低氧誘導因子1對中樞神經保護作用的研究進展

劉 艷(綜述)，夏蘇英(審校)

(1.中南大學湘雅三醫院神經內科，長沙 410000； 2.長沙市中心醫院，長沙市老年醫學研究所，長沙 410000)

低氧誘導因子1(hypoxia-inducible factor 1，HIF-1)是目前發現的唯一一個高度特異性、并且在缺氧環境下廣泛存在于哺乳動物與人體內可發揮活性的核因子，它可通過激活下游靶基因的表達，適應缺血缺氧環境。HIF-1的活性亞基HIF-1α是對低氧反應極其敏感的轉錄因子,參與腦組織缺血缺氧過程中的病理生理過程,通過激活多種途徑發揮對缺血性腦組織的保護作用。因此，HIF-1成為治療腦血管意外的重要靶點。近年來，學者對HIF-1在腦缺血缺氧環境下的神經保護進行多項研究，現對其予以綜述。

1 HIF-1的概述

HIF-1是首次由Wang等[1]在研究缺氧刺激腎臟分泌紅細胞生成素基因表達時發現的一種脫氧核糖核酸結合蛋白，通過與低氧反應元件結合，引發下游靶基因的轉錄。HIF-1具有相當廣泛的靶基因譜，如血管內皮生長因子(vascaluar endothecial growth factor,VEGF)、促紅細胞生成素(erythropoietin,EPO)等，這些因子在組織、細胞的低氧適應反應過程中起重要作用，進而對中樞神經的保護有著重要意義。

HIF-1主要由HIF-1α(相對分子質量為120×103)和HIF-1β(相對分子質量為91×103～94×103)兩個亞單位組成,以異二聚體形式存在，兩個亞基均屬堿性多肽-螺旋-環-螺旋轉錄因子家族中的成員，含有時鐘-芳香烴受體核轉位蛋白-sumo蛋白結合(Per-ARNT-Sim,PAS)結構域，堿性多肽-螺旋-環-螺旋區與DNA結合，PAS區則與另一亞基構成二聚體。HIF-1α為氧調節亞基，全長826個氨基酸殘基，它決定HIF-1的活性,常氧條件下被泛素-蛋白酶迅速降解；而HIF-1β則在所有細胞細胞核中持續表達[2]。細胞處于低氧環境時，HIF-1α的降解受到抑制，HIF-1α蛋白水平急劇增加，并與HIF-1β結合形成HIF-1，HIF-1進一步與DNA上的缺氧反應元件相結合，激活相關目的基因的轉錄，引起一系列細胞缺氧反應[3-4]。

2 HIF-1對中樞神經保護的研究進展

2.1缺血缺氧條件下HIF-1在腦組織的表達 低氧環境能顯著誘導鼠腦組織HIF-1α信使RNA的表達上調，在低氧環境下誘導30 min，HIF-1α信使RNA表達開始增加，誘導60 min達到高峰，持續誘導4 h，HIF-1α信使RNA表達又回落到基礎水平，說明HIF-1α的表達是瞬時的[5]。大鼠短暫性全腦缺血模型中，缺血15 min后大腦皮質和海馬就有HIF-1α信使RNA及其靶基因VEGF信使RNA在同一神經元表達，在4～72 h缺血/再灌注期間也有持續表達[6]。在小鼠腦出血模型中，大腦皮質和出血灶周圍半暗帶HIF-1α陽性細胞計數在第7日和第14日顯著增多，且HIF-1α陽性細胞計數在第7日顯著多于第14日[7]。由此可見，在中樞神經系統中，HIF-1是調節細胞缺氧反應中非常重要的轉錄因子。

2.2HIF-1對神經組織的保護作用 Du等[8]采用高溫預處理方式，在40℃條件下培養星形膠質細胞6 h誘導HIF-1表達，收集培養基上清液，發現與對照組培養基上清液相比，這種高溫預處理后培養基對氧糖剝奪環境中的神經元有顯著的神經保護和抗凋亡作用，并且這種神經保護作用與培養液中HIF-1的表達增加顯著相關。也有人用二甲基草酰甘氨酸抑制常溫下HIF-1的降解，間接使HIF-1表達上調，發現在大鼠永久性大腦中動脈和短暫性大腦中動脈閉塞模型中靜脈注射40 mg/kg二甲基草酰甘氨酸，能有效減小梗死體積，改善腦組織局部血液循環，促進運動功能恢復，并且這種保護神經、促進神經恢復的作用與HIF-1下游靶基因VEGF、內皮型一氧化氮合酶的激活有關[9]。

3 HIF-1及其下游靶基因對神經保護的作用

HIF-1的表達增加是組織細胞對缺血缺氧的一種適應性反應，它通過調控下游多種靶基因的表達，能改善腦組織缺血，減少組織再灌注損傷，改善局部能量代謝障礙，促進組織缺血后血流動力學恢復和新生血管生成，抗細胞凋亡，引起內源性干細胞趨化遷徙。HIF-1表達上調產生的生物效應與其下游靶基因的激活息息相關，因此了解下游各種靶基因所發揮的作用十分必要。

3.1VEGF對神經保護作用 VEGF在血管發生和形成過程中起著中樞性的調控作用，是血管形成的關鍵刺激因子。HIF-1結合點和上游的激活蛋白1結合點共同構成低氧反應元件，刺激VEGF的表達。研究表明VEGF對微環境的構建主要通過3種途徑：①促進內皮細胞的增殖和血管的生成，VEGF可以通過其特異性受體血管內皮生長因子受體(血管內皮生長因子受體1、血管內皮生長因子2)直接作用于血管內皮細胞刺激其增殖，促使血管形成，改善局部血液循環，提高缺血缺氧病灶的供血量，進而延緩細胞及組織壞死[10]；②增加血管通透性，引起血漿蛋白外滲，并通過誘導間質產生而促進體內新生血管生成[11]；③對神經組織有直接的保護作用，體外培養中，VEGF能顯著提高神經元在無血清、低氧、機械損傷、有害化學環境中的存活率[7,12]。

3.2EPO的作用 EPO是HIF-1靶基因之一，是一種調節紅細胞生成的體液因子，能刺激紅細胞的發生和成熟，增加了攜氧能力。EPO還具有抗細胞凋亡、保護神經、促進干細胞遷移、促血管生成、抗炎等作用[13]。

3.2.1EPO的抗凋亡作用 EPO與EPO受體結合，啟動細胞內的信號轉導。Xiong等[14]研究發現，EPO可激活腦區中JAK激酶2，胞外信號調節激酶1/2、蛋白激酶B、核因子κB及信號轉導及轉錄激活因子5通路，使Bcl-xL和Bcl-2基因高表達，同時減少Bax基因的表達。EPO與其受體相結合激活Janus蛋白酪氨酸激酶2后，可抑制核因子磷酸化，使結合核因子κB移位入核，轉錄結合核因子κB依賴的凋亡抑制因子X染色體連鎖凋亡抑制因子和細胞凋亡抑制蛋白，從而抑制凋亡發生[15]，說明EPO可增加抗凋亡蛋白的表達，發揮抗凋亡作用。另外，EPO還可降低血中有促進凋亡作用的細胞因子。

3.2.2EPO的神經保護作用 EPO通過多種機制發揮穩定內環境和保護神經細胞作用：①對抗神經細胞興奮性中毒，Kawakami等[16]發現EPO能增加暴露在細胞毒性環境下神經細胞的存活率，這種機制可能與通過降低鈣依賴性谷氨酸釋放而增強對谷氨酸毒性的耐受；②減輕細胞水腫；③減輕組織炎性反應，EPO能通過增加細胞溶質內抗氧化物酶(如超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶等)活性，減輕細胞由于過氧化反應帶來的傷害[17-18]。在大鼠TBI創傷性腦損傷模型中，皮質損傷早期給予EPO治療能顯著減少組織挫傷體積，保護海馬神經元，改善運動功能，并且治療效果與EPO的給藥方案有關，每日多次給藥比每日單次給藥具有更好的神經保護和改善功能的效果[19-20]。

3.2.3EPO對血管的保護 EPO在體內外均能保護內皮細胞的完整性，還能促進新血管的生成，其機制與VEGF具有相似性。EPO可通過促進血管內皮細胞增生、分化、遷移來介導血管生成，從而對維持和重建血供、促進損傷修復有重要意義。另外，EPO在體內促血管生成的作用可能部分與促進骨髓內皮起源細胞(內皮祖細胞)遷移至成血管處分化為血管有關[21]。

3.3其他靶基因 胰島素樣生長因子Ⅱ編碼基因、腦紅蛋白、一氧化氮合酶、血小板源性生長因子、葡萄糖載體蛋白1、葡萄糖載體蛋白3、內皮縮血管肽1等基因表達產物對受損后組織的紅細胞生成及血管形成、能量代謝、減少神經細胞凋亡等發揮重要的作用，維持神經細胞生存微環境的穩定，并對損傷后微環境的構建也起到積極的作用，間接保護了神經細胞。

4 小 結

HIF-1在中樞神經系統損傷后微環境的構建，神經細胞的保護等多方面均起著重要作用。近幾年對HIF-1在組織缺血缺氧應答中取得突破進展。研究證明中藥治療腦梗死的機制可能與HIF-1調節下游靶基因相關[22-23]。在朊病毒病所致的神經退行性變疾病中，通過上調HIF-1的表達，發揮神經保護作用[24]。由此可見，HIF-1不僅是缺血性腦卒中的治療靶點，還為神經科其他疾病的治療開辟新的途徑。然而，對于信號通路及調控機制的研究及HIF-1在常氧環境下穩定無害的表達還有待進一步的研究。

[1] Wang GL,Semenza GL.A nuclear factor induced by hypoxia via de novo protein synthesis binds to the human erythropoietin gene enhancer at a site required for transcriptional activation[J].Mol Cell Biol,1992,12(12):5447-5454.

[2] Semenza GL.O2-regulated gene expression:transcriptional control of cardiorespiratory physiology by HIF-1[J].J Appl Physiol,2004,96(3):1173-1177.

[3] Lee JW,Bae SH,Jeong JW,etal.Hypoxia-inducible factor(HIF-1)alpha:its protein stability and biological functions[J].Exp Mol Med,2004,36(1):1-12.

[4] Wiener CM,Booth G,Semenza GL.In vivo expression of mRNAs encoding hypoxia-inducible factor 1[J].Biochem Biophys Res Commun,1996,225(2):485-488.

[5] Nanka O,Valásek P,Dvoráková M,etal.Experimental hypoxia and embryonic angiogenesis[J].Dev Dyn,2006,235(3):723-733.

[6] 張琳,徐曦,馬勇,等.腦出血小鼠行為學改變和低氧誘導因子-1α的表達[J].陜西醫學雜志,2011,40(11):1466-1468.

[7] Ma Y,Liu W,Wang Y,etal.VEGF protects rat cortical neurons from mechanical trauma injury induced apoptosis via the MEK/ERK pathway[J].Brain Res Bull,2011,86(5/6):441-446.

[8] Du F,Wu XM,Gong Q,etal.Hyperthermia conditioned astrocyte-cultured medium protects neurons from ischemic injury by the up-regulation of HIF-1 alpha and the increased anti-apoptotic ability[J].Eur J Pharmacol,2011,666(1/3):19-25.

[9] Nagel S,Papadakis M,Chen R,etal.Neuroprotection by dimethyloxalylglycine following permanent and transient focal cerebral ischemia in rats[J].J Cereb Blood Flow Metab,2011,31(1):132-143.

[10] Greenberg DA,Jin K.Vascular endothelial growth factors(VEGFs) and stroke[J].Cell Mol Life Sci,2013,70(10):1753-1761.

[11] Kajdaniuk D,Marek B,Foltyn W,etal.Vascular endothelial growth factor(VEGF)-part 1:in physiology and pathophysiology[J].Endokrynol Pol,2011,62(5):444-455.

[12] Cui W,Li W,Han R,etal.PI3-K/Akt and ERK pathways activated by VEGF play opposite roles in MPP+-induced neuronal apoptosis[J].Neurochem Int,2011,59(6):945-953.

[13] Joyeux-Faure M,Godin-Ribuot D,Ribuot C.Erythropoietin and myocardial protection:what′s new?[J].Fundam Clin Pharmacol,2005,19(4):439-446.

[14] Xiong T,Qu Y,Mu D,etal.Erythropoietin for neonatal brain injury:opportunity and challenge[J].Int J Dev Neurosci,2011,29(6):583-591.

[15] 王靜,初桂蘭.促紅細胞生成素的神經保護作用[J].國外醫學:生理、病理科學與臨床分冊,2004,24(3):214-216.

[16] Kawakami M,Iwasaki S,Sato K,etal.Erythropoietin inhibits calcium-induced neurotransmitter release from clonal neuronal cells[J].Biochem Biophys Res Commun,2000,279(1):293-297.

[17] Kumral A,Gonenc S,Acikgoz O,etal.Erythropoietin increases glutathione peroxidase enzyme activity and decreases lipid peroxidation levels in hypoxic-ischemic brain injury in neonatal rats[J].Biol Neonate,2005,87(1):15-18.

[18] Wu Y,Shang Y,Sun S,etal.Antioxidant effect of erythropoietin on 1-methyl-4-phenylpyridinium-induced neurotoxicity in PC12 cells[J].Eur J Pharmacol,2007,564(1/3):47-56.

[19] Cherian L,Goodman JC,Robertson C.Neuroprotection with erythropoietin administration following controlled cortical impact injury in rats[J].J Pharmacol Exp Ther,2007,322(2):789-794.

[20] Xiong Y,Mahmood A,Meng Y,etal.Delayed administration of erythropoietin reducing hippocampal cell loss,enhancing angiogenesis and neurogenesis,and improving functional outcome following traumatic brain injury in rats:comparison of treatment with single and triple dose[J].J Neurosurg,2010,113(3):598-608.

[21] 周濤.促紅細胞生成素聯合基質細胞衍生因子-1在內皮祖細胞促血管新生中的作用的研究[D].上海：復旦大學,2009.

[22] Shen K,Ji L,Gong C,etal.Notoginsenoside Ft1 promotes angiogenesis via HIF-1α mediated VEGF secretion and the regulation of PI3K/AKT and Raf/MEK/ERK signaling pathways[J].Biochem Pharmacol,2012,84(6):784-792.

[23] Liang JQ,Wu K,Jia ZH,etal.Chinese medicine Tongxinluo modulates vascular endothelial function by inducing eNOS expression via the Pl-3K/Akt/HIF-dependent signaling pathway[J].J Ethnopharmacol,2011,133(2):517-523.

[24] Jeong JK,Moon MH,Park YG,etal.Gingerol-induced hypoxia-Inducible factor 1 alpha inhibits human prion peptide-mediated neurotoxicity[J].Phytother Res,2012，27(8)：1185-1192.