FOXO3a的调控机制与功能及其在临床中的应用*

陈磊， 邱丽君， 王新超， 庞华△

天津市第四中心医院 1检验科， 2肿瘤血液科(天津 300140)

人类叉头框O(forkhead box O，FOXO)蛋白具有一个高度保守的110个氨基酸的叉头框或翼螺旋的DNA结合结构域，该结构域由3个α螺旋、3个β折叠及2个翼状结构组成[1]。分类上从FOXA到FOXR的FOXO蛋白由超过100个成员组成，其中FOXO亚家族4个主要成员分别是FOXO1、FOXO3a、FOXO4和FOXO6。这些成员都与细胞存活，增殖和DNA损伤修复相关。而在FOXO亚家族当中研究最多的为FOXO3a。具有抑制细胞周期进程，促进细胞死亡功能的FOXO3a被认为有可能是抑制癌细胞发展的一个重要靶点。然而，最近研究发现FOXO3a还具有与应激反应和寿命相关的其他功能[2]。本文对FOXO3a的调控机制与功能，以及在临床应用中的研究进展进行综述。

1 FOXO3a的调控机制

1.1 磷酸化 FOXO3a通过如磷酸化(phosphorylation)、乙酰化(acetylation)和泛素化(ubiquitination)的翻译后修饰，调控FOXO蛋白转录活性。蛋白激酶B(protein kinase B，PKB，又称Akt)是直接磷酸化FOXO3a蛋白的重要激酶。FOXO3a的Thr32，Ser253和Ser315残基能够被Akt磷酸化，特别是Ser253的磷酸化是调节FOXO3a胞核/胞质穿梭的关键残基。通过Akt磷酸化促进了FOXO3a与14-3-3核输出蛋白结合，进一步通过隐蔽胞核定位信号阻止FOXO3a再次入核[3-4]。此外，酪蛋白激酶2(casein kinase 2，CK2)、血清和糖皮质激素调节激酶(serum and glucocorticoid regulated kinase，SGK)、c-Jun氨基端激酶(janus N-terminal kinase，JNK)、促分裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases，MAPKs)、双特异性酪氨酸-磷酸化和调节激酶1B(dual specificity tyrosine-phosphorylated and regulated kinase 1B，DYRK1B)、IκB激酶(IkappaB kinase，IKK)和腺苷酸活化蛋白激酶(AMP activated protein kinase，AMPK)也是已知通过磷酸化不同残基位点调节FOXO3a和其他家族成员的蛋白[5]。

1.2 泛素化降解 FOXO3a的降解对于其功能调控也是非常重要的。活化的Akt磷酸化FOXO3a促进其与泛素连接酶E3结合，随后FOXO3a多聚泛素化促进其通过蛋白酶体方式降解。因此，FOXO3a细胞质中的定位不仅使其功能失活，而且对于FOXO3a降解也是非常重要的。此外，鼠双微体基因2(murine double minute 2，MDM2)，IKK磷酸化的FOXO3a也导致其泛素化降解。Hu等[6]研究发现人端粒酶逆转录酶(human telomerase reverse transcriptase，hTERT)/MDM2复合物通过增强FOXO3a泛素化降解促进胃癌细胞侵袭。

1.3 乙酰化/去乙酰化和microRNA 在FOXO3a功能调节方面乙酰化也发挥着重要作用。氧化应激(oxidative stress)引发FOXO3a乙酰化/去乙酰化并且影响到FOXO3a在细胞中的定位。尽管乙酰化/去乙酰化机制仍然有待进一步研究，但是像蛋白乙酰化酶CREB结合蛋白(CREB binding protein，CBP)，p300和去乙酰基酶沉默信息调节因子(silence information regulator, SIRT)都是已知能够调节FOXO3a功能的蛋白[7-8]。最近研究表明，FOXO家族也受微小RNA(microRNA)调控。mir155、mir96被认为能够直接调控FOXO3a[9-10]；而mir194、mir21 则通过其上游目的蛋白磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidyl inositol 3 kinase，PI3K)/Akt/10号染色体缺失的磷酸酶张力蛋白同源物基因(phosphatase and tensin homology deleted on chromosome Ten, PTEN)实现对FOXO3a的调控[11-12]。

2 FOXO3a 的功能

2.1 抑制细胞增殖和促进凋亡 抑制细胞周期和促进细胞凋亡是由FOXO转录因子调控的两个最为显著的细胞过程。FOXO3a的活化能够增加具有抑制细胞周期G1期向S期过渡的细胞周期抑制蛋白p21和p27表达[5]。Qazi等[13]研究发现小分子喹唑啉衍生物通过抑制PI3K/Akt/ FOXO3a信号通路抑制结肠癌细胞增殖。Lin等[14]发现黄酮(flavone)、芹菜素(apigenin)、木犀草素(luteolin)通过抑制PI3K/Akt和增加FOXO3a活化诱导乳腺癌细胞周期阻滞和细胞凋亡；进一步研究发现，受FOXO3a直接转录调控的细胞周期抑制蛋白p21和p27表达增加。同样，FOXO3a也能够增加如淋巴细胞瘤-2相互作用的细胞凋亡调节因子(bcl-2 interacting mediator of cell death，Bim)、肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体(tumor necerosis factor-related apoptosis-inducing ligand，TRAIL)、p53上调凋亡调控因子(p53 up-regulated modulator of apoptosis，PUMA)和脂肪酸合成酶配体(fatty acid synthase ligand，FasL)这些具有促进细胞凋亡功能的靶基因表达。Wang等[15]研究发现在乳腺癌和肝癌细胞中蒽醌类化合物大黄酸(Rhein)通过FOXO3a介导上调Bim表达促进癌细胞凋亡。

2.2 抵御氧化应激能力 当暴露于不利环境条件下，FOXO3a也具有抗氧化应激参与保护细胞的能力。已经发现活性氧(reactive oxygen species，ROS)与FOXO3a活化及保护细胞免受应激诱导环境相关[16]。ROS失调能够诱导细胞凋亡并与各种疾病和衰老相关。在氧化应激条件下SIRT1能够下调ROS水平并促进细胞存活。有趣的是，FOXO3a和其他FOXO家族成员通过增加超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)并且以SIRT1依赖方式保护细胞免受氧化应激。研究发现[17]，在应对氧化应激过程中，SIRT1和FOXO3a在细胞中形成复合物并且SIRT1增强了FOXO3a诱导细胞周期阻滞和抵抗氧化胁迫的能力。这些研究结果表明，在应对ROS过程中SIRT1对FOXO3a去乙酰化是解毒有害反应性分子的一个重要自我防御机制，进一步表明通过启动FOXO依赖可避免细胞凋亡和应激抵抗，SIRT1与保护细胞免于应激诱导环境相关。其中，过氧化氢酶(catalase，CAT)和锰超氧化物歧化酶(manganese superoxide dismutase，MnSOD)是由FOXO3a直接调控。因此，通过FOXO3a活化促使CAT和MnSOD水平增加可以有效地管理ROS，这对于减少ROS引起的应激诱导是非常有利的。有趣的是，先前研究发现了一个能够保护细胞免受氧化应激的潜在FOXO活化因子，一种在红葡萄酒中含量丰富且具有很强抗氧化活性的黄酮类化合物—白藜芦醇(Resveratrol)，是已知具有上调FOXO家族并阻断caspase 3、8和9活化，保护感光细胞免受氧化应激的化合物[18]。因此，当细胞暴露于应激诱导环境中时，FOXO3a通过利用SOD，CAT等保护细胞，这一过程对于细胞是非常有利的。

2.3 延长寿命 在功能上最有趣的发现便是FOXO3a基因与长寿相关。由于其与长寿之间的相关性，FOXO3a被认为是长寿方面研究理想的候选基因。Soerensen等[19]通过对1 088名年龄在92～93岁丹麦人进行统计研究发现，FOXO3a基因的15个单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphisms，SNPs)在统计学上与寿命和4个不同年龄表型存在显著相关性，FOXO3a突变体不仅在90岁人群中很常见，而且在100岁人群中更为普遍，强调了遗传对于衰老的重要性。此外， Bao等[20]在对rs2802292、rs2764264、rs13217795、rs1935949、rs2802288、rs2153960及rs7762395和rs13220810这八个与长寿相关的FOXO3a基因SNP位点研究发现，在性别方面，rs2802292，rs2764264和rs13217795 位点与男性长寿人群有显著相关性，而rs2802292，rs2764264和rs1935949与女性长寿人群没有关联性。Sun等[21]对生活在中国南方红河流域人群研究发现，rs2802288*A和rs2802292*G位点与当地长寿人群显著相关，并且与欧洲人群相比，rs2802292*G对于亚洲长寿人群作用更加明显。

3 FOXO3a在临床中的应用

包括白血病、胶质母细胞瘤、前列腺癌和乳腺癌等类型肿瘤中FOXO3a是失调的，因此，FOXO3a作为靶点应用于多种类型肿瘤治疗中。Consolaro等[22]研究发现广泛用于B细胞急性淋巴细胞白血病 (B acute lymphoblastic leukemia，B-ALL)治疗的地塞米松(dexamethasone)通过Ser-7位点磷酸化和Lys-242/5乙酰化活化FOXO3a诱导白血病细胞增殖抑制和细胞凋亡。Zhou等[23]发现桔梗皂苷D(Platycodin D)通过增强FOXO3a表达诱导前列腺癌的生长抑制。此外，在人类肿瘤中通过Akt， IKK和细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases，ERK)调控，达到靶向FOXO3a的方法正在应用中。研究表明[24]，在乳腺癌治疗中使用的化疗药物紫杉醇(paclitaxel)和KP372-1(一种多激酶抑制剂)的作用机制是通过抑制Akt活性，活化FOXO3a实现的。Tarrado-Castellarnau等[25]发现甲基硒酸(methylseleninic acid)通过抑制Akt活性促进FOXO3a核易位对非小细胞肺癌细胞起到抑制作用。在结肠癌细胞中，表油菜素内酯(epibrassinolide)抑制PI3K/Akt通路活性激活FOXO3a诱导线粒体介导的细胞凋亡[26]。近年来研究进一步表明靶向FOXO3a方法可能有助于其他类型人类疾病的治疗。Yang等[27]研究发现，与癌旁组织相比，原发性胃腺癌癌组织中FOXO3a的 mRNA和蛋白表达水平明显降低。低水平FOXO3a表达与肿瘤大小、浸润深度、淋巴结转移、远处转移和美国癌症联合会(American Joint Committee on Cancer，AJCC)分期显著相关，并且FOXO3a基因的低表达与胃癌患者不良预后相关，FOXO3a有可能是胃癌患者一个有价值的预后标记物以及潜在分子治疗靶点。研究发现[28]，发生在DNA、RNA和蛋白质水平的FOXO3a丢失在绝大多数浆液性卵巢癌中经常发生，并且是浆液性癌最早阶段的一个标志物，FOXO3a可以作为临床干预的一个潜在靶点。此外，FOXO3a可作为肝癌预后判断因子，FOXO3a低水平表达与肝癌患者化疗耐药以及不良预后有关[29]。因此，所有这些研究表明以FOXO3a为靶点的应用将会不断发展，未来FOXO3a的临床应用对于控制人类疾病发展来说具有潜在的希望。

4 展望

作为治疗靶点的FOXO3a在肿瘤和其他类型疾病治疗中已经得到人们的关注。以增加或恢复FOXO3a活性的药物治疗可以成为与化疗或放疗结合的潜在治疗策略。此外，为了提高治疗效果，依赖FOXO3a的化疗增敏方法目前也正在验证之中。显然，FOXO3a作为一个有效靶点，需要更多研究来阐明其能够阻止或限制疾病发展的机制及功能。