FOXO1在肿瘤中的自噬调节作用及其研究进展

刘维华，谭 娜，郑 洪

自噬或巨自噬是真核生物中进化保守的分解代谢过程，也是对感染、中毒、缺氧和营养状态改变等细胞应激作出反应的重要适应机制，其在调节能量平衡、肿瘤转移、免疫逃避和治疗抵抗等方面发挥重要作用[1]。叉头框O1(forkhead box O1, FOXO1)是FOX家族O亚族FOXOs中的重要一员，其在细胞周期阻滞、凋亡、衰老、分化等方面都具有重要的调控功能[2]。近来研究表明，FOXO1在肿瘤的自噬调节中发挥关键作用，对其调节机制的深入研究有望为肿瘤治疗提供新的靶点和治疗方案[1-3]。该文就FOXO1的结构与功能、自噬的调节功能、FOXO1与自噬调节的关系、FOXO1-自噬调控在肿瘤中的作用与机制及其在肿瘤治疗和预后方面的作用进行综述。

1 FOXO1的结构与功能

FOXO1基因位于人染色体13q14上，编码655个氨基酸，几乎在所有器官和组织中均表达。FOXO1最初是在肺泡横纹肌肉瘤中作为配对盒基因3(pair box gene 3, PAX3)或PAX7 DNA结合区域的融合蛋白被发现的，这初步表明FOXO1与肿瘤进展相关[3]。磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol-3-hydroxykinase/protein kinase B, PI3K/AKT)信号通路作为FOXO1的上游信号通路，通常由于RAS、张力蛋白(phosphatase and tensin homolog, PTEN)或PI3K的突变而在多种人类肿瘤中过度激活，而PI3K/AKT信号通路的激活可抑制FOXO1的转录活性[3]。并且，FOXO1作为FOXO家族的一员，因其在细胞周期阻滞、凋亡、衰老、分化、DNA损伤修复和活性氧清除等方面的重要功能，被认为是一种肿瘤抑制因子[2]。上述研究均表明FOXO1具有肿瘤抑制功能。另外，Zhao等[4]首次将FOXO1的抗肿瘤作用与自噬联系起来。近来的研究也表明，FOXO1在肿瘤的自噬调节中发挥关键作用，但其机制未明，仍需要大量研究[5-7]。

2 自噬的调节功能

近来许多肿瘤抑制因子和癌基因产物被证明参与自噬调节。自噬过程可大致可分为：起始、囊泡成核、囊泡伸长和成熟、囊泡融合、底物降解五个阶段[8]。ULK1(ATG1)、Beclin 1(ATG6/Vps30/BECN1)、LC3(ATG8)和p62(sequestosome 1， SQSTM1)等多种自噬相关基因(autophagy-related gene, ATG)参与自噬过程的调控。其中，ULK1、Beclin 1主要参与调控自噬的起始；LC3Ⅰ与磷脂乙醇胺(phospholipidanolamine, PE)结合形成LC3-PE复合物(LC3Ⅱ)，促进自噬体膜的扩张[3,8]；p62作为LC3Ⅱ的配体，在膜内与选择性底物结合并随同底物被自噬降解[3,8]。目前，通过Western blot检测Beclin 1、LC3Ⅰ、LC3Ⅱ和p62等自噬相关蛋白的表达水平，并比较LC3Ⅱ/Ⅰ大小是反映细胞自噬活性的常用方法，联合电镜观察、免疫荧光法检测LC3及使用溶酶体-蛋白酶抑制剂等可更准确地判断自噬受到的具体影响[5-6,10]。

自噬在肿瘤中是一把双刃剑，既可以杀灭肿瘤细胞，又可以作为一种保护机制利于细胞存活[3,9]。一些研究表明，自噬调节可抑制肿瘤进展。例如，Wang等[10]通过qRT-PCR和Western blot法等研究发现，长链非编码RNA(long noncoding RNA, lncRNA)生长阻滞特异性5(growth arrest-specific 5, GAS5)在喉鳞状细胞癌细胞中的表达水平降低，过表达GAS5可通过GAS5/miR-26a/ULK2轴，增强LC3Ⅱ和Beclin 1、降低p62等自噬相关蛋白的表达水平，激活自噬，从而抑制癌细胞的存活并诱导其凋亡。纪晓坤等[11]研究显示，在卵巢癌SKOV3细胞中提高Beclin 1表达可诱导自噬并提高HLAⅠ、Ⅱ的表达，从而抑制卵巢癌细胞增殖。阮萍等[12]研究显示，TFEB可能通过下调Beclin 1表达，抑制胆管癌的自噬，并导致胆管癌的发生、发展及不良预后,同样表明自噬具有抑癌作用。然而，另有研究表明自噬可促进肿瘤进展。例如，与正常妊娠相比，妊娠肿瘤患者中的胎盘特异性8(placenta specificity 8, PLAC8)蛋白表达量增加。PLAC8可诱导自噬的异常激活，导致对依托泊苷(VP-16)的化疗耐药，促进滋养层细胞的异常增殖，促进妊娠肿瘤进展[13]。沙眼衣原体感染可通过p62诱导HeLa细胞自噬，促进子宫颈癌的发展[14]。在肝细胞癌(hepatocellular carcinoma, HCC)中，肿瘤抑制因子蛋白激酶C(protein kinase C, PKC)λ/ι的表达水平与HCC组织学分级呈负相关，PKCλ/ι缺失可通过诱导自噬、氧化磷酸化和核因子红系相关因子2(nuclear factor erythroid related factor 2, NRF2)的表达促进HCC发展[15]。

3 FOXO1与自噬调节的关系

FOXO1蛋白主要位于细胞核内，也可通过核质穿梭易位于胞质。目前的研究表明，胞核FOXO1通过促进ATG的转录参与自噬调控，而胞质FOXO1则可通过与胞质自噬相关蛋白(如ATG7)直接相互作用调节自噬，该过程与FOXO1的转录调控作用无关[1,3-4]。有研究表明，饥饿诱导的大鼠新生心肌细胞体积减小与FOXO1上调自噬相关基因LC3、Gabarapl1和ATG12的表达，激活自噬有关[16]。异维A酸(13-cis-retinoic acid)可有效治疗寻常痤疮其作用机制与FOXO1诱导人皮脂细胞自噬激活，增加LC3Ⅱ/Ⅰ的比例，提高ULK1和ATG5的蛋白表达水平有关[17]。NAD+依赖的去乙酰化酶沉默信息调节因子1(silent information regulator 1, SIRT1)可介导饥饿小鼠心肌细胞中FOXO1的去乙酰化，并上调GTP结合蛋白Rab7的表达，进而增加自噬体-溶酶体的融合，促进自噬[3]。中药成分YPHL也可通过SIRT1-FOXO1信号通路来提高骨骼肌的自噬水平，减轻胰岛素抵抗[18]。PI3K/AKT信号通路下游激活的哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)可通过抑制ULK1直接抑制自噬，是自噬途径的关键负调节分子[3]。FOXO1可通过诱导Sestrin3(SESN3)和Rictor的表达，抑制mTOR1表达，增强自噬[3]。据报道，FOXO1还可通过表观遗传机制来调控自噬，表观遗传机制反映了环境因素和基因相互作用所发生的改变，增加了自噬作为对外部刺激作出适应性反应过程概念的理解[1]。这些调节途径对代谢稳态和抗癌治疗都具有重要意义。

4 FOXO1-自噬调节在肿瘤中的作用与机制

FOXO1-自噬调节在肿瘤的多种生物学过程中发挥关键作用，但也显示出具有双刃剑作用。一些研究表明，FOXO1-自噬调节具有肿瘤抑制作用。在细胞应激反应中，胞质乙酰化的FOXO1与ATG7蛋白可直接相互作用，诱导人结肠癌细胞自噬，增加细胞凋亡[4]。Xiao等[5]研究显示，植物成分异硫氰酸苄酯(benzyl isothiocyanate, BITC)可抑制乳腺癌细胞增殖，诱导细胞死亡，该机制与BITC促进FOXO1乙酰化，乙酰化FOXO1与ATG7蛋白相互作用增强，激活自噬有关。钟桂兰等[19]研究发现，植物成分紫檀芪(pterostilbene, PTE)可通过激活SIRT1-FOXO通路诱导人子宫颈癌HeLa细胞自噬，抑制细胞增殖并促进细胞凋亡。Ciccarone等[20]研究显示，三羧酸循环的关键酶顺乌头酸酶2(Aconitase 2, ACO2)可通过促进线粒体氧化代谢和ROS/FOXO1介导的自噬，抑制乳腺癌MCF-7细胞增殖，同样表明FOXO1-自噬调节具有肿瘤抑制作用。

然而，另有研究表明FOXO1-自噬调节具有肿瘤促进作用。母系表达基因3(maternally expressed gene 3, MEG3)是第一个被发现的具有肿瘤抑制功能的lncRNA，Ye等[21]研究显示，在神经母细胞瘤(neuroblastoma, NB)细胞中，过表达MEG3可通过抑制FOXO1抑制自噬，抑制细胞的增殖、迁移和侵袭，表明在NB中MEG3的下调可能通过FOXO1介导的自噬促进NB的发生发展。He等[6]对胆管癌QBC939细胞的体外研究表明，FOXO1的乙酰化及其与ATG7的相互作用与QBC939细胞中血清饥饿诱导的自噬有关。FOXO1 siRNA或白藜芦醇处理诱导的自噬障碍导致QBC939细胞的细胞活力下降和凋亡增加，间接表明FOXO1介导的自噬在胆管癌中具有促癌作用。Tian等[22]的研究显示，miR-138-5p在缺氧诱导的胰腺癌细胞中表达明显降低。过表达miR-138-5p可通过抑制SIRT1/FOXO1/Rab7途径诱导的自噬，诱导肿瘤细胞凋亡性死亡，同样表明FOXO1调控的自噬在肿瘤中具有促癌作用。

上述研究表明，FOXO1-自噬调节在肿瘤中具有双刃剑作用的调控机制可能与肿瘤类型、进展阶段和生存环境等相关。

5 FOXO1-自噬调节与肿瘤治疗及预后的关系

5.1 FOXO1-自噬调节与肿瘤治疗相关目前的研究表明，在癌前病变中诱导细胞保护性自噬可以防止肿瘤进展，但在晚期肿瘤中，抑制自噬则被用作阻止癌细胞生长的一种治疗策略[3]。一些研究表明，诱导FOXO1-自噬调节可治疗肿瘤。有学者在结肠癌的研究中表明，敲低细胞核转录因子X盒结合蛋白(X-box binding protein 1, XBP1)，可增加FOXO1蛋白表达，增加自噬通量，降低细胞活力[3,23]。而细胞外信号调节激酶(extracellular signal regulated kinase, ERK)可增强XBP1与FOXO1的相互作用，促进FOXO1降解。因此，抑制ERK可通过抑制XBP1、上调FOXO1表达激活自噬，抑制肿瘤进展。自然杀伤(natural killer, NK)细胞是固有免疫的重要组成部分，研究表明，NK细胞发育和NK细胞诱导的固有免疫均需要FOXO1-自噬调节。通过上调FOXO1转录活性激活自噬，有望增强利用NK细胞抗癌免疫疗法的功效[3,24]。有学者在人乳腺癌细胞中的研究显示，植物成分BITC可促进FOXO1乙酰化激活自噬，抑制乳腺癌细胞的生长，同样利用了FOXO1-自噬调节的抑癌作用[3,5]。

然而，另有研究表明抑制FOXO1-自噬调节可治疗肿瘤。植物天然非黄酮类多酚化合物白藜芦醇可抑制人胆管癌QBC939细胞的FOXO1乙酰化，抑制自噬，并导致氧化应激和线粒体功能障碍，增加细胞凋亡，这表明FOXO1诱导的自噬在胆管癌中具有重要作用，抑制FOXO1有望为人胆管癌的治疗提供新方案[6]。Zhang等[25]在肝癌和结肠癌细胞中的研究发现，化疗药物组蛋白脱乙酰基酶抑制剂(HDACIs)可通过激活FOXO1及SESN3抑制mTOR的表达，从而激活自噬诱导耐药的产生，联合自噬抑制剂抑制自噬则可抑制耐药增强HDACIs的化疗效果，表明HDACIs和自噬抑制剂的联合有望成为实体肿瘤更有效的治疗策略。Xiao等[26]研究结果也显示，在肝细胞癌中，HDACIs可触发FOXO1依赖性自噬治疗肿瘤，同时可诱导肿瘤细胞的耐药，促进上皮-间质转化，促进癌细胞转移，并表明HDACIs和FOXO1抑制剂AS1842856联合可更有效地治疗HCC，这与上述Zhang等的研究结果相似，并更进一步突出FOXO1对自噬的诱导作用。

5.2 FOXO1-自噬调节与肿瘤预后相关近期FOXO1的ATG表达特征也被发现与肿瘤的预后相关，有望为肿瘤的分子靶向治疗提供帮助[7,27-29]。有学者通过HG-U133A基因芯片检测对比20对结直肠腺癌标本及边缘正常组织标本发现，FOXO1和BCL-2相互作用蛋白1(BCL-2 interacting protein 1, BNIP1)是与结直肠腺癌临床分期Ⅰ期最显著相关的2个差异表达基因，有望成为结直肠腺癌临床Ⅰ期的预后标志物[7]。Zhu等[27]为多发性骨髓瘤(multiple myeloma, MM)建立了一个关于ATGs的预后风险评估模型，通过单因素和多因素Cox回归分析筛选出FOXO1等与MM的无病生存期(disease free survival, DFS)和总生存期(overall survival, OS)等显著相关。Hu等[28]利用TCGA数据库中ATGs表达谱为前列腺癌(prostate cancer, PCa)患者的OS和DFS建立了一个预后模型，通过多因素Cox回归分析表明FOXO1是与PCa的DFS显著相关的ATG，Kaplan-Meier生存分析表明FOXO1高表达患者的预后更好。Wang等[29]为低级别胶质瘤(low grade glioma, LGG)建立了包括FOXO1等在内的ATG预后风险评估模型，为进一步开发LGG的治疗靶点提供了潜在的生物标志物。

6 小结与展望

综上所述，FOXO1是重要的自噬诱导因子。根据肿瘤进展阶段及所处环境条件的不同，FOXO1-自噬调节在肿瘤中发挥着不同的作用，可促进或抑制肿瘤进展。在一些肿瘤的ATG预后模型中，FOXO1被筛选为重要的预后标志物。因此，进一步研究FOXO1-自噬调节在肿瘤生物学中的确切作用机制，确定FOXO1促进或抑制肿瘤进展的环境条件，有望为肿瘤治疗提供新方案。