HIF-1α在腫瘤細胞糖酵解中的作用

王煜寧，王亞靜，張頤

（中國醫科大學附屬第一醫院婦科，沈陽 110001）

缺氧誘導因子-1α （hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α） 是腫瘤進展和靶向治療的關鍵轉錄因子。HIF-1α的作用取決于環境中是否存在氧氣。在含氧環境中，泛素蛋白酶途徑會破壞HIF-1α，使其完全失活。相反，在乏氧環境中，HIF-1α逃脫破壞并進入細胞核，同時可激活HIF-1α信號通路，從而改變許多與腫瘤進展相關的因子［1］。過度表達的HIF-1α及其下游基因可通過多種方式 （血管生成、細胞增殖以及誘導遺傳不穩定和治療耐藥性等） 加快癌癥進程［2］。近年來研究［3］發現，糖代謝與癌癥的發生、發展密切相關。HIF-1α作為腫瘤細胞糖代謝表型轉變的重要因子，許多關鍵通路都是通過HIF-1α與糖酵解相關，因此，基于HIF-1α的糖酵解通路以及相關調節因子可能是腫瘤治療的新靶點。本文就HIF-1α在腫瘤細胞糖酵解中的作用機制及其表達與各種腫瘤的關系進行綜述。

1 HIF-1α在腫瘤細胞糖酵解中的作用

1.1 HIF-1α結構

HIF是一種異二聚體結合形成的轉錄因子，由氧敏感性的α亞單位 （HIF-1α、HIF-2α、HIF-3α） 和結構亞單位 （HIF-1β/芳基烴受體核轉運蛋白或ARNT）組成［4］。其中結構亞單位參與組成結構，不受氧含量的影響，而α亞單位與氧濃度有關，正常氧濃度下，HIF-1α由脯氨酸羥化酶羥化，并與希佩爾林道病腫瘤抑制蛋白 （Von Hippel-Lindau，VHL） 結合，VHL通過招募E3連接酶與HIF-1α相互作用，HIF-1α會被泛素蛋白酶體迅速降解。而缺氧情況下，HIF-1α的羥基化受到抑制，HIF-1α通過CBP/p300介導與HIF-1β形成異構體，并轉移到細胞核與目標基因缺氧反應元素 （hypoxia-responsive element，HRE） 結合［5-6］。HIF-1α容易被細胞內氧依賴性泛素蛋白酶降解，因此HIF-1α的穩定性是調控HIF-1活性的主要決定因素［7］。

1.2 HIF-1α作為轉錄因子參與腫瘤細胞的調控

最近研究［8］表明，幾乎所有類型的腫瘤都表現出“Warburg效應”：即使在氧氣存在的情況下腫瘤細胞也更可能依賴糖酵解方式來代謝葡萄糖。膠質母細胞瘤的實驗研究［9］證實，HIF-1α通過直接刺激糖代謝途徑中的關鍵酶［己糖激酶 （hexokinase，HK） 2和丙酮酸脫氫酶激酶 （pyruvate dehydrogenase kinase，PDK） 1］來增加糖酵解速度，從而提供腫瘤細胞所需的能量，使腫瘤細胞侵襲轉移能力增強。乳腺癌的研究［10］證實，HIF-1α誘導乳酸鹽、H+、HCO3-轉運體的膜表達，乳酸含量上升使細胞內pH下降，這有助于抑制腫瘤免疫微環境。另有實驗［11］證實HIF-1α對腫瘤細胞的生物學行為依賴糖代謝，HIF-1α參與腫瘤細胞高代謝狀態。因此，通過抑制HIF-1α來抑制糖代謝可能是腫瘤治療的有效措施。在缺氧和缺少營養物質環境中癌細胞重新編程細胞代謝方式，以促進其增殖和存活。腫瘤細胞基因隨著氧氣水平下降而發生突變。環境變化導致HIF-1α激活，通過協調代謝使腫瘤細胞能夠在低氧環境中生存。除此之外，研究［12］顯示HIF-1α有助于調節腫瘤細胞在缺氧情況下的增殖、凋亡、自噬、葡萄糖代謝和血管生成的多種適應性反應。

1.2.1 鹽誘導活性激酶2 （salt-inducible kinase 2，SIK2） 對HIF-1α的調控：SIK2屬于AMPK族新的絲氨酸/蘇氨酸活性激酶亞家族，在代謝調控中發揮著重要作用。有研究［13］指出，SIK2促進卵巢癌細胞的脂肪酸氧化，調控脂肪組織中的胰島素信息級聯，調節脂肪細胞中的激素信息傳導，表明SIK2可能在卵巢癌的代謝重編程中起關鍵作用。最近的研究［14］也證明，SIK2可以通過活化PI3K/AKT信號通路上調HIF-1α的表達，能夠更直接地上調糖酵解關鍵基因的轉錄，從而促進糖酵解；而SIK2主要利用PI3K/AKT信號通路上調卵巢癌細胞的“Warburg效應”，調控卵巢癌細胞的葡萄糖代謝。

1.2.2 脯氨酸羥化酶 （prolyl hydroxylase domain，PHD） 對HIF-1α的調控：PHD屬于亞鐵離子和2-酮戊二酸雙加氧酶超親家族，是細胞內雙加氧酶的氧傳感器蛋白，廣泛分布于上皮起源的正常組織，主要在細胞質中表達［15］。PHD生物活性主要依靠氧氣的存在，通過直接感受氧分壓的變化發揮作用。正常氧條件下，PHD2與氧分子協同作用催化HIF-1α結構域ODDD區的羥化反應，羥基化的HIF-1α與VHL融合，進而在蛋白酶體內分解。但在缺氧條件下，由于PHD依賴性氧的羥基化效果受限，即HIF-1α氧依賴的特定降解結構域無法被羥基化，VHL不能夠識別HIF-1α，從而導致HIF-1α不能被分解，其表達水平迅速穩定增加，在其他關鍵因子介導下參與細胞低氧的適應性調控［16］。

1.2.3 HIF-1α對糖酵解相關基因的調控：研究［17-18］表明，作為缺氧狀態下的重要轉錄因子，HIF-1α也可以參與調控糖酵解受體和酶的調節基因［葡萄糖轉運體 （glucose transporter，GLUT） -1、HK2、PDK1和乳酸脫氫酶 （lactate dehydrogenase，LDH） A］，使腫瘤細胞由有氧糖酵解轉化為厭氧糖酵解，從而調節腫瘤細胞的能量代謝。HIF-1α能夠促進GLUT-1轉錄，增加糖酵解葡萄糖的攝入量［19］。通過糖酵解產生的丙酮酸鹽在以HIF-1α依賴的LDHA高表達的介導下代謝為乳酸。HK2在上皮性卵巢癌中高表達且與卵巢癌化療耐藥性密切相關，HK2能使葡萄糖磷酸化為6-磷酸葡萄糖 （glucose-6-phosphate，G6P），激活HIF-1α上調HK2的表達水平，從而促進糖酵解的發生［20］。研究［21］顯示，在嚴重缺氧的條件下，HIF-1α還能誘導PDK1轉錄，經過三羧酸循環 （tricarboxylic acid cycle，TCA） 有效抑制丙酮酸脫氫酶 （pyruvate de-hydrogenase，PDH） 的活性，進而阻止丙酮酸轉化為乙酰輔酶A。因此，HIF-1α可以通過直接刺激腫瘤細胞代謝過程中的關鍵因子來增加糖酵解。而輕度缺氧時，線粒體細胞色素C氧化酶活性未受損，通過將丙酮酸轉化為乳酸來誘導糖酵解重編程，通過抑制HIF-1α/PDK1軸來抑制炎癥，提示這可能是潛在的調節炎癥過程的治療靶點［22］。

1.3 HIF-1α參與調節的信號通路

1.3.1 HIF-1α通過調節PI3K/Akt信號通路調節糖酵解：PI3K/AKT信號通路在許多腫瘤中被激活，參與調節腫瘤的增殖、生長、血管生成和轉移［23］。此外，PI3K/AKT信號通路與各種酶生物效應和葡萄糖代謝密切相關［24］。PI3K/AKT信號通路通過上調誘導糖酵解刺激的酶［GLUT、 HK2、血小板型磷酸果糖激酶 （platelet isoform of phosphofructokinase，PFKP）、PKM2和LDH］來誘導糖酵解［25］；而這些轉運體以及關鍵酶的表達需要HIF-1α的調控。以往研究［26］表明，HIF-1α的表達受PI3K/AKT/mTOR信號通路的調控，mTOR是HIF-1α激活的上游介質，PI3K/Akt信號通路可以通過mTOR調節HIF-1α。HIF-1α激活促進血管生成和紅細胞生成，導致氧氣和營養物質輸送增加，同時提高新陳代謝中的氧氣利用率［27-28］。可見，通過PI3K/AKT/HIF-1α通路上調腫瘤細胞的有氧糖酵解，腫瘤細胞能量產生增加，從而使腫瘤細胞的侵襲能力增強。

1.3.2 HIF-1a介導AMP活化蛋白激酶 （AMP-activated protein kinase，AMPK） 缺失對有氧糖酵解的影響：AMPK是一種異三聚體絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，存在催化α-亞基、1個β-調節亞基和1個γ-調節亞基；并且AMPK各亞基在不同組織中表達。AMPK在調節細胞增殖、自噬和代謝中發揮作用［29］。AMPK作為代謝傳感器，有助于維持細胞能量穩態，協調支持癌細胞的生長和增殖。當細胞能量水平下降，氧氣或營養物質因血液供應不足時AMPK啟動，恢復能量供應的同時可抑制腫瘤細胞的生長及分裂。相反，中斷AMPK信號可促進癌細胞代謝重編程，驅動“Warburg效應”，促進腫瘤在體內的發生和進展。實驗研究［30］表明，AMPKα缺失將會增強癌細胞中的“Warburg效應”，促進糖酵解并增加HIF-1α的表達。HIF-1α和AMPK信號通路是糖酵解和氧化磷酸化的主要調節劑，腫瘤細胞的代謝重新編程與二者密切相關［31］。下調HIF-1α表達、激活AMPK可以促進氧化磷酸化并抑制糖酵解，抑制腫瘤細胞增殖、轉移。

2 HIF-1α表達與腫瘤的關系

2.1 HIF-1α基因、蛋白表達水平與卵巢癌的關系

HIF-1α是糖酵解的重要調節劑。HIF-1α在卵巢癌中可調節多種因子的表達，從而調控卵巢癌代謝重編程。短暫受體電位7 （transient receptor potential melastatin，TRPM7） 是1種獨特的陽離子通道蛋白。研究［32］表明，TRPM7沉默激活AMPK并且降低HIF-1α的表達水平，增強氧化磷酸化，抑制葡萄糖攝入、糖酵解、乳酸的產生，從而抑制卵巢癌細胞的增殖，TRPM7表達上調與盆腔淋巴結轉移和人卵巢癌預后不良有關。在缺氧條件下，HIF-1α上調SNHG22的表達，促進卵巢癌細胞增殖和糖酵解，引起卵巢癌患者預后不良［33］。非編碼RNA-LINC00662在多種惡性腫瘤中都起到關鍵的作用，上調卵巢癌細胞中LINC00662，通過其與miR-375直接結合來調節細胞中HIF-1α的表達，促進糖酵解，增強卵巢癌細胞侵襲能力，導致患者預后不良［34］。

2.2 HIF-1α基因、蛋白表達水平與胃癌的關系

HIF-1α表達與胃癌侵襲、腫瘤表型和預后不良顯著相關［35］。其高表達與胃癌患者5年生存率、癌灶浸潤深度、淋巴管/血管浸潤風險以及TNM分期關系密切［36］。同時，HIF-1α表達顯著增加了胃癌患者發生淋巴結轉移、腹膜播散和肝轉移的風險［37］。不僅如此，作為miR-138-5p的靶基因，HIF-1α影響糖酵解過程，可能參與調節低氧誘導的5-FU耐藥［38］。有研究［39］表明，STAT3、SIRT3和HIF-1α蛋白均在胃癌組織中表達，通過介導STAT3表達影響SIRT3/HIF-1α調控軸，從而抑制胃癌細胞糖代謝水平。HIF-1α作為miR-186的下游靶基因，當miR-186被敲除時，糖酵解標志物，包括葡萄糖攝入量、乳酸量、ATP和NADH等均增加。miR-186通過靶向HIF-1α調節復雜的信號級聯來影響葡萄糖代謝。HIF-1α激活HK2，能夠增加糖酵解的能量供應，miR-186降解可部分減少糖酵解的能量供應并抑制腫瘤細胞增殖［40］。

2.3 HIF-1α基因、蛋白表達水平與胰腺癌的關系

胰腺癌是最致命的惡性腫瘤之一，由于早期癥狀隱匿且不典型，治療靶點有限，我國胰腺癌患者5年生存率很低，僅為7.2%［41］。胰腺癌免疫組織化學研究［42］顯示，與癌旁組織相比，BZW1在腫瘤組織中過度表達。在胰腺癌細胞中，BZW1過表達能明顯增加HIF-1α和C-Myc蛋白水平，過表達HIF-1α可以顯著恢復敲除BZW1對胰腺癌細胞的糖酵解、存活和增殖的影響。USP25缺失會破壞HIF-1α轉錄活性，損害糖酵解，誘導腫瘤缺氧核心的細胞死亡。因此，USP25/HIF-1α軸是胰腺導管腺癌代謝重編程和生存的重要機制，可以用于胰腺癌的治療［43］。

2.4 HIF-1α基因、蛋白表達水平與膠質母細胞瘤的關系

中樞神經系統組織中普遍存在低氧環境，HIF-1α在膠質母細胞中高表達。有研究［44］表明，在缺氧條件下，HIF-1α在野生型 Tregs細胞外酸化率顯著增加。N-Myc和HIF-1α通過調節糖酵解基因促進了神經母細胞瘤的“Warburg效應”［45］。在缺氧條件下，HIF-1α降解減少而進一步穩定，隨著乳酸產生增多穩定的HIF-1α與N-Myc結合使葡萄糖的攝取進一步增加［44］，促進膠質母細胞瘤增殖。也有研究［46］證實，精氨酸甲基轉移酶 （protein arginine methyltransferases，PRMT3） 可以調節多種基因的表達，在缺氧條件下可促進HIF-1α表達并增加其穩定性。因此，PRMT3的靶向藥物可抑制HIF-1α表達和糖酵解，進而抑制膠質母細胞瘤細胞生長，為膠質母細胞瘤的治療提供了新的方向。

綜上所述，HIF-1α可以調控糖代謝途徑中的關鍵酶，調節信號通路以及多種基因及蛋白質的表達水平來影響腫瘤細胞的糖酵解。腫瘤細胞中HIF-1α高表達與腫瘤的發生及不良預后相關。腫瘤細胞在微環境中不斷調整自身的新陳代謝來滿足能量需求，這種代謝變化是細胞內多種生長信號、癌基因以及糖酵解關鍵酶等多個生物學環節共同導致的。現階段HIF-1α在腫瘤細胞糖酵解中作用的研究多為體外細胞實驗，今后應對潛在的代謝途徑進行全面研究，明確HIF-1α在腫瘤細胞糖酵解中的作用機制，以便使基于HIF-1α的糖酵解通路以及相關調節因子的靶向治療成為腫瘤治療的新方向。