運動干預抗癌機制：HIF-1α信號通路調控作用的研究進展

孔健達，穆玉晶，朱 磊

低氧誘導因子-1α(HIF-1α)是低氧誘導因子-1(HIF-1)的一個亞基，通過激活低氧敏感轉錄因子來實現細胞對缺氧的反應，該因子在物種之間高度保守，并在身體內的大多數組織中表達[1]。HIF-1α的靶標基因可以增加氧的轉運，如通過促紅細胞生成素介導的促紅細胞生成和血管內皮生長因子(VEGF)誘導的血管生成，或通過增加葡萄糖轉運體和糖酵解酶的表達來改善低氧可利用性下的組織功能[2]。腫瘤細胞經常受低氧、營養(葡萄糖和氨基酸)和因血管系統和血液供應不足而導致的能量流失等影響[3],而這些應激條件正是使腫瘤細胞增殖，觸發其惡性轉化機制，使其克服或逃避抗腫瘤免疫監視，避免細胞衰老和凋亡的關鍵因素[4-5]，最終導致了腫瘤的發展、遺傳的不穩定、化療和放射耐藥性的發展乃至不良的預后[6]。運動可以調控HIF-1的表達[7-8]，且一些高質量的綜述總結了對高強度運動或暴露于低氧環境中所造成的壓力的分子反應[9-10]，這種低氧狀態可以是生理水平上的如在胚胎發生期間就可以處在低氧環境中[11]。綜上所述，有研究表明可以通過運動來調控HIF-1的表達機制[7，8，12-15]且HIF-1表達水平高會促進腫瘤細胞的增殖與生長從而不利于癌癥的預后[16-20]。運動治療逐漸成為一種新型的癌癥治療方法[21-23]，雖然有部分文獻綜述了運動與癌癥的關系[24，25]，但就目前的研究和綜述來看，關于運動治療癌癥的生物信息通路尚未得到確定，故綜述HIF-1信號通路在運動抗癌中的作用機制極為必要。

本文通過綜述運動調控HIF-1α信號通路對腫瘤細胞增殖的影響，解釋運動調控HIF-1α信號通路而抑制腫瘤細胞的增殖與生長來確定運動療法在癌癥中的相關作用機制，從新的視角為運動療法在癌癥患者中的應用帶來新的認識。

1 HIF-1α及其相關信號通路

低氧誘導因子-1α(HIF-1α)是低氧誘導因子-1(HIF-1)中氧不穩定的α亞基，在低氧環境下，HIF-1α是堿性-螺旋-環-螺旋(PerAhr/ARNT-Sim，PAS)轉錄因子家族中的主要反應物，因此其穩定性會對ARNT產生顯著影響[26-29]。HIF-1α的結構包含兩個反激活域(TADs)[30]：n端(N-TAD)和c端(C-TAD)，并促使著與RNA聚合酶的功能的相互作用[31]，而TADs也是與輔助因子建立相互作用的部位，且該過程在HIF-1α轉錄活性中具有不可或缺的作用[32]，TADs亦是蛋白質翻譯后修飾肽鏈的區域[33]。Gradin等發現在低氧介導HIF-1α激活后只有其蛋白水平增加而mRNA表達保持不變，于是該發現強調了氧濃度與蛋白質翻譯和穩定性之間的直接比例關系[34]。而Huang等則發現氧依賴性降解結構域(ODD結構域)是作為一個氧傳感器的位點與氧依賴性的產生相互作用[35]。

在眾多領域都有與HIF-1α相關的信號通路。如Kang等人發現HIF-1α調控PARIS過量表達重編程了葡萄糖代謝通路導致糖酵解蛋白的增加[36]，Wujak等發現HIF-1α與AK4調節原代人類PASMC的細胞增殖和能量代謝有關[37]，Tsui等則研究了低氧分子機制對PC-3和 LNCaP人前列腺癌細胞中mACON基因表達的影響[38]。另有部分研究發現HIF-1α相關信號通路亦可作用于癌癥[39-44]。

故可以發現，HIF-1α有著其獨特的性質，且其相關通路作用于眾多領域，尤其在腫瘤細胞的靶點通路研究中發揮著不可或缺的作用。

2 HIF-1α在腫瘤細胞中的調控作用

2.1 HIF-1α與腫瘤細胞的擴散轉移

HIF-1α功能性失活會抑制腫瘤細胞互相黏附，其中黏附分子可以促進其與細胞內和細胞外環境的相互作用，并在癌癥的起始和進展中發揮重要作用[39]。HIF-1α可直接參與β1整合素、α5β3和α5β5等重要黏附分子的調控和表達[40-42]。HIF-1α亦可以調控鈣黏附蛋白E，其可以上調Snail信號通路來抑制鈣黏附蛋白-E基因的表達[43]，亦可以通過調節TCF3、ZFHX1A和ZFHX1B來抑制鈣黏附蛋白E基因的表達[44]。HIF-1α可以調控β1整合素、α5β3、α5β5等直接促使腫瘤細胞黏附或調控Snail信號通路、TCF3、ZFHX1A和ZFHX1B等抑制鈣黏附蛋白-E基因表達間接達到腫瘤細胞黏附的目的。

2.2 HIF-1α與腫瘤細胞的增殖與生長

腫瘤細胞具有無限增殖、破壞與細胞死亡相關信號通路和可導致生長因子過度表達的信號等特性，這些特性能夠使腫瘤細胞快速適應低氧環境及其他惡劣環境。Akakura等研究發現HIF-1α的組成型表達可通過激活厭氧代謝有助于腫瘤細胞在低氧環境和葡萄糖代謝中存活并增殖生長[45]；Barak等的研究成果表明機體長期處在低氧狀態會對血管內皮生長因子的轉錄產生刺激，并通過HIF-1α信號通路使腫瘤細胞達到增殖的效果[46]。早先Hasan等有研究表明黏附力下降后的細胞脫落可能使惡性腫瘤細胞在機體內擺脫低氧狀態并形成新的腫瘤生長點進而促進腫瘤細胞的增殖[47]。另外，Potharaju等發現HIF-1α可以介導端粒酶逆轉錄酶(TERT)的表達，進而促使了腫瘤細胞無限增殖這一特性[48]。因此，在低氧環境下通過刺激血管內皮生長因子轉錄、細胞黏附力下降、HIF-1α介導TERT表達實現腫瘤細胞的增殖與生長。HIF-1α與腫瘤細胞的增殖與生長的關系圖如圖2所示。

2.3 HIF-1α與腫瘤細胞的轉移及侵襲

有研究表明，低氧可以在各類實體腫瘤中通過HIF-1α激活其上皮-間質轉化(EMT)[49,50]，而且HIF-1α還可以直接或間接調控TWIST、Snail、碳酸酐酶IX(CAIX)和GLUT-1等EMT的調控因子[51-54]，進而激活EMT相關基因(波形蛋白、鈣黏附蛋白-E和鈣黏附蛋白-N)并加強EMT來促使腫瘤細胞的轉移與侵襲[55]。HIF-1α亦可以調控基質金屬蛋白酶MMP2[56]和MMP9[57]來促進腫瘤細胞的轉移和侵襲。還有部分研究表明HIF-1α可通過尿激酶型血漿素原激活劑受體(uPAR)[58]和血漿素原激活劑抑制劑-1(PAI-1)[59]這兩個纖維蛋白溶解系統和轉移的主要成分來加快腫瘤細胞的轉移和侵襲。Yang等的研究表明HIF-1α還可以直接調控TWIST作為轉錄因子來參與低氧介導的EMT和腫瘤轉移[51]。還有其他研究發現了HIF-1α直接調控腫瘤細胞轉移的重要的靶基因，包括Ishikawa等發現的CXC趨化因子受體-4(CXCR4)[60]、Pennacchietti等發現的原癌基因c-Met[59]和Li等發現的CC趨化因子受體7(CCR7)[61]。此外，Pan等[62]和O'Toole等[63]發現HIF-1α可以轉錄基質衍生因子-1、角質蛋白14(CK14)、角質蛋白18(CK18)、角質蛋白19(CK19)；Castillo等[64]發現HIF-1α可以轉錄窖蛋白-1(CAV1)進而促進腫瘤細胞的轉移以及侵襲。綜上所述，HIF-1α通過調控或轉錄TWIST、Snail、IX(CAIX)、GLUT-1、MMP2、MMP9、uPAR、PAI-1、CXCR4、c-Met、CCR7、基質衍生因子-1，CK14、CK18、CK19、CXCR4P和CAV1等可使腫瘤細胞的轉移與侵襲速度加快。

2.4 HIF-1α與實體腫瘤血管生長

HIF-1α所在胚胎的血管缺失與細胞死亡在空間上相關[65]，腫瘤亦不例外。為此，Nikitenko等發現HIF-1α可以通過激活VEGF、血管生成素1(ANGPT1)和血管生成素2(ANGPT2)、胎盤生長因子(PGF)、降鈣素受體樣受體(CRLR)等生長因子編碼基因來刺激血管生成反應[66]，Kelly等則發現HIF-1α可以通過激活血小板源性生長因子B(PDGFB)刺激腫瘤細胞的血管生成[67]。此外，Xu等發現HIF-1α通過SUMO-specifc蛋白酶1(SENP1)可催化形成一種較為穩定的低氧狀態并可視為由SENP1介導的正反饋調節環路，而該反饋調節環路在血管內皮生長因子的生成中起到極為重要的作用，進而使得血管內皮細胞的血管生成[68]。

2.5 HIF-1α與細胞凋亡

在正常的組織細胞或腫瘤細胞中，氧含量不足可以直接觸發程序性細胞凋亡[69]，而在細胞凋亡的過程中會伴隨著DNA受損[70]。且Carmeliet等[71]發現，雖然HIF-1α的低水平表達能夠抑制低氧誘導的血管內皮生長因子的表達、ES衍生的腫瘤中大血管的形成并損害血管功能進而使腫瘤內出現缺氧微環境，但HIF-1α所在腫瘤的生長速度由于低氧誘導的細胞凋亡減少和壓力誘導的增加而加快，這說明HIF-1α信號通路對細胞凋亡的直接作用是從相對細胞死亡到促進細胞凋亡。而HIF-1α信號通路反應的變化可能與以下因素有關：一，低氧程度和氧張力的變化[72]；二，低氧組織的初始能量水平[73]；三，被HIF-1α靶向激活并調控的相關蛋白(細胞周期蛋白D1、p21和p27等)[74]。

3 運動調控HIF-1α信號通路

運動可以調控腫瘤中的HIF-1α信號通路。運動后會使癌癥患者或腫瘤動物模型中的HIF-1α表達會發生根本性變化，致使調控其相關信號通路進而達到抑制腫瘤生長的目的。而對于運動而言，無論是運動方式的不同還是運動強度的不同均可顯著下調腫瘤中HIF-1α的表達水平,故HIF-1α相關信號通路對運動干預抗癌過程有著重要的影響。運動調控腫瘤中的HIF-1α及其相關信號通路受不同運動方式、不同運動強度等的影響如表1所示。

3.1 不同運動方式調控腫瘤的HIF-1α信號通路

在目前的研究中，有氧運動和耐力運動可以調控腫瘤中的HIF-1α信號通路。在有氧運動調控腫瘤HIF-1α信號通路的研究中，Rafiei等通過16只雌性BALB/c乳腺癌小鼠的實驗發現有氧訓練組顯著降低腫瘤中HIF-1α基因的表達[76]，Kopp等發現有氧運動能下調HIF-1α的mRNA[77]，Ahmadi-Kani等發現有氧運動能夠降低脂肪組織中脂肪墊的重量和 TNF-α、HIF-1α和VEGF-A的水平[80]，Jones等發現有氧運動能使腫瘤內HIF-1α表達降低[82]，楊洪[83]等則發現有氧運動能使成功建立肺腺癌耐藥細胞系PC-9-GR裸鼠的HIF-1與ALDH1蛋白及CSCs百分比降低。而在耐力運動腫瘤中HIF-1α信號通路的研究中，Isanejad等[75]、Jones等[78]和Tanaka等[81]均發現耐力運動亦可以顯著下調HIF-1α并影響其相關信號通路。

3.2 不同運動強度調控腫瘤的HIF-1α信號通路

HIF-1α表達的變化具有強度依賴性。Kopp等[77]通過對比斑馬魚運動時的水中氧氣壓強(PO2)發現，在10kPa，PO2在9～15dpf之間時HIF-1α表達無明顯變化，但在PO2為5kPa且PO2在10、14和15dpf時HIF-1α的mRNA水平顯著升高。楊洪等[83]在對吉非替尼誘導的肺腺癌耐藥細胞系PC-9-GR裸鼠的實驗研究中發現，與吉非替尼單藥組相比，強度越高的有氧運動聯合吉非替尼組成瘤能力及抗凋亡能力越低，但隨著有氧運動強度增加則各指標包括HIF-1α變化更為顯著。

4 運動調控HIF-1α信號通路抗癌的作用機制

通過Lawler等[84]、Berzosa等[85]、Lambertucci等[86]、劉雨佳等[87]的研究可以發現運動可以通過增強抗氧化酶的活性來產生抗氧化作用，如可增強骨骼肌中超氧化物歧化酶(SOD)[88-90]和谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)[91-93]的活性，進而在肺[94]和隔膜[95]中誘導線粒體的超氧化物歧化酶Mn-SOD上調[96]。Bell等[97]研究發現，表達SirT3的短鏈RNA可在缺氧條件下增強HIF-1α的穩定性和轉錄活性，且SirT3的過量表達則可以抑制低氧時HIF-1α的穩定并抑制HIF-1α的轉錄活性，即SirT3可以通過其抑制ROS和HIF-1α的表達與轉錄來抑制腫瘤的生長。

還有研究發現，低氧可以增加細胞色素P450的表達來促進細胞對氧氣的利用，同時亦激活適應性HIF-1α使其表達及其下游的基因表達信號，而有氧運動則使組織細胞的氧含量達到飽和狀態，故此時細胞色素P450的表達水平下降而改變HIF-1α相關信號通路及其靶標基因從而達到抑制腫瘤生長的目的[98]。Shalamzari等則發現運動可以引起腫瘤組織中促炎癥細胞因子水平的降低，其機制為運動可以降低IL-6的表達水平，激活NF-κB、JNK、ERK和P38等信號通路進而降低VEGF的產生，從而抑制HIF-1α信號通路作用并減少腫瘤內的血管生成[99]。而Irwin等研究發現中等強度的有氧運動可以調控HIF-1α達到一個穩定狀態使得IGF-I和IGFBP-3表達水平降低來提升癌癥患者的存活率[100]。

綜上所述，運動可以增強SOD、GPx和SirT3的表達，下調細胞色素P450表達，降低IL-6并激活NF-κB、JNK、ERK和P38等信號通路來降低VEGF，降低IGF-I和IGFBP-3表達等從而抑制HIF-1α相關通路的作用進而抑制腫瘤生長。但目前缺乏關于運動誘導HIF-1α相關通路在抑制腫瘤細胞的黏附、轉移及侵襲中調控的研究。

5 結語和展望

近年來，大眾對運動的理解和觀念已經發生巨大轉變，其愈發認可運動是良醫的說法。在癌癥的治療手段中，除放療、化療、內分泌治療和靶向藥物治療之外，運動干預無疑亦成為一種相對更安全的治療手段。經綜述大量研究發現，運動可以上調SOD、GPx和SirT3的表達，下調細胞色素P450表達，下調IL-6并激活NF-κB、JNK、ERK和P38等信號通路來降低VEGF，下調IGF-I和IGFBP-3表達等從而抑制HIF-1α相關通路的作用進而抑制腫瘤生長，從而防治癌癥。但目前的相關研究中主要聚焦在運動調控HIF-1α相關信號通路抑制腫瘤的增殖、生長和血管生成的研究中，而需加強關于運動誘導HIF-1α相關信號通路在抑制腫瘤細胞的增殖與凋亡、轉移及侵襲中調控的研究，從而進一步探究HIF-1α信號通路在運動干預抗癌中調控作用的其他機制。