FOXO转录因子与肿瘤的研究进展

苗婷茹　姚定国★

FOXO转录因子与肿瘤的研究进展

苗婷茹姚定国★

FOXO是一类广泛存在于真核生物中的转录因子，是叉头框（Forkhead box，Fox）蛋白家族的成员之一，在细胞代谢、增殖、氧化应激和凋亡等方面发挥重要作用，因其抑制细胞增殖和诱导凋亡的主要作用，被认为是重要的肿瘤抑制因子。FOXO在促进肿瘤生长和侵袭、维持肿瘤生存等方面具有重要作用。本文就FOXO与肿瘤的关系作一综述，揭示FOXO在肿瘤发展中的双重作用。

1　FOXO概述

FOXO是Fox蛋白家族的一个亚族，该家族的特点是含有“翼状螺旋”结构域，为高度保守的DNA结合域，称为Forkhead结构域。Forkhead结构域一般是由三个α-螺旋（H1、H2、H3）、三个β-折叠（S1、S2、S3）和两侧的环（W1、W2）以H1-S1-H2-H3-S2-W1-S3-W2的顺序组成［1］。研究表明Fox蛋白家族在调控细胞周期、分化、代谢、免疫等过程中具有重要作用。在哺乳动物中，FOXO亚族包括4个成员：FOXO1（FKHR）、FOXO3（FKHRL1）、FOXO4（AFX）、FOXO6，分别定位于不同染色体上的基因编码。FOXO家族各成员在组织中的表达存在差异，FOXO1、FOXO3和FOXO4广泛表达于如心、脑、肾、肌肉、脂肪等器官组织中，而FOXO6仅发现在中枢神经系统中表达［2］。FOXOs通过转录激活或抑制下游靶基因的表达，在细胞周期调控、细胞衰老与凋亡、氧化应激、干细胞分化、肿瘤发生发展等生物过程中发挥重要的作用。

2　FOXO肿瘤调控信号通路

2.1PI3K-AKT 通路 PI3K-AKT 信号通路与肿瘤细胞的生长和发展关系密切，FOXOs作为PI3K-AKT 信号通路的下游靶点，AKT通过磷酸化FOXOs从而抑制其功能［3］。在肿瘤细胞中，PI3K-AKT 信号通路异常活跃，导致FOXOs转录失活而促进肿瘤的生长增殖。FOXO与PI3K-AKT 信号通路已被广泛研究，Scheijen等［4］发现白血病中FLT3-ITD的表达，导致PI3K-AKT通路活化，阻止FOXO3诱导p27Kip1和Bim的凋亡途径。Kelly等［5］利用PI3K抑制剂，重新激活FOXO，参与细胞周期阻滞和细胞凋亡。

2.2MAPK通路 MAPK信号通路包括ERK、JNK 和p38。Yang等［6］研究发现ERK能够磷酸化S294、 S344、S425位点下调FOXO3，并且FOXO3通过MDM2介导的泛素化蛋白酶体降解途径被降解，导致肿瘤细胞凋亡抑制而促进肿瘤发展。Sunayama等［7］研究在角质母细胞瘤中，AKT与ERK在调控FOXO3a导致肿瘤发生的重要作用。Asada等［8］发现FOXO1能够被ERK和p38磷酸化，参与调控Ets-1的转录活动，而Ets-1的表达在肿瘤血管生长中具有促进作用。

2.3IKK通路 FOXO还参与IKK信号通路，Hu等［9］发现IKKβ通过磷酸化FOXO3的S644位点，从而抑制FOXO3，的作用，促进细胞生长及肿瘤发生。Chapuis等［10］发现在急性髓细胞白血病中，IKKβ对于FOXO3a的磷酸化作用，使FOXO3a定植于胞浆，导致FOXO3a失活，利于肿瘤细胞的增殖。此外，IKK家族的另一个成员IKKε，也可通过磷酸化FOXO3a，从而抑制其活性［11］。

3　FOXO的抗肿瘤作用

3.1调控细胞增殖与凋亡 FOXOs是细胞增殖的负性调节因子，调节多种细胞周期蛋白的活动使细胞周期停滞。FOXOs通过抑制细胞周期蛋白cyclinD1和cyclinD2的活动，FOXOs也可诱导特异性细胞周期抑制剂p21、p27、p15、p19的表达，使G1/S期过渡阻滞［12-14］。FOXOs还在G2/M期过渡发挥调控作用，通过与生长停滞和DNA损伤诱导因子a（GADD45A）、细胞周期蛋白cyclinG2和Polo样激酶1（PLK1）的作用［15-16］。此外，FOXOs通过调控细胞凋亡从而抑制肿瘤细胞的增殖。研究发现FOXOs通过调节Fas配体（FasL）和肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体（TRAIL）等凋亡因子的活性，来调控外源性凋亡途径［3］。而对内源性凋亡途径的调控，FOXOs是作用BCL-2家族成员（如Bim、p53）而实现［17］。

3.2控制细胞侵袭 研究发现，FOXOs具有控制肿瘤细胞迁移和侵袭的作用。Kikuno等［18］发现前列腺癌细胞的侵袭作用与AEG1的过度表达有关，而通过敲除AEG1基因，在降低细胞侵袭性的同时，发现FOXO3的表达增加，因此认为AEG1的促侵袭性与FOXO3的抑制有关。此外，Zhang等［19］发现FOXO1可通过拮抗转录因子RUNX2，限制前列腺癌细胞的迁袭。Su等［20］发现前列腺癌的转移与FOXO4缺失有关，通过重新表达FOXO4能够抑制癌症转移。

3.3诱导细胞衰老 在动物细胞中，癌基因的活化可以诱导细胞衰老，从而抑制肿瘤的发生。研究发现，FOXOs在癌基因诱导的细胞衰老中也发挥着重要作用。Courtois等［21］发现，通过抑制Ras和PI3K信号传导的负反馈通路，使RAS的异常激活触发衰老，这一过程会激活FOXO1和FOXO3。De Keizer等［12］的研究表明，BRAFV600E诱导FOXO4在Thr（223）、Ser（226）、Thr（447）和Thr（451）位点的磷酸化，导致p21cip1表达，引起癌基因诱导的细胞衰老。

3.4参与氧化应激 FOXOs在防御细胞氧化应激中具有重要作用。氧化应激损伤是由活性氧（reactive oxygen species，ROS）过量聚积或不完全降解引起的。FOXOs通过有效清除ROS，从而减少ROS的致癌作用。Kops等［22］研究发现，FOXOs的抗氧化应激作用是通过增加锰超氧化物歧化酶（MnSOD）和过氧化氢酶的表达水平实现的。FOXOs调节氧化应激的作用也在基因缺失的研究证实，Tothova 等发现［23］FOXO基因缺失的小鼠细胞表现为ROS水平上升和抗氧化酶水平降低，此外在Foxo3-/-小鼠，ROS的积聚会导致骨髓增生综合征。Ambrogini等［24］发现FOXO1缺失的成骨细胞中谷胱甘肽等抗氧化剂表达下降。

3.5FOXO与p53的相互作用 p53是重要的抑癌基因。研究表明，FOXO与p53在肿瘤抑制中可能具有协同作用，You等［25］研究发现FOXO3a能够促进p53出核在细胞质内的累积，通过上调PUMA和Bax，促进P53依赖性促凋亡作用。Renault等［26］在小鼠胚胎成纤维细胞和胸腺细胞亦发现FOXO3参与调节p53依赖的凋亡途径。Bouchard等［27］发现FOXO可通过上调p19ARF的表达，间接激活p53。

4　FOXO的促肿瘤作用

随着对FOXO研究的深入，在白血病、乳腺癌、结肠癌等肿瘤研究中，发现FOXO在肿瘤的生存和发展中具有促进作用。

4.1FOXO与白血病 在慢性粒细胞白血病（CML）的治疗中，酪氨酸激酶抑制剂伊马替尼（imatinib）目前已广泛应用于临床，使CML患者得到长期缓解。伊马替尼的药理作用是通过拮抗BCR-ABL致癌融合蛋白的作用，使得被AKT抑制的FOXOs重新激活，导致肿瘤细胞生长停滞和凋亡，从而起到肿瘤治疗作用［28］。然而，Naka等［29］研究发现，在白血病起始细胞（LICs）核中的FOXO3是持续激活的，并且FOXO3参与白血病细胞的生存和维持，而FOXO3的激活是由于TGFβ信号通路对于AKT的抑制作用。Hurtz等［30］发现FOXO的下游信号BCL-6，通过抑制p53抑癌基因，增强CML白血病细胞的自我更新能力。另外，在急性髓细胞白血病（AML）中，FOXOs也发现在白血病起始细胞中的维持作用，在LICs中FOXOs的缺失能够诱导白血病细胞成熟和死亡［31］。

4.2FOXO与乳腺癌 FOXOs在促进乳腺癌细胞的侵袭和转移中发挥重要作用，Feng等［32］发现在人类乳腺癌细胞周期激酶Cdc25A通过FOXO1直接调节基质金属蛋白酶MMP1的转录，从而增强癌细胞的侵袭能力，此外，在小鼠模型中发现Cdc25A能够促进乳腺癌细胞的转移。Storz等［33］发现FOXO3诱导基质金属蛋白酶9和13（MMP9/MMP13）的表达，导致癌细胞迁移和侵袭。Sisci等［34］研究认为，FOXO3对于癌细胞侵袭的作用，与雌激素受体α（ERα）的表达密切相关，在ERα+细胞中，FOXO3与17β雌二醇协同作用，降低癌细胞的侵袭能力，而在ERα-细胞中，FOXO3表现为增加其侵袭能力。

4.3FOXO与结肠癌 在结肠癌研究中发现，通过与WNT/ β-catenin通路相互作用，FOXOs表现为促进肿瘤的侵袭和转移。Tenbaum等［35］研究发现β-catenin和FOXO3的同时激活，能够阻止癌细胞死亡并且促进癌细胞的转移。Arques等［36］发现β-catenin可以抵抗PI3K-AKT抑制剂作用，从而重新激活FOXOs，FOXO3和β-catenin在人类结肠癌细胞的高表达，会导致癌症转移的发生，同时与患者生存率降低密切相关。

5　总结

FOXO在肿瘤的发生和发展中起着重要的调节作用，一方面FOXO通过调控细胞周期、凋亡、衰老、氧化应激等，作为肿瘤抑制因子的作用已被广泛研究；另一方面FOXO在促进肿瘤生长和侵袭、维持肿瘤生存发挥重要作用。同时，FOXO作为肿瘤治疗的靶点，仍需更进一步的研究，随着对FOXO的抗肿瘤与促肿瘤的双重作用的认识深入，将为临床上肿瘤的治疗提供了新的思路。

［1］Clark KL,Halay ED,Lai E,et al.Co-crystal structure of the HNF-3/fork head DNA-recognition motif resembles histone H5.Natu re,1993,364(6436):412-420.

［2］Fu Z,Tindall DJ.FOXOs,cancer and regulation of apoptosis. Oncogene,2008,27(16):2312-2319.

［3］Brunet A,Bonni A,Zigmond MJ,et al.Akt promotes cell survival by phosphorylating and inhibiting a Forkhead transcription factor. Cell,1999,96(6):857-868.

［4］Scheijen B,Ngo HT,Kang H,et al.FLT3 receptors with internal tandem duplications promote cell viability and proliferation by signaling through Foxo proteins.Oncogene,2004,23(19):3338-3349.

［5］Kelly-Spratt KS,Philipp-Staheli J,Gurley KE,et al.Inhibition of PI-3K restores nuclear p27Kip1 expression in a mouse model of Kras-driven lung cancer.Oncogene,2009,28(41):3652-3662.

［6］Yang JY,Zong CS,Xia W,et al.ERK promotes tumorigenesis by inhibiting FOXO3a via MDM2-mediated degradation.Nat Cell Biol,2008,10(2):138-148.

［7］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.Stem Cells,2011, 29(9):1327-1337.

［8］Asada S,Daitoku H,Matsuzaki H,et al.Mitogen-activated protein kinases,Erk and p38,phosphorylate and regulate Foxo1.Cell Signal, 2007, 19(3):519-527.

［9］Hu MC,Lee DF,Xia W,et al.IkappaB kinase promotes tumorigenesis through inhibition of forkhead FOXO3a.Cell,2004,117(2):225-237.

［10］Chapuis N,Park S,Leotoing L,et al.IκB kinase overcomes PI3K/ Akt and ERK/MAPK to control FOXO3a activity in acutemyeloid leukemia.Blood,2010,116(20):4240-4250.

［11］Guo JP,Tian W,Shu S,et al.IKBKE phosphorylation and inhibition of FOXO3a: a mechanism of IKBKE oncogenic function.PLoS One, 2013,8(5):e63636.

［12］De Keizer PL,Packer LM,Szypowska AA,et al.Activation of forkhead box O transcription factors by oncogenic BRAF promotes p21cip1-dependent senescence.Cancer Res,2010,70(21):8526-8536.

［13］Medema RH, Kops GJ, Bos JL, et al. AFX-like Forkhead transcription factors mediate cell-cycle regulation by Ras and PKB through p27kip1.Nature,2000,404(6779):782-787.

［14］Katayama K, Nakamura A, Sugimoto Y, et al.FOXO transcription factor-dependent p15(INK4b) and p19(INK4d) expression. Oncogene, 2008,27(12):1677-1686.

［15］Fu G,Peng C.Nodal enhances the activity of FoxO3a and its synergistic interaction with Smads to regulate cyclin G2 transcription in ovarian cancer cells.Oncogene,2011,30(37):3953-3966.

［16］Tran H,Brunet A,Grenier JM,et al.DNA repair pathway stimulated by the forkhead transcription factor FOXO3a through the Gadd45 protein.Science,2002,296(5567):530-534.

［17］Essafi A,De Mattos S F,Hassen YA,et al.Direct transcriptional regulation of Bim by FoxO3a mediates STI571-induced apoptosis in Bcr-Abl-expressing cells.Oncogene,2005,24(14):2317-2329.

［18］Kikuno N,Shiina H,Urakami S,et al.Knockdown of astrocyteelevated gene-1 inhibits prostate cancer progression through upregulation of FOXO3a activity.Oncogene,2007, 26(55):7647-7655.

［19］Zhang H,Pan Y,Zheng L,et al.FOXO1 inhibits Runχ2 transcriptional activity and prostate cancer cell migration and invasion.Cancer Res,2011,71(9):3257-3267.

［20］Su B,Gao L,Baranowski C,et al.A genome-wide RNAi screen identifies FOXO4 as a metastasis-suppressor through counteracting PI3K/AKT signal pathway in prostate cancer.PLoS One,2014,9(7):e101411.

［21］Courtois Cox S, Genther WSM, Reczek EE, et al. A negative feedback signaling network underlies oncogene-induced senescence. Cancer Cell, 2006,10(6):459-472.

［22］Kops GJ,Dansen TB,Polderman PE,et al.Forkhead transcription factor FOXO3a protects quiescent cells from oxidative stress. Nature,2002,419(6904):316-321.

［23］Tothova Z, Kollipara R, Huntly BJ, et al. FoxOs are critical mediators of hematopoietic stem cell resistance to physiologic oxidative stress.Cell,2007,128(2):325-339.

［24］Ambrogini E,Almeida M,Martin-Millan M,et al.FoxO-mediated defense against oxidative stress in osteoblasts is indispensable for skeletal homeostasis in mice.Cell Metab,2010,11(2):136-146.

［25］You H,Yamamoto K,Mak TW.Regulation of transactivationindependent proapoptotic activity of p53 by FOXO3a.Proc Natl Acad Sci U S A,2006,103(24):9051-9056.

［26］Renault VM,Thekkat PU,Hoang KL,et al.The pro-longevity gene FoxO3 is a direct target of the p53 tumor suppressor. Oncogene, 2011,30(29):3207-3221.

［27］Bouchard C,Lee S,Paulus-Hock V,et al.FoxO transcription factors suppress Myc-driven lymphomagenesis via direct activation of Arf.Genes Dev,2007,21(21):2775-2787.

［28］Pellicano F,Scott MT,Helgason GV,et al.The antiproliferative activity of kinase inhibitors in chronic myeloid leukemia cells is mediated by FOXO transcription factors.Stem Cells,2014, 32(9): 2324-2337.

［29］Naka K, Hoshii T, Muraguchi T, et al. TGF-beta-FOXO signalling maintains leukaemia-initiating cells in chronic myeloid leukaemia.Nature,2010,463(7281):676-680.

［30］Hurtz C,Hatzi K,Cerchietti L,et al.BCL6-mediated repression of p53 is critical for leukemia stem cell survival in chronic myeloid leukemia.J Exp Med,2011,208(11):2163-2174.

［31］Sykes SM,Lane SW,Bullinger L,et al.AKT/FOXO signaling enforces reversible differentiation blockade in myeloid leukemias. Cell,2011,146(5):697-708.

［32］Feng X,Wu Z,Wu Y,et al.Cdc25A regulates matrix metalloprotease 1 through Foxo1 and mediates metastasis of breast cancer cells.Mol Cell Biol,2011,31(16):3457-3471.

［33］Storz P,Döppler H,Copland JA,et al.FOXO3a promotes tumor cell invasion through the induction of matrix metalloproteinases. Mol Cell Biol,2009,29(18):4906-4917.

［34］Sisci D,Maris P,Cesario MG,et al.The estrogen receptor α is the key regulator of the bifunctional role of FoxO3a transcription factor in breast cancer motility and invasiveness.Cell Cycle,2013, 12(21):3405-3420.

［35］Tenbaum SP,Ordóñez-Morán P,Puig I,et al.β-catenin confers resistance to PI3K and AKT inhibitors and subverts FOXO3a to promote metastasis in colon cancer.Nat Med,2012,18(6):892-901.

［36］Arqués O,Chicote I,Puig I,et al.Tankyrase Inhibition Blocks Wnt/β-Catenin Pathway and Reverts Resistance to PI3K and AKT Inhibitors in the Treatment of Colorectal Cancer.Clin Cancer Res,2016,22(3):644-656.

310053 浙江中医药大学第一临床医学院（苗婷茹）

310006 浙江中医药大学附属第一医院（姚定国）