低氧誘導因子-1在低氧訓練中表達的研究綜述①

潘秀清（西安體育學院　陜西西安　710068）

低氧誘導因子-1在低氧訓練中表達的研究綜述①

潘秀清
（西安體育學院陜西西安710068）

摘 要:該文通過對低氧誘導因子-1（HIF-1）1的活性調節機制、結構和生物學功能等的綜述，重點分析了HIF-1在低氧訓練中的表達。HIF-1轉錄調控低氧反應基因，從基因水平介導了對低氧的反應，是低氧誘導的核轉錄因子。低氧訓練在分子基因水平上造成HIF-1mRNA上調，通過調控EPO水平以促進機體利用氧的能力，諸如肌紅蛋白增多、VEGF表達上調和糖酵解速率升高，肌肉線粒體數量增多和毛細血管的密度增大，進而提高機體在缺氧狀況下的運動能力。HIF-1調控諸多低氧反應基因的轉錄表達，是機體感受氧濃度變化的關鍵因素。

關鍵詞:低氧誘導因子-1低氧訓練表達HIF-1

在低氧訓練中，低氧誘導因子-1（hypoxic inducible factor，HIF-1）對機體的氧運輸能力、低氧適應能力、新生血管的產生以及物質的氧化代謝等都有積極的作用，介導低氧適應性反應，有助于從基因水平研究低氧訓練的生理適應機理，使運動員的運動能力得到有效提高。在缺氧情況下，諸多低氧訓練方法如高原訓練、高住低訓等被用來訓練運動員，目的提高氧的運輸和利用能力，最終增強其低氧適應的能力。低氧反應性基因被HIF-1陸續激活，可見，HIF-1是低氧條件下保持氧濃度穩定的重要因素。

1　IHF-1的結構和生物學功能

20世紀90年代初，Semenza和Wang用1%O2處理人類肝癌細胞株Hep3B細胞，發現細胞內EPO mRNA表達明顯增高，經低氧處理過的細胞中發現，促紅細胞生成素（EPO）基因上有一核苷酸序列可以與特異性蛋白質結合，該特異性蛋白質被命名為HIF-1[1]。

1.1HIF-1的結構

HIF-1由HIF-1α、HIF-1β兩個亞基組成，是一種異二聚體結合DNA的蛋白質因子。α亞基分子量為120KD，包含bHLH結構域，PAS結構域和羧基末端的反式活化結構域，三者共同構成了轉錄因子DNA結合域。HIF-1α是氧調節蛋白，共包含826個氨基酸。其C端包含兩個反式活化結構域N-TAD和C-TAD，被抑制結構域（inhibition domain， ID）分開，ID能降低N-TAD和C-TAD活性，在非缺氧細胞中這一作用更加突出。β亞基的分子量為91-94KD。兩個亞基均為螺旋環螺旋（basic-helix-loop-helix/Per-Arnt-Sim domain，bHLH/PAS）家族的成員。反式活化結構域只有在HIF-1α 與β形成異二聚體時才起作用[2]。

1.2HIF-1的主要生物學功能

HIF-1是一種轉錄因子，和低氧反應基因（hypoxia reaction gene， HRG）的低氧反應元件（hypoxia reaction element， HRE）上的結合位點結合，促進轉錄表達靶基因，使機體適應低氧環境，介導低氧反應。低氧時在心、肝、肺、腦等組織細胞中被大量表達。現發現的低氧反應基因有40多種，主要有:血管內皮生長因子（VEGF）、EPO、糖酵解酶、胰島素樣生長因子結合蛋白-1、α1B腎上腺素能受體、誘導型NOS（iNOS）、轉鐵蛋白、血紅素氧化酶-1、血栓素合酶、內皮素-1（ET-1）、尿激酶型的纖溶酶原活化素受體基因、腎上腺髓質素、環氧合酶-2（COX）等[3]。HIF-1的生物學功能主要有:促進糖代謝和氧運輸、促進細胞分裂增殖和血管新生、促進鐵代謝和參與誘導細胞凋亡等[3]。

2　HIF-1作用通路和活性調節機制

2.1HIF-1作用通路

HIF-1α通過一個氧化還原反應的信號通路來調節低氧活性，其調節機制涉及蛋白合成的增加、穩定性的升高和蛋白質降解的減少等。HIF-1α受到至少2條信號通路的調控:第 1條通路的激活信號包括腫瘤抑制基因的缺失、生長因子（如上皮生長因子）的變化、肽的原癌基因的突變等因素，激活肌醇磷酸3-激酶（PI3K）和（mTOR）依賴的信號通路，引起HIF-lα的增加。有研究報道: PI3K途徑必須在其他通路激活PI3K轉錄活性的共同作用下才能增加細胞核內HIF-1的含量。HIF-lα蛋白的合成增加有利于PI3K/ Akt/FRAP通路的激活。第2條通路的激活信號為CoCI2和缺氧，包括抑制PHDs家族對HIF-lα的修飾。此外，HIF-lα被ET-I誘導激活后引起HIF-1的增多，從而激活HIF-1。

2.2HIF-1活性調節機制

細胞內氧濃度是調節HIF-1的蛋白轉錄活性和穩定性的主要因素，正常細胞內HIF-1含量很少，在低氧條件下，其HIF-1含量顯著增加，這可能是因為在常氧條件下HIF-1迅速降解。HIF-1對細胞中氧濃度的變化比較敏感，在組織缺氧時可以迅速做出mRNA表達上的相應變化。HIF-1α蛋白穩定性受氧濃度調節的分子機制:常氧狀態時，HIF-1α在脯氨酰羥化酶-1，2，3的作用下羥基化了402和564位的脯氨酸殘基，林希病腫瘤因子（PVHL）與被羥化的HIF-1α結合，生成E3泛素-蛋白連接酶復合體，該復合體作用于HIF-1α的識別部位，才導致蛋白酶體降解HIF-1α。由于氧氣增多抑制脯氨酸羥化酶的活性，故整個反應過程受氧濃度的影響較大。低氧時HIF-1α不能被羥化，因而不能與PVHL結合，從而使HIF-1α降解明顯減少[5]。氧濃度對HIF-1α轉錄活性的調控機理:常氧條件下，由于羥化酶作用于HIF-1α，其天門冬氨酸殘基被羥化，導致C-TAD與CBP、p300的結合被抑制，從而HIF-1α的轉錄活性也被抑制；低氧條件下，羥化酶活性被抑制，反饋性增強HIF-1α的轉錄活性。HIF-1α的反式活化結構域（TAD）要激活轉錄，必須與轉錄共活化因子CBP、p300等相互作用才行。另外，鐵螯合劑和氯化鈷可使HIF-1α與PVHL分離，從而誘導HIF-1α的表達，增強HIF-1轉錄活化功能；胰島素、內皮生長因子、IGF-1、IGF-2、血小板衍生生長因子、凝血酶及血管緊張肽等也能增強HIF-1轉錄活性。

HRG上的HIF-1低氧反應元件:HRG在HIF-1上的結合位點大多數位于5'啟動子（如GLU、VEGF等），HIF-1介導低氧反應是采用以HRG的低氧反應元件的結合點與HIF-1相結合的方式。

3　HIF-1對低氧訓練的調控

3.1HIF-1對低氧訓練的調控概況

運動員抗缺氧的能力與有氧代謝能力關系密切。低氧誘導HIF-1表達升高。低氧訓練通過合理控制低氧濃度和時間，利用缺氧刺激運動員，目的提高運動員的低氧適應能力和運動成績。常用的低氧訓練有:高原訓練、模擬高原訓練、高住低練和間歇性低氧訓練等。有研究認為:急性低氧使HIF-1表達增加，是機體應激所

致；慢性低氧引起的HIF-1表達升高幅度下降是機體適應低氧的結果，可能是HRG的負反饋調節所致。隨著氧濃度的下降，特別當氧濃度降到6%以下時，HIF-1提高增速。HIF-1對組織氧濃度的改變非常敏感。HIF-1α的表達在開始和結束都比較快，其半衰期在常氧下一般不超過5 min。HIF-1α的表達變化如此的迅速，據此對機體進行間歇性低氧或急性低氧刺激下以提高機體的低氧適應提供了依據性[2]。

HIF-1是體內感受氧濃度的關鍵調節因子，下調相關低氧反應基因的轉錄表達。低氧訓練在基因水平上造成HIF-1mRNA上調，結果肌肉線粒體和毛細血管的密度增大，肌紅蛋白、VEGF和糖酵解水平升高，促進EPO水平的上升以及血液運輸氧能力的增加，有利于運動能力的提高。

3.2HIF-1對EPO及氧運輸的影響

低氧訓練使機體血清中的EPO濃度升高，介導EPO基因表達的關鍵因子是HIF-1。通過EPO的調控，HIF-1間接調節氧氣的運輸，對運動時機體的攜氧能力有很大影響。HIF-1與EPO結合，通過反式激活作用激活EPO基因的轉錄，造成血液中Hb濃度的上升。EPO生成后釋放入血，在骨髓中促使干細胞分化為原始紅細胞，加快原始紅細胞增殖和分化，使紅細胞快速成熟和Hb合成增加，加速骨髓內的網織紅細胞和紅細胞釋放入血液，血液中氧含量上升。有研究認為HIF-1通過對靶基因的低氧反應元件的作用來調控相關基因的表達，參與了紅細胞生成、缺血/缺氧后細胞凋亡和增殖等過程，引起細胞一系列缺氧反應，從而保持機體氧濃度的穩定[5]。

在低氧條件下，HIF-1的轉錄被激活，誘導EPO的基因轉錄表達增多從而提高了血紅蛋白在缺氧條件下的攜氧能力；HIF-1還通過誘導如誘導型一氧化氮合酶（iNOS）等擴血管因子的表達來提高組織運輸和利用氧的能力。

3.3HIF-1對VEGF的影響

VEGF 基因對低氧感覺敏銳。低氧條件下，HIF-1誘導VEGF基因轉錄，促使組織毛細血管增生，這樣既改善了骨骼肌和心肌的氧氣和營養供應，又提高了機體的有氧代謝能力[6]。VEGF具有很強的促進血管內皮細胞分裂的功能，是血管生成的主要調節因子。低氧環境下毛細血管的增生，是機體的一種保護性反應。VEGF是HIF-1的一個靶基因，低氧刺激后，HIF-1通過轉錄和轉錄后水平的改變，促進VEGFmRNA的轉錄活化并提高其穩定性，使VEGF受體FLK1/KDR的表達上調，最終增加毛細血管的新生。當HIF-1的表達缺乏時，VEGF的mRNA水平明顯降低。

有研究指出，VEGFmRNA的表達與HIF-1αmRNA的表達在低氧時一致，表明在低氧刺激下HIF-1表達的上升能激活VEGF的轉錄并且提高VEGFmRNA的穩定性。VEGF基因的表達上調并使血管的新生增加，有助于供給組織氧和營養，提高體能。

3.4HIF-1對糖代謝的影響

在低氧條件下，機體主要通過無氧糖酵解產生ATP供能的。在糖酵解過程中果糖磷酸激酶、甘油磷酸酸酶、丙酮酸激酶、乳酸脫氫酶、醛縮酶和醇酶等酶都受到HIF-1的影響，合成增多，加速糖酵解的進行，通過糖酵解供能以滿足機體對能量的需求。糖酵解供能使乳酸產生增加，致使細胞內正常的PH值下降，而HIF-1的目的基因跨膜碳酸酐酶被激活，將二碳化合物和質子轉化為CO2，調節pH值，產生的CO2由血液運送到肺部排出體外。

同時，在攝取葡萄糖過程中，HIF-1也激活調控葡萄糖轉運蛋白載體-1（GLU-1）和葡萄糖轉運蛋白載體-3（GLU-3）的基因表達。有研究報道，肺泡上皮細胞的GLUT-1在低氧誘導下活性明顯升高，且與氧氣濃度和低氧持續時間呈正相關。氧氣濃度越低，低氧持續時間越長，GLUT-1活性升高越顯著。恢復常氧后，GLUT-1活性迅速下降[7]。

在低氧條件下GLUT表達的增加和活性的增強，使糖代謝的速率維持在較高水平。通過HIF-1調節糖酵解，使運動員在缺氧條件下能量得到及時補充，提高其耐缺氧能力和運動能力。

4　結語

綜上所述，HIF-1對運動能力的影響是積極的。在低氧下運動，HIF-1提高了EPO、VEGF基因的表達并且加速了糖酵解的進行，提高了運動員的運動能力。低氧環境下，通過對運動員HIF-1變化的分析和對HIF-1相關基因表達影響的研究，探討低氧刺激下HIF-1的作用，為進一步揭示低氧訓練提高運動成績的機理提供理論依據。

參考文獻

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作者簡介:①潘秀清（1973—），女，陜西咸陽人，碩士，講師，研究方向:運動低氧研究。

中圖分類號:G804.5

文獻標識碼:A

文章編號:2095-2813（2015）06（c）-0044-02