缺氧誘導因子-1α在金屬毒性中的作用研究進展

張宇, 趙文英, 劉婷婷, 董麗華, 白羽, 楊波波, 陸榮柱

(1. 江蘇大學醫學院, 江蘇 鎮江 212013; 2. 昆山市第一人民醫院免疫研究室, 江蘇 蘇州 215300; 3. 泉州市第一醫院檢驗科, 福建 泉州 362000)

近年來,隨著環境污染的加重,各種金屬過度暴露損害人體健康的事件頻發。但由于金屬種類繁多,加之其毒性機制尚不完全明確,依然缺乏有效的預防和治療措施[1]。缺氧誘導因子-1α(hypoxia-inducible factor-1α,HIF-1α)是一種機體適應低氧環境的轉錄調控因子,可調控下游200余種基因的表達,表現出廣泛的生物學效應。研究表明金屬的毒性與HIF-1α及其下游基因的表達密切相關,但HIF-1α在不同金屬毒性中的作用機制仍有待明確[2]。本文就金屬對HIF-1α表達的影響及其可能機制作一闡述,以期為探索金屬毒性機制及開發有效的防治藥物提供參考和依據。

1 HIF-1α的調控和功能特點

HIF-1由對氧敏感的α亞基和不依賴氧的穩定表達的β亞基形成的二聚體蛋白組成。其中HIF-1α亞基C端具有保守的功能結構域,即氧依賴的降解結構域(ODDD)以及兩個轉錄激活結構域(N-TAD和C-TAD),其中N-TAD與HIF-1α的穩定表達最為相關[3]。在常氧條件下,HIF-1α經脯氨酸羥化酶(PHD)羥基化,再由希佩爾-林道病蛋白(VHL)識別,然后經泛素蛋白酶體水解復合物降解[4]。PHD的輔因子包括抗壞血酸、氧氣、鐵和α-酮戊二酸,因而缺氧或氧化還原狀態失衡等情況下,PHD活力下降,抑制HIF-1α羥基化,繼而激發HIF-1α入核與HIF-1β組成HIF-1,HIF-1與缺氧反應元件結合,激活一系列下游靶基因,進而引發多種生物學效應[5]。目前已經確認的HIF-1靶基因有促紅細胞生成素(EPO)、血管內皮生長因子(VEGF)、葡萄糖轉運蛋白1(GLUT1)、內皮型一氧化氮合酶(eNOS)和Bcl-2/腺病毒E1B 19 kD相互作用蛋白3(BNIP3)等在內的200多種[6],這些靶基因參與紅細胞生成、血管形成、能量代謝、細胞增殖、自噬與凋亡等調控過程(圖1)。

HIF-1α:缺氧誘導因子-1α;HIF-1β:缺氧誘導因子-1β;HRE:缺氧反應元件;PHD:脯氨酸羥化酶;VHL:希佩爾-林道病蛋白;-OH:羥基;EPO:促紅細胞生成素;VEGF:血管內皮生長因子;GLUT1:葡萄糖轉運蛋白1;eNOS:內皮型一氧化氮合酶;BNIP3:Bcl-2/腺病毒E1B 19 kD相互作用蛋白3

2 HIF-1α在金屬毒性效應中的作用

金屬暴露對機體可造成包括肺、肝、腎、神經系統、心血管系統、免疫系統和生殖泌尿系統在內的多種器官及系統損傷,損傷機制在不同金屬中也有所不同。

2.1 HIF-1α與神經損傷類金屬

錳(Mn)是生命過程所必需的微量元素,但過度暴露卻可造成神經損傷。野生型小鼠Mn暴露后,HIF-1α蛋白表達增加,螺旋神經節神經元變性,脂褐質顆粒數量增加[7]。鈷(Co)暴露引起小鼠星形膠質細胞中HIF-1α穩定表達增多、ATP耗竭、細胞凋亡和壞死,其機制可能與激活血紅素氧合酶1(HO-1)、促凋亡因子BNIP3和誘導型一氧化氮合酶(iNOS)等HIF-1α下游基因進而促進細胞凋亡和壞死有關[8]。Mohamed等[9]研究表明,CoCl2可誘導大鼠的大腦皮層中HIF-1αmRNA表達上調4.8倍,表現出大腦皮質中固縮神經元聚集、空泡形成和血管充血等毒性作用。

分化成神經元的人類畸胎瘤NT2細胞暴露于鎳(Ni)后可增加神經細胞黏附分子和微管相關蛋白2等特定神經元分化標志物的表達,同時上調HIF-1α的表達并激活蛋白激酶B(AKT或者PKB)通路,表明Ni暴露可能通過影響HIF-1α的表達而增加神經疾病的易感性[10]。大鼠腎上腺嗜鉻細胞瘤PC12細胞作為一種神經元樣細胞模型,暴露于鉛(Pb)后,HIF-1α表達增加,氧自由基水平增加,誘導細胞凋亡[11]。甲基汞(MeHg)是一種神經毒物,大鼠體內及體外細胞實驗均表明其毒性機制與下調HIF-1α蛋白及下游基因GLUT1、VEGF和EPO表達相關。當上調HIF-1α表達時,MeHg對大鼠原代星形膠質細胞毒性減弱;反之,抑制HIF-1α表達時,MeHg所致細胞毒性增強[12]。

金屬暴露可損傷神經系統,也可擾亂HIF-1α表達,但HIF-1α在不同金屬暴露后的表達及效應各不相同。Mn、Co、Ni暴露上調HIF-1α表達,引發神經毒性;MeHg則通過抑制HIF-1α表達,增強神經毒性。HIF-1α在神經損傷類金屬毒性機制中的作用仍需進一步探究。

2.2 HIF-1α與肺損傷類金屬

鎘(Cd)作為人類致癌物,可引發包括肺癌在內的多種腫瘤。外周肺上皮細胞連續低劑量長時間(5 mol/L,20周)暴露于Cd后,細胞中HIF-1α的表達明顯增加。這可能與金屬硫蛋白表達增加,細胞侵襲力增強以及細胞獲得與肺癌細胞相同的特性有關[13]。人肺腺癌A549細胞暴露于Cd也可導致HIF-1α表達增加,繼而促進腫瘤惡性進展[14]。鉻(Cr)是一種常見的職業環境污染物。Cr6+可增加人支氣管上皮細胞系(BEAS-2B)HIF-1α的表達,并與IL-6和NF-κB的表達增加以及miR-143水平降低相關。另外,小鼠體內實驗表明過表達miR-143可抑制HIF-1α及其下游基因VEGF的表達,減緩腫瘤生長,提示miR-143/IL-6/HIF-1α通路在Cr6+誘導的肺癌發生發展中發揮作用[15]。中草藥活性成分木犀草素可通過降低BEAS-2B細胞中Cr6+誘導的HIF-1α和VEGF表達,抑制活性氧、脂質過氧化以及促炎因子的產生,進而保護細胞免受Cr6+誘導的惡性轉化,降低其致癌性,提示HIF-1α可能成為腫瘤預防的靶點[16]。

研究發現Ni暴露引起HIF-1α表達增加,促進DNA去甲基化酶TET1表達,從而使血管生成素樣蛋白4(ANGPTL4)高表達,引起肺癌的發生發展[17]。Ni可誘導BEAS-2B細胞中HIF-1α積累從而導致ANGPTL4表達增加,且這種增加可被二甲雙胍逆轉[18]。而體外NIH/3T3細胞實驗發現Ni可通過磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/細胞外信號調節激酶(ERK)通路增加細胞中HIF-1α的表達進而誘導細胞惡性轉化;大鼠體內實驗發現Ni引起肺泡隔增寬,血管周圍水腫,血管擴張、充血,且這與肺組織中HIF-1α表達增加相關。由此提示PI3K/ERK通路介導HIF-1α表達增加是Ni致肺癌的關鍵機制[19]。

人肺癌細胞系A549細胞暴露于高濃度的Mn后,通過ERK-1/2、c-Jun N-末端激酶-1(JNK-1)和PKB上調HIF-1α蛋白的表達,但巴戟天汁卻可以抑制Mn誘導的HIF-1α表達,進而抑制Mn所致肺癌的進一步發展[20]。Mn暴露可導致Hep2細胞中p38 MAPK和JNK-1/2的激活,引起HIF-1α的蛋白表達上調,而p38 MAPK和JNK-1/2抑制劑又可阻斷HIF-1α的表達,這些結果共同提示Mn引起HIF-1α表達增加可能與MAPK通路有關[21]。

以上結果表明Cd、Cr、Ni及Mn致肺毒性主要與上調HIF-1α及其下游蛋白VEGF表達,進而促進炎癥和腫瘤血管生成及增加糖酵解促進腫瘤發展,抑制HIF-1α表達可減輕金屬暴露引起的肺損傷,PI3K/ERK/MAPK通路激活可能是金屬毒性引起HIF-1α表達增加的重要機制。

2.3 HIF-1α與肝損傷類金屬

鋁(Al)暴露可引起體內鐵穩態失衡和機體氧化應激。在肝癌細胞株HepG2中進行Al暴露可增加HIF-1α穩定表達,己糖激酶(HK)、丙酮酸激酶(PK)和乳酸脫氫酶(LDH)等糖酵解相關酶表達也上調,進而ATP產生增多,補償線粒體功能,促進細胞存活[22]。研究發現Al誘導HIF-1α積聚是通過抑制三羧酸循環酶(α-酮戊二酸脫氫酶和琥珀酸脫氫酶)而降低PHD2活性實現的,進而提高糖酵解水平來緩解Al暴露引起的毒性及線粒體功能障礙[23]。HepG2細胞暴露于Ni后,通過PI3K/AKT/雷帕霉素靶蛋白(mTOR)通路促進HIF-1α及VEGF表達增加,進而促進腫瘤血管生成,導致腫瘤快速生長和轉移。荔枝花提取物通過抑制HIF-1α表達、Janus激酶2(JAK2)的信號轉導、Raf-1原癌基因和VEGF的表達減輕Ni毒性,從而延緩Ni誘發的肝癌快速進展[24]。

Cr6+暴露引起大鼠肝臟毒性,表現為血清丙氨酸和天冬氨酸氨基轉移酶表達降低,引發肝細胞凋亡數量、丙二醛含量及內質網應激介導的凋亡相關蛋白表達量增加,這些損傷都與HIF-1α表達增加相關,而骨髓間充質干細胞可以通過抑制HIF-1α表達降低Cr6+介導的內質網應激,減輕鉻的肝毒性作用[25]。長期接觸二氧化鈦(TiO2)和納米TiO2均可導致肝損傷,小鼠喂食納米TiO29個月后,肝組織中HIF-1α、NF-κB和MAPK表達增加,導致炎癥細胞浸潤和肝纖維化,造成肝毒性[26]。MeHg處理可引起大鼠肝細胞HIF-1α表達降低,肝細胞活力下降[27]。

Ni、Cr6+、Ti、Mn等金屬暴露可引起肝細胞HIF-1α的穩定表達,導致肝毒性增加。MeHg暴露引起HIF-1α表達降低造成肝細胞損傷。而Al暴露中HIF-1α的升高反而起到細胞保護作用,因此HIF-1α在金屬肝毒性中的作用仍需進一步探索。

2.4 HIF-1α與腎損傷類金屬

研究表明鋅(Zn)可以通過下調小鼠糖尿病模型腎臟中HIF-1α的表達來阻斷腎小管上皮-間質轉化并減輕腎纖維化,這一機制可能與Zn激活PI3K/AKT/GSK-3β通路引起HIF-1α下調相關[28]。

流行病學研究發現Cd暴露與腎癌患者VEGF、金屬硫蛋白及HIF-1α的表達增加顯著相關,提示Cd的腎毒性與HIF-1α通路激活相關[29]。Cd可通過胎盤到達胎兒腎臟產生毒性,但有研究發現Cd暴露大鼠胚胎腎臟中HIF-1α和PHD2蛋白表達沒有變化,僅發現VEGFmRNA水平降低,這可能與HIF-1與DNA的結合能力降低有關[30]。小鼠吸入納米TiO2后,腎組織中HIF-1α表達增加的同時,硝基酪氨酸、iNOS、HO-1和TGF-β表達也增加,且與腎臟發生病理改變以及腎纖維化相關。體外實驗研究發現[31],納米TiO2劑量依賴性地引起人腎近端腎小管細胞中HIF-1α增加,與活性氧及TGF-β表達增加相關,產生腎細胞毒性。

以上結果表明,金屬暴露引發腎細胞HIF-1α激活或抑制從而導致不同的生物學效應,在一些非缺氧狀態下,HIF-1α的上調可能與促進腎臟纖維化及腫瘤發生發展有關。

2.5 HIF-1α與血管損傷類金屬

傷口愈合過程中,銅(Cu)通過誘導HIF-1α和VEGF的表達促進血管生成,提高皮膚再生和血管生成能力[32],而Pb暴露則可上調HIF-1α的表達,進而導致原代人臍靜脈內皮細胞線粒體形態和功能改變,造成血管生成受損[33]。這一現象提示Cu暴露激活HIF-1α,促進皮膚組織和血管生成,而Pb暴露引起的HIF-1α激活反而損傷血管生成功能。這些結果說明HIF-1α在金屬血管毒性中具有雙重作用。

2.6 HIF-1α與免疫損傷類金屬

Cd可通過氧化應激、鈣離子通道及自噬等途徑引起免疫系統損傷[34]。6周齡的斷奶仔豬在20 mg/kg CdCl2暴露后,淋巴結中的Cd沉積量及淋巴結細胞凋亡率增加,同時淋巴細胞HIF-1α表達明顯降低,且PI3K和AKT也同樣降低,由此提示Cd可能通過擾亂HIF-1α以及相關的PI3K/AKT信號通路引起淋巴細胞凋亡,造成免疫系統損傷[35]。Salloum等[36]研究發現,Co可通過HIF-1α穩定表達引起小鼠巨噬細胞中糖酵解通量增加,進而降低氧化磷酸化,增加糖酵解,從而激活巨噬細胞發生炎癥反應。

Cd暴露引起HIF-1α表達降低引發免疫毒性,而Co暴露誘導HIF-1α表達增加,同樣引發免疫毒性,HIF-1α在金屬免疫毒性中的作用仍待進一步明確。

2.7 HIF-1α與生殖泌尿系統損傷類金屬

Shen等[37]研究發現,Cd同時誘導先兆子癇大鼠胎盤中腺苷A2A受體和HIF-1α表達增加,導致胎盤受損。而Cr6+暴露可誘導人前列腺癌細胞DU145活性氧產生,并上調HIF-1α和VEGF的表達,促進癌細胞的生長,因而提示HIF-1α可能參與Cr6+暴露的前列腺致癌作用[38]。暴露于Co的絨毛膜癌細胞系和絨毛外細胞滋養層HIF-1α增多,進而引起滋養細胞中斑點型POZ蛋白表達增加,激活PI3K/AKT/GSK-3β通路,導致滋養細胞的流動性下降,子宮螺旋動脈重塑和胎盤灌注不足,導致妊娠相關并發癥的發生[39]。HIF-1α的表達增加在Cd、Cr6+及Co暴露引起的生殖泌尿系統損傷中的作用有待深入研究。

3 總結與展望

不同金屬暴露對HIF-1α表達產生不同的影響,部分重金屬暴露引起機體HIF-1α表達降低可能與其抑制機體正常生理功能,引發氧化應激相關,而有些金屬暴露引起HIF-1α表達增加則進一步損傷線粒體功能,促進自噬與凋亡。最為特別的是Al在肝組織、Zn在腎臟組織以及Cu在心血管系統中增加HIF-1α表達,對機體起到保護作用,這可能與HIF-1α激活下游糖酵解、紅細胞生成及血管生成基因相關。HIF-1α通路已成為參與金屬毒性的重要機制,為臨床金屬中毒的防治提供了新的靶點和依據。