徐敏-低氧誘導因子1在缺氧性疾病中的作用研究

1、 低氧誘導因子1在缺氧性疾病中的作用研究徐敏，聶時南*江蘇 南京 南京軍區(qū)南京總醫(yī)院急救醫(yī)學科 南京大學醫(yī)學院附屬金陵醫(yī)院 210002通訊作者：聶時南，E-mail:shn_nie，南京市中山東路305號南京軍區(qū)南京總醫(yī)院急救醫(yī)學科，電話織細胞處于氧濃度正常的微環(huán)境中是其產生能量以發(fā)揮生理功能所必需的。然而，在疾?。ㄈ缂甭孕难芗膊?、肺部疾病及腫瘤等）中細胞微環(huán)境往往是缺氧狀態(tài)。人們對于哺乳動物氧調節(jié)的認識源于缺氧誘導促紅細胞生成素（Erythropoietin，EPO）的研究，從而發(fā)現(xiàn)調節(jié)細胞低氧反應的核心因子HIF-1。低氧誘導因子-1（hypoxia in

2、ducible factor-1，HIF-1）作為調節(jié)細胞氧穩(wěn)態(tài)的核轉錄因子，誘導一系列基因的表達，介導血管生成、紅細胞生長、血管內皮生長因子、促紅細胞生成素及大部分糖酵解的酶和葡萄糖轉運蛋白，為組織細胞提供充足的氧和營養(yǎng)以適應低氧反應。本文僅針對HIF-1在缺血性疾病、炎癥和腫瘤中的研究進展做一簡要綜述。1、HIF-1的結構概述HIF-1為異源二聚體的核轉錄因子，幾乎在所有細胞生物中表達1，由存在于細胞質中氧濃度敏感的亞基和存在于細胞核中構建性表達的亞基組成。亞基主要結構特征是氨基端存在一堿性螺旋環(huán)螺旋（bHLH）構型，其后有一保守的PAS結構域2，兩者均有結合DNA和促使亞基二聚化的功能；

3、羧基末端有氧依賴的降解區(qū)域(ODDD)和反式轉錄激活結構域(TAD)，前者可被脯氨酸羥化酶2 (PHD-2)羥基化，后者可調節(jié)HIF-1的轉錄活性。亞基羧基端轉錄激活域（CTAD)，可與CREB 結合蛋白 (CBP) 和p300兩轉錄共激活因子相互作用， 是發(fā)揮HIF-1轉錄活性所必需的。亞基是芳烴受體轉運蛋白（ARNT）的基因產物，非氧依賴的蛋白，在細胞核中結構性表達。2、HIF-1的調節(jié)2.1 低氧應答的機制細胞微環(huán)境氧濃度正常時，氧分壓敏感的PHD識別HIF-1中ODDD區(qū)Pro402或Pro 564并將其羥基化，為希佩爾-林道腫瘤抑制蛋白(pVHL)識別，之后形成功能性E3泛素-蛋白連

4、接酶復合物，進行泛素依賴的蛋白酶解。另一控制HIF-1活性的為氧濃度敏感的天冬酰胺?；u化酶FIH(factor inhibiting HIF)，羥基化HIF-1蛋白，阻斷其介導的調節(jié)因子轉錄及共激活因子p300與CBP的招募3，從而抑制HIF轉錄活性。然而在低氧濃度時，PHD/FIH介導的羥基化受阻，HIF-1蛋白穩(wěn)定、活化，累積后進入細胞核與HIF-1結合形成HIF-1復合物， 并招募共激活子p300/CBP結合到保守的A/GCGTG缺氧反應元件（HRE)，誘導靶基因的表達。PHD2和PHD3基因亦存在HRE, 可形成負反饋環(huán)。 2.2 非氧濃度依賴的調節(jié)組織細胞處于正常氧濃度時，亦存在許

5、多激活HIF-1的刺激因素，往往為蛋白質類物質，與缺氧刺激形成鮮明對比，作用于亞基的轉錄翻譯水平，如蛋白激酶C（PKC）增加HIF-1轉錄的效率。PKC信號通路能激活S6核糖體蛋白，磷酸化的S6蛋白可識別HIF-1mRNA，大大提升HIF-1mRNA翻譯效率，使其產生速率遠大于蛋白酶解速率，從而增加HIF-1復合物在細胞核的水平。亦有研究表明，磷脂酰肌醇3激酶(PI3K) -Akt-mTOR信號通路可磷酸化4E-BP1，調節(jié)HIF-1翻譯過程，增加其蛋白合成4。多種細胞因子可激活PI3K信號通路如胰島素樣生長因子1(IGF-1)、表皮生長因子（EGF）及脂多糖等，影響血管平滑肌細胞及核巨噬細胞

6、中HIF-1的激活5, 6。2.3 HIF-1的自身修飾HIF-1亞基自身直接的磷酸化作用增加HIF-1活性，其機制可能是通過阻斷蛋白酶體/VHL的識別。HIF-1自身磷酸化鮮少知道，僅體外實驗發(fā)現(xiàn)p42/p44有絲分裂原激活的蛋白激酶可磷酸化該蛋白7。3、HIF-1的主要生物學效應HIF-1與含有低氧反應元件和順式作用轉錄調節(jié)序列的靶基因結合，從而激活靶基因的轉錄，誘導多種細胞因子及酶的表達，以應對低氧環(huán)境。HIF-1可上調VEGF、FLT-1、ANGII等基因表達影響血管生成，VEGF是最有效及表皮特異性的血管生成調節(jié)因子，促進內皮細胞向缺氧區(qū)域遷移，形成新的血管，供應缺氧區(qū)域含氧量充足的

7、血液；誘導EPO刺激紅細胞再生以提高機體血液攜氧能力；iNOS、血紅素氧合酶(HO1)用于合成NO和CO，影響血管緊張度。HIF-1還可誘導Clutl、Glut3、LDH-A、醛縮酶、烯醇化酶、胰島素樣生長因子結合蛋白3(IGFBP3)等多種酶缺氧時促進糖酵解從而增加ATP產量1, 8。Krick et al. 9報道肺泡內皮細胞HIF-1過度表達導致凋亡增加；其還可影響凋亡前基因NiP3及抑癌因子P53。 4、HIF-1與缺氧性疾病4.1 HIF-1在缺血性疾病中的研究在心肌缺血的治療案例中，HIF-1的上調可刺激血管生成和血流增加，涉及血管生成的基因如VEGF, 基質金屬蛋白酶2 (MMP

8、2), 組織蛋白酶D (CATHD)和角蛋白(KRT)，均為HIF-1轉錄復合物的靶點。近期研究中，用缺乏ODDD結構域的HIF-1DNA注射給老鼠，明顯增加傷口或者缺血區(qū)域的血液供應，表明 HIF-1表達水平的增加有助于供給病灶缺血部分血液和營養(yǎng)物質10。在鼠心肌梗塞模型中，給予HIF-1混合物可誘導鼠心肌細胞結構穩(wěn)定，減少缺血損傷；該混合物包含的DNA結合域來源于HIF-1的二聚化域和HSV VP16蛋白的轉錄激活域 11；用siRNA 抑制PHD2亦可減少鼠心肌梗塞的面積，另外在保護心肌抵抗缺血再灌注損傷方面，PHD的小分子抑制劑很可能成為臨床有效的治療靶點12-14。因而，HIF-1的

9、在缺血性疾病中的研究有重要臨床價值，為不能實施手術的缺血病人帶來希望。4.2 HIF-1有助于炎癥反應和氧含量的恢復 Cramer等15證明HIF-1是髓系細胞新陳代謝所必需的。HIF-1蛋白在體內過表達誘導局部炎癥增加；選擇性基因敲除髓系細胞HIF-1基因，可減弱細胞聚集、遷移和殺菌應答的能力。骨髓細胞對于HIF-1的依賴與糖酵解相關，缺乏該基因細胞不能有效的產生ATP, 無法快速遷移到損傷組織或破壞外來入侵者15。除此，HIF-1的表達在骨髓細胞分化成單核細胞和巨噬細胞有著重要的作用16?？梢?，HIF-1在炎癥反應中有著重要的作用13, 17，為將來拓寬抗炎藥物研究領域提供理論依據。4.3

10、 HIF-1在腫瘤中的研究進展眾多研究發(fā)現(xiàn)HIF-1在食管癌、肺癌、卵巢癌等多種腫瘤細胞中過表達，并且在多種轉移瘤中亦有HIF-1表達量顯著增加，可見腫瘤的發(fā)生發(fā)展與HIF-1的表達密切相關。如前所述，HIF-1調控多種靶基因的轉錄，從而發(fā)揮其生物學效應。腫瘤組織中，隨著腫瘤細胞不斷生長，其體積變大，導致腫瘤中央血供不足而缺氧壞死，從而誘導HIF-1表達，調控血管生成相關因子的基因表達，促進血管生成18。腫瘤細胞缺血缺氧，誘導產生的HIF-1還可調控多種糖代謝和糖酵解相關的酶，為細胞的快速生長提供能量19。同時，研究表明，HIF-1在腫瘤侵襲轉移和腫瘤細胞凋亡中都發(fā)揮著重要作用。在腫瘤侵襲轉移

11、方面，HIF-1可誘導腫瘤細胞基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）的表達增加，促使胞外基質降解；還可導致上皮型鈣粘素（e-cadherin，E-cad）與鏈接素（-catenin，-cat）表達下降，使得細胞間和細胞與基質間粘附降低，腫瘤細胞得以轉移。研究報道HIF-1還可促進腫瘤細胞的凋亡，但其具體機制仍有待進一步研究。腫瘤細胞適應缺氧微環(huán)境機制的研究中還發(fā)現(xiàn)microRNAs與HIF-1存在相互作用，參與調節(jié)缺氧環(huán)境下腫瘤的生長20。Kulshreshtha等2007年首次報道，低氧可誘導miRNAs的表達，其啟動子區(qū)域包含低氧反應元件，簡稱HRM

12、s，如表達上調的miR-210、-155、-327/373和-10b 21，以及表達下調的miR-20b22、miR-200b23。 Kelly et al發(fā)現(xiàn)低氧誘導的miR-210可減少HIF-1羥基化增加其穩(wěn)定，抑制甘油3磷酸脫氫酶樣1 (GPD1L)；抑制E2F3和MNT（c-Myc拮抗劑）表達，加速G1/S轉換，促進細胞增殖24。miR-21則靶向PTEN和激活Akt 、ERK1/2 信號通路，上調HIF-1和VEGF，誘導腫瘤血管生成。因此，促進某些HRMs的表達或者通過抗轉錄療法抑制某些HRMs可成為應對腫瘤細胞抗藥性和抗放射性的策略及未來抗癌治療的靶點。近期發(fā)現(xiàn)HIF-1基因的

13、單核苷酸多態(tài)性在多種癌癥臨床病理特征的研究有助于腫瘤的診斷。人HIF-1基因定位在染色體14q21-24，其N-TAD基因存在兩種多態(tài)性，命名為C1772T和G1790A，它們分別導致蛋白脯氨酸轉變?yōu)榻z氨酸，丙氨酸轉變?yōu)樘K氨酸25。研究表明這些變異的存在使HIF-1相比于野生型具有更高的轉錄活性。近期一篇Meta分析26結果表明HIF-1基因C1772T多態(tài)性和癌癥的組織學分級和淋巴結轉移的增加性風險相關；G1790A多態(tài)性與較大的腫瘤大小的增加性風險和邊界淋巴結轉移的風險相關。因而，HIF-1多態(tài)性可能為癌癥潛在的診斷因素。結語隨著在HIF-1研究的不斷深入，從HIF-1mRNA轉錄，蛋白翻譯、亞基二聚化、DNA結合活性、HIF-1轉錄活性方面功能予以干預，使得探究治療缺氧性疾病的新途徑逐漸成為可能。盡管在動物缺血模型和人類臨床試