缺氧誘導因子-1α與心血管疾病的研究進展

陳 斌 陶 敏 康品方 王洪巨

(蚌埠醫學院第一附屬醫院心內科，安徽 蚌埠 233000)

心肌細胞需要充足的血氧供應才能維持心臟持續有效地舒縮做功。缺氧誘導因子(HIF)-1是一種普遍存在于哺乳動物細胞內維持機體氧穩態的主要調控轉錄因子，通過調節血氧利用、葡萄糖代謝、血管生成、組織重塑等過程，在缺血性心臟病、心力衰竭等心臟病理生理中起關鍵作用。HIF-1由α和β兩個亞基組成，HIF-1α亞基受機體氧分壓影響，常氧條件下HIF-1α快速降解，缺氧條件下HIF-1α分解減少而大量表達，通過調節下游多種效應分子轉錄和表達發揮各種生物學功能。本文綜述HIF-1α與心血管疾病的研究進展。

1 HIF-1α

1.1HIF-1α的結構 HIF-1基因是由120 kD的α亞基和91～94 kD的β亞基兩個亞單位組成的一種異源二聚體〔1〕。HIF-1的β亞基定位于人1號染色體q21區，在細胞內穩定表達而起結構性作用。HIF-1α亞基位于人14號染色體，是HIF-1的活性亞基。HIF-1α蛋白有感受缺氧信號的C端反式激活結構域和N端反式激活結構域，這些結構域是調節缺氧誘導蛋白穩定、核定位、轉錄和激活的重要功能調節域，兩者中間還有一個富含脯氨酸-絲氨酸-蘇氨酸的氧依賴性降解結構域。

1.2HIF-1α的表達和分解 人類HIF基因編碼HIF-1α多肽分子，HIF-1α表達水平取決于富含的GC啟動子活化程度。在大多數細胞中，HIF-1α蛋白在常氧條件下僅有5～10 min半衰期，其脯氨酸殘基被脯氨酸羥化酶羥基化，隨后被von Hippel-Lindau因子識別并通過氧依賴性-泛素蛋白酶途徑降解，在細胞內維持較低水平。但在缺氧條件下，脯氨酸羥化酶活性受到抑制，上述降解途徑被抑制，同時還通過抑制氧依賴性調節蛋白抑制因子HIF-1表達使HIF-1α轉錄增強。HIF-1α和HIF-1β結合形成異源二聚體轉移到細胞核，與靶基因啟動子序列中的缺氧應答元件結合調節細胞凋亡、血管生成、能量代謝等過程。

2 HIF-1α與細胞凋亡、自噬

細胞凋亡是心肌缺血/再灌注損傷發生機制中的重要環節之一，是一種基因控制的編程性死亡，組織缺氧時HIF-1α通過控制基因表達調節細胞凋亡〔2〕。細胞處于輕度缺氧狀態(1%～3%O2濃度)時HIF-1α發揮抑制凋亡作用保證心肌存活，但當細胞處于長期重度缺氧(0%～0.5% O2濃度)時HIF-1α大量表達誘導細胞凋亡〔3〕而減少對周圍心肌細胞的損害。

細胞輕度缺氧時，HIF-1α上調糖皮質激素調節蛋白激酶(SGK)1表達使處于缺氧微環境中的心肌梗死細胞免于凋亡，還可以協同磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)上調表達預防體內外缺血再灌注誘導的細胞凋亡〔4〕。HIF-1α能通過增強丙酮酸脫氫酶激酶-1表達抑制三羧酸循環，調節細胞代謝減少心肌氧耗，減少細胞凋亡；也可以通過抑制心肌細胞鈣內流減少細胞凋亡。此外HIF-1α還可抑制含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(Caspase)蛋白表達而終止其級聯放大過程減少細胞凋亡發生〔5〕。細胞重度缺氧時，HIF-1α通過上調BNIP3、Bcl-2家族等促進細胞凋亡，誘導促凋亡分子HGTD-P表達使線粒體PT孔增加，釋放細胞色素C和Capase-9誘發凋亡。也可以通過下調心肌細胞中p-Akt的表達誘發心肌細胞凋亡〔6〕。HIF-1α、Caspase-3、Bax表達上調協同作用促使內皮細胞凋亡〔7〕。在高糖、缺氧情況下，HIF-1α和FoxO3a介導BNIP3表達誘導心肌細胞凋亡〔8〕。

自噬是一種高度保守的過程，通過該過程將細胞受損內容物遞送至溶酶體進行降解，并給細胞提供急需的能量。缺氧通過HIF-1α依賴性機制誘導心肌細胞自噬而導致心肌受損甚至壞死〔9〕，細胞缺氧時HIF-1α/BNIP3/Beclin-1通路激活，HIF-1α通過上調BNIP3、Beclin-1表達，使LC3-Ⅰ轉化為LC3-Ⅱ，誘導細胞發生自噬〔10〕，促使心肌細胞死亡〔11〕。HIF-1還可以通過激活Bcl-2/BNIP3和BNIP3同源基因BNIP3L的表達誘導自噬發生〔12〕。而細胞缺氧時HIF-1/Akt/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)/p70核糖體蛋白S6激酶(P70S6K)通路與自噬增強密切相關〔13〕。低氧環境下HIF-1α通過調控微管相關蛋白1輕鏈3-Ⅱ的表達激活細胞自噬〔14〕。Zhang等〔15〕研究證明抑制HIF-1α能抑制細胞自噬。但也有研究發現 HIF-1α能通過抑制自噬來保護心臟間充質細胞免受葡萄糖-氧剝奪引起的損傷〔16〕。因此HIF-1α對自噬是促進還是抑制及其對細胞的作用尚需進一步研究。

3 HIF-1α與糖脂代謝

全球39%的成年人超重，四分之一患有代謝綜合征，除受生活方式因素影響，包括HIF-1α在內的基因表達也是導致代謝綜合征甚至冠心病發生的主要原因。HIF-1α是一種有效的代謝調控因子，其靶基因參與葡萄糖、脂質代謝的調節，可以降低血清膽固醇、改善脂蛋白組成、減少異位脂質沉積、增加機體葡萄糖耐量和胰島素敏感性〔17〕。HIF-1α通過調節人源葡萄糖轉運蛋白(Glut)-1和Glut-4 mRNA的表達增加組織對胰島素的敏感性，加速組織葡萄糖攝取和糖酵解過程，并通過抑制胰島素受體底物(Irs)2和脂肪細胞決定和分化因子(Srebp)1c mRNA轉錄減少肝臟脂質合成。缺氧條件下HIF-1α還能使糖酵解途徑代替需氧的氧化過程，使缺氧組織獲得更多能量。HIF-1α增強胰島素敏感性機制還可能與3-羥基-3-甲基戊二酸單酰輔酶A還原酶(HMG-CoA)還原酶活性升高降低膽固醇生物合成有關〔18〕。

4 HIF-1α與缺血性心臟病

缺血性心臟病是全世界人口死亡的主要原因，狹窄的冠狀動脈使心肌血液灌注不足而無法獲取充足的血氧及營養物質。在缺氧情況下HIF-1α通過促進糖酵解、減少線粒體氧化應激、激活己糖激酶Ⅱ及抑制線粒體通透性轉換孔開放等途徑使心臟免于急性心肌缺血再灌注損傷〔19〕。而慢性持續缺血缺氧時HIF-1α促進冠狀動脈側支循環的建立、缺血預適應等方面具有重要意義〔20〕。

4.1HIF-1α與內皮生長因子(VEGF) HIF-1α是氧平衡的主要調節劑，通過上調VEGF表達，促進新生血管生成以建立重要的側支循環，在缺氧心肌中起組織重塑作用〔21〕。

細胞缺氧時HIF-1α穩定表達，與細胞核內的VEGF基因缺氧應答元件結合，促進側枝血管生成以改善心肌血供。干預實驗已證明抑制HIF-1α的降解能促使VEGF表達上調，還能明顯提高紅細胞攜氧能力，減輕缺血組織損傷〔22〕。VEGF可能通過以下機制促進血管生成：①促進骨髓源性的內皮前細胞聚集和活化；②產生血管基底膜分解所需要的蛋白酶及特定的整合素，促進內皮細胞增殖和遷移；③提高微小血管的通透性，促使血漿大分子外滲沉積，形成營養新生內皮細胞的微環境；④促進血管內皮細胞的細胞分裂，促使內皮細胞增殖及遠處遷移效應；⑤HIF-1α高表達還能通過抑制血小板反應蛋白-2(血管生成抑制物)促進血管生成〔23〕。

4.2HIF-1α與核苷酸代謝 HIF-1α通過調節核苷酸代謝增加心臟對缺氧的耐受〔24〕，在細胞缺血期間HIF-1α促使次黃嘌呤積累，為心肌供能物質三磷酸腺苷(ATP)的合成提供原料，并且通過降低黃嘌呤氧化酶活性以減少活性氧(ROS)產生，減少心肌損害。缺氧預處理時HIF-1α依賴性CD39和CD73表達增多，使心肌細胞腺苷水平升高，改善心肌能量代謝同時還參與擴張冠脈血管增加血流量，并激活Akt信號通道保護心臟〔25〕。HIF-1α調節編碼葡萄糖轉運蛋白和糖酵解酶的基因轉錄，增加糖酵解過程使細胞在缺氧條件下維持較高ATP水平供能心肌。此外心肌代謝產生的肌酐增加缺氧心肌細胞中的ATP含量并通過HIF-1增強心肌對缺氧的適應性反應〔26〕。HIF-1α還能增加葡萄糖轉運蛋白-1、磷酸甘油酸激酶-1等葡萄糖代謝基因表達，并升高磷酸/肌酸比增強糖酵解，改善細胞能量狀態〔27〕。

四肢暫缺血再灌注可以預防長時間冠狀動脈閉塞和再灌注后的心臟損傷，而HIF-1α是這種遠端缺血預處理所必需的，這與HIF-1α能促使誘導型NO合成酶高表達有關，增加的NO舒張冠脈血管改善心肌缺血〔28〕。但也有研究表明慢性缺氧患者血清HIF-1α可能是預測心臟損傷的生物標志物〔29〕，急性心肌梗死組患者HIF-1α峰值水平與術后24小時心肌肌鈣蛋白(cTn)I峰值水平、心肌梗死面積呈正相關〔30〕，甚至有研究表明心肌缺血再灌注損傷是由升高的HIF-1α引起的〔31〕。

5 HIF-1α與心力衰竭

在心力衰竭中，HIF-1α對負荷過重引起的肥大心臟有保護作用，然而HIF-1α也在終末性心力衰竭中起致病作用，反映了HIF-1α在心力衰竭病理生理過程中起著復雜的作用〔25〕。

對急性失代償性心力衰竭患者的研究表明，HIF-1α水平與N端前腦鈉肽(NT-proBNP)水平呈正相關，與左心室射血分數和收縮壓負相關，高HIF-1α顯著增加急性失代償性心力衰竭患者住院死亡率〔32〕。HIF-1α抑制肌質網Ca-ATP酶2 mRNA的表達與心力衰竭的病理生理過程密切相關〔33〕。在慢性心力衰竭大鼠下丘腦室旁核內HIF-1α表達增加，其通過上調室旁核的谷氨酸能N-甲基-D-天冬氨酸受體，使交感神經興奮性增強，提示HIF-1α可能從神經調節方面促進慢性心力衰竭的持續進展。

6 展 望

為維持心肌持續高效運作，心肌需要通過各種途徑保證血氧供耗均衡。一旦調節失衡則導致包括心肌肥大、心力衰竭等在內的嚴重心臟功能障礙。HIF-1α在組織氧合不足時即被活化，與機體的氧供調節密切相關〔34〕。已知HIF-1能干預超過200個基因的表達，調控心肌細胞的自噬和凋亡過程，其主要作用于血管內皮細胞、血管平滑肌細胞和巨噬細胞，通過介導VEGF、NO、ROS和血小板衍生因子(PDGF)等表達，在內皮細胞功能恢復、血管生成、能量代謝中發揮重要作用，影響缺血性心臟病和心力衰竭等心臟疾病的發生發展。通過HIF-1α調節編碼血管生長和抗凋亡蛋白的基因，促進血管生成增加心肌供血以保護心肌細胞，使缺血缺氧心肌功能得以保留，其相關研究特別是基因治療有廣闊前景。

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