HIF-1在RA發病機制中的作用*

蔣雨晴，趙小艷，張 鑫，盧群文，蘇程果，朱 俊△

（1.成都中醫藥大學針灸推拿學院/第三附屬醫院，四川 成都 610072；2.成都中醫藥大學附屬醫院，四川 成都 610075）

類風濕關節炎（Rheumatoid Arthritis, RA）是一種致殘率極高的系統性、進行性、自身免疫性疾病，是目前臨床最常見的免疫性疾病之一，其主要病理特征為滑膜炎性細胞及炎性因子浸潤、滑膜細胞“腫瘤樣”異常過度增殖、新生血管形成及軟骨和骨質不可逆破壞[1-2]。研究證實，RA 關節腔存在低氧微環境。RA 關節腔內由于大量炎性細胞的浸潤和滑膜成纖維樣細胞（Fibroblastlike synoviocyte, FLS）的類似“腫瘤樣”異常過度增殖，造成RA 關節內部毛細血管之間氧氣彌散距離增加，導致滑膜組織低氧[3-4]。研究表明，低氧誘導因子-1（hypoxia-inducible factor-1,HⅠF-1）是組織參與缺氧調控的重要核轉錄因子[5-6]。低氧導致RA滑膜細胞內HⅠF-1表達上調，繼而HⅠF-1 可通過調控下游靶基因的轉錄活化從而促進FLS的增殖存活、誘導滑膜血管新生、促進炎性細胞因子分泌等，影響RA 的發病和病情進展[7-8]。鑒于低氧在RA 發病中的重要作用，本文擬綜述HⅠF-1及其在RA發病機制中的相關作用。

1 低氧誘導因子-1（HIF-1）

1.1 HⅠF-1的結構、表達及活性調節

HⅠF-1 是1992 年由Semenza GL 等在人肝癌細胞株Hep3B 細胞的核提取物中發現的一種核轉錄因子[9]，其屬于缺氧誘導因子蛋白家族（HⅠFs）。HⅠF-1 是由α（120 KD）和β（91～94KD）兩個亞基（同屬于bHLH-PAS蛋白超家族）構成的異源二聚體蛋白，其中β亞基為組成性表達，常氧和低氧狀態下在細胞內穩定表達；α 亞基為功能性亞基，其表達受細胞氧濃度的嚴密調控；HⅠF-1的活性主要由HⅠF-1α 決定[10]。人類HⅠF-1α 基因定位于14 號染色體（14q21～24），其cDNA 全長3720bp，編碼826個氨基酸。α亞基包含多個結構域，其中一個是氧依賴性降解結構域（Oxygen dependent degradation domain,ODDD），調控HⅠF-1a常氧條件下α亞基的泛素化降解；其N端由bHLH與PAS 兩個結構域組成，與β 亞基形成異源二聚體并與低氧應答DNA 的低氧應答元件（Hypoxia response element,HREs）區域進行結合；其C 端包括2 個轉錄激活結構域（Transcriptional activation domain,TAD：N-TAD 與C-TAD）決定了蛋白的穩定性和轉錄活性；另外，N-TAD 與C-TAD 之間是抑制結構域（inhibition domain, ⅠD），抑制HⅠF-1α常氧條件下的轉錄活性[11-12]。

常氧條件下，HⅠF-1α 的半衰期不足5min，基本檢測不到其表達，HⅠF-1α 蛋白通過脯氨酰羥化酶蛋白（prolyl hydroxylase domain proteins,PHDs）的羥基化作用，使HⅠF-1α 的ODDD 結構域上的兩個關鍵位置發生羥基化，最后經泛素化-蛋白酶體途徑被降解[13-14]。PHD 的羥基化需要有O2、Fe2+及酮戊二酸等的參與才能實現，因此該過程是氧依賴性的。除此之外，天門冬氨酸羥基化酶（factor inhibiting HⅠF, FⅠH）通過對HⅠF-1α 的C端結構域上天冬酰胺殘基的羥基化修飾來調節其活性。FⅠH 可降低HⅠF-1α 與其轉錄輔助因子P300/CBP 的結合能力，降低HⅠF-1α 對其靶基因的轉錄活性。FⅠH 與PHD 家族類似，其酶活性受氧濃度的直接調控[15]。

低氧條件下，PHDs 的活性降低，HⅠF-1α 的泛素化和降解過程受抑制，HⅠF-1α 無法被正常識別、結合及降解，HⅠF-1α 蛋白穩定表達，導致大量HⅠF-1α 蛋白在胞內積聚，從胞漿進入細胞核內，并與由胞漿轉移到胞核的HⅠF-lβ 結合，聚合成HⅠF-1 分子，識別并結合至缺氧反應基因的HRE上，以啟動相關靶基因的轉錄[16]。另外，低氧條件下HⅠF-1α 乙酰化減少其表達增加。研究表明，氧濃度＜6%時，HⅠF-1α 含量呈指數級上升，氧濃度＜0.5%時，HⅠF-1α 含量達最高峰[17]。目前認為，低氧狀態下HⅠF-1α 表達量的調節并不取決于HⅠF-1α mRNA 水平，而取決于HⅠF-1α 蛋白翻譯后水平，即通過增加HⅠF-1α 蛋白穩定性，抑制其降解來實現[18]。

此外，低氧并非誘導和激活HⅠF-1α穩定及轉錄的唯一因素，其他因素如機械應力、激素、細胞因子、生長因子和低PH 值等也可以誘發和激活HⅠF-1α[19-21]。有研究報道，細菌脂多糖通過NFκB/MAPK 通路誘導人巨噬細胞和單核細胞HⅠF-1α 活化[22]。另 外，常氧條件下，ⅠL-1β、TNF-α、PDGF、ⅠGF 等生長或細胞因子亦可上調HⅠF-1α的表達水平[23-24]。

1.2 HⅠF-1對下游靶基因的調控

研究報道，作為缺氧調控的主要的核轉錄因子，HⅠF-1α具有廣泛的靶基因譜，可調控人類大約1%的所有基因，具體包括如下：（1）與血管生成相關的基因，包括VEGF 及其血管內皮生長因子受體（VEGFR）的編碼基因；（2）與細胞增殖及凋亡相關的基因，包括胰島素樣生長因子-2（ⅠGF2）和轉化生長因子-α（TGF-α）、p42/p44 促有絲分裂原活化蛋白激酶、P13K、p53、MDM2 等的編碼基因；（3）葡萄糖代謝：葡萄糖轉運蛋白GLUT 1 和GLUT 3、跨膜碳酸氫酶等；（4）鐵代謝相關的基因：轉移受體、銅藍蛋白（即鐵氧化物酶）等[25]。

VEGF 是促進新生血管生成最重要的調節因子，低氧條件下HⅠF-1α 在基因水平上直接激活調控其下游靶基因VEGF，進而誘導血管內皮細胞的增殖，增加微血管通透性，促進血管生成和腫瘤間質形成等機制參與腫瘤生長、侵襲及轉移[26-27]。RA 主要的病理特點為血管翳的形成，有賴于新生血管的生成，VEGF 是調控血管生成的主要因素，在RA 血管翳的形成中起著極為重要的作用[28-29]。不僅在RA 中，更多地在許多腫瘤如膽囊癌、肺癌、宮頸癌等均證實VEGF參與其發生及發展[30]。

p53 基因是細胞內一種重要的抑癌基因，有野生型（wt p53）和突變型（mt p53）兩種形式[31]。正常細胞周期中的野生型p53基因參與細胞周期調控，抑制細胞增生和轉化，誘導凋亡，對凋亡起促進作用；而突變型p53 基因可滅活野生型p53的功能，抑制凋亡，導致細胞過度增殖，促進RA病情進展及引起腫瘤的形成[32-33]。當缺氧等應激因素引起細胞DNA 損傷時，wt p53 蛋白迅速高表達，使損傷的細胞停滯在G期進行修復DNA損傷，甚至誘導細胞凋亡，預防腫瘤發生[34]。

MDM2 作為一種癌基因，在細胞生長、腫瘤形成中起著關鍵作用，在許多人類惡性腫瘤（如肺癌、結腸癌、乳腺癌等）的細胞中呈現出高度擴增表達；在動物實驗中發現，MDM2 過表達可導致細胞異常癌性增殖，也可增加實驗動物腫瘤發生傾向[35-36]。近年來研究報道，MDM2 在急性腎損傷、自身免疫性疾病（如系統性紅斑狼瘡、類風濕關節炎）等疾病中發揮致炎的作用[37]。MDM2作為p53 關鍵的負調節因子，MDM2 與p53 之間存在自動調節的負反饋環，MDM2 與p53 之間存在嚴密的調節機制，從而抑制p53的功能發揮，抑制細胞凋亡[37]。同時作為HⅠF-1a 下游靶基因，MDM2 還具有與p53 無關的作用，MDM2 可通過激活MAPK 和NF-KB 途徑促進RA 炎癥反應[38]。Zhang L等研究發現，MDM2在RA 成纖維細胞中的表達顯著高于OA-FLS，MDM2 蛋白表達與RA疾病活性呈正相關，抑制MDM2 可有效控制RA炎癥反應[38]。

GLUT-1 是一種機體細胞被動運載葡萄糖的蛋白，使葡萄糖分子易穿過細胞膜的脂質雙分子層，從細胞外轉移至細胞內，供給正常細胞的部分能量攝取，其參與如乳腺癌、肺癌、結腸癌等多種惡性腫瘤的發生發展[26]。腫瘤迅速生長需要葡萄糖提供能量，癌細胞消耗大量能量呈低氧狀態，一方面糖代謝途徑由原來的有氧氧化變成糖酵解途徑，能量不足，需要GLUT-1 表達增加來滿足細胞對能量的需求；另一方面，缺氧狀態下HⅠF-1α 被誘導激活，作用于下游靶基因GLUT-1，使其表達增加，加速癌細胞對葡萄糖的攝取及轉運[26-27]。

2 HIF-1與RA

RA 關節腔為缺氧微環境[39-40]。缺氧狀態下，HⅠF-1α 是組織參與缺氧調控的重要核轉錄因子。在RA關節腔缺氧條件下，HⅠF-1α在調節RA病理過程如炎癥、新生血管生成、細胞增殖與存活中起重要作用。

2.1 HⅠF-1與RA滑膜炎癥

滑膜炎是RA 病理特征之一。低氧條件下，HⅠF-1α 蛋白在胞核內穩定表達并大量積聚，啟動相關下游靶基因的轉錄，進而上調細胞因子（ⅠL-1、ⅠL-6、ⅠL-8、ⅠL-15、ⅠL-17、ⅠL-33、TNF-α、ⅠFN-γ）、血小板反應蛋白-1、趨化因子（CXCL12、CXCL8、CCL20）、基質金屬蛋白酶（如MMP-1、MMP-2、MMP-3、MMP-9）等的表達[41]，從而促進RA 的滑膜炎癥等病理反應[42]。有學者觀察了HⅠF-1α 基因敲除小鼠的炎癥反應，發現HⅠF-1α 基因敲除（即lysm-cre/hif-1α）小鼠幾乎沒有浸潤或水腫的跡象，炎癥反應明顯改善[43]。

2.2 HⅠF-1與RA滑膜血管生成

大量新生血管形成是RA 病理特征之一，大量的新生血管形成具有侵蝕性血管翳，侵蝕破壞關節軟骨和軟骨下骨及周圍的軟組織，導致關節畸形。VEGF 是促進血管新生重要的調節因子，其在RA 中表達升高，并且與RA 病情呈正相關。RA 關節腔內缺氧導致滑膜細胞內HⅠF-1α 表達上調，繼而HⅠF-1α 可通過調控下游靶基因VEGF 的轉錄活化從而促進炎性細胞因子分泌、誘導滑膜血管新生，參與并調節RA滑膜血管翳的形成。

Tang N 等[44]對內皮細胞的研究發現，敲除腫瘤內皮細胞HⅠF-1α 基因后，血管內皮細胞的增殖、趨化性、細胞外基質滲透和傷口愈合等功能受到抑制，并且VEGF 的表達及實體瘤血管的生長也受到抑制，這些結果證實了HⅠF-1α 對血管的調控功能。Park SY 等[45]證實HMGB1 通過調控HⅠF-1α 的表達，上調VEGF 的表達，促進RA 滑膜的血管新生。一些學者還發現，HⅠF-1a 可以誘導VEGF mRNA 和蛋白的表達，進而誘導內皮細胞的增殖分化，促進新生血管形成，增加血管密度；同時，VEGF 可以使HⅠF-1a 對血管張力靶基因的作用加強，使炎癥或腫瘤的局部血流增加，從而有利于其生長和轉移[46]。

2.3 HⅠF-1與RA滑膜細胞凋亡

研究表明[34]，缺氧誘導的細胞凋亡可以通過HⅠF-1α 介導的p53 依賴性途徑來實現，而HⅠF-1α可以抑制野生型p53結合蛋白的降解并促進細胞凋亡。有學者在實體瘤的研究中發現，p53 的缺失可顯著降低缺氧誘導的細胞死亡的發生[47]。

在常氧環境下，由于MDM2 對p53 的負反饋調節作用，野生型p53 在細胞中呈低水平表達。在缺氧條件下，缺氧可以通過HⅠF-1α 信號傳導途徑誘導p53 穩定表達，并且可以通過結合p53 蛋白與MDM2 競爭，從而阻止p53 被MDM2 途徑降解，進而導致p53 途徑的激活并促進p53-依賴性的細胞凋亡[34,48]。

3 研究展望

在缺氧環境下，HⅠF-1α 信號通路激活可能通過影響滑膜炎癥、滑膜血管生成和滑膜細胞凋亡等機制在RA 的發病及病情進展中起著重要的調節作用。調控HⅠF-1α 及其下游靶基因的表達，可控制RA 病情的發展，若挖掘針對HⅠF-1α 及其相關信號通路的研究可能為進一步了解RA 的發病機制和新的治療策略提供新的視角和思路。