HIF SUMO化在高原低氧適應中的作用

[摘要] 低氧誘導因子-1是參與調節機體氧平衡的重要核轉錄因子。作為一種蛋白質，它的主要亞基HIF-1α受到多種翻譯后的化學修飾，如泛素化、類泛素化等的影響，從而使其蛋白的穩定性、入核以及對下游基因的促轉錄活性受到調節。因此，研究HIF-1α翻譯后的修飾，不僅有助于理解類似轉錄因子自身的調控，更能對HIF-1作為一個高原病的治療靶標提供思路。

[關鍵詞] SUMO修飾；高原低氧；HIF-1

[中圖分類號] R34 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-0616（2012）21-50-03

Action of HIF SUMO in altitude hypoxia adaptation

MA Xiaopu HOU Lijuan ZHANG Shilong WANG Xinzhao LI Wenhua

Medical School， Tibet Institute of Nationalities， Xianyang 712082，China

[Abstract] Hypoxia-inducible factor-1 is a nuclear transcription factor involved in regulating the body's oxygen balance. As a protein， and its major subunits HIF-1α by a wide variety of post-translational chemical modifications， such as ubiquitination， class， ubiquitination， etc.， making it the stability of the protein， into the nucleus as well as on the downstream genes promoting transcriptional activity is regulated. Therefore， the study of post-translational modifications of HIF-1α， not only help to understand similar regulation of the transcription factor， thinking more of HIF-1 as a treatment of altitude sickness target.

[Key words] SUMO modification；Altitude hypoxia；HIF-1

高原地區海拔3 000米以上的地區為低氣壓、低氧分壓，易導致機體缺氧。從細胞和分子水平上來看，機體對缺氧的適應性反應是由氧感受器感受氧分壓的下降開始，通過一系列的信號轉導，最終激發相應低氧誘導適應性基因的表達，用以維持組織氧供并增強細胞在缺氧情況下的生存能力。其中，低氧誘導因子-1是這些基因表達的主要調控者[1]。小泛素類蛋白（small ubiquitin-related modifier，SUMO）能共價修飾該種蛋白質，并調節其功能和定位[2]。HIF SUMO化在高原低氧適應中作用報道不多，筆者在這方面進行了總結。

1 低氧誘導因子1（hypoxia inducible factor 1，HIF-1）

HIF-1是20世紀90年代初，在研究低氧誘導的促紅細胞生成素（erythropoietin，EPO）基因表達時，從細胞核提取物中發現的，是一種關鍵的平衡氧穩態和調節缺氧反應的轉錄因子[3]。在細胞低氧應答反應中起核心作用，其中PHD-VHL-HIF 軸有細胞氧平衡中心調控者的作用[4-5]。

2 SUMO（small ubiquitin-related modifier）

蛋白質修飾在細胞行為和個體生理活動中起著極其重要的作用，相關研究是近年來生物醫學研究的熱點之一。泛素化修飾是最廣泛的蛋白翻譯后修飾之一，參與了包括蛋白轉運、降解、細胞信號調控等諸多細胞生物學過程。細胞內蛋白質泛素化系統的調控和作用機制極為復雜，泛素連接酶底物的鑒定更是研究的關鍵點和瓶頸。泛素化與其他翻譯后修飾間的相互調控也已成為當前生命科學的研究熱點[6]。通過對SUMO蛋白3種亞型的研究，發現SUMO-1在哺乳動物的缺氧應激反應中有著重要的作用。本課題將重點圍繞SUMO-1缺氧應激反應的機制來研究SUMO與高原低氧和HIF-1的關系。

3 SUMO化與高原低氧

SUMO是一類結構與泛素類似的小分子蛋白，底物分子與SUMO共價結合的過程叫做SUMO化（SUMOylation）。SUMO與泛素在氨基酸序列上雖然只有18%相同，但在二級結構上有驚人的相似。因此SUMO化與泛素化途徑基本相似，不同的是，SUMO化本身是一個動態可逆的過程，它并不促使蛋白質降解，反而是加強蛋白質的穩定或調節蛋白在細胞內的定位和分布，以及影響蛋白質的轉錄活性[7]。

通過SUMO-1在細胞核內定位等方法，已有實驗結果表明，低氧能夠上調SUMO?1的表達[8]。而細胞對高原缺氧應激的直接反應之一是在細胞內積聚低氧誘導因子-1，由此猜想SUMO蛋白對HIF?1的表達具有調控作用。那么SUMO對HIF-1有怎樣的調控作用，又是怎樣發揮作用的呢？

4 SUMO化調控HIF?1穩定性及機制

目前發現，SUMO化可通過競爭性抑制泛素化通路，提高多種核內蛋白質的穩定性。HIF?1發生SUMO化的靶點在HIF-1α亞基的氧依賴降解區域（oxygen-dependent degradation domain，ODDD）的Lys391，Lys477，Lys532上。同時ODDD也是乙?；土u基化作用的靶點，經乙?；土u基化修飾后的HIF?1可被pVHL識別并經泛素?蛋白酶體途徑完成降解[9]。兩者的結果完全相反，HIF SUMO化增加了HIF-1α的穩定性，HIF泛素化降低了HIF-1α的穩定性。此外，在低氧狀態下，高水平的SUMO可以明顯抑制一種泛素化降解通路E3酶MDM2的降解，提高其穩定性。這一作用可能與p53有關[10]。另外，SUMO化能夠抑制泛素化酶E2-25K的活性，也可能與抑制HIF-1通過泛素--蛋白酶體途徑降解有關。Shao等研究表明在低氧狀態下SUMO化HIF?1可以提高其穩定性[11]。低氧環境下，一種叫做RSUME（RWD-containing sumoylation enhancer）的蛋白表達應激性增高，可促進SUMO的表達以及HIF?1的SUMO化。通過免疫共沉淀等方法證實，接受低氧刺激的小鼠體內SUNO?1和HIF-1蛋白的表達水平急劇增加，它們共同定居于核內，SUMO?1能使HIF-1α發生SUMO化，進而增加HIF-1α的穩定性及在核內表達，導致HIF-1轉錄活性增強[12]。

5 SUMO對HIF轉錄活性的影響

薛慶於等[8]利用篩選和建立的穩定表達SUMO?1細胞系，通過低氧培養，證明了在低氧應激過程SUMO-1可以穩定或者上調HIF-1α。即應用一系列不同缺失突變體的VEGF?Luc報告質粒分別轉染HEK293細胞、得到穩定表達GFP和GFP-SUMO-1的HEK293細胞，并進行低氧和常氧培養。在低氧應激培養條件下，SUMO-1可以明顯上調HIF?1的轉錄活性，而且這種轉錄上調的機制是通過促進HIF-1與低氧反應元件（hypoxia response element，HRE）的結合產物。相反，在去SUMO化酶SENP1缺陷的 MEF細胞，低氧處理幾乎不積累HIF-1α[13]。

通過研究催化SUMO修飾的酶來研究SUMO與HIF-1的內在關系， SUMO化是一個動態的過程，即由SUMO修飾所特異的E1，E2和E3酶來催化，可逆反應則由一組被稱為SENP的SUMO特異性蛋白酶來完成[14-16]。至今已鑒定了6個存在于人體細胞中的SENP家族成員，每一個成員具有不同的細胞內定位和底物特異性[17]。雖然對其生化特性進行了大量研究，但SENP在參與的細胞生命活動過程中的作用并未十分了解。早前，有研究認為SUMO與大量底物（或者酶作用物）的結合可調節從酵母到哺乳動物的眾多細胞反應過程。大多數SUMO靶位點在細胞核中，包括轉錄因子、轉錄調節因子和染色體重構因子，這些蛋白質經SUMO化修飾可以改變其在細胞的定位和生物學活性[18]。田華等[19]研究顯示，在大鼠肺動脈中度缺氧暴露后的SUMO化HIF-1α，通過VEGF的HIF-1α靶基因的轉錄，改善缺氧引起的肺動脈高壓。SUMO化調節HIF1α活性有利于創傷愈合中血管新生。

6 展望

低氧可以上調SUMO-1的表達，SUMO-1并不引起靶蛋白降解，而是通過翻譯后修飾，保護蛋白免受泛素化降解、影響細胞內的定位和蛋白與蛋白之間的相互作用。由SUMO-1介導的HIF-1α的翻譯后修飾，可以調控HIF-1α的穩定性，并參與細胞內信號通路的調節[20]。但這種增強通過何種機制實現，有待進一步研究。盡管關于SUMO化修飾對HIF?1α穩定性和轉錄活性的影響結果仍存在爭議[21]，可以肯定的是：SUMO化可使HIF?1的轉錄活性發生改變。我國西藏高原地區，低氣壓、低氧分壓，易引起人體缺氧，導致高原病發生。在高原適應者機體會出現無氧代謝能力增強、毛細血管數量和密度增加等一系列與低氧誘導因子激活有關的適應性改變。由于HIF-1生成減少或降解增加是許多高原病的產生的原因，在高原低氧適應中的作用巨大，深入研究SUMO與高原低氧和HIF的關系顯得極為重要，HIF-1α SUMO化可能是治療高原病的分子靶點。另外HIF-1與腫瘤的發生、發展密切相關，抑制HIF?1活性可能是治療癌癥的良策。相信對高原低氧、SUMO蛋白和低氧誘導因子關系的日漸闡明，將為認識低氧性疾病和腫瘤的機制及治療提供新的觀點和措施，為臨床醫學、高原醫學和航天醫學做出重要貢獻。

[參考文獻]

[1] 韋瑋，張浩，毛建平，等.蛋白質SUMO化修飾研究進展[J].中國生物工程雜志，2008，28（7）：122-126.

[2] 田華，戴愛國.HIF-1α的可逆性SUNO化修飾[J].中國生物化學與分子生物學報，2009， 25（1）：1-6.

[3] 王海濤，方以群.缺氧誘導因子的研究進展[J].中華航海醫學與高氣壓醫學雜志，2006， 13（5）：312-315.

[4] 于杰淼，曹鵬，盧悟廣，等.SUMO-BMP7融合蛋白的表達及純化[J].藥物生物技術，2009，16（3）：189-193.

[5] 劉建紅，周志宏，歐明毫，等.低氧誘導因子-1與低氧訓練[J].中國運動醫學雜志，2003， 22（6）：600-602.

[6] 張梅.缺氧應激中SUMO-1的作用[J].醫學研究與教育，2010，27（6）：75-78.

[7] 郭傳家，李文軍，王蕾，等.小泛素類蛋白對低氧誘導因子-1調控作用的研究進展[J].分子診斷與治療雜志，2009，1（ 4）：279-282.

[8] 薛慶於，韓野，郭聯和，等.SUMO-1在HIF-1/VEGF信號通路中作用[J].實用臨床醫藥雜志，2010，14（13）：32-36.

[9] 羅曉紅，閆蘭.低氧誘導因子1α表達調控研究進展[J].預防醫學情報雜志，2007，23（1）：57-60.

[10] 鄒多宏.低氧誘導因子-1α的研究進展[J].國際口腔醫學雜志，2010，37（3）：320-323.

[11] 胡明，肖新莉，劉勇.低氧誘導因子-1研究進展[J].醫學綜述，2006，12（21）：1283-1285.

[12] 葉曉峰，吳喬.類泛素蛋白——SUMO[J].細胞生物學雜志，2004，26（1）：10-14.

[13] Johnson ES. Protein modification by SUMO[J].Annu Rev Biochem，2004，73：355-382.

[14] Boggio R，Passafaro A，Chiocca S.Targeting SUMO E1 to ubiquitin ligases：a viral strategy to counteract sumoylation[J].J Biol Chem，2007，282：15376-15382.

[15] Camenisch G，Stroka DM，Gassmann M，et al.Attenuation of HIF-1 DNA-binding activity limits hypoxia-inducible endothelin-1 expression[J].Eur J Physiol，2001，443：240-249.

[16] Melchior F.SUMO-nonclassical ubiquitin[J].Annu Rev Cell Dev Biol，2000，16：591-626.

[17] Carbia-Nagashima A，Gerez J， Perez-Castro C，et al.RSUME，a small RWD-containing protein，enhances SUMO conjugation and stabilizes HIF-1alpha during hypoxia[J].Cell，2007，131（2）：309-323.

[18] Guo D，Li M，Zhang Y，et al.A functional variant of SUMO4，a new I kappa B alpha modifier，is associated with type 1 diabetes[J].Nat Genet，2004，36（8）：837-841.

[19] Hua TIAN，Ai-Guo DAI，Rui-Cheng HU，et al.The role of SUMOylation of hypoxia-inducible factor-1 alpha by SUMO-1 in pulmonary arteries of rat with hypoxia-induced pulmonary hypertension[J].中國生理學會第23屆全國會員代表大會暨生理學學術大會論文摘要文集，2010.

[20] Xu Z，Au SW.Mapping residues of SUMO precursors essential in differential maturation by SUMO-specific protease，SENP1 [J].Biochem J，2005，386（Pt2）：325-330.

[21] Gong L，Yeh ET.Characterization of a family of nucleolar SUMO-specific proteases with preference for SUMO-2 or SUMO-3[J].J Biol Chem，2006，281（23）：15869-15877.

（收稿日期：2012-09-02）