CA1区神经细胞凋亡情况证实了FOXO3a转录后的磷酸化确实受PI3K-Akt通路调节。

2.2 FOXO3a的下游调节

去磷酸化的FOXO3a主要是通过三个方面诱导细胞凋亡的发生：与RUNX3结合；上调非特异性周期依赖性激酶抑制因子p21Kipl；上调Gadd45ɑ。具体过程是在胞核内单独的FOXO3a或RUNX3均不能激活Bim，只有FOXO3a与RUNX3共同与Bim基因结合，才能激活Bim，从而诱导细胞凋亡[8]；以及FOXO3a可上调p21Kipl和Gadd45ɑ，从而使细胞生长周期停滞在G0/G1和G2-M期。

3 FOXO3a对神经的作用

3.1 FOXO3a对神经的保护作用

Jeong[9]在建立的应激大鼠模型中发现，抑制FOXO3a可使海马神经细胞中羟基特异性抗氧化酶Ⅲ(peroxiredoxin Ⅲ,prxⅢ)低表达，而使线粒体超氧化物歧化酶(mitochondrial superoxide dismutase,Mn-SOD)代偿性增加，这说明FOXO3a可以保护神经细胞不受氧化应激的损伤。另外，Dick和Bading[10]通过siRNA沉默去磷酸化的FOXO3a发现，随着FOXO3a在核内表达的减少，海马神经元耐受氧化应激损伤的能力逐渐增强。

另外FOXO3a在周围神经系统中也具有重要作用。Wang等[11]在失神经骨骼肌萎缩中发现，在施旺细胞中FOXO3a的低表达最为显著，并且将FOXO3a siRNA转染到施旺细胞中之后显示，通过PI3/Akt通路，FOXO3a可促进施旺细胞分化，进而促进损伤神经的自我修复。

3.2 FOXO3a对神经的损伤作用

Cui[12]通过建立脑损伤模型发现，随着脑损伤的加重，TNF-ɑ和IL-1β表达逐渐增多，TNF-ɑ和IL-1β可激活Akt-FOXO3a通路，使FOXO3a失去生物活性，阻断上调p21Kipl和Gadd45ɑ，进而促进星形胶质细胞增生，不利于损伤神经的自我修复。

4 FOXO3a与肿瘤

4.1 FOXO3a的抑癌作用

4.1.1抑制胶质瘤干细胞

导致恶性胶质瘤恶性度高及高复发率的原因是癌干细胞样细胞(cancer stem-like cell,CSLC)。阻断PI3K-Akt和MEK/ERK这两种信号通路，均能高强度促进CSLC的分化及降低致瘤性，而这两种通路磷酸化的对象则是FOXO3a。研究发现，联合阻断通路所引起的FOXO3a在胞核的集聚和激活要强于单独阻断通路，从而更好的促进CSLC分化及降低致瘤性[13]。

4.1.2促进肿瘤细胞凋亡

在乳腺癌中，剔除FLOT1，Akt的磷酸化被抑制，FOXO3a高表达，从而通过上调周期素依赖激酶抑制剂P21、P25，下调CDK调节剂——周期素D1，抑制肿瘤细胞的增殖。在直肠癌和胃癌中，上调FOXO3a，进而上调p21Kipl和Gadd45ɑ，从而使肿瘤细胞生长周期停滞在G0/G1和G2-M期，促进肿瘤细胞凋亡[14]。

4.1.3增强抗癌药物疗效

许多抗癌药物也是通过增强FOXO3a的表达，来降低药物耐药性及增强药物的临床疗效。具体过程主要是通过下调Akt磷酸化，使FOXO3a高表达于胞核中，从而促进肿瘤细胞凋亡[15]；另外活化的FOXO3a也可上调凋亡前基因Bim和PUMA的表达，从而加速耐药细胞的存活[16]。

4.2 FOXO3a的促癌作用

例如慢性粒细胞性白血病(chronic myeloid leukemia,CML)，通常认为Bcr-Abl融合基因(Bcr-Abl fusion gene)变异是导致CML的原因。临床中很多药物可以杀灭白血病细胞，但不能清除白血病起始细胞(leukemia-initiating cell,LIC)，而由TGF-β介导的FOXO3a信号通路则具有维持LIC的重要作用。有实验表明，联合TGF-β抑制剂和伊马替尼治疗FOXO3a缺失的小鼠中可以彻底去除包括LIC在内的白血病细胞。这说明FOXO3a对肿瘤细胞的作用远比人们想像的还要复杂。

5 FOXO3a与长寿的关系

FOXO3a一直被认为是“长寿基因”，具有抗衰老、延长寿命的功能。FOXO3a编码胰岛素样生长因子1(insulin-like growth factor-1，IGF-1)信号通路中的关键调节因子，在百岁男性中常见到其三个变异体，并且研究还发现，FOXO3a的延寿作用与两性均相关，与德国、日本等长寿国家中的长寿因素相同[17]。

6 展 望

FOXO3a转录因子作为在进化中属于高度保守家族FOX的成员，在细胞增殖、分化、氧化应激等生理或病理过程中都起着举足轻重的作用。FOXO3a对神经保护、损伤以及抗癌和促癌作用均显示了其功能的复杂性和多样性。但是，FOXO3a功能背后，具体通过怎样的机制来彰显其作用，目前还尚未研究透彻。相信随着分子生物学和细胞生物学发展，揭开FOXO3a的神秘面纱将不再是问题。

[1] Fang L,Wang H,Zhou L,et al.Akt-FOXO3a signaling axis dysregulation in human oral squamous cell carcinoma and potent efficacy of FOXO3a-targeted gene therapy[J].Oral Oncol,2011,47(1):16-21.

[2] Habashy HO,Rakha EA,Aleskandarany M,et al.FOXO3a nuclear localisation is associated with good prognosis in luminal-like breast cancer[J].Breast Cancer Res Treat,2011,129(1):11-21.

[3] Senf SM,Sandesara PB,Reed SA,et al.p300 Acetyltransferase activity differentially regulates the localization and activity of the FOXO homologues in skeletal muscle[J].Am J Physiol Cell Physiol,2011,300(6):490-501.

[4] Shiota M,Yokomizo A,Kashiwagi E,et al.FOXO3a expression and acetylation regulate cancer cell growth and sensitivity to cisplatin[J].Cancer Sci,2010,101(5):1177-1185.

[5] Zheng T,Lu Y.Changes in SIRT1 expression and its downstream pathways in age-related cataract in humans[J].Curr Eye Res,2011,36(5):449-455.

[6] Peng K,Li Y,Long L,et al.Knockdown of FOXO3a induces increased neuronal apoptosis during embryonic development in zebrafish[J].Neurosci Lett,2010,484(2):98-103.

[7] Jover-Mengual T,Miyawaki T,Latuszek A,et al.Acute estradiol protects CAI neurons from ischemia-induced apoptotic cell death via the PI3K/Akt pathway[J].Brain Res,2010,1321:1-12.

[8] Vogiatzi P,De Falco G,Claudio PP,et al.How does the human RUNX3 gene induce apoptosis in gastric cancer Latest data,reflections and reactions[J].Cancer Biol Ther,2006,5(4):371-374.

[9] Jeong HJ,Jeong HW,Song SS,et al.Upregulation of peroxiredeoxin Ⅲ in the hipppocampus of acute immobilization stress model rats and the FOXO3a-dependent expression in pc12 cells[J].Cell Mol Neurobiol,2011,31(7):1041-1046.

[10] Dick O,Bading H.Synaptic activity and nuclear calcium signaling protect hippocampal neurons from death signal-associated nuclear translocation of FOXO3a induced by extrasynaptic N-methyl-D-aspartate receptors[J].J Biol Chem,2010,285(25):19354-19361.

[11] Wang Q,Wang Y,Zhou Z,et al.Expressions of forkhead class FOXO3a on crushed rat sciatic nerves and differentiated primary Schwann cells[J].Cell Mol Neurobiol,2011,31(4):509-518.

[12] Cui M,Huang Y,Tian C,et al.FOXO3a inhibits TNF-ɑ and IL-1β-induced astrocyte proliferation:Implication for reactive astrogliosis[J].Glia,2011,59(4):641-654.

[13] Sunayama J,Sato A,Matsuda K,et al.FOXO3a functions as a key integrator of cellular signals that control glioblastoma stem-like cell differentiation and tumorigenicity[J].Stem Cell,2011,29(9):1327-1337.

[14] Lin C,Wu Z,Lin X,et al.Knockdown of FLOT1 impairs cell proliferation and tumorigenicity in breast cancer through upregulation of FOXO3a[J].Clin Cancer Res,2011,17(10):3089-3099.

[15] Wang S,Wang H,Davis BC,et al.PAPP1 inhibitors attenuate AKT phosphorylation via the upregulation of PHLPP1[J].Biochem Biophys Res Commun,2011,412(2):379-384.

[16] Thepot S,Lainey E,Cluzeau T,et al.Hypomethylating agents reactivate FOXO3a in acute myeloid leukemia[J].Cell Cycle,2011,10(14):2323-2330.

[17] Li Y,Wang WJ,Cao H,et al.Genetic association of FOXO1Aand FOXO3aA with longevity trait in Han Chinese populations[J].Hum Mol Genet,2009,18(24):4897-4904.