低氧誘導因子調控腎透明細胞癌進程的分子機制研究進展

陳延萍 吳果 馬孟丹 楊育賓 陳巍

最新癌癥統計數據顯示，全球范圍內腎癌新增病例約43 萬例，死亡人數達到17.9 萬人［1］，其中美國2021年男性及女性腎癌新增病例均位于全部癌種新增病例的前十，且分別占總新增病例數的5%、3%［2］。近年來我國腎癌發病率及死亡率逐年攀升［3］，給我國醫療衛生事業帶來了巨大挑戰，腎癌逐漸成為我國泌尿腫瘤領域亟待解決的重要難題。腎透明細胞癌（Clear cell renal cell carcinoma，ccRCC）是腎細胞癌最常見的病理類型，約占所有腎細胞癌的80%［4］。ccRCC 微環境中普遍存在低氧現象［5］，而低氧誘導因子（hypoxia inducible factor，HIF）則是這一現象的主要誘因，HIF 基因對ccRCC 的增殖、分化、血管生成、能量代謝以及腫瘤耐藥發生、患者預后等具有調控作用［6-8］。因此綜述HIF基因在ccRCC 中的作用具有重要的科學價值，或可為臨床治療提供理論基礎。

1 ccRCC 的發展現狀

ccRCC 常發生于雙側腎臟，伴有囊腔結構，影像學顯示鈣化陰影且胞漿透明，內含豐富的毛細血管網［9］。作為一種預后相對較差的腎惡性腫瘤，ccRCC 的預后受多因素影響，包括腫瘤大小、壞死程度以及TNM 分級等［10-11］。研究ccRCC 發病機理以及預后影響因素不僅有助于尋求更有效的方法提高ccRCC 患者的存活率，還可以建立并完善ccRCC 的預后分析系統，對臨床治療具有重要的指導意義。

因ccRCC 普遍具有轉移性和異質性，臨床上常用的根除性腎切除術、保留腎單位手術以及下腔靜脈栓治療等方案治療效果不佳。HIF基因可作為治療ccRCC 的有效靶點，目前靶向HIF基因的藥物在臨床應用中取得較好的治療效果。因此，不斷深入挖掘HIF相關調控基因及靶向藥物并解析其作用機制對ccRCC 的臨床診療意義重大。

2 HIF 基因

HIF 編碼的蛋白包括HIF-1、HIF-2 及HIF-3，三者均含α 亞基和β 亞基構成的二聚體結構，α 亞基是依賴于細胞內氧氣濃度水平的主要調節亞基，β 亞基則是組成性結構，在α 亞基未被泛素化的情況下與其結合形成二聚體并移入細胞核內發揮轉錄激活作用。

轉錄組學及蛋白質組學分析表明，HIF-1α 與HIF-2α 是ccRCC 腫瘤細胞適應低氧環境的重要作用因子，對ccRCC 的發生發展具有調控作用。轉錄后水平的研究數據表明，HIF-1α 主要調控糖酵解過程，而HIF-2α 調控脂蛋白代謝、核糖體發生以及相關基因的轉錄激活等［12］。部分研究者認為14 號染色體上（Von Hippel-Lindau，VHL）雙等位基因失活時，HIF-1α 在ccRCC 中發揮抑癌功能，而HIF-2α 發揮促癌作用［6］，但也有研究證明在原發性ccRCC 小鼠異種移植瘤模型中HIF-1α對腫瘤形成是必要的，因此HIF-1α 對ccRCC 的調控作用及機理有待進一步驗證。關于HIF-3α 作用機制的研究較少，其在ccRCC 中的轉錄激活活性尚未被證實，HIF-3α 通過與HIF-1β 的競爭性結合調控HIF-1α 和HIF-2α 的功能，常被認作低氧誘導基因表達的負調節劑。

3 HIF 在ccRCC 中的具體調控機制

3.1 轉錄水平的調控

目前關于HIF基因轉錄水平的調控機制主要包括：HIFα-VHL 氧敏感信號通路、調控腫瘤新生血管生成的血管生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）信號通路、轉化誘導因子（transforming growth factor-β，TGF-β）信號通路以及絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信號通路和哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）信號通路。HIF基因通過以上信號通路參與調節ccRCC細胞增殖、血管形成、糖酵解等生物學行為。

3.1.1 HIFα-VHL 氧敏感信號通路

VHL基因功能喪失和低氧誘導因子HIF 不受抑制的激活是ccRCC 發生和發展的主要誘因，VHL基因的突變或失活作為ccRCC 發生的早期事件導致HIF 的積聚而激活下游基因的異常表達，進而促進ccRCC 的發生和發展。在細胞內不同氧水平下，HIF 參與細胞內信號通路的調控主要依賴其α 亞基與VHL基因編碼產物（product of the VHL gene，pVHL）結合活性來實現，從而形成HIF-α-VHLPHD 軸來實現其對ccRCC 的調控作用。見圖1。

圖1 不同氧水平下HIFα-VHL 氧敏感信號通路的調控機制Figure 1 The regulation mechanism of HIFα-VHL oxygen sensitive signaling pathways at different oxygen levels

常氧的條件下，pVHL 識別并結合脯氨酸羥基化酶（prolyl hydroxylase，PHD）作用后羥基化的HIF-α，并使其被進一步泛素化降解［13］。此外，與氧水平無關的VHL 雙等位基因失活所介導的HIF-1α與HIF-2α 突變誘導的穩定作用使其能夠與HIF-1β 結合并定位于核，從而使低氧反應途徑的下游基因轉錄激活，出現“假性低氧”，這種假性低氧會促進誘導腫瘤細胞的增殖以及血管生成因子的表達以及代謝重編程等［14］。低氧時，PHD 失活導致HIF-α 的穩定，使其不被pVHL 識別降解而與HIF-β 結合形成二聚體轉移到細胞核結合低氧反應元件，進而激活下游基因轉錄。HIF 結合位點的遺傳變異可調節HIF-VHL 軸的致癌轉錄輸出，在該軸中HIF-1α 和HIF-2α 調節下游基因的轉錄活性，從而介導腫瘤細胞對低氧水平的適應性［15］。

3.1.2 VEGF 信號通路

腫瘤組織內部高度血管化是ccRCC的顯著特征，血管新生被認為是ccRCC發生、發展和臨床治療中的重大挑戰。VEGF是刺激血管生成的重要細胞外信號轉導蛋白，與非轉移性腎癌相比，轉移性ccRCC 中VEGF、VEGFR2 的mRNA 及蛋白表達水平均升高［16］。HIF的α、β亞基結合形成的二聚體可通過HRE定向作用于血管生長因子受體（vascular endothelial growth facto receptor，VEGFR）、血小板衍生生長因子（platelet derived growth factor，PDGF）、TGF-α 結合到其相應的下游受體上，進而調控血管生成［17］。

3.1.3 TGF-β 信號通路

TGF-β 信號通路相關蛋白表達水平與ccRCC的患者的臨床病理參數以及預后緊密相關，而HIF-1α、HIF-2α 在經典以及非經典的TGF-β 信號通路中均發揮調控作用。具體概括為：在ccRCC早期低氧狀態中，HIF-1α 的上調可激活TGF-β/Smad 通路致使低氧誘導的TGF-β 信號通路下游效應因子Smad3 上調，從而抑制腫瘤的發生發展進程、減緩腫瘤細胞氧敏感通路的低氧反應［18］；常氧時，HIF-1α 以及HIF-2α 的上游驅動因子促進TGF-β 信號通路下游上皮間質轉化基因（epithelial mesenchymal transition，EMT）相關靶基因的表達進而調控ccRCC 的發展進程。此外，在VHL基因失活的ccRCC 中，HIF-1α 異常激活并與間變型淋巴瘤激酶5（anaplastic lymphomakinase 5，ALK5）協同作用調控TGF-β 信號通路和低氧通路，進而介導ccRCC 的不良預后以及遠端轉移［19］。

3.1.4 MAPK 信號通路

HIF基因功能與MAPK 相關信號通路的磷酸化水平密切相關，MAPK 信號通路中的ERK1/2 及p38 能夠在體外磷酸化HIF-1α 從而能夠阻斷其報告基因的活性；HIF-1α 通過與TRIB3 啟動子結合調控其表達水平，進而影響MAPK 信號通路中p38蛋白、P44/42 以及SAPK/JNK 等的磷酸化水平［20］。ERK1/2 和ERK5 狀態與ccRCC 預后高度相關，其中ERK5 過表達的ccRCC 患者預后較差［21］。

3.1.5 mTOR 信號通路

mTOR 是一種289 kDa 的絲氨酸、蘇氨酸激酶，是腫瘤細胞生長和增殖的調節劑。有關報導表明PI3K-AKT-mTOR 信號通路參與了ccRCC 的啟動和發展，如Nayak 等［22］發現p22 沉默子通過PI3KAKT-mTOR 信號通路降低了HIF-2α 依賴的靶基因的表達并抑制腫瘤的生長，認為P22 可成為靶向mTOR 通路有效治療靶點；磷酸酶和張力蛋白同源物（phosphatase and tensin homologue deleted on chromosome ten，PTEN）是PI3K-AKT-mTOR 信號通路的關鍵級聯抑制因子，其缺失會導致該信號通路下游激活，影響ccRCC 患者的整體生存率。

3.1.6 其他信號通路

HIF基因除了參與多個信號通路的調控影響ccRCC 表型外，還可以與多個癌基因互作間接發揮作用，見圖2。喪失初級纖毛是ccRCC 的早期特征，HIF-1α 通過抑制β-catenin 轉錄活性降低極光激酶A（Aurora kinase A，AURKA）的表達水平，進而縮短腎臟成纖維細胞的纖毛長度［23］；在低氧條件下，HIF-1α 可抑制原癌基因MYC 活性，促進ccRCC 腫瘤細胞在低氧條件下存活［24］；在VHL突變失活依賴的ccRCC 中，HIF-1α 與p53 的表達水平存在負反饋調控機制，pVHL 的穩定性能夠增強p53 的抑癌活性［25］。

圖2 HIF 基因轉錄水平調控信號通路Figure 2 HIF gene transcription level regulation signaling pathways

3.2 表觀遺傳學調控

表觀遺傳重編程是ccRCC 發生和發展過程中的重要事件，包含非編碼RNA（long non-coding RNA，lncRNA）和微小RNA（micro RNAs，miRNAs）參與的基因表達調控、DNA 甲基化以及組蛋白修飾等。隨著人類基因組計劃的完成以及單細胞測序技術迅猛發展，更多的學者熱衷于ccRCC的表觀遺傳的研究，以期找到ccRCC 的治療新靶點。

3.2.1 長鏈非編碼RNA

LncRNA 是一類堿基序列長度大于200 nt 且不編碼蛋白質的RNA，能夠在轉錄水平以及轉錄后水平參與基因表達調控、基因組印記、染色質修飾等多種生物學進程。

低氧條件下，lncRNA 通過調控氧感知受體以及激素受體的表達水平影響VHL基因失活對ccRCC 的調控作用。抑制雄激素受體的lncRNA（suppressing androgen receptor in renal cell carcinoma，lncRNA-SARCC）能夠通過物理結合雄激素去穩定受體蛋白來抑制雄激素受體與HIF 基因共同信號轉導途經調控細胞的低氧周期。一種新型的lncRNA，即人腎細胞相關轉錄本1（metastatic renal cell carcinoma-associated transcript 1，MRCCAT1）通過招募多梳抑制復合體2（polycomb repressive complex 2，PRC2）到利鈉肽受體3（natriuretic peptide receptor 3，NPR3）啟動子來抑制NPR3 的轉錄，進而激活p38-MAPK 信號轉導途徑促進ccRCC 的轉移［26］。

3.2.2 微小RNA

miRNAs 是具有調節功能的內源性非編碼單鏈RNA，能夠靶向調節mRNA 的活性，近年來，miRNAs 的發現為癌癥的新型診斷和治療增添了新維度。報道顯示，與癌旁組織相比，ccRCC 組織中miR-155 表達水平顯著升高，且與HIFα-VHL基因表達水平呈正相關，認為miR-155 可能通過HIFα-VHL 通路調控ccRCC 的發生和發展［27］；Neal等通過使用HIF-1α 和HIF-2α 特異性的siRNA 處理VHL基因缺失的細胞發現miR-155 表達水平明顯降低，該現象表明miRNA 的誘導主要是通過HIF 所介導的［28］，這可能為ccRCC 疾病的診療提供新的靶點。

3.2.3 DNA 甲基化

DNA 甲基化是腫瘤細胞中替代的互補機制，通過沉默抑癌基因表達誘導腫瘤發生和轉移。ccRCC 中包括HIF基因在內的多個癌基因的轉錄因子結合位點存在高甲基化區域，甲基化程度顯著影響HIF基因的轉錄活性。這類基因沉默會干擾ccRCC 中低氧相關的信號通路，例如依賴VHL的DNA 超甲基化通過影響HRE 中CpG 位點二核苷酸的甲基化調節HIF 與HRE 的結合，從而影響HIF下游基因表達水平［29］。氮端甲基腺嘌呤（N6-methyladenosine，m6A）RNA 去甲基化酶的轉錄修飾子FTO 作為VHL 的合成性致死伙伴，可選擇性降低VHL 缺陷型、HIF 野生型以及HIF 缺陷型ccRCC 細胞存活率［30］。

4 結論與展望

低氧不僅影響由遺傳因素引發的惡性腫瘤的發生發展，長期的低氧環境也會導致腎臟功能下降并誘發慢性腎臟疾病?？傊?，ccRCC 對低氧環境的適應主要受HIF基因調控，HIF基因的轉錄激活在血管新生、能量代謝以及緩解ccRCC 細胞低氧損傷等方面有重要調控作用。隨著機體氧感知機制研究的不斷深入，HIF基因的調控機制成為ccRCC 病理作用研究的熱點，給ccRCC 的治療開辟了新途徑，還為進一步挖掘針對低氧所致的不同類型腫瘤的治療提供借鑒。