HIF-1α在高原缺氧疾病中的分子調(diào)控機(jī)制研究進(jìn)展*

孫平安 綜述，馬曉峰，吳 穹，楊 惠△ 審校

(1.青海大學(xué)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)部，青海 西寧 810000；2.青海省心腦血管病?？漆t(yī)院，青海 西寧 810000)

伴隨社會、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展前往高原地區(qū)的人口不斷增多，然而大量久居平原人口無法快速適應(yīng)缺氧環(huán)境，導(dǎo)致近年來高原缺氧疾病頻發(fā)。通常在高原缺氧條件下，機(jī)體為應(yīng)對低氧脅迫而產(chǎn)生一系列代償調(diào)控，其中低氧誘導(dǎo)因子-1α(HIF-1α)是缺氧誘導(dǎo)調(diào)控的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，介導(dǎo)細(xì)胞生長、增殖、遷移、凋亡和自噬等過程，也是機(jī)體多種生理調(diào)節(jié)和病理調(diào)控的關(guān)鍵分子。HIF-1α在常氧狀態(tài)下有表達(dá)，但HIF-1α蛋白能快速被細(xì)胞內(nèi)氧依賴性泛素蛋白酶降解途徑降解，只在缺氧條件下才能穩(wěn)定表達(dá)。大量研究發(fā)現(xiàn)，HIF-1α在高原缺氧性疾病的調(diào)控中具有雙向作用，通常在急性高原缺氧過程中HIF-1α具有改善缺氧的正向作用；而慢性高原缺氧過程中HIF-1α具有促進(jìn)疾病發(fā)展的負(fù)向作用。由于HIF-1α在高原缺氧疾病發(fā)展過程中的調(diào)控機(jī)制十分復(fù)雜，因此，本文從HIF-1α的結(jié)構(gòu)功能、生理作用及調(diào)控機(jī)制等角度進(jìn)行了綜述，以期為后續(xù)探討HIF-1α參與高原缺氧疾病的臨床診治提供基礎(chǔ)參考依據(jù)。

1 HIF-1α的結(jié)構(gòu)

HIF-1α在人類14號染色體q21～24區(qū)，是缺氧信號直接控制的關(guān)鍵因子之一，由826個氨基酸構(gòu)成。HIF-1α能快速參與缺氧應(yīng)答反應(yīng)與其自身組成結(jié)構(gòu)有關(guān)。HIF-1α的C末端含有氧依賴降解結(jié)構(gòu)域(ODDD)和反式激活結(jié)構(gòu)域(TAD-C)，以及在有氧條件下能夠特異性地定位于細(xì)胞核內(nèi)的核定位信號簇[1]。HIF-1α的N末端含有轉(zhuǎn)錄激活所必需的TAD-C可介導(dǎo)α亞基與β亞基結(jié)合形成二聚體并與靶基因啟動子上的缺氧反應(yīng)元件結(jié)合，發(fā)揮激活靶基因的作用，在周期晝夜蛋白-芳基烴受體核轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-專一蛋白結(jié)構(gòu)域的參與下促進(jìn)異源蛋白二聚體的形成。HIF-1α的N-端有脯氨酸殘基——脯氨酸-402、脯氨酸-564，C-端有天冬氨酸殘基——天冬氨酸-803等羥化反應(yīng)作用位點(diǎn)[2]，為HIF-1α參與生化反應(yīng)提供了基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)位點(diǎn)。

2 HIF-1α的功能

低氧環(huán)境在機(jī)體發(fā)育過程中是普遍存在的，HIF-1α與細(xì)胞的生長、增殖密切相關(guān)。有研究表明，在大鼠晶狀體胚胎發(fā)育過程中，HIF-1α高表達(dá)于晶狀體細(xì)胞分裂、增殖旺盛的地方，表明HIF-1α具有促進(jìn)細(xì)胞增殖、生長的功能[3]。并且在人類胚胎發(fā)生的初期，HIF-1α調(diào)控下游靶基因血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)，控制胚胎血管生成，為胚胎發(fā)育提供營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣。因此，HIF-1α通過對下游細(xì)胞的調(diào)控促進(jìn)新血管的產(chǎn)生和細(xì)胞分裂、增殖，進(jìn)而促進(jìn)機(jī)體的生長、發(fā)育。同時，有研究表明，HIF-1α在成骨細(xì)胞發(fā)育、分化和骨形成的過程中也具有重要作用，HIF-1α可調(diào)控成體細(xì)胞的遷移，誘導(dǎo)干細(xì)胞的成軟骨分化影響骨的生成[4]。并且HIF-1α還普遍存在于各種肝纖維化疾病肝組織中，是由于低氧微環(huán)境造成的，有研究發(fā)現(xiàn)，低氧條件下HIF-1α誘導(dǎo)人肝內(nèi)膽管上皮細(xì)胞的上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化，增加細(xì)胞遷移[5]。此外，HIF-1α還介導(dǎo)細(xì)胞的凋亡和自噬，B淋巴細(xì)胞瘤-2基因/腺病毒E1B19kDa相關(guān)蛋白3(BNIP3)和NIX是細(xì)胞凋亡和自噬的關(guān)鍵調(diào)控因子，HIF-1α可上調(diào)神經(jīng)元細(xì)胞BNIP3和NIX的表達(dá)，增強(qiáng)細(xì)胞自噬和減少細(xì)胞凋亡，改善神經(jīng)功能[6]。綜上所述，HIF-1α在動物軟骨細(xì)胞、纖維細(xì)胞，以及胚胎的生長、發(fā)育中均有較高的表達(dá)，主要介導(dǎo)細(xì)胞生長、增殖、遷移、自噬和凋亡等過程，與機(jī)體的各種生理調(diào)節(jié)和病理過程密切相關(guān)。

3 HIF-1α參與急性高原缺氧的機(jī)制

3.1PI3K/Akt/mTOR(磷酸肌醇-3激酶/蛋白激酶B/哺乳動物雷帕霉素蛋白)/HIF-1α信號通路 PI3K/Akt/mTOR信號通路通常主要參與細(xì)胞增殖分化、代謝、炎癥和保護(hù)過程，與促進(jìn)細(xì)胞凋亡、改變組織重塑和轉(zhuǎn)移等過程相關(guān)[7-10]。有研究表明，隨著缺氧海拔升高及時間延長，PI3K/Akt/mTOR-HIF-1α信號通路逐漸被抑制，此信號通路主要在急性高原缺氧調(diào)控中發(fā)揮作用[8]。在缺氧條件下，自噬對細(xì)胞存活和凋亡具有重要的調(diào)節(jié)作用，有研究發(fā)現(xiàn)，PI3K/Akt/mTOR信號通路涉及調(diào)節(jié)急進(jìn)高原的缺氧環(huán)境下腸黏膜上皮細(xì)胞自噬的調(diào)節(jié)過程[9]，能減輕腸黏膜損傷，說明此通路是細(xì)胞自噬中重要的信號傳導(dǎo)通路，能減輕缺氧對機(jī)體造成的一些損傷。在急性低壓缺氧下，大鼠腦組織中磷酸化蛋白激酶B表達(dá)水平顯著升高,PI3K/Akt通路的活化可有效對抗急性缺氧性腦損傷[10]。在低氧誘發(fā)自噬的過程中PI3K/Akt/mTOR/HIF-1α通路加快細(xì)胞周期，抑制細(xì)胞的凋亡，對機(jī)體特別是腦組織具有一定的保護(hù)作用。

3.2HIF-1α/細(xì)胞Toll樣受體4(TLR4)信號通路 通常TLR4信號通路在啟動先天免疫應(yīng)答中具有重要作用，但TLR4受體信號通路在低氧條件下也十分容易激活。有研究表明，降低大鼠肺泡巨噬細(xì)胞HIF-1α水平能增強(qiáng)其TLR4表達(dá)抑制炎性反應(yīng)，對高原肺水腫的發(fā)生具有保護(hù)作用[11]。此外，TLR4在腸道先天性免疫中發(fā)揮重要作用，能識別腸道病原體。所以，在急進(jìn)高原缺氧環(huán)境下在腸黏膜缺氧的早期階段機(jī)體產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，HIF-1α介導(dǎo)TLR4增加，并調(diào)節(jié)與氧代謝相關(guān)的下游靶基因，如血管內(nèi)皮生長因子、誘導(dǎo)型一氧化氮合酶、環(huán)氧化酶2等，促進(jìn)機(jī)體對缺氧的適應(yīng)[12]。因此，HIF-1α/TLR4信號通路可作為預(yù)防高原肺水腫的關(guān)鍵調(diào)控機(jī)制進(jìn)行深入研究。

3.3活性氧(ROS)/HIF-1α信號通路 ROS是指具有高度活性的含氧自由基。在缺氧條件下，由于過多的ROS會引起脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，改變蛋白的結(jié)構(gòu)和功能，對體內(nèi)的生物大分子造成損傷，同時會引起細(xì)胞內(nèi)鈣超載導(dǎo)致正常細(xì)胞的凋亡，造成異常的生命活動，是引起急性高原病發(fā)生的主要原因之一[13]。有研究發(fā)現(xiàn)，ROS參與了細(xì)胞內(nèi)沉默信息調(diào)節(jié)因子3對 HIF-1α的調(diào)節(jié)，沉默信息調(diào)節(jié)因子3基因敲除小鼠表現(xiàn)為ROS水平異常和 HIF-1α 表達(dá)增加，說明ROS與HIF-1α密切相關(guān)[14]。低氧條件下會誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞線粒體產(chǎn)生ROS，進(jìn)而激活HIF-1α，抑制鉀通道并激活鈣通道，導(dǎo)致鈣超載，引起平滑肌細(xì)胞收縮[15]。此外，ROS還參與調(diào)節(jié)核因子κB、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄活化因子3 、HIF-1α、各種蛋白激酶、生長因子、細(xì)胞因子、蛋白酶等的活性，是急性高原疾病分子調(diào)控的關(guān)鍵因子[13-15]。

4 HIF-1α與慢性高原病相關(guān)的信號通路

4.1小泛素樣修飾蛋白特異蛋白酶1(SENP1)/HIF-1α信號通路 有研究發(fā)現(xiàn)，SENP1/HIF-1α信號通路能使HIF-1α穩(wěn)定表達(dá),剔除SENP1基因的小鼠胚胎促紅細(xì)胞生成素產(chǎn)生缺乏而導(dǎo)致嚴(yán)重缺血[16]。并且HIF-1α的穩(wěn)定性與SENP1的去類泛素蛋白修飾分子(SUMO)化作用有關(guān)，SENP1使低氧所引起的SUMO化的HIF-1α，即HIF-1α-SUMO去SUMO化，防止HIF-1α在細(xì)胞核內(nèi)發(fā)生泛素化降解，從而使HIF-1α蛋白穩(wěn)定表達(dá)，繼而調(diào)節(jié)其靶基因的表達(dá)[17]。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，慢性低氧誘導(dǎo)小鼠肺小動脈壁SUMO-1 表達(dá)增加，SENP-1蛋白降解，去SUMO化修飾的HIF-1α明顯增加，HIF-1α穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)錄活性增加，引起低氧性肺動脈高壓(HPH)[18]。因此，SENP1對HIF-1α介導(dǎo)的信號通路的活性有顯著影響，與高原紅細(xì)胞增多癥及HPH等疾病的調(diào)控密切相關(guān)。

4.2HIF-1α/內(nèi)皮素-1(ET-1)信號通路 ET-1是一種強(qiáng)烈的血管收縮活性物質(zhì)，ET-1基因啟動子上有HIF-1α的結(jié)合位點(diǎn)，在低氧下HIF-1α的產(chǎn)生能調(diào)節(jié)ET-1 基因的表達(dá)[19]。由于ET-1可引起血管收縮和血管平滑肌細(xì)胞增殖，造成肺血管重構(gòu)，通常HPH患者血清HIF-1α、ET-1水平相應(yīng)升高，且與肺動脈收縮壓呈正相關(guān)[20]。此外，有研究表明，模擬高原慢性缺氧條件下局部富氧環(huán)境能顯著降低大鼠肺組織ET-1表達(dá)，能有效緩解大鼠缺氧性肺血管重塑程度[21]。HIF-1α/ET-1途徑在HPH的發(fā)病中具有重要作用。

4.3HIF-1α/VEGF VEGF是HIF-1α轉(zhuǎn)錄活化的一個重要靶基因，VEGF的表達(dá)受HIF-1α的調(diào)控。在缺氧條件下HIF-1α可通過促進(jìn)VEGF及其受體1，增加血管通透性和誘導(dǎo)新生血管生成來改善機(jī)體組織缺氧情況，高原肺源性心臟病急性加重患者血清 HIF-1α、VEGF水平明顯升高,并且與動脈血氧分壓呈明顯負(fù)相關(guān),長時間低氧血癥導(dǎo)致患者肺動脈高壓,肺血管結(jié)構(gòu)重建，因此，HIF-1α/VEGF信號通路可能是誘發(fā)高原心臟病的重要因素[22]。此外，VEGF在慢性高原病中的調(diào)控作用已進(jìn)行了廣泛研究，發(fā)現(xiàn)VEGF與造血調(diào)節(jié)有關(guān)[23]。因此，HIF-1α/VEGF與高原肺源性心臟病的形成密切相關(guān)。

5 小 結(jié)

目前，關(guān)于HIF-1α在高原缺氧疾病中的分子作用機(jī)制尚不完全清楚，但近年來大量研究表明，HIF-1α在急、慢性高原缺氧中激活的關(guān)鍵信號傳導(dǎo)通路存在一定差異。盡管通過大量動物模型對急、慢性高原缺氧進(jìn)行了研究，但例如慢性低氧誘導(dǎo)肺動脈高壓動物模型不能完全復(fù)制人類疾病的復(fù)雜過程，未來仍需對HIF-1α在人體乏氧狀態(tài)下的作用機(jī)制進(jìn)行深入探討，明確不同信號通路的調(diào)控作用，為高原缺氧疾病的預(yù)防和診治提供新思路。