局灶性腦缺血損傷后低氧誘導(dǎo)因子1α促神經(jīng)元凋亡的作用機制

汪衛(wèi)東，張洪峰(綜述)，王　樂，王朝宗(審校)

(邯鄲市中心醫(yī)院藥學(xué)部，河北 邯鄲 056001)

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局灶性腦缺血損傷后低氧誘導(dǎo)因子1α促神經(jīng)元凋亡的作用機制

汪衛(wèi)東，張洪峰(綜述)，王樂，王朝宗※(審校)

(邯鄲市中心醫(yī)院藥學(xué)部，河北 邯鄲 056001)

摘要：大腦是對缺氧非常敏感的器官，氧濃度降低可以誘導(dǎo)低氧誘導(dǎo)因子1α(HIF-1α)的快速大量表達，尤其在缺血半暗帶，及時挽救該部位的神經(jīng)元是減輕缺血性損傷的關(guān)鍵。HIF-1α是一種核轉(zhuǎn)錄因子，能夠誘導(dǎo)胱天蛋白酶、p53、誘導(dǎo)型一氧化氮合酶、Bcl-2等促凋亡基因的轉(zhuǎn)錄表達、促進氧自由基的產(chǎn)生以及影響血腦屏障的通透性。近年來，許多研究闡述了HIF-1α在局灶性腦缺血損傷的病理生理機制中，尤其是促神經(jīng)元凋亡方面，扮演著非常重要的角色。

關(guān)鍵詞：局灶性腦缺血；低氧誘導(dǎo)因子1α；神經(jīng)元；凋亡

局灶性腦缺血是目前致殘甚至致死的主要疾病之一。局灶性腦缺血發(fā)生后，在梗死灶周圍會形成“缺血半暗帶”，該部位神經(jīng)元處于可逆的損傷狀態(tài)，及時挽救該部分神經(jīng)元是減輕缺血性損傷的關(guān)鍵。大腦是對缺氧非常敏感的器官，氧濃度降低可以誘導(dǎo)低氧誘導(dǎo)因子1α(hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α)的快速大量表達，尤其在缺血半暗帶。現(xiàn)對局灶性腦缺血損傷后HIF-1α促神經(jīng)元凋亡的作用機制予以綜述。

1HIF-1α穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)

HIF-1α是Goldberg等[1]在1988年于人的肝臟瘤細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的，它主要在胞質(zhì)表達且與氧的濃度密切相關(guān)。在常氧狀態(tài)下，HIF-1α通過脯氨酸羥化酶(proline hydroxylase,PHDs)-腫瘤抑制基因-蛋白酶體途徑迅速降解，使其含量非常低。然而PHDs活性是O2依賴性的，低氧(<5%)時其活性將被抑制[2]，進而阻斷PHDs-腫瘤抑制基因-蛋白酶體降解途徑，致使低氧狀態(tài)下HIF-1α水平迅速升高。穩(wěn)定的HIF-1α將被轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核與HIF-1β構(gòu)成二聚體，即異源二聚體轉(zhuǎn)錄因子HIF-1[3]。HIF-1α與輔激活蛋白p300/反應(yīng)結(jié)合蛋白結(jié)合后，通過與目的基因上的缺氧反應(yīng)原件 (缺氧反應(yīng)元件:堿基序列為5′-CGTG-3′)結(jié)合誘導(dǎo)其轉(zhuǎn)錄表達[3-4]。

2HIF-1α的目的基因與促神經(jīng)元凋亡作用

Helton等[5]研究發(fā)現(xiàn)，在剔除HIF-1α基因的急性腦缺血動物模型中，多種促神經(jīng)元凋亡基因表達下調(diào)，提示腦缺血發(fā)生后上調(diào)表達的HIF-1α能夠促進神經(jīng)元細(xì)胞的死亡。細(xì)胞的死亡有兩種方式：凋亡和壞死，取決于腦損傷的嚴(yán)重程度[6]。在病情較輕的局灶性腦缺血損傷中或者缺血病死灶周圍，凋亡是神經(jīng)元細(xì)胞死亡的主要途徑。細(xì)胞凋亡(又稱程序性細(xì)胞死亡)是用來描述通過一般途徑誘導(dǎo)細(xì)胞生理性死亡這一過程的術(shù)語，它在整個生長發(fā)育過程中持續(xù)存在，以清除病態(tài)細(xì)胞。局灶性腦缺血發(fā)生后，HIF-1α通過誘導(dǎo)多種促凋亡基因的轉(zhuǎn)錄表達，參與神經(jīng)元細(xì)胞的凋亡過程。這些基因各自編碼具有與凋亡有關(guān)的蛋白，包括胱天蛋白酶(caspases)、p53、誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(inducible nitric synthase，iNOS)、Bcl-2蛋白家族成員等。

2.1HIF-1α與caspase caspase-3、-8、-9和-10是一組半胱氨酸蛋白酶，在細(xì)胞凋亡過程中發(fā)揮著主要的作用。HIF-1α與caspase啟動子結(jié)合，直接誘導(dǎo)caspase表達上調(diào)，這個過程與p53有關(guān)。caspase以具有內(nèi)在活性的蛋白酶原的形式被合成，然后在自身催化的作用下，經(jīng)過特定的蛋白水解分裂被激活。其中，活化的caspase-3能夠通過破壞細(xì)胞骨架蛋白而導(dǎo)致DNA斷裂。所以，caspase-3是細(xì)胞凋亡的中心“劊子手”，并作為檢測細(xì)胞凋亡的標(biāo)志[7]。目前，普遍認(rèn)為caspase通過兩條途徑參與細(xì)胞凋亡過程：內(nèi)在途徑和外在途徑。caspase(尤其是caspase-9)與Bcl-2蛋白家族相互作用導(dǎo)致存儲在線粒體內(nèi)膜空間的促凋亡蛋白釋放，進而引起細(xì)胞凋亡，稱為“內(nèi)在途經(jīng)”。而“外在途徑”是“死亡受體”途徑，它有許多生理功能，包括促進細(xì)胞凋亡。例如，F(xiàn)as就是一種“死亡受體”[8]。此外，caspase-8是細(xì)胞凋亡“外在途徑”的引發(fā)者；Bid是“內(nèi)在途經(jīng)”和“外在途徑”之間的“溝通員”。Bid屬于Bcl-2蛋白家族成員，被caspase-8激活后，在線粒體中通過與其他Bcl-2蛋白家族成員結(jié)合參與調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡[9]。

2.2HIF-1α與p53p53是一種腫瘤抑制蛋白，它的生命周期較短(10～30 min)，在大多數(shù)細(xì)胞(包括神經(jīng)元)中以較低水平持續(xù)表達。Chen等[10]通過體內(nèi)實驗結(jié)果表明，低氧時HIF-1α通過抑制p53泛素化阻滯其降解，并且阻斷p53轉(zhuǎn)運，導(dǎo)致與p53相關(guān)的促凋亡基因的表達上調(diào)。

p53是一種非常重要的神經(jīng)元細(xì)胞凋亡誘導(dǎo)因子，通過誘導(dǎo)目的基因轉(zhuǎn)錄表達引發(fā)細(xì)胞凋亡，這些基因編碼促凋亡蛋白包括p53、p53凋亡調(diào)控因子、Noxa等。p53與鼠/人雙微基因2的結(jié)合是誘導(dǎo)p53快速降解過程中非常關(guān)鍵的一步[11]，與鼠/人雙微基因2結(jié)合將p53從細(xì)胞核中轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)，然后在蛋白酶體的作用下被泛素化和降解。但是低氧時，在HIF-1α的作用下，p53將會被磷酸化或者乙酰化，穩(wěn)定性提高。穩(wěn)定的p53激活多種促凋亡蛋白的表達，包括Bax、p53凋亡調(diào)控因子、Noxa、Bid等。Bax屬于Bcl-2蛋白家族成員，它也是很重要的細(xì)胞凋亡調(diào)節(jié)因子。Niizuma等[12]認(rèn)為，Bax是神經(jīng)元細(xì)胞中最重要的促凋亡蛋白，說明p53在細(xì)胞凋亡過程調(diào)節(jié)中的重要性。Bax隨著線粒體膜的破壞進入線粒體，使細(xì)胞色素C從線粒體內(nèi)膜空間釋放，最終致使caspase-9和caspase-3活化。但是，p53會與HIF-1α競爭性地結(jié)合p300/反應(yīng)結(jié)合蛋白，使HIF-1α的誘導(dǎo)功能受到一定的抑制。

2.3HIF-1α與Bcl-2蛋白家族Bcl-2蛋白家族包括至少20多種促凋亡或者抗凋亡的蛋白成員，它們在細(xì)胞凋亡過程中發(fā)揮著很重要的調(diào)節(jié)作用。Bcl是一類抗凋亡蛋白，而Bax是一種促凋亡蛋白，它們都屬于Bcl-2家族。Galluzzi等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在神經(jīng)元細(xì)胞中，凋亡信號的產(chǎn)生能夠被死亡抑制因子所抑制，如Bcl-2蛋白。前面已提到，Bax是誘導(dǎo)神經(jīng)元細(xì)胞凋亡最重要的因子。然而，Bcl-2蛋白能夠通過干擾Bax向線粒體的轉(zhuǎn)移而阻止促凋亡蛋白的釋放。而且，表達增多的Bcl-2還能夠保護線粒體膜的通透性不被破壞。所以，局灶性腦缺血發(fā)生后，維持Bcl-2/Bax平衡對神經(jīng)元的存活非常重要。

BNIP3(含BH3區(qū)的Bcl-2家族促凋亡成員)是Bcl-2家族中另一種促凋亡蛋白，在局灶性腦缺血發(fā)生時被誘導(dǎo)表達并受HIF-1α調(diào)節(jié)。雖然HIF-1α調(diào)節(jié)BNIP3表達的作用機制仍不完全清楚，但是Althaus等[14]通過體內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，BNIP3轉(zhuǎn)錄啟動子中含有能與HIF-1α結(jié)合的HRE結(jié)構(gòu)。與Bax不同的是，BNIP3誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡是不依賴caspase的。BNIP3能結(jié)合并抑制抗凋亡蛋白Bcl-2和Bcl-x活性，如此會導(dǎo)致線粒體功能障礙，如線粒體膜通透孔的異常開放[15]。

2.4HIF-1α與iNOS哺乳動物體內(nèi)的一氧化氮合酶(NOS)可以分成3種亞型：神經(jīng)元型NOS、內(nèi)皮型NOS和iNOS。其中局灶性腦缺血發(fā)生后，iNOS能被HIF-1α直接誘導(dǎo)產(chǎn)生，它在缺血性損傷區(qū)域會誘發(fā)炎癥[16]。然而，由iNOS催化產(chǎn)生的一氧化氮(NO)有抑制iNOS降低梗死面積的作用。而且過量的NO也會影響細(xì)胞色素氧化酶的活性，抑制線粒體呼吸作用，進而導(dǎo)致神經(jīng)元凋亡[17]。

3HIF-1α與活性氧自由基致神經(jīng)元凋亡作用

在局灶性腦缺血損傷中，尤其是再灌注后，活性氧類(reactive oxygen free radicals，ROS)在線粒體中過度產(chǎn)生。過剩的ROS將會破壞生物大分子，包括蛋白質(zhì)氧化、DNA氧化和脂質(zhì)過氧化，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[18]。在線粒體呼吸過程中，ROS產(chǎn)生于復(fù)合物Ⅰ和Ⅲ。NADPH氧化酶家族(Nox)在ROS的產(chǎn)生過程中也發(fā)揮著重要作用[19]。HIF-1α通過上調(diào)Nox2的表達和抑制復(fù)合物Ⅰ的活性，促進ROS的大量產(chǎn)生。然而，對這一調(diào)節(jié)機制的了解仍不確切，需要進一步研究。ROS的增多也有利于HIF-1α的穩(wěn)定和活化：ROS能夠抑制HIF-1α的泛素化，并且降低PHDs的活性，進而抑制HIF-1α的降解，致使HIF-1α水平升高[20]；而且有研究表明，ROS能夠通過復(fù)雜的信號傳遞網(wǎng)絡(luò)，誘導(dǎo)HIF-1α活化。ROS在超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)的催化作用下生成過氧化物，進而在谷胱甘肽過氧化物酶或者過氧化氫酶催化作用下生成水和氧[21]。SOD是體內(nèi)ROS最重要的清除因子，與谷胱甘肽過氧化物酶和過氧化氫酶共同構(gòu)成了ROS清理系統(tǒng)。SOD有3種亞型：Cu/Zn-SOD(SOD1)、Mn-SOD(SOD2)和細(xì)胞外SOD(SOD3)。SOD1和SOD2通過清除ROS而影響HIF-1α的表達水平[20,22]。但表達上調(diào)的HIF-1α是否影響SOD的表達，至今仍沒有確切的結(jié)論。

4HIF-1α與血腦屏障通透性改變致神經(jīng)元凋亡的作用

血腦屏障(blood brain barrier，BBB)由無孔的微血管內(nèi)皮細(xì)胞構(gòu)成，它作為一個防御屏障，維持腦的內(nèi)環(huán)境平衡。腦缺血損傷將會導(dǎo)致BBB結(jié)構(gòu)和功能的改變，包括增加BBB通透性，繼而出現(xiàn)腦組織水腫加重和出血以及神經(jīng)元細(xì)胞死亡。局灶性腦缺血發(fā)生后，穩(wěn)定的HIF-1α通過誘導(dǎo)目的基因的轉(zhuǎn)錄表達參與BBB調(diào)節(jié)，如血管內(nèi)皮生長因子。Sivakumar等[23]研究發(fā)現(xiàn)，在缺血嚴(yán)重的腦組織中，HIF-1α誘導(dǎo)上調(diào)表達的血管內(nèi)皮生長因子對周圍血管系統(tǒng)有益，但是會損傷BBB并改變BBB的通透性。另外，還存在一些不依賴HIF-1α的，但與BBB有關(guān)的調(diào)節(jié)因子，如白細(xì)胞在血管中聚集并浸潤和星形膠質(zhì)細(xì)胞收縮胞質(zhì)絲，均能導(dǎo)致BBB通透性增加[24]。

5小結(jié)

HIF-1α在局灶性腦缺血損傷的調(diào)節(jié)中發(fā)揮著中心樞紐的作用，許多因素參與HIF-1α表達的調(diào)節(jié)，HIF-1α也通過激活目的基因誘導(dǎo)多種蛋白的表達。在過去的20年中，對局灶性缺血性腦損后HIF-1α誘導(dǎo)神經(jīng)元凋亡的分子機制有了更加清晰的認(rèn)識。但是，要闡明HIF-1α的調(diào)節(jié)機制仍然需要許多細(xì)節(jié)的研究，如HIF-1α表達及穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)機制、HIF-1α和神經(jīng)元細(xì)胞壞死之間的關(guān)系、HIF-1α與ROS以及HIF-1α與SOD的相互作用機制仍有待于進一步研究等。這些問題的解決可能為研究、開發(fā)防治局灶性腦缺血損傷的有效藥物提供新的思路。

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Study on the Mechanism of Hypoxia-Inducible Factor-1α in Promoting Neuron Apoptosis after Focal Cerebral Ischemic Injury

WANGWei-dong,ZHANGHong-feng,WANGLe,WANGChao-zong.

(DepartmentofPharmacology,HandanCentralHospital,Handan056001,China)

Abstract：The brain is very sensitive to hypoxia, the lower concentration of oxygen would induce massive and rapid expression of hypoxia-inducible factor-1α(HIF-1α),especially in the ischemic penumbra.While saving the neuron in ischemic penumbra timely is the key to reduce ischemic injury.HIF-1α is a kind of nuclear transcription factor that can induce the transcription of caspases,p53,inducible nitric oxide synthase,Bcl-2 and other pro-apoptotic genes,and promote generation of oxygen free radicals and affect the permeability of blood-brain barrier.In recent years,many studies have illustrated that HIF-1α plays a pivotal role in the pathophysiological mechanism of focal cerebral ischemia injury,especially in promoting the injured neuron apoptosis.Here is to make a review of the pro-apoptosis mechanism of HIF-1α after focal cerebral ischemic injury.

Key words：Cerebral ischemia; Hypoxia-inducible factor-1α; Neuron; Apoptosis

收稿日期：2013-12-25修回日期：2014-05-20編輯：伊姍

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.01.010

中圖分類號：743.3

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-2084(2015)01-0025-03