HIF-1α及其相關(guān)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路在疾病中的研究進(jìn)展①

朱 培 唐夢燕 閆東梅

(吉林大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院免疫學(xué)系,長春 130021)

1 HIF-1α的結(jié)構(gòu)及功能

缺氧誘導(dǎo)因子-1(hypoxia inducible factor-1，HIF-1)最初是由Semenza在1991年研究促紅細(xì)胞生成素(EPO)基因時發(fā)現(xiàn)的，由HIF-1α和HIF-1β兩個亞基組成的異二聚體轉(zhuǎn)錄因子[1，2]。這兩個亞基均具有堿性-螺旋-環(huán)-螺旋(bHLH)基序[3]。 其中HIF-1α分子大小約為120 kD[4]，是氧敏感亞基，低氧條件下可被誘導(dǎo)表達(dá)并累積。HIF-1β分子大小為91～94 kD,是組成型，不受低氧條件影響。HIF-1β與HIF-1α結(jié)合移位至細(xì)胞核，并與缺氧反應(yīng)元件HRE結(jié)合[2]。

HIF-1α在體內(nèi)普遍表達(dá)，但在正常氧的情況下，HIF-1α的ODDD區(qū)的兩個脯氨酸殘基(P402/P564)被脯氨酰-4-羥化酶(PHD)羥基化,賴氨酸(K532)可被乙酰轉(zhuǎn)移酶ARD-1乙酰化，具有羥基化P402/P564和乙酰化K532修飾的HIF-1α亞基被pVHL識別，并被泛素化標(biāo)記最終被降解。在缺氧及炎癥情況下，PHD及ARD-1水平較低，HIF-1α脯氨酸和賴氨酸殘基不會被羥基化和乙酰化，使HIF-1α結(jié)構(gòu)穩(wěn)定化并與HIF-1β結(jié)合為異源二聚體入核，招募p300并識別基因上的HRE序列，與之結(jié)合啟動下游基因如炎癥因子白介素1β(IL-1β)、糖酵解相關(guān)酶乳酸脫氫酶A(LDHA)、丙酮酸激酶(PKM)以及促血管生成因子血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)等基因的轉(zhuǎn)錄[5]并激活相關(guān)信號通路。

2 HIF-1α相關(guān)信號通路

HIF-1α不僅能維持正常機(jī)體的氧氣及其相關(guān)功能的穩(wěn)態(tài)，其在腫瘤發(fā)生發(fā)展、炎癥及各種缺氧性疾病中都具有一定影響。大量研究表明HIF-1α在多種腫瘤及炎癥、缺氧細(xì)胞中過表達(dá)，且在這些相關(guān)疾病的發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮不可替代的作用。HIF-1α是一個轉(zhuǎn)錄因子，受多種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子如PI3K/AKT/mTOR、SIRT3/ROS的調(diào)控，而HIF-1α又調(diào)控多種基因的轉(zhuǎn)錄，如調(diào)節(jié)糖酵解、促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖、遷移和血管生成[6]，在細(xì)胞增殖、凋亡和分化過程中發(fā)揮重要作用。HIF-1在免疫炎癥反應(yīng)中也起重要的作用，參與機(jī)體中多種正常應(yīng)激及病理情況的發(fā)生發(fā)展。本文將根據(jù)功能分類描述HIF-1α參與的信號通路。

2.1HIF-1α與細(xì)胞增殖

2.1.1PI3K/AKT/mTOR/HIF-1α途徑 磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)信號通路在代謝、炎癥、細(xì)胞存活、運(yùn)動和癌癥進(jìn)展等多種細(xì)胞過程中起作用。磷酸肌醇3-激酶/蛋白激酶B/哺乳動物雷帕霉素靶點(diǎn)(PI3K/AKT/mTOR)途徑及HIF-1信號轉(zhuǎn)導(dǎo)是糖酵解、腫瘤細(xì)胞增殖的重要機(jī)制。PI3K/AKT/mTOR途徑能夠促進(jìn)HIF-1α的表達(dá)及穩(wěn)定。相關(guān)研究表明，血小板衍生生長因子受體PDGF能夠通過激活肺功能平滑肌細(xì)胞中的PI3K/AKT/mTOR/HIF-1α 的上游促進(jìn)其增殖和遷移[7，8]。

2.1.2HIF-1α/Wnt/β-catenin途徑 缺氧提高了神經(jīng)干細(xì)胞(NSCs)的增殖和HIF-1α、β-連環(huán)蛋白及細(xì)胞周期蛋白D1的水平。阻斷Wnt信號傳導(dǎo)途徑減少了缺氧誘導(dǎo)的NSC增殖，而該途徑的激活增加了缺氧誘導(dǎo)的NSC增殖。研究表明，用HIF-1α siRNA敲低HIF-1α能降低β-連環(huán)蛋白核轉(zhuǎn)位和細(xì)胞周期蛋白D1的表達(dá)，并抑制NSC的增殖。病理性缺氧通過增加HIF-1α的表達(dá)和激活Wnt/β-catenin信號通路來刺激NSC增殖。這說明HIF-1α/Wnt/β-catenin途徑可能在NSC增殖中起關(guān)鍵作用[9]。

2.2HIF-1α與細(xì)胞轉(zhuǎn)移和侵襲

2.2.1HIF-1α/HDAC1/Slug途徑 死亡域相關(guān)蛋白(Daxx)通過抑制HIF-1α/HDAC1/Slug途徑負(fù)向調(diào)節(jié)缺氧誘導(dǎo)的細(xì)胞傳播和侵襲。Daxx直接結(jié)合Slug的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，阻止組蛋白脫乙酰酶1(HDAC1)募集和拮抗Slug E-box結(jié)合。這反過來刺激E-鈣粘蛋白和occludin表達(dá)，并抑制Slug介導(dǎo)的上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)和細(xì)胞侵襲。在缺氧條件下，穩(wěn)定的HIF-1α下調(diào)Daxx表達(dá)并促進(jìn)癌癥侵襲，而Daxx的重新表達(dá)抑制缺氧誘導(dǎo)的癌癥侵襲。 Daxx還在原位肺轉(zhuǎn)移小鼠模型中抑制Slug介導(dǎo)的肺癌轉(zhuǎn)移[10]。

2.2.2TRAF6-ATM-H2AX/HIF-1α途徑 腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子6 (TRAF6)是缺氧靶標(biāo)，腫瘤微環(huán)境的缺氧條件促進(jìn)TRAF6 mRNA表達(dá)及自身的泛素化和HIF-1α及其信號傳導(dǎo)的激活。TRAF6被激活后招募共濟(jì)失調(diào)-毛細(xì)血管擴(kuò)張突變基因(ATM)驅(qū)動γH2AX形成在缺氧時轉(zhuǎn)錄激活的先決條件。H2AX調(diào)節(jié)HIF-1α信號傳導(dǎo)、癌細(xì)胞糖酵解和腫瘤發(fā)生[11]。TRAF6-ATM-H2AX信號軸通過促進(jìn)HIF-1α活化，促進(jìn)腫瘤的發(fā)生和轉(zhuǎn)移。

2.2.3NF-κB/HIF-1α/miR-210途徑 肝再生磷酸酶-3(PRL-3)為蛋白酪氨酸磷酸酶超家族成員,研究表明其與多種腫瘤的遷移、侵襲及預(yù)后密切相關(guān)。有研究表明，在胃癌組織和細(xì)胞中，miR-210的水平與PRL-3的表達(dá)水平顯著正相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)PRL-3通過促進(jìn)p65的磷酸化激活NF-κB信號通路上調(diào)HIF-1α 和miR-210水平[12]，且PRL-3在胃癌遷移侵襲中的作用依賴于P65/NF-κB/HIF-1α/miR-210途徑。說明NF-κB/HIF-1α/miR-210途徑在胃癌遷移侵襲過程中起重要作用。

2.3HIF-1α與血管生成 HIF-1α/VEGF途徑在缺氧環(huán)境中，HIF-1α水平增加并上調(diào)各種促血管生成因子尤其是VEGF，從而誘導(dǎo)血管生成。有研究表明，缺氧能夠誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞(EC)產(chǎn)生大量的TNF-1α，而低密度脂蛋白(LDL)能夠通過下調(diào)TNF的受體阻斷TNF-α/NF-κB/HIF/VEGF通路減輕缺氧誘導(dǎo)的血管生成[13]。這為LDL抗血管生成提供了理論依據(jù)。此外缺氧促進(jìn)促紅細(xì)胞生成素(EPO)的產(chǎn)生，增加骨髓中紅細(xì)胞、VEGF及血管生成，改善機(jī)體組織缺氧情況[14]。研究表明VEGF的產(chǎn)生能夠負(fù)反饋調(diào)節(jié)HIF-1α。這條途徑在缺氧及炎癥中發(fā)揮重要調(diào)控作用。且研究發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞中的PHD/VHL/HIF途徑還可以誘導(dǎo)骨中的EPO，提高血細(xì)胞比容，并保護(hù)小鼠免受應(yīng)激誘導(dǎo)的貧血。

2.4HIF-1α與糖酵解 糖酵解途徑中HIF-1的靶標(biāo)包括葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(GLUT1)、GLUT3和HK1、HK2、磷酸果糖激酶肝型(PFK-L)、醛縮酶A和C(ALD-A，ALD-C)、磷酸甘油酸激酶1(PGK1)、烯醇酶α(ENO-α)、PKM2、乳酸脫氫酶A(LDH-A)和果糖2,6雙磷酸酶(PFKFB-3)[15]。由于這些酶在糖酵解途徑中都至關(guān)重要，而HIF-1α是其重要的轉(zhuǎn)錄因子，所以HIF-1α在糖酵解途徑中起到?jīng)Q定性作用。眾多研究表明，HIF-1α高表達(dá)的細(xì)胞中，糖酵解水平明顯增加。此外，對免疫細(xì)胞及免疫反應(yīng)具有一定的影響。有研究者認(rèn)為，免疫細(xì)胞的激活和表型轉(zhuǎn)換與HIF-1α之間有緊密聯(lián)系[16，17]。有研究表明糖酵解增加T輔助細(xì)胞因子表達(dá)，且HIF通過TCR或細(xì)胞因子刺激促進(jìn)T輔助細(xì)胞中的糖酵解及細(xì)胞因子的產(chǎn)生，而Tfh細(xì)胞缺乏HIF后，IFN-γ分泌減少，表明HIF在體液反應(yīng)過程中必不可少[18]。且HIF-1α對腫瘤的部分促進(jìn)作用也是通過影響糖酵解來實(shí)現(xiàn)的[19，20]。

2.5HIF-1α與氧化應(yīng)激 SIRT3/ROS/HIF-1α途徑：線粒體去乙酰化酶3(SirT3)在維持細(xì)胞代謝穩(wěn)態(tài)中起重要作用，其變異能夠延長壽命。SirT3可以通過抑制活性氧(ROS)間接抑制HIF-1α活性，也可以直接降低HIF-1α的穩(wěn)定性[21]。SirT3敲低增加了異種移植模型中的腫瘤發(fā)生，SirT3的過表達(dá)抑制缺氧中HIF-1α蛋白的穩(wěn)定并減弱HIF-1α轉(zhuǎn)錄活性[22]。表明SirT3可以通過抑制ROS和HIF-1α來抑制腫瘤的生長。

2.6HIF-1α與其他 VHL-HIF1α途徑 E3泛素連接酶VHL能使HIF-1α泛素化并導(dǎo)致HIF-1α降解。VHL在HIF-1α的穩(wěn)定及活性中發(fā)揮重要作用。VHL的丟失可增加ILC2細(xì)胞中HIF-1α的表達(dá)并促進(jìn)糖酵解，且VHL-HIF1α途徑可以通過調(diào)控ST2表達(dá)及IL-33-ST2途徑來影響ILC2細(xì)胞的分化及成熟[23]，進(jìn)而影響免疫反應(yīng)。表明HIF-1α對細(xì)胞表型分化及功能有重要影響，而VHL在其中起到調(diào)控作用。

3 HIF-1α在疾病中的研究進(jìn)展

由于HIF-1α存在廣泛，在機(jī)體正常及病理情況下都發(fā)揮重要作用。其在腫瘤發(fā)生發(fā)展、炎癥產(chǎn)生、消退及各種缺氧性疾病中都有一定影響。以下是HIF-1α在幾種疾病中的機(jī)制研究進(jìn)展。

3.1HIF-1α在腫瘤中的研究進(jìn)展 由于腫瘤微環(huán)境中的胰島素、胰島素樣生長因子(IGF)-1、IGF-2、v-Src、乳酸、丙酮酸和遺傳改變(如癌基因激活或腫瘤抑制基因失活)，HIF-1α在多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤、成血管細(xì)胞瘤、結(jié)腸腺癌、肺癌、前列腺癌和乳腺癌亞型中表達(dá)上調(diào)，促進(jìn)腫瘤的遷移、侵襲和血管生成，調(diào)節(jié)pH和葡萄糖代謝，從而促進(jìn)腫瘤的發(fā)生、發(fā)展[24]。有研究表明HIF-1α或許能作為多種腫瘤的靶點(diǎn)來干預(yù)腫瘤的治療。缺氧誘導(dǎo)肝癌組織表達(dá)HIF-1α及免疫抑制，但沉默HIF-1α的Hepa1-6肝癌移植瘤的生長及浸潤明顯受到了抑制，且逆轉(zhuǎn)了肝癌免疫抑制[25]。

HIF-1α能夠通過誘導(dǎo)miR-23a～27a～24簇影響細(xì)胞代謝促進(jìn)結(jié)腸直腸癌發(fā)生發(fā)展[26]。研究表明PI3K/AKT/mTOR/HIF-1α信號傳導(dǎo)級聯(lián)的激活促進(jìn)愛潑斯坦-巴爾病毒(epstein-barr virus，EBV)誘導(dǎo)血管生成擬態(tài)(vasculogenic mimicry，VM)形成。一旦VM形成，便會誘導(dǎo)EBV相關(guān)的上皮癌EBVaGC 發(fā)生[27]。腫瘤抑制因子HOXA9可以通過負(fù)調(diào)節(jié)HIF-1α及其下游糖酵解調(diào)節(jié)因子HK2，GLUT1和PDK1，在體外和體內(nèi)抑制細(xì)胞中的糖酵解來干預(yù)皮膚鱗狀細(xì)胞癌[28]。有研究發(fā)現(xiàn)可以通過靶向線粒體呼吸及HIF-1α來逆轉(zhuǎn)TNBC乳腺癌化療的耐藥性[29]。近年對以HIF-1為靶點(diǎn)的藥物研究主要分基因療法和藥物療法兩類。在針對腫瘤的治療中體現(xiàn)出顯著的效果，能夠有效降低腫瘤的耐藥性，增加腫瘤細(xì)胞對化療藥物的敏感性，并有效抑制腫瘤中的血管生成。但目前有效的抑制劑沒有直接靶向HIF-1的，大多是通過抑制HIF-1的轉(zhuǎn)錄、活性或與其他基因片段或蛋白的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)的。所以對靶向HIF-1的藥物研究還需要拓寬思路進(jìn)行更深一步的研究。

3.2HIF-1α在炎癥中的研究進(jìn)展 炎癥部位的多種免疫細(xì)胞中都高表達(dá)HIF-1α。缺氧誘導(dǎo)的HIF-1α抑制中性粒細(xì)胞凋亡，且HIF-1α在中性粒細(xì)胞殺菌活性的調(diào)節(jié)中起作用，其能夠通過介導(dǎo)免疫細(xì)胞基礎(chǔ)代謝重編程促進(jìn)先天免疫功能，HIF-1α還影響免疫細(xì)胞的募集、遷移、吞噬、殺傷等功能，在炎癥發(fā)生及消退過程中都發(fā)揮重要作用。羥化酶抑制劑可通過激活HIF-1α途徑而發(fā)揮抗炎作用，其已于多種炎性疾病模型中應(yīng)用[30]。

3.3HIF-1α在其他相關(guān)疾病中的研究進(jìn)展 研究發(fā)現(xiàn)HIF-1α在缺氧性肺動脈高壓形成中起關(guān)鍵作用。持續(xù)低氧可導(dǎo)致大鼠肺動脈高壓形成,同時HIF-1α的表達(dá)也明顯增加[31]。大腦對低氧十分敏感,大量實(shí)驗(yàn)證明，任何氧濃度降低的情況都可誘導(dǎo)HIF-1α大量表達(dá)。在全腦缺血模型、局灶性腦缺血模型中均發(fā)現(xiàn)HIF-1α濃度在缺血缺氧后的腦組織中顯著增加,從而促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞的凋亡，加重動物腦缺血模型的腦損傷，這可能與HIF-1α過表達(dá)誘導(dǎo)了促凋亡調(diào)節(jié)蛋白BCL2/腺病毒E1B結(jié)合蛋白3BNIP3的表達(dá)有關(guān)[32，33]。

HIF-1α對類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎(rheumatoid arthritis，RA)、動脈粥樣硬化(atherosclersis，AS)、自身免疫性疾病的發(fā)生也有影響。HIF-1α可能與RA的發(fā)生和發(fā)展有關(guān),但其在RA組織中具體的功能和調(diào)控機(jī)理尚不清楚。研究表明琥珀酸能夠通過代謝重編程和HIF-1α/VEGF軸誘導(dǎo)RA中的滑膜血管生成[34]，中藥新風(fēng)膠囊能夠通過PI3K/AKT/mTOR/HIF-1α途徑明顯降低 RA患者關(guān)節(jié)腫痛等癥狀，改善滑膜血管新生[35]。HIF-1α是AS的重要調(diào)控因子，AS部位巨噬細(xì)胞浸潤且高表達(dá)HIF-1α,促進(jìn)動脈粥樣硬化。病變中，HIF-1α誘導(dǎo)TSP-1形成，導(dǎo)致血管平滑肌遷移，是血管損傷及狹窄的主要原因[36]。由于HIF-1α影響免疫細(xì)胞表型及功能，其在自身免疫性疾病的發(fā)生中也發(fā)揮重要作用。研究表明，HIF-1α是自身免疫疾病中B細(xì)胞產(chǎn)生IL-10的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子[37]。以上結(jié)果提示，可以通過調(diào)節(jié)HIF-1α轉(zhuǎn)錄、表達(dá)及穩(wěn)定來控制疾病的發(fā)生發(fā)展。

4 小結(jié)

HIF-1α在機(jī)體中普遍存在，但在常氧條件下易被降解，幾乎檢測不到，在缺氧情況下才能檢測的到其蛋白形式。HIF-1α是重要的轉(zhuǎn)錄因子，影響細(xì)胞的增殖、凋亡及代謝。在腫瘤、炎癥、缺血缺氧性疾病及免疫相關(guān)疾病中發(fā)揮重要作用。目前雖然有靶向HIF-1α的藥物，但是沒有直接針對HIF-1α的抑制劑或激動劑。作為重要的轉(zhuǎn)錄因子，HIF-1α還有更多的未知功能需要探索，尤其是其在免疫細(xì)胞中的作用，HIF-1α可以通過哪些途徑來調(diào)控免疫細(xì)胞的表型及功能還需進(jìn)一步探討，為臨床藥物的研發(fā)提供更多的思路及理論支持。