HIF-1相關信號通路及其在自身免疫性疾病中作用①

滑雅娜 魯芙愛 王永福

(包頭醫學院第一附屬醫院風濕免疫科，包頭醫學院風濕免疫研究所,包頭 014010)

1 HIF-1的結構、表達調控及生物學特性

1.1HIF-1的結構 HIF-1(Hypoxia inducible factor-1，HIF-1)即缺氧誘導因子-1，是由Semenza等[1]在1992年研究促紅細胞生成素基因表達的影響因素時，在缺氧誘導的細胞核提取物中發現的一類與缺氧應激相關的轉錄活性因子。HIF-1是由對氧敏感的HIF-1α亞基和組成型表達的HIF-1β亞基共同構成，兩個亞基的相對分子量分別為120 kD和91～94 kD，且這兩個亞基都含有基本的螺旋-環-螺旋(basic Helix-Loop-Helix，b HLH)和PAS (Per-Arnt-Sim)結構域，此結構域是兩亞基和DNA結合所必需的結構，屬bHLH-PAS超家族[2]。其中，HIF-1α存在于細胞質中，其蛋白表達受缺氧信號的調控，是應答缺氧應激的關鍵因子。也有研究發現在缺氧條件下，Northern blot檢測顯示，HIF-1α mRNA廣泛分布于機體組織中[3]。HIF-1β也稱為芳烴轉運蛋白，能穩定存在于胞漿或核質中，起結構性作用，其表達不受氧濃度影響而能穩定表達，并可與多種不同的bHLH-PAS蛋白異源二聚化[4]。

1.2HIF-1的表達調控 HIF-1的轉錄活性的強弱主要取決于HIF-1α的水平，而HIF-1α的蛋白穩定性和轉錄活性的程度則主要受細胞內氧濃度高低的影響。當機體處于正常氧分壓狀態時，HIF-1α可被氧依賴的脯氨酸羥化酶(Proline hydroxylase,PHDs)羥基化，由于半衰期很短，不足5 min，故極易被泛素-蛋白水解酶途徑降解，故而HIF-1α表達水平極低[5]。相反，當機體缺氧時，PDHs活性受到抑制，使得HIF-1α能大量聚集于胞質內而不被降解消耗。同時，低氧也可使HIF-1α的mRNA及蛋白表達上調，并增強HIF-1α的DNA結合活性。此時大量聚集的HIF-1α進入細胞核并與HIF-1β相結合，形成活化且可抗蛋白酶水解的穩定型異源二聚體HIF-1[6]。活化的HIF-1再進一步結合并激活特定的缺氧易感基因的缺氧反應元件(Hypoxia response element,HRE)并啟動其轉錄，繼而調控下游靶基因的表達，介導細胞缺氧適應性反應[7]。因此，靶向抑制蛋白水解酶復合體或減弱泛素依賴酶活性均可阻斷該過程。

1.3HIF-1的生物學特性 當機體發生缺氧相關的反應時，體內會形成以HIF-1為核心，聯合其上下游基因及產物組成復雜的缺氧調控網絡。通過直接或間接參與某些信號通路，調控相應靶基因的表達及調節細胞凋亡、細胞周期等途徑，使缺氧的細胞及組織能保持氧穩定及耐受低氧狀態。據報道，HIF-1所調控的靶基因近百種，涉及眾多方面，如缺氧代償性反應、免疫反應、新生血管的生成調節、細胞外基質纖維化、轉錄調控、物質運輸、能量代謝等，以增加組織的缺氧耐受力，使機體更好地適應低氧環境[8]，因此HIF-1有著潛在的臨床應用價值。

2 HIF-1相關的重要缺氧應激信號通路

眾所周知，缺氧對機體和細胞來說是種極其敏感的刺激。細胞通過氧感受器和信號轉導通路特異地調節某些基因或蛋白的表達，從而形成了復雜的氧化應激反應體系，以維持自身內環境的穩定狀態[9]。HIF-1是至今發現的唯一一個缺氧狀態下能特異性發揮活性的轉錄因子，在機體進行低氧調節時起著不可忽視的作用。近些年來，HIF-1介導的基因轉錄調控低氧方面的研究日益受到關注。HIF-1廣泛參與多條細胞信號通路，是介導缺氧信號的轉導中樞[10]。其主要機理為低氧可增加HIF-1α的穩定性，并可促進HIF-1與HRE的結合，從而誘導低氧敏感型靶基因激活，進一步促使細胞對缺氧做出反應。此外，HIF-1通路和其他信號通路間也存在交叉調節，這樣就形成了HIF-1介導的細胞低氧應答通路的特異性和多樣性[11]。

2.1PI-3K/Akt/HIF-1通路 磷脂酰激醇3-激酶(Phosphatidylinositol-3 kinase，PI-3K)信號通路主要與細胞增殖及凋亡有關。Chen等[12]研究發現缺氧狀態下，PI-3K可被激活并與下游的Akt結合，使Akt發生磷酸化。磷酸化的Akt可增強HIF-1α的活性，從而啟動HIF-1相關的靶基因轉錄，最終使細胞增殖能力增強而細胞凋亡受到抑制。由于糖酵解過程中的某些轉運體及相關的酶可能是該通路下游的作用位點，所以該途徑的發生與細胞的糖酵解過程存在一定的關系[13]。另外，有研究發現，在生理狀態下，亞砷酸鹽可通過激活PI-3K/Akt，使HIF-1α蛋白表達上調，進一步增加HIF-1的轉錄活性[14]。這些發現表明HIF-1與PI-3K/Akt信號通路間存在密切關系，而這在感染、免疫等疾病的治療中有潛在的研究價值。

2.2MAPK/HIF-1信號通路 絲裂原活化蛋白激酶(Mitogen-activated protein kinase，MAPK)具有促進細胞增殖、抗凋亡的作用，細胞外信號調節激酶(Extracellular regulated kinase，ERK)屬于MAPK蛋白家族[15]。Huang等[16]研究發現缺氧刺激下，細胞內的ERK可發生磷酸化(p-ERK)，此時檢測到細胞內HIF-1的表達水平也顯著升高。體外及體內實驗中均有研究證實，活化的MEK1/ERK可使HIF-1α磷酸化，進而影響HIF-1轉錄活性[17]。另外，還有研究認為PI-3K/Akt和MAPK信號通路可以協同調節HIF-1的表達[18]。因而可推斷MAPK信號通路可通過調控HIF-1的表達而在某些疾病中發揮作用，但其具體機制仍需進一步研究。

2.3HIF-1相關的其他信號通路 除了上述信號通路外，研究發現HIF-1介導的缺氧適應性信號通路與NF-κB相關的炎癥信號通路間也存在一定的相關性。有文獻證實炎癥刺激因子等可通過調節NF-κB依賴的炎癥信號通路來增強HIF-1基因及蛋白水平的表達[19]。Jiang等[20]在研究慢性阻塞性肺病(Chronic obstructive pulmonary diseases，COPD)的發病機制時發現，HIF-1通過激活NF-κB信號通路加速COPD的進展。還有研究發現腎透明癌細胞中的希佩爾林道病腫瘤抑制蛋白(protein von Hippel-Lindau,pVHL)表達增強，導致HIF-1α和血管內皮生長因子(Vascular endothelial growth factor，VEGF)的表達減少，最終抑制癌細胞增殖、轉移及血管再生[21]。Liu等[22]則發現熱休克蛋白90(Heat shock proteins 90，Hsp90)在低氧狀態下能與HIF-1α的bHLH-PAS 結構域結合，激活HIF-1α的表達，而阻止HIF-1α被泛素化降解，進而調節其下游靶基因。

此外，還有研究發現，細胞生命活動相關的轉錄因子Myc及Notch信號通路與HIF-1之間在機體的低氧反應也存在相互作用。機體缺氧時，HIF-1α激活并阻礙Myc靶基因的表達，負性調控細胞周期及DNA修復相關的基因表達，從而影響細胞的生長[23]。而研究中發現活化的HIF-1可誘導Notch的靶基因Hey1和Hey2表達，而當Hey1和Hey2表達到一定程度時，可反過來抑制HIF-1的表達，這種負反饋回路使機體避免發生缺氧損傷[24]。上述結果表明HIF-1通路和其他信號通路在低氧調節過程也存在相互調節作用。

3 與HIF-1相關的自身免疫病

3.1HIF-1與類風濕關節炎 類風濕關節炎(Rheumatoid arthritis，RA)是一種以持續而對稱性滑膜炎癥、關節畸形和骨質破壞以及全身其他系統受累為特征的慢性炎性疾病[25]。RA作為自身免疫性疾病中最常見的一種，其病因復雜多樣，發病機制目前尚未完全闡明。近年來許多研究均發現HIF-1在RA發病中發揮一定的作用。Hu等[26]在研究RA患者滑膜成纖維細胞(Rheumatoid arthritis synoviol fibroblasts，RASFs)與T/B細胞間的相互作用時發現，RA患者的關節炎癥有明顯的低氧性表現，而且檢測到RA患者的RASFs中HIF-1α的表達較對照組上調。HIF-1使RASFs與T/B細胞之間存在持續相互作用，以誘導炎性細胞因子和自身抗體產生，從而加劇RA的發展。這與其在前期研究時發現HIF-1過表達后能夠促進RASFs介導的炎性Th1和Th17細胞的生成，從而激發TLR誘導RA炎癥發生的結論相一致[27]。同樣，Hu等[28]研究也發現HIF-1在RA患者的RASFs中表達增加，可能是HIF-1通過增強了IL-8、IL-33、MMP和VEGF在RASFs中的表達，加劇炎癥、軟骨破壞及血管生成而參與RA的發病。因而針對HIF-1進行靶向治療的研究，可為克服RA持續性發展提供新的策略。

3.2HIF-1與系統性紅斑狼瘡 系統性紅斑狼瘡(Systemic lupus erythematosus，SLE)是以機體不明原因反復產生多種復雜的自身抗體、補體系統激活以及免疫復合物沉積為主要特征的慢性多系統受累的一類AID[29]。而且長期使用糖皮質激素和免疫抑制劑治療SLE可引起嚴重的副作用，因而針對SLE發病機制的研究也相繼增加。一些研究發現HIF-1參與SLE的發病過程，如Elshikha等[30]在研究α-1抗胰蛋白酶對SLE患者的樹突細胞(Dendritic cell，DC)分化和功能的影響時發現，SLE患者體內pDC可產生IFN-γ，IFN-γ不僅可使HIF-1α蛋白表達上調，而且還能促使HIF-1α進入細胞核，從而加速SLE的病情發展。此外，還有研究報道HIF-1可通過影響Th17和Treg細胞的比例，進而使兩者在功能上發生免疫失衡，從而誘導SLE的發病[31]。Feng等[32]在觀察SLE患者腎細胞中誘導增殖相關信號蛋白1的作用機理時發現，該蛋白表達上調并可下調HIF-1α mRNA的表達水平。從而推斷，該蛋白可能是通過調控HIF-1α的表達而使SLE患者的腎臟發生病理變化。這提示HIF-1α可能是SLE新的診斷標志物。Huang等[33]在探討SLE患者外周血單核細胞中miR-210的表達水平時發現，機體處于低氧條件時，miRNA-210通過調控HIF-1α的表達和Th17細胞的分化而破壞SLE患者的機體功能，這也提示HIF-1可能參與了SLE的病情發展。盡管目前基于HIF-1在SLE的治療方面的應用尚少，但對SLE中HIF-1作用的深入研究將為開展以HIF-1為靶點的SLE治療奠定循證醫學基礎。

3.3HIF-1與強直性脊柱炎 強直性脊柱炎(Ankylosing spondylitis，AS)是一種以侵犯中軸骨關節和韌帶附著處為主的關節性自身免疫類疾病[34]。其發病機制復雜且血清學檢查陰性，病理學以滑膜不同程度的增生、血管翳形成以及關節侵蝕為主要特點[35]。在AS的發病過程中，多種原因可導致骨關節炎癥反應，使得大量炎癥細胞生成及浸潤導致局部缺氧，進而促進血管新生。其中VEGF作為血管源性因子的一種，能刺激血管內皮細胞產生蛋白酶及纖溶酶原催化劑，進而誘導新生血管的產生[36]。而Wang等[37]在研究他汀類藥物在腫瘤治療中的作用機理時發現，在VEGF基因上存在著能與HIF-1α相互作用的結合位點HRE。因而當機體缺氧時，VEGF可誘導活化的HIF-1α與其相結合形成轉錄起始復合物，啟動相應靶基因的轉錄，同時HIF-1α也反過來增強VEGF基因的表達及其表達產物的穩定性，從而構成正反饋調節，不斷促進新生血管的形成。新生血管翳的不斷充填，可繼發產生肉芽組織，逐層破壞軟骨及骨組織，形成侵蝕性骨缺損而促進AS的發展。此外，多種細胞、炎癥因子如TNF、IL等在AS的病程中同樣發揮著重要作用[38]，而Lv等[39]在探索了缺氧對肺成纖維細胞的影響時發現，缺氧時HIF-1能促進上述因子表達進而加速肺纖維化的進程。這些結果均提示靶向抑制HIF-1α的活性，具有治療人類AS的潛力。

4 結語

綜上所述，HIF-1可能通過多種方式參與AID的發生和發展。然而，HIF-1在AID發病機制中的具體作用仍然不確定。因此，對HIF-1及其上下游的調節基因進行深入研究，必將為AID的病因學研究和防治提供新的思路。下一步將會對HIF-1的抑制劑在AID中的治療效果和機制進行探討性研究，相信會為AID的診斷和治療提供更有力的研究基礎和廣闊的臨床應用前景。