转录因子叉头框O 促进肿瘤发生、发展的作用及机制研究进展

周静，王静萱

哈尔滨医科大学附属肿瘤医院肿瘤内科，哈尔滨 150000

转录因子通过调节转录速率来影响特定蛋白质的表达，甚至决定细胞的命运，其突变、删除或扩增与肿瘤的发生密切相关，因此，转录因子被认为是肿瘤治疗的有效靶点[1-2]。叉头框（forkhead box，FOX）蛋白家族由19个转录因子组成，分为FOXA、FOXC、FOXO、FOXP和FOXM5个亚群，其中，FOXO亚群在肿瘤发生、发展中的作用尤为重要 ，FOXO 包 含 FOXO1（FKHR）、FOXO3（FKHRL1）、FOXO4（AFX）和 FOXO6[3-4]。转录因子FOXO在肿瘤的发生、发展中起着重要的调节作用，基于FOXO的抗增殖和促凋亡功能，其被认为是肿瘤抑制因子。FOXO与致癌信号通路相互调节，尤其是磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，PKB，又称AKT）信号转导通路。该通路的激活可以抑制FOXO的活性，同时，当FOXO被激活时可通过生长因子负反馈环激活该通路的活性。此外，FOXO的活化诱导了肿瘤的复发、转移和治疗耐药，与肿瘤的进展和不良预后密切相关。本文主要阐述了FOXO对肿瘤促进作用的研究进展。

1 FOXO与肿瘤

转录因子FOXO在肿瘤细胞中参与许多重要的生物学活动，包括细胞凋亡、氧化应激、DNA修复和细胞代谢等，其活性还受翻译后修饰的调控，包括磷酸化、乙酰化、泛素化、甲基化等[5-6]。

1.1 FOXO 与生长因子信号

FOXO通过在细胞核和细胞质之间的穿梭实现对细胞活动的调控。在细胞核中，FOXO介导多种靶基因的转录，而细胞质中的FOXO处于无活性状态。当肿瘤细胞中的受体酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinase，RTK）突变而激活时，PI3K被活化并在细胞膜上生成PIP3，PIP3作为PDPK1和PKB/AKT的对接位点，促使PDPK1激活AKT，AKT通过磷酸化一系列靶蛋白，促进葡萄糖的摄取、细胞的增殖和细胞的存活[7]。被激活的AKT可以在3个保守的RxRxxS/T残基上磷酸化细胞核中的FOXO，诱导其与14-3-3蛋白结合并从细胞核转移至细胞质中，同时阻碍其重新回到细胞核[8-10]，细胞质中的FOXO失去了生物学活性，随后被蛋白酶体泛素化降解。

生长因子信号的传导是一个动态平衡的过程，当生长因子信号缺失时，细胞可以诱导RTK的转录并使其表达于细胞膜上，刺激致癌相关通路的活性[11]。转录因子FOXO作为PI3K/AKT通路下游的调控因子，当FOXO的活性受突变或致癌激酶抑制剂的影响被激活时，PI3K/AKT通路受反馈信号的激活，传导更强的增殖信号。此外，当生长因子信号传导效率低下时，致癌激酶对FOXO的磷酸化作用减弱，细胞核内FOXO的蓄积可以诱导信号传导所需基因的转录[12]，致癌信号通路得以重新激活甚至异常增强。

FOXO还可以通过调控雷帕霉素靶蛋白复合物（mammalian target of rapamycin complex，MTORC）1和MTORC2的活性从而激活AKT[13]，过表达的FOXO1可以诱导雷帕霉素不敏感的雷帕霉素靶蛋白伴侣（rapamycin insensitive companion of mammalian target of rapamycin，RICTOR）转录从而上调MTORC2的表达，MTORC2通过磷酸化Ser473增强AKT的活性[14]。同时，FOXO1还可以通过刺激SESN3的表达抑制GTPase RHEB的活性，使MTORC1失活，减少MTORC1对AKT的抑制作用[15]。

FOXO不仅参与了PI3K的信号反馈，还可与含IQ模序的鸟苷三磷酸酶活化蛋白1（IQ motifcontaining GTPase-activating protein 1，IQGAP1）结合抑制胞外信号调节激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）的表达来影响RAS-MEK-ERK通路的活性。当FOXO被PI3K抑制剂激活时，FOXO从细胞质转移至细胞核，避免了与细胞质中的IQGAP1结合，RAS-MEK-ERK通路也因此被激活[16]。

1.2 FOXO 与细胞氧化应激

FOXO参与了肿瘤细胞的应激反应，当细胞中活性氧类（reactive oxygen species，ROS）水平升高、营养缺乏或DNA损伤时，FOXO将以两种不同的方式回到细胞核，恢复其活性以维持细胞稳态[17]。首先，细胞应激刺激了c-Jun氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）的活性，被激活的JNK通过磷酸化胰岛素受体底物（insulin receptor substrate，IRS）蛋白1/2拮抗RTK信号，避免了生长因子信号通路引起的FOXO的失活。JNK还可以直接磷酸化FOXO，阻止其与14-3-3蛋白结合，刺激FOXO转移至细胞核[18-19]。其次，当细胞受外界影响发生氧化反应时，FOXO可与转运蛋白1（recombinant transportin 1，TNPO1）、IPO7、IPO8之间形成二硫键，随之共同转运至细胞核，介导CAT、超氧化物歧化酶 2（superoxide dismutase 2，SOD2）、谷胱甘肽过氧化物酶 1（glutathione peroxidase 1，GPX1）、谷胱甘肽硫转移酶M1（glutathione S-transferase M1，GSTM1）等抗氧化基因的转录以维持细胞稳态[20-22]。

1.3 FOXO 与细胞代谢

在肿瘤组织中，细胞的高代谢状态造成了葡萄糖的相对缺乏，由于细胞内三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）水平的不足，刺激了5'-腺苷一磷酸激活的蛋白激酶（5'-adenosine monophosphate activated protein kinase，AMPK）的活化。AMPK可以在Ser413、Ser588和Ser626三个残基上磷酸化FOXO，导致FOXO核转移进而刺激参与代谢的靶基因的转录[23]。

2 FOXO 促进肿瘤进展

FOXO因子通过多种方式促进肿瘤发展，包括维持肿瘤干细胞的稳态、增强细胞的侵袭性及诱导治疗耐药等，并被证实其与患者的不良预后存在确切的联系。

2.1 FOXO 维持肿瘤干细胞稳态

FOXO在细胞代谢、DNA损伤和氧化应激反应等生理过程中起着重要作用，有助于维持干细胞的稳定性和完整性[24-25]。在慢性髓细胞性白血病（chronic myelogenous leukemia，CML）中，白血病起始细胞（leukemia initiating cell，LIC）具有自我更新、诱导复发及抵抗治疗的特征，FOXO被证实高表达于LIC中且维持了细胞的稳态。Naka等[26]研究发现，LIC细胞核中FOXO3的表达水平并不受致癌融合基因BCR-ABL活化的抑制，而当LIC中FOXO3的水平下调或缺失时，LIC趋向于凋亡。酪氨酸激酶抑制药（tyrosine kinase inhibitor，TKI）如伊马替尼是CML的一线治疗药物，其通过降低BCR-ABL的活性，阻断PI3K/AKT信号通路来抑制肿瘤细胞的增殖[27]。该疗法改善了CML的长期缓解率，但LIC对TKI的治疗并不敏感，患者仍存在复发、转移的风险。在CML小鼠模型中的研究将LIC中FOXO的活化归因于转化生长因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）对 AKT 的抑制作用，FOXO3的缺失及TGF-β受体的失活均可改善伊马替尼的疗效。后续的研究提出TGF-β-FOXO3-B细胞淋巴瘤/白血病-6（B cell lymphoma/leukemia-6，Bcl-6）通路在CML的LIC中起重要作用，LIC中高活性的FOXO上调了Bcl-6的表达，BCL-6可以抑制MYC、p53、细胞周期蛋白D2和细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子2A（cyclin-dependent kinase inhibitor 2A，CDKN2A）的活性，增强CML的LIC的自我更新能力，有利于LIC的存活[28]。

FOXO在急性髓细胞性白血病（acute myeloid leukemia，AML）的LIC中也发挥着类似的作用。在由MLL-AF9融合基因诱导的AML小鼠模型中，FOXO在LIC中处于高度活化状态时，白血病细胞表现出较强的生长和增殖能力，而当FOXO缺失时，白血病细胞趋向成熟，细胞凋亡较前加快，在人AML细胞系中也可以观察到此现象。此外，Sykes等[29]通过对436例AML样本分析发现，FOXO3的过度活化存在于40%的样本中，且与AML患者的总体生存率呈负相关。

2.2 FOXO 诱导耐药

FOXO转录因子参与了白血病、乳腺癌、卵巢癌等多种肿瘤耐药的发生，是防治肿瘤耐药的潜在靶点。PI3K/AKT通路在多种肿瘤中发挥作用，是改善疗效的一个确切且具有吸引力的靶点，然而，FOXO转录因子受PI3K/AKT抑制剂的活化，诱导细胞补偿性和适应性机制的激活，导致耐药性的产生和疗效的降低。在PI3K/AKT通路过度活化的人表皮生长因子受体（human epidermal growth factor receptor，HER）2阳性肿瘤细胞系中，FOXO3的活性被AKT抑制剂激活后诱导了酪氨酸激酶受体的表达，如HER3、胰岛素样生长因子1受体（insulin-like growth factor 1 receptor，IGF-1R）和胰岛素受体，增强了细胞的侵袭性[30]。在肾细胞癌中，由于FOXO对MTORC2的成员RTOR的诱导刺激了AKT的活化，抑制FOXO1和FOXO3的活性被证实可以增强肾细胞癌细胞对PI3K和AKT抑制剂的敏感性[14]。曲妥珠单抗可通过诱导miRNA-542-3p表达从而减少乳腺癌细胞的增殖，PI3K抑制剂通过激活FOXO1下调miRNA-542-3p的表达，进而降低曲妥珠单抗的疗效[31]。PI3K抑制剂在临床中的广泛应用更加凸显了FOXO对预防甚至逆转肿瘤耐药的重要性。

FOXO还可以通过其他机制诱导耐药，多药耐药相关蛋白2（multidrug resistance-associated protein 2，MRP2）的启动子区域包含4个FOXO结合位点，三苯氧胺及他莫昔芬耐药乳腺癌细胞中MRP2的过表达与FOXO的转录调控密切相关[32]。多柔比星耐药的乳腺癌细胞中的FOXO1通过激活多药耐药相关蛋白1（multidrug resistance-associated protein 1，MRP1）的表达诱导细胞的治疗抵抗，而多柔比星耐药的白血病细胞K562中的FOXO3被证实是MRP1的重要调节因子[33-34]。一些抗肿瘤药物通过提高肿瘤细胞的氧化应激水平从而发挥细胞毒性作用，FOXO可以通过诱导抗氧化酶的表达从而维持细胞的稳定。例如，FOXO1在紫杉醇耐药的卵巢癌细胞中过表达，其可通过调控SOD2的表达保护卵巢癌细胞免受氧化应激诱导的凋亡[35]。此外，在食管鳞状细胞癌中，FOXO1的活化上调了肿瘤相关成纤维细胞（cancer associated fibroblast，CAF）的表达，促进了TGFβ-1的分泌，从而引起食管鳞状细胞癌细胞对顺铂和紫杉醇耐药[36]。上述研究表明FOXO是防治肿瘤耐药的重要调节因子。然而，大多数的研究成果是在细胞系或小鼠模型中获得的，为了明确FOXO在药物反应和肿瘤细胞耐药性方面的作用，未来的研究还需要对原发性肿瘤细胞进行机制方面的验证。

2.3 FOXO 诱导肿瘤细胞转移

FOXO转录因子不仅诱导了治疗耐药，还参与了肿瘤细胞的侵袭和转移过程。在乳腺癌细胞中，FOXO3诱导细胞迁移和侵袭的作用与雌激素受体α（estrogen receptor α，ERα）状态有关，在ERα阳性细胞中，FOXO3可与17b-雌二醇结合减弱细胞的侵袭力，而在ERα阴性细胞中，FOXO3倾向于增加细胞的侵袭性[37]。此外，FOXO通过上调基质金属蛋白酶（matrix metallopreteinase，MMP）的表达促进细胞的迁移。MMP是肿瘤侵袭时蛋白水解和细胞外基质重构的关键性成分，FOXO3可以刺激MMP9和MMP13活化[38]。在人乳腺癌细胞中，细胞侵袭性的增强可部分归因于FOXO1对MMP1转录的激活，MMP1还可以通过调节细胞分裂周期因子25A（cell division cycle 25A，CDC25A）的活性促进乳腺癌细胞的转移[39]。研究发现，在β-连环蛋白高表达的人结肠癌细胞DLD1中，FOXO3的活化能够抑制结肠癌细胞的凋亡，促进细胞的迁移。在人结肠癌样本中，细胞核中高水平的FOXO3和β-连环蛋白与结肠癌的转移、进展及患者生存期的缩短有关[40]。在胰腺导管腺癌和胶质母细胞瘤异种移植物中，FOXO3的敲除降低了肿瘤的生长速率和细胞的侵袭性[41-42]。

2.4 FOXO 与不良预后

研究发现，FOXO3的过表达与AML患者总生存期和无进展生存期的缩短有关，与胰腺导管腺癌和胶质母细胞瘤的进展和预后不良有关[41-43]。针对FOXO3在乳腺癌和结直肠癌中定位的研究表明，FOXO3在细胞核中的高表达预示患者预后不良[40,44]。B细胞非霍奇金淋巴瘤（non-Hodgkin lymphoma，NHL）中FOXO1突变与患者接受利妥昔单抗、环磷酰胺、多柔比星、长春新碱和强的松（RCHOP）方案治疗后总生存期的缩短有关[45]。研究发现，磷酸化的FOXO1抑制了胃癌细胞的增殖和血管的生成，提高了患者的总生存率，降低了胃癌细胞的转移率[46]。

3 靶向抑制FOXO的研究进展

既往的研究将FOXO的激活作为肿瘤的治疗方案，有研究证实FOXO在肿瘤的发生及生长因子信号反馈中起关键作用，抑制FOXO的活性似乎是一种更合理的治疗策略。联合使用FOXO和PI3K抑制剂有助于预防肿瘤药物耐药性的发生，该治疗方案可能会干扰FOXO诱导的细胞凋亡和细胞周期的阻滞。但是，PI3K通路诱导的增殖信号不仅依赖于FOXO，还可以直接诱导多种细胞凋亡或诱导细胞周期因子发挥强大的抗凋亡和促增殖作用[47]。AS1842856是目前唯一可以阻止FOXO1易位至细胞核的靶向小分子抑制剂。AS1842856可阻断MYC诱导的乳腺癌拉帕替尼耐药[48]。除了小分子抑制剂外，研究者还研发出两种具有FOXO抑制功能的多肽。FOXO1模拟肽可以如内源性FOXO1一样与IQGAP1结合，抑制ERK在FOXO1易位时发生的反馈性激活，改善前列腺癌细胞对PI3K抑制剂和紫杉醇的疗效[16]。因此，抑制FOXO的活性并不会抵消PI3K抑制剂的治疗效果，且有助于预防耐药现象的发生。另一种FOXO4模拟肽能够阻止FOXO4与p53结合，诱导细胞凋亡，清除衰老细胞，但其在肿瘤中的作用尚不完全明确[49]。

4 小结与展望

FOXO转录因子是重要的肿瘤抑制因子。FOXO通过参与致癌信号传导、氧化应激及细胞代谢等细胞活动，调控多种肿瘤的发生、发展。FOXO主要受PI3K/AKT通路的负调控，而FOXO受突变或PI3K抑制剂的影响被激活时，活化的FOXO通过负反馈调节机制激活PI3K/AKT信号通路，诱导肿瘤的复发、转移及耐药，促进肿瘤的发生、发展，且高表达的FOXO与多种肿瘤的不良预后有关。此外，FOXO抑制剂与PI3K抑制剂联合或单独运用被证实可以有效预防肿瘤治疗耐药的发生。FOXO有望成为阻止肿瘤生长、抑制肿瘤治疗抵抗、改善患者预后的有效靶点，为肿瘤的治疗提供新的思路。