FOXO3基因與腫瘤的研究進展

張庚艷 綜述 陳余清 審校

·綜 述·

FOXO3基因與腫瘤的研究進展

張庚艷 綜述 陳余清 審校

近年來，腫瘤的發病呈增加趨勢，腫瘤的發生、發展是一個復雜的過程，其發病機制尚未研究清楚，叉頭盒狀O轉錄因子(Forkhead box O transcription factors，FOXO)家族在調節細胞增殖、細胞周期和新陳代謝等過程中發揮重要作用，FOXO3基因是其家族的一員，FOXO3的低表達及缺失與多種腫瘤的發生、發展密切相關，FOXO3基因的這一功能與其參與多種信號轉導通路有關，本文就FOXO3基因與各種系統腫瘤的研究現狀、相關信號傳導通路以及腫瘤未來可能的治療方向、前景進行綜述。

一、FOXO3基因的結構與功能

在人類基因組中，叉頭盒狀O轉錄因子(Forkhead box O transcription factors)家族有4個成員，分別是FOXO1(FOXO1A)，FOXO2 (FOXO6)，FOXO3 (FOXO3A)以及 FOXO4 ，其共同的結構特征是有一個叉狀的DNA結合結構域，FOXO轉錄因子家族可以誘發細胞周期停滯、細胞凋亡以及抵抗各種與癌癥有關的生理病理應激反應，例如DNA損傷和氧化應激反應等。FOXO3是叉頭盒狀O轉錄因子家族的一員，其分子量約為82-97KD，人類FOXO3基因位于六號染色體的長臂2區1帶，一系列與FOXO3有關的基因已被證實可誘導細胞凋亡。多篇文獻研究證實FOXO3基因與人類長壽有關，這一現象已經在漢族人、日本人、德國人以及意大利人群中得到證實[1-4]。FOXO3基因的這一抑癌效應在不同來源的腫瘤中都被證實。研究發現，在人類肺腺癌細胞中，FOXO3在基因水平、mRNA水平以及蛋白水平的降低是一致的。在對小鼠肺腺癌的研究中發現，FOXO3基因是缺失的。在這些研究中發現，FOXO3基因抑癌效應的發揮與其受到相關基因作用后的核質轉位現象有關[5-9]。FOXO3的抑癌效應體現在多個方面，例如，FOXO3的表達強度與癌癥患者的腫瘤分化程度、臨床TNM分期、淋巴結轉移及患者生存期有關。有研究統計學數據表明FOXO3表達陽性組患者中位生存期為72個月，較FOXO3陰性組16.5個月的中位生存期明顯延長[10-12]。

二、FOXO3 基因與腫瘤

在我國男性人群中，腫瘤已經成為危害生命的第一大殺手，在我國女性死亡原因中惡性腫瘤也位居第三位[13]。研究發現FOXO3可以調節與細胞周期停滯、細胞凋亡等相關病理過程有關的基因，進一步參與這些細胞活動，所以FOXO3基因的調節與多種腫瘤的發生及進展有關。香煙煙霧里的致癌物質引起的細胞DNA的損害是導致肺癌的主要原因，在致癌物質引起的肺腺癌中，我們發現FOXO3基因通常是失活的，所以導致此過程的關鍵原因可能是香煙煙霧抑制了FOXO3的轉錄活性。除此之外，FOXO3還可以引發促凋亡轉錄程序，當細胞暴露于人類肺癌致癌物質尼古丁衍生物硝基胺基酮(NNK)時，還可以引發細胞的應激反應。FOXO3對于NNK誘導的DNA損傷所引起的肺腺癌的增殖過程，起到一個重要抑制作用。有研究發現，實驗中煙霧暴露組與空氣暴露組比較，磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)/ Akt的表達也顯著降低，PI3K/ Akt通路受到抑制與煙草相關致癌物質引起的肺癌的發生機制息息相關[11,14-17]。在對消化道腫瘤的研究中發現，表皮生長因子引起的結腸癌細胞的增殖與結腸癌進展，也是由FOXO3轉錄因子活性抑制所調節的。在結腸癌細胞中，表皮生長因子可以誘導FOXO3與突變型的腫瘤抑制基因p53解離，而FOXO3-p53(突變型)復合物的解離可以導致 p27kip1的表達的降低，進而促進細胞增殖及腫瘤的發生。有研究結果顯示FOXO3基因的敲除可以增加尿路上皮細胞的遷移和侵襲。在黑色素瘤，非小細胞肺癌，白血病，胃腸道腫瘤以及前列腺癌等多種惡性腫瘤中，PLK1(Polo-like Kinase 1)原癌基因呈現過度表達狀態，PLK1屬于Polo樣激酶家族，屬于絲氨酸/蘇氨酸激酶，而PLK1基因可以與FOXO3結合、發揮對FOXO3的負性調節作用，FOXO3基因活性受到抑制，導致細胞凋亡減少、細胞增殖、細胞侵襲以及腫瘤的發生[18-20]。

三、FOXO3 基因上游與腫瘤相關的轉導通路

1. IKBKE通路

IKBKE是IκB激酶家族的一員，參與多種腫瘤的發生和發展。在對原發性肺癌及乳腺癌的研究中發現，IKBKE對FOXO3的負性調節是促進細胞生長及腫瘤發生的主要機制。IKBKE的表達會導致FOXO3從細胞核轉位到細胞質，實現這一現象主要是通過在絲氨酸644位點(Ser644)上磷酸化FOXO3，磷酸化的FOXO3失去轉錄活性，進而導致FOXO3蛋白表達降低。此為IKBKE以直接的方式磷酸化FOXO3，另外IKBKE 也可以以間接的方式磷酸化FOXO3基因，間接磷酸化FOXO3基因主要是通過激活AKT實現的，通過AKT磷酸化FOXO3的具體方式將在下文AKT通路中講述[6,21-23]。

2. AKT通路

蛋白激酶B(AKT)可以通過磷酸化FOXO3促進細胞增殖[24-25]。AKT可以導致FOXO3轉錄因子在Thr32，Ser253,以及Ser315三個位點上磷酸化，而FOXO3的磷酸化可以使其自身保留在細胞質，轉錄活性受到抑制，FOXO3轉錄因子在mRNA及蛋白質水平降低[6,26]。AKT主要是通過兩種機制實現對FOXO3的這種負性調控。首先，Wang[27]等人發現在人肺腺癌細胞中，C-Jun氨基末端蛋白激酶(JNK)受到相關刺激后在蘇氨酸183位點及酪氨酸185位(Thr183/Tyr185)上磷酸化，從而被激活，激活的JNK會使AKT在蘇氨酸308位點(Thr308)上磷酸化，磷酸化的AKT活性受到抑制，導致去磷酸化的FOXO3水平上升，FOXO3回到細胞核。還有研究結果顯示FOXO3基因是PI3K-AKT通路下游的一個靶基因，磷脂酰肌醇-3激酶(PI3K)可以增強AKT的活性，進而抑制FOXO3的轉錄及翻譯[16,26,28]。Barbara等研究結果顯示非小細胞肺癌中Ⅰ型類胰島素生長因子受體(IGF1)可以使AKT在Ser473位點上磷酸化，進一步導致FOXO3的核質轉位[29]。

3. ERK通路

細胞外信號調節激酶(ERK)的抑制可以使FOXO3磷酸化的水平降低，促進FOXO3核移位。當JNK磷酸化后，其活性較去磷酸化狀態的JNK明顯增加，可以進一步導致ERK在Thr202/Tyr204位點上磷酸化，磷酸化的ERK活性被抑制，從而引發FOXO3核移位[4]。ERK蛋白被MDM2介導的泛素-蛋白酶體途徑降解，ERK蛋白降解導致FOXO3磷酸化的水平降低[22,30]。

4. 去乙酰化信號通路

研究表明，去乙酰化酶可以引起非小細胞肺癌細胞周期停滯，達到抑制癌細胞的增殖、誘導其凋亡的目的[31]。SIRT5是一種煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)依賴的蛋白去乙酰化酶，煙草凝集物可以誘導SIRT5在K271和K290位點上將FOXO3去乙酰化，乙酰化的FOXO3可以促使自身核質轉移，抑制細胞凋亡[32-33]。

5. microRNA信號通路

Li等發現microRNA-96在非小細胞肺癌組織中的表達高于正常組織，而且這種表達的增加與肺癌淋巴結轉移呈顯著相關性。研究表明miR-96水平的下調抑制著肺癌細胞的侵襲和增殖。FOXO3是miR-96的直接作用靶點，miR-96可以通過與FOXO3的3’ 非編碼區直接結合而發揮對FOXO3的負調控作用[34]。關于microRNA與FOXO3調控通路，有研究顯示轉錄因子特異性蛋白1(Sp1)的過度表達可以促進腫瘤細胞的增殖，但卻可以抑制轉移，在此過程中，FOXO3的轉錄活性增加，但其蛋白水平卻隨著Sp1的表達而下降。在肺癌的早期階段，Sp1促進miR-182的表達，反過來抑制FOXO3的表達，這一過程促進細胞增殖和生長；在肺癌的晚期階段，Sp1和miR-182水平下降，FOXO3的表達增加，抑制肺癌的轉移[35]。

6.P53信號通路

FOXO3基因是腫瘤抑制基因p53的直接靶點，p53基因激活FOXO3是通過與FOXO3基因的第二個內含子上的一個位點結合來實現的。在對小鼠的成纖維細胞研究發現，p53基因可以直接上調FOXO3的轉錄活性，使得FOXO3基因mRNA的表達增加。在淋巴細胞的DNA受到損傷時，會引起p53上調FOXO3基因mRNA的水平。研究結果表明，p53和FOXO3這兩個基因在人類長壽及腫瘤抑制方面發揮重要作用[20,36]。

四、FOXO3下游與腫瘤相關的靶基因

1. RRM2B位點

RRM2B被認為是P53誘導的核苷酸還原酶亞基，它參與多種至關重要的細胞活動機制，例如細胞周期的調節、DNA的修復和復制等。FOXO3是RRM2B的調節器，FOXO3可以與RRM2B的啟動子結合，激活RRM2B的轉錄，使得RRM2B在RNA及蛋白質水平上表達。在對于肺癌細胞系H1299的研究中發現FOXO3基因被敲除后，RRM2B的表達水平明顯下降。通過對肺癌組織的分析發現，肺癌患者生存率的延長、復發率及轉移率的降低與FOXO3增加RRM2B的表達有很強的相關性[37]。

2.Bim位點

Bim基因是一種抑癌基因，可以誘導細胞凋亡。FOXO3轉錄因子的表達誘導Bim 基因表達增強，主要體現在兩個方面。首先是增強Bim基因轉錄的mRNA增多，其次是可以增加翻譯后的蛋白質的穩定性[26]。

3. DNMT3B位點

DNA甲基化轉移酶3B(DNMT3B)有助于DNA 的從頭甲基化，其過度表達可以促進腫瘤的發生。FOXO3可以負調控DNMT3B啟動子活性，FOXO3通過與DNMT3B特定位點結合，使DNMT3B的啟動子的染色質呈凝結狀態，從而抑制DNMT3B基因的過度表達[38]。

4. nm23-H1位點

nm23-H1是一種腫瘤轉移抑制基因，這在大多數腫瘤模型中都已經被證實，例如前列腺癌[39]、宮頸癌[40]、白血病[41]等。有研究發現在非小細胞肺癌中，轉錄因子FOXO3負調控nm23-H1的表達。nm23-H1表達的減少或者缺失與腫瘤的進展和轉移有關[42]。FOXO3基因做為nm23-H1基因的上游調控位點有可能為抑制腫瘤轉移過程提供新的治療靶點。

五、結語與展望

FOXO3轉錄因子可以通過多種信號傳導通路促進腫瘤細胞的凋亡、抑制其增殖，所以我們也將FOXO3基因稱為“腫瘤抑制器”。由于FOXO3基因與腫瘤發生發展的關系使其日益成為人們關注的熱點，隨著對FOXO3相關信號轉導通路及其下游靶點研究的深入，對于FOXO3基因的再激活，以及對于FOXO3上游通路及下游靶基因的干預，將為臨床腫瘤治療方案尋找新的突破點，在不久的將來，與之有關的藥物及其他相關治療方案的問世，腫瘤患者預后的改善及其生存期的延長將指日可待。

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10.3969/j.issn.1009-6663.2017.05.040

蚌埠醫學院研究生科研創新計劃項目(No Byycx1505)

233000 安徽 蚌埠，蚌埠醫學院第一附屬醫院呼吸與危重癥科

陳余清，E-mail:bbmccyq@126.com

2016-09-26]