FoxA家族在肿瘤发生中作用的研究进展△

郑璐 汤铜 钱波

安徽医科大学第二附属医院甲乳外科，合肥 230000

FoxA家族在肿瘤发生中作用的研究进展△

郑璐 汤铜 钱波#

安徽医科大学第二附属医院甲乳外科，合肥 230000

应用PubMed、Nature Press Group、Biosis Previews及CNKI期刊全文数据库系统检索，以“FoxA、疾病、肿瘤”为关键词检索有关文献。总结国内外“先锋因子”——FoxA家族在肿瘤发生发展方面研究的最新进展。大量文献显示FoxA家族与白血病、肺癌、分化型甲状腺癌、胰腺癌、乳腺癌、前列腺癌等肿瘤的发生发展密切相关。通过对FoxA家族研究的进一步深入，有望从分子生物学水平揭示其在肿瘤发生中的作用，为肿瘤治疗提供新的靶点。

FoxA;疾病;肿瘤

自1989年发现果蝇叉头基因以来，许多Fox家族基因在各种不同的种属中得以识别，目前根据DNA结合区域(DNA binding domain，DBD)的同源性，已在不同种属中证实了100多个Fox家族成员，分属于19个亚族，包括FoxA～FoxS，以拥有进化保守性的110个氨基酸的DBD为特征［1］。Fox家族特征结构是叉头框(fork-head box)，位于蛋白质的中心，该结构由2个蝶翼状环形结构和3个α螺旋组成，形似蝴蝶样的外观，所以Fox区域也被称为翼状螺旋域(wing-helix domain，WHD)。FoxA家族包括FoxA1、FoxA2、FoxA3三个亚群，因其最早从小鼠肝细胞中克隆出来，故又称肝核心因子HNF-3。以FoxA1为代表，FoxA1位于人类14q21.1染色体上，其结构包括N-端为FoxA1的核心区域，结构(H1-S1-H2-H3-S2-L1-S3-L2)主要包括3个α-螺旋H、β-折叠S和2个循环形成一个螺旋状翼，参与双链的结合过程;C-端为组蛋白结合区域，主要与H3/H4组蛋白结合［2］。FoxA2位于染色体20p11.21，目前研究表明其在机体中与FoxA1有互补作用，在FoxA1缺乏的情况下可以弥补其功能［2-3］。FoxA3位于染色体19q13.32，目前对其功能研究较少。

叉头框是DNA结合核心区域，其占据15～17个核苷酸，其中7个为保守的核心序列，周围的核苷酸序列被认为是决定Fox与不同细胞结合的特异性核苷酸。C-端为组蛋白结合区域，参与H3、H4组蛋白结合。FoxA在DNA上的结合域结构上类似于组蛋白H，且它的C末端与组蛋白H3和H4相互作用，FoxA通过与结构紧密的染色质结合，能够取代组蛋白H1，使染色质结构松散，同时参与H3第四个赖氨酸的单二甲基化和DNA去甲基化过程［4］。这些结构特征使FoxA与紧密的染色质结合成为可能，并且即使在其他染色质修饰酶缺乏的情况下也能够打开局部结合区域的核小体，这样FoxA能增强染色质对其转录因子的招募，通过转录因子联合ATP依赖酶进一步打开染色质，正因为如此，FoxA被授予“先锋因子”的称号［5］。

1 参与机体正常生长发育

研究显示Fox基因在植物中未见表达，从原始的无脊椎到脊椎动物中则均可见Fox基因表达，FoxA家族参与了胚胎生长的各个环节［6］。FoxA2在胚胎形成的过程中最先出现，在对小鼠胚胎形成的研究中发现，FoxA2在小鼠原肠胚形成时出现，在中胚层始基处表达，随着脊索的生长，大约在胚胎形成第6天，FoxA2开始全面表达［7］。缺乏FoxA2表达，将会导致内肠胚胎和脊索无法形成，神经元会出现不对称和不成形。FoxA1在随后的中线内胚层原线及节点形成时表达，随后表达于腹侧的各个底板、脊索及脏器中。FoxA3出现时间最晚，主要参与后肠的形成过程［8］。在成年小鼠中FoxA1和FoxA2广泛表达于各个外、中、内胚层形成的组织中，而FoxA3则在心脏、卵巢、脂肪、睾丸以及内胚层参与形成的肝脏胃肠组织中表达。胚胎形成过程中FoxA2缺乏将导致小鼠难以成活［9］，缺乏FoxA1的小鼠即使成活，出生后将会出现致命的低血糖和脱水症状，FoxA3缺乏的小鼠和正常小鼠形态学改变不大，但出生后雌鼠将会出现不孕等症状［10］。

FoxA1和FoxA2在参与胚胎生长发育及各个器官组织形成过程中的作用是互补的，在对激素依赖性的器官如乳腺、前列腺等的形成过程的研究发现，FoxA1起关键性作用。研究青春期乳腺的生长发育过程，原始的乳腺导管在受到青春期大量分泌的雌激素的作用后开始形成管道，并延伸和分叉，乳腺的始基中可大量检测到FoxA1及雌激素受体α (estrogen receptor α，ER-α)，FoxA1的缺失将导致上皮ER-α的表达下降，从而使随后形成的乳腺导管上皮具有不同的激素敏感性。同样在对前列腺发育的研究中也证实，FoxA1的水平与雄激素受体(androgen receptor，AR)的表达密切相关，由此可见FoxA1在激素依赖性器官的生长发育中发挥至关重要的作用［11］。

2 参与疾病相关

FoxA家族对维持机体血糖的稳定起到了重要作用，FoxA1表达的缺失将会导致胰岛α细胞的胰高血糖素原基因转录水平下降，同时上调胰岛β细胞的线粒体解偶联蛋白2(uncoupling protein-2，UCP2)的表达，使胰岛素分泌增加，导致血糖水平下降。FoxA2与FoxA1具有协同作用，在FoxA1缺失的情况下，FoxA2将会弥补其功能参与血糖的调节［12］。FoxA3则是通过减少胰高血糖素的转录因子的表达来降低血糖的水平。有研究显示FoxA家族表达的水平与糖尿病的发生存在密切关系，FoxA家族广泛表达于肝脏、肾脏、胰腺等器官，参与机体糖代谢与运输、胰岛素分泌等过程，进而调节体内血糖稳态。FoxA表达异常与家族性糖尿病的发生有一定的关系，对中国年轻的成年糖尿病患者进行FoxA基因检测发现，绝大多数患者中存在FoxA基因的突变。常见突变位点为FoxA1基因启动子区域nt-128 T→G突变［13-14］。突变将会影响FoxA参与的肝细胞HepG2及胰岛β细胞MIN6的转录活性，进而导致血糖调节的紊乱。

在肝脏疾病方面，正常情况下FoxA1/2与糖皮质激素受体(glucocorticoid receptor，GR)一起参与上皮中白细胞介素6(IL-6)的表达调控，成年小鼠缺乏FoxA的表达将会导致胆管淤积症，其机制是FoxA1/2缺失导致NF-κB调控的IL-6基因表达升高，进而导致胆管上皮增生诱发胆汁淤积［15］。

FoxA普遍表达于肺纤毛细胞及Ⅱ型肺泡上皮细胞中，胚胎时期FoxA缺失将会导致肺组织形成延迟，无法进入成熟的肺泡期，而停滞在发育不成熟的小腺管期并导致肺组织特异性蛋白的缺失，包括:Clara细胞分泌蛋白(Clara cell secretory protein，CCSP)、前表面活性蛋白B(pro-surfactant protein-B，proSP-B)和前表面活性蛋白C(pro-surfactant protein-C，proSP-C)［16］。胚胎发育晚期FoxA基因的缺失将导致肺组织的形态改变，管腔形态不规则。在急性肺损伤模型中，肺上皮中FoxA的表达上调，可以促进H2O2诱导的肺泡上皮细胞的凋亡［17］。

多巴胺是一种重要的神经递质，其功能的缺失参与帕金森、神经分裂、注意力不集中等疾病的发生，研究表明FoxA1/2参与胚胎时期中脑内多巴胺能神经元的形成。Ferri等研究发现，FoxA1/2双纯合子突变体小鼠胚胎神经元中FoxA1/2的表达缺失，引起Ngn2基因表达下调，神经元分化受到抑制［18］。

FoxA1/2普遍表达于胃肠道的上皮细胞内，敲除小鼠该部分FoxA1/2基因后可观察到生长缓慢、体重下降。进一步研究发现，虽然小鼠肠管形态正常，但杯状细胞数量明显下降，肠管内的神经内分泌激素含量降低，导致肠管吸收消化功能减弱［19］。

3 参与肿瘤发生发展、转移机制

研究显示FoxA1在白血病、肺癌、分化型甲状腺癌［20］、胰腺癌、乳腺癌和转移性前列腺癌组织中高表达。FoxA1高表达对肿瘤的发展和扩散的影响，各项研究结果不完全一致。在白血病、肺癌、分化型甲状腺癌中，FoxA1表达升高可促进肿瘤的生长和转移。在食管癌细胞中，FoxA1的高表达与淋巴结转移正相关，减少FoxA1的表达可降低肿瘤细胞的侵袭能力。但在胰腺癌的研究中显示，FoxA1高表达能抑制上皮-间质转化(epithelialmesenchymal transition，EMT)，FoxA2会增加钙黏素E(E-cadherin)的表达从而使细胞维持正常上皮的特征，其机制可能是通过使钙黏素E基因的高甲基化水平下降来实现的，从而减少肿瘤细胞的扩散［28］。在肝癌细胞中，FoxA高表达对肝癌细胞生长也同样表现为抑制作用［29］。在膀胱癌中，FoxA1高表达与肿瘤恶性度高、复发转移成负相关，其机制可能是通过改变p53和PTEN以及改变钙黏素E表达水平来实现的［21］。

乳腺癌细胞株普遍存在FoxA1高表达，ER阳性乳腺癌患者中FoxA1高表达往往预示较好的预后。目前研究FoxA1参与的乳腺癌发生发展机制可能涉及以下几方面:①促进ER-α表达。Hurtado等［22］在对ER(+)的乳腺癌细胞系MCF7研究中发现，人为沉默FoxA1基因，与对照组相比，ER水平大约下降90%。②通过调节AR水平促ER (-)乳腺癌生长。在对ER(-)/AR(+)/Her-2 (+/-)的乳腺癌细胞系MDA-MB-453的研究中发现FoxA1对AR水平的调节起到了关键的作用，此种类型的乳腺癌细胞系的信号调节类似于激素依赖性前列腺癌细胞系，称为顶泌细胞肿瘤。此类细胞系FoxA1高表达促进AR表达，抑制ER-α表达，并通过与ER-α类似的WNT7B/Her-3/AKT信号转导途径促进肿瘤生长。对于此类型的细胞系，可将AR作为靶点抑制肿瘤生长［11］。③有助于启动转录。GATA3是DNA转录的启动子序列，在对FoxA1 mRNA表达与GATA3表达情况进行统计的研究中显示，FoxA1 mRNA表达与GATA3表达呈正相关，对基因序列进行分析:FoxA1是CATA1下游的靶点，由此推测FoxA1对某些基因表达起促进作用［23］。④调控细胞周期。P27作为细胞周期调控节点，对细胞生长起抑制作用，Wolf等［24］曾报道FoxA1可以通过调控P27表达来阻止乳腺癌细胞生长。⑤参与相关基因蛋白的甲基化。FoxA1结合区域相关组蛋白H3K4常常单/二甲基化，而H3K9的二甲基化则受到了抑制。进一步研究表明FoxA1也参与组蛋白甲基化的过程，Sérandour等［32］在对FoxA1表达较低的MDA-MB-231细胞系的研究中发现，上调FoxA1的表达，组蛋白H3K4出现了单/二甲基化现象。

与乳腺癌细胞相反，对于同样是激素依赖性肿瘤的前列腺癌进行的研究发现，FoxA1高表达能促进肿瘤细胞的生长，易发生侵袭转移，往往预示肿瘤治疗效果不佳。对于以上两种截然不同的研究结果，有学者推测可能与FoxA1组织表达特异性，以及细胞生长不同阶段表达差异有关［25］。在早期乳腺癌中，FoxA1表达升高不显著，当肿瘤生长增殖后，FoxA1表达升高可以增加ER(+)细胞对激素药物治疗的敏感性，从而抑制肿瘤的增殖转移。而FoxA1在前列腺癌细胞形成早期就出现了高表达，增加雄激素的合成，从而促进肿瘤细胞的生长增殖［26］。

在对胰腺癌的研究中发现FoxA1参与抑制EMT，EMT过程被认为是肿瘤形成早期的关键步骤，此过程会导致细胞间失去原先的联系从而使细胞的运动增加，促进肿瘤细胞的转移。已证实钙粘素E的表达程度在EMT过程中起重要作用，研究显示FoxA2会增加钙粘素E的表达从而使细胞维持正常上皮的特征，其机制可能是通过使钙粘素E基因的高甲基化水平下降来实现的。Lombaerts等对高度甲基化的MiaPaCa-2细胞株采用5′-Aza-dC治疗后，钙黏素E表达明显升高，同时FoxA2的表达也增加［27-28］。

根据流行病学统计结果，肝癌的发生与性别有明显相关性，女性患者肝癌的发病率明显低于男性患者，行卵巢双侧切除的患者肝癌的发生率升高。检测其激素水平发现，缺乏雄激素的男性患者其肝癌发生率下降而女性缺乏雌激素者其肝癌发生率则升高。研究发现雄激素会导致DNA的损伤并增加氧化应激反应。另对健康雌性小鼠及四组雌性肝癌小鼠的FoxA2和ER-α结合区域的相关基因进行分析，结果显示患肝癌的小鼠结合区域的相关基因常出现缺失、突变、插入等单核苷酸多态性，主要包括:抗细胞增殖的B细胞异位基因-1BTG1，抑制炎症反应的纤维蛋白原相关蛋白1(FGL1)、抑制肿瘤细胞多重耐药的ATP结合区域及肿瘤抑制基因ABCC4，这些位点的基因多态性SNP可能与女性患者肝癌发生率升高有密切关系，这些位点的突变将导致FoxA及ER-α结合区域的活性发生改变，从而影响其功能［29］。

根据Watts［30］的研究结果，在Barrett食管及食管腺癌中，Rfx1基因的表达水平较正常食管上皮显著下降，故Rfx1基因有望成为判断食管异型性的早期标志物，对食管癌的发生起到早期预测作用。而FoxA家族作为转录因子，对其基因的表达水平高低有一定关系，但具体调节机制尚不是十分清楚。随着对其调控机制的深入研究，有望从分子水平探究Barrett食管向食管癌进展过程，进而为早期食管癌的预防提供一个新的靶点。

4 研究展望

FoxA作为一种转录因子家族，参与多种信号转导通路、胚胎发育、各种疾病的发生，特别是与肿瘤发生发展密切相关。表观遗传学(epigenetics)是近年来基因表达调控研究的热点之一，DNA甲基化是目前已知的哺乳动物DNA唯一的自然化学修饰方式，是表观遗传的主要方式之一，其在调节基因表达及维持细胞正常分化中起着重要作用［31］。基因甲基化异常是已知肿瘤发生发展的重要机制之一，最新的报道指出，FoxA1能够与甲基化的增强子结合，解开染色质的致密结构，使其他转录因子获得与DNA结合的机会，促进多种基因的表达上调［32］。FoxA是否参与整个基因组甲基化信号转导通路，能否通过调控FoxA表达来调控肿瘤相关癌基因及抑癌基因的甲基化状态，进而干扰相关癌基因的表达是本课题组研究的方向。相信对FoxA家族的研究进一步深入，为进一步揭示肿瘤的发病机制和去甲基化治疗提供理论依据。

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2013-06-03)