缺氧誘導因子-1在心血管疾病中的作用機制研究進展

胡松青 池菊芳 郭航遠

隨著全球人口老齡化加劇，心血管疾病發病率逐年增加，特別是對于70歲以上的老年人，冠心病占總死亡人數的40%以上，占過早死亡人數的85%以上，心血管疾病在世界范圍內是主要的死亡原因。缺氧誘導因子-1（hypoxia-inducible factor-1,HIF-1）是轉錄因子HIF家族的一員，被廣泛認為是治療多種疾病的關鍵，包括癌癥、哮喘等[1]。HIF-1也參與了心血管疾病的發展，本文就HIF-1在心血管疾病中的作用機制研究進展作一綜述。

1 HIF-1概述

HIF-1是對缺氧條件作出反應的關鍵轉錄因子，該轉錄因子是由兩個亞基組成的異源二聚體：非氧敏感性的HIF-1β和氧敏感性的HIF-1α[2]。HIF-1β可以與多種蛋白質結合，從而形成異源二聚體。HIF-1α是缺氧信號通路的主要調節因子，在心血管疾病中的作用較普遍。生理狀態下，HIF-1α被脯氨酸羥化酶（prolyl hydroxylase domain,PHD）羥化，進而被Von Hippel-Lindau泛素連接酶系統識別而降解[3]。缺氧狀態下，PHD的抑制促使HIF-1α蛋白穩定而不被降解，HIF-1α轉移到細胞核中與HIF-1β形成異源二聚體，并與基因組缺氧反應元件（hypoxia responsive element,HRE）結合影響靶基因轉錄[1]。HIF-1α調控的靶基因包括血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor,VEGF）編碼基因、促紅細胞生成素編碼基因、葡萄糖轉運體編碼基因等，在細胞缺氧、氧化應激以及炎癥中均發揮重要作用。一般認為，在缺氧條件下HIF-1α可減少細胞耗氧量，減少活性氧（reactive oxygen species,ROS）的產生，改善心肌細胞群的供氧。

2 HIF在心血管疾病中的作用機制

2.1 血管內皮損傷與功能障礙 內皮細胞也稱為血管內皮細胞，其在控制血管內外物質交換，維持血栓形成與溶解之間的平衡，以及調控血管生成與血管張力大小等方面發揮作用，血管內皮損傷與許多心血管疾病的發生有著密切聯系。

HIF-1α在血管內皮損傷中起作用。Yang等[4]采用缺氧誘導人臍靜脈內皮細胞（human umbilical vein endothelial cells,HUVECs）模擬缺氧誘導的血管內皮損傷，發現缺氧狀態下的HUVECs中HIF-1α表達增加。進一步實驗證實該效應是由于轉錄因子SP-1的表達上調導致HIF-1α的上游因子miR-135b表達下降所引起。該實驗第一次闡明了SP-1/miR-135b/HIF-1α軸在缺氧誘導的血管內皮損傷中發揮作用。先前已有研究表明，Sirtuin1的激活可以通過降低HIF-1α的表達產生生物學作用[5]。值得一提的是，Liu等[6]在糖尿病模型中證實Sirtuin1的激活通過增加HIF-1α的表達來保護糖尿病心臟免受缺血再灌注損傷。上述不同效應可能是由于Sirtuin1對于HIF-1α的作用存在組織及疾病特異性。

Sarkar等[7]的研究表明，HIF-1在心肌缺血預處理（ischemic preconditioning,IPC）的過程中發揮作用，與之相關的轉錄調控被視為IPC誘導的心臟保護作用的主要機制。上述保護作用是由腺苷-A2BR信號通路介導的[8]。而先前已有研究表明，Gq-PKC信號通路可在常氧條件下誘導HIF-1α蛋白[9]。Hesse等[10]從心肌梗死（myocardial infarction,MI）大鼠模型的心臟表面分離出心外膜基質細胞，在常氧條件下培養后證實腺苷是通過A2BR偶聯的Gq-PKC信號傳導來誘導HIF-1α蛋白。可見，腺苷-A2BR/Gq-PKC/HIF-1α軸是治療缺氧相關疾病的潛在作用靶點。

2.2 心肌纖維化 心肌纖維化是多種心血管疾病發展到一定階段的共同病理改變，其特征為成纖維細胞聚集和細胞外基質過度沉積導致的心肌重構、心功能受損以及心室僵硬度增加。

HIF-1α參與到心肌纖維化中，并在其中起著推動作用。Sui等[11]研究表明，HIF-1α可通過影響Smad信號分子協同增強轉化生長因子（transforming growth factor,TGF）-β1的心肌纖維化作用，抑制HIF-1α可顯著減輕心肌纖維化。Feng等[12]的實驗進一步揭示了HIF-1α與Smad信號分子在心臟纖維化中的聯系，過表達HIF-1α的心臟成纖維細胞（cardiac fibroblasts,CFs）中 Smad2、p-Smad2、Smad3和 p-Smad3蛋白表達增加，Smad7蛋白表達減少，而Smad4蛋白表達無顯著改變。當用miR-122-5p模擬物處理過表達HIF-1α的CFs后，HIF-1α和Smad信號分子的表達水平發生逆轉，表明miR-122-5p可以抑制HIF-1α介導的Smad信號分子的表達。

有研究表明，HIF-1α對心臟纖維化有一定程度的保護作用。Sun等[13]通過給MI大鼠尾靜脈注射HIF-1α過表達的外泌體，觀察干預28 d后的心肌組織發現，相比注射普通外泌體組和PBS組，注射HIF-1α過表達的外泌體組左心室橫截面積中纖維化面積百分比和左心室內膜纖維化長度均顯著減少。Janbandhu等[14]發現特異性敲除CFs中的HIF-1α基因會導致MI后CFs增殖增加，從而加重了MI后的纖維化程度，同樣證明HIF-1α在MI后的纖維化過程中起到一定保護作用。進一步的研究發現，上述保護作用可能是CFs中的HIF-1α通過調節線粒體中的ROS，從而影響AKT/MAPK信號通路的表達，以阻礙CFs的增殖，使MI后成纖維細胞不會過度增殖導致纖維化。這為心臟的安全防護提供了新的藥物靶點和治療方向。

2.3 心肌肥厚 心肌肥厚是由多種病理性刺激因素引起的心肌細胞在長期壓力負荷下的一種適應性反應[15]，以維持心臟后負荷持續增加時的心臟收縮功能，其基本細胞形態學改變及病理改變為心肌細胞肥大。

HIF-1α參與心肌肥厚過程，并起到促進作用，有報道表明SOX9參與其中，導致HIF-1的最終激活[16]。Yan等[17]研究發現，HIF-1α在心肌細胞中可由Siat7A誘導，并通過激活TAK1-NF-κB信號通路來加重血管緊張素Ⅱ（angiotensinⅡ,AngⅡ）誘導的大鼠心肌肥厚。在AngⅡ誘導的小鼠心肌肥厚模型中，Cbl蛋白作為一種重要的泛素蛋白連接酶，在肥厚心肌組織中呈高表達，進一步實驗證實Cbl蛋白促進了HIF-1α的表達并加重了AngⅡ誘導的心肌肥厚[18]。此外芹菜素被證實可抑制H9C2細胞中HIF-1α的表達，并改善由AngⅡ引起的心肌肥厚[19]。

Kumar等[20]證實，缺氧誘導有絲分裂因子（hypoxia-induced mitogenic factor,HIMF）在心肌肥厚中起重要作用，其分子機制涉及到HIF-1α。在乳鼠心肌細胞中，HIMF過表達能增加HIF-1α的表達，而抑制HIMF能抑制HIF-1α的上調。敲除HIF-1α能減弱HIMF導致的心肌細胞肥大從而抑制心肌肥厚，這或許能成為治療心肌肥厚的潛在靶點。上述研究表明，HIF-1α在心肌肥厚組織中的表達增加，可作為心肌肥厚的潛在標志物，但HIF-1在心臟肥厚中的作用機制仍不明確。

2.4 心肌細胞凋亡 心肌細胞凋亡是細胞凋亡在心臟中的表現，因增殖能力有限，心肌細胞不能通過有效的細胞增殖來擴增，所以心肌細胞的異常凋亡可導致心臟疾病。一般認為，缺氧會導致HIF-1誘導血管生成基因，促進血管生成，從而減輕缺氧對組織的損傷。Naito等[21]的研究表明HIF-1通過下調Hsp70相互作用蛋白的羧基末端，導致p53積累進而引起心肌細胞凋亡。而p53可以與HIF-1結合并抑制其活性[22]。也就是說，HIF-1既可以通過血管生成途徑起到一定程度的保護作用，又可以通過p53途徑促進細胞凋亡，而p53的積累卻從源頭上抑制HIF-1。這種p53的負反饋作用在腫瘤中能一定程度抑制腫瘤新生血管，并且通過p53介導的腫瘤細胞凋亡來抑制腫瘤生長。但在心臟中，會使缺氧情況惡化。在細胞實驗中，當細胞暴露于低氧環境24 h，HIF-1α將促進心室肌細胞的凋亡。因此需要更多的實驗來探索HIF-1對心肌細胞起保護作用的條件，以更好地應用于臨床。此外Yang等[23]還證實過表達HIF-1可以保護CFs免受凋亡，同時伴有Bax下調和Bcl-2上調。

2.5 自噬 自噬是一種由溶酶體介導的降解途徑，可消除受損的蛋白質和細胞器，參與多種生理過程。越來越多的研究表明，缺氧/缺血會導致心臟自噬功能障礙，恢復受損的自噬通量可以減輕心肌因缺氧/缺血受損的程度[24]。因此，恢復自噬功能是治療缺氧/缺血性損傷的一種有前景的治療方法。以往的研究表明，HIF-1α/BNIP3信號通路在腫瘤和腎臟細胞中誘導自噬。最近在心臟缺血再灌注模型中的研究表明，缺氧/缺血條件促進HIF-1α表達，HIF-1α/BNIP3信號通路在缺氧誘導的自噬中發揮重要作用[25]。Li等[26]用Co-Cl2處理H9C2細胞在體外構建缺氧模型，證實柚皮苷通過激活HIF-1α/BNIP3信號通路增加自噬通量，從而保護H9C2細胞免受CoCl2誘導的損傷。

2.6 血管生成 血管生成即新生毛細血管分支的發展，是缺氧的典型結果，新生毛細血管的形成增加了氧氣向缺氧細胞的運輸。HIF-1在血管生成中具有重要價值，因為它控制關鍵血管生成因子的產生，例如VEGF、成纖維細胞生長因子-2和TGF[27]。這些血管生成因子與內皮細胞和平滑肌細胞上的受體結合可激活血管生成與重塑。

HIF-1是VEGF的轉錄激活劑，對啟動低氧的早期細胞反應至關重要。HIF-1α/VEGF通路參與心肌重塑和梗死周圍血管形成。上調HIF-1α/VEGF通路可以防止MI區域的擴大，并提高MI邊緣區心肌細胞的存活率[28]。Wang等[29]發現胃泌素通過 HIF-1α/VEGF途徑促進血管生成，從而改善MI后的心臟功能，這可能為MI提供一種替代治療方法。類似的，Sun等[30]的研究表明，HIF-1α過表達的外泌體可以逆轉缺氧引起的HUVECs遷移功能和增殖再生能力的下降。同時，HIF-1α過表達的外泌體通過促進新血管生成和抑制大鼠MI模型中的心肌纖維化來保持心臟功能。此外，在應用HIF-1α過表達的外泌體后，體外和體內促血管生成因子的mRNA和蛋白質表達水平均升高。有研究表明，在糖尿病模型中HIF-1α的過表達可以恢復VEGF水平并保護糖尿病心臟的血管生成[31]。血管生成是生理學和病理生理學的基本過程，在心血管系統疾病特別是缺血性心臟病（ischemic heart disease,IHD）中起到至關重要的作用。治療性血管生成有望成為IHD的新型治療手段，蛋白質、基因、細胞和外泌體/微泡等療法能否應用在治療性血管生成中值得進一步研究[32]。而HIF在治療性血管生成中扮演的角色以及其作用機制同樣值得探究。

2.7 鈣穩態 HIF-1α通過調節鈣穩態介導HIMF誘導的心肌肥大，該作用可能與CaN/NFAT通路和絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase,MAPK）通路的激活相關[20]。血管鈣化可使慢性疾病復雜化，缺氧和無機磷酸鹽升高能通過HIF-1引起血管平滑肌細胞鈣化[33]。骨形成蛋白-4可作用于HIF-1的下游，通過上調經典瞬時受體電位通道（transient receptor potential canonical,TRPC）1和TRPC6，從而降低肺動脈平滑肌細胞（pulmonary arterial smooth muscle cells,PASMCs）的胞內鈣離子濃度，并誘導慢性缺氧性肺動脈高壓[34]。PASMCs內鈣離子濃度升高需要ROS信號，尤其是超氧陰離子和H2O2[35]。抑制RhoA/ROCK信號通路可以通過依賴HIF-1α的TRPC1/4/6抑制來緩解缺氧性肺動脈高壓[36-37]。而TRPC5介導HIF-1α在細胞核內聚集，刺激VEGF轉錄，從而促進血管生成[38]。在缺乏細胞外鈣離子和電壓依賴性鈣通道抑制劑硝苯地平的情況下，缺氧引起的鈣離子濃度升高效應減弱。有趣的是，HIF-1依賴的內皮素導致電壓門控K+（Kv）通道活性降低，隨后鈣離子濃度升高[39]。綜上所述，HIF-1可通過調節鈣通道，影響細胞內鈣穩態，在心血管疾病特別是肺動脈高壓的發展中發揮作用。

3 展望

缺氧在心血管疾病發生中十分普遍，HIF-1作為缺氧的作用靶點，廣泛參與了動脈粥樣硬化、高血壓、先天性心臟病、心肌病等心血管疾病的進展。本文提及了一些HIF-1在心血管疾病中的已知作用機制：血管內皮損傷與功能障礙、心肌纖維化、心肌肥厚、心肌細胞凋亡、自噬、血管生成，以期能對包括心血管疾病在內的缺氧相關性疾病的研究與臨床治療提供新的思路。