HIF-1与肺癌关系研究新进展

刘 衡(综述)，戴天阳(审校)

(1.重钢总医院胸外科，重庆400000;2.泸州医学院附属医院胸外科，四川泸州646000)

低氧诱导因子1(hypoxia induced factor-1，HIF-1)是1992年由Semenza等［1］发现的一种氧依赖转录激活因子，通过与低氧反应元件结合，引发下游基因的转录。HIF-1通过控制血管生成来调节氧的运输能力，通过调控糖酵解作用来增强机体对低氧的耐受。肿瘤的生长和血管生成与HIF-1的表达紧密相关。随着对HIF-1在肺癌发生、发展中作用研究的逐渐深入，发现HIF-1在肺癌细胞组织中呈高表达，且HIF-1的表达与肺癌的生长、浸润、转移及预后密切相关。故采用HIF-1的抑制剂可能为肺癌的治疗提供一条新的有效途径。

1 HIF-1的结构特征

HIF-1是由HIF-1α和HIF-1β(芳香烃受体核转移蛋白)两个亚单位组成的杂二聚体蛋白。HIF-1α是氧调节蛋白，为HIF-1所独有。人类HIF-1α基因定位于第14号染色体(14q21～q24)，cDNA全长3720 bp，编码826个氨基酸。在HIF-1α位于401～603区域，有一个氧依赖降解区(oxygen-dependent degradation domain，ODDD)，当环境氧的浓度＞5%时，通过激活泛素-蛋白酶体途径，作用于HIF-1α的ODDD区，使其迅速降解，半衰期＜5 min。如果截去ODDD区，可以使HIF-1α在有氧状态下保持稳定，并且仍具备与已知的芳香烃受体核转移蛋白形成二聚体及与DNA结合的能力，此时即使环境不缺氧，它也具有完整的转录活性［2］。

2 HIF-1的基因调控

在缺氧或不缺氧的条件下，丝裂原活化蛋白激酶能增加 HIF-1的转录活动。Gradin等［3］研究表明，HIF-1转录活动调节的信号转导主要通过丝裂原活化蛋白激酶通路完成。有研究［4］发现，低氧可以抑制脯胺酰-4-羟化酶活性，稳定HIF-1α，使其进入核内与HIF-1β形成异二聚体，促进靶基因的转录增强。HIF-1α通过生长因子介导的磷脂酰肌醇3激酶等途径使其在常氧条件下的肿瘤细胞中仍可获得大量表达，这些生长因子包括胰岛素、胰岛素样生长因子、上皮生长因子及白细胞介素1等，它们与各自受体结合后可以激活酪氨酸激酶受体，转而活化磷脂酰肌醇3激酶和细胞内免疫嗜素结合蛋白，而后刺激常氧下细胞中HIF-1α蛋白的大量表达。另一方面，磷酸酶基因肿瘤抑制蛋白可使磷脂酰肌醇3激酶产物去磷酸化而失活，因而可以负性调控生长因子的作用。因此，可以肯定磷脂酰肌醇3激酶途径的激活和磷酸酶基因突变是常氧下肿瘤细胞内HIF-1α获得大量表达的重要机制之一［5］。Taguchi等［6］研究表明，在常氧条件下，HIF-1的转录及表达受miR-17-92 miRNA基因簇的抑制，但在缺氧条件下不受其影响。van de Sluis等［7］研究发现，铜代谢结构域能够抑制HIF-1基因的转录及表达。其主要途径是阻止HIF-1α与HIF-1β形成异二聚体，进而不能与靶基因结合，从而抑制其转录和表达。

3 HIF-1与靶基因的作用机制及生物效应

HIF-1通过与靶基因特定序列DNA结合而调控它们的转录。目前已知受HIF-1调控的靶基因有40余种［8］，主要包括血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)、促红细胞生成素(erythropoietin，EPO)、诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)、血红素加氧酶1(heme oxy-genase-1，HO-1)、糖酵解酶等编码基因。这对肿瘤，尤其是乏氧肿瘤(如肺癌)的生长、浸润、转移起着重要作用。

3.1 HIF-1与VEGF HIF-1和激活蛋白1共同诱导VEGF对缺氧的反应，增加血管生成，使血液到达缺氧部位。VEGF是血管生成的主要调节者，VEGF能特异地结合血管内皮细胞，促进内皮细胞生长，并具有血管通透活性，可协助肿瘤细胞进入脉管系统而增加肿瘤转移的概率。

3.2 HIF-1与EPO EPO增强子中有两个HIF-1的结合位点，HIF-1必须与肝核因子4联合作用才能促进EPO基因的转录。缺氧时，机体产生EPO，促进红细胞生成，增加血氧容量，这是机体应对缺氧的重要反应。

3.3 HIF-1与iNOS HIF-1在基因表达调控中具有细胞型和基因型的特异性。缺氧对巨噬细胞iNOS基因的转录诱导需要HIF-1和干扰素γ共同作用。缺氧条件下，HIF-1诱导iNOS合成，产生一氧化氮，一氧化氮作为血管舒张因子而舒张血管，增加血流量，增加组织供氧。

3.4 HIF-1与HO-1 HIF-1主要作用于血管平滑肌细胞HO-1基因，产生HO-1，HO-1可催化产生一氧化碳。一氧化碳作为气体信号分子激活鸟苷酸环化酶，提高环磷酸鸟苷水平，使血管平滑肌松弛，抑制血小板凝聚，从而增加血流量和血管通透性，使缺氧组织得到充足的氧气供应。

3.5 HIF-1与糖酵解酶 缺氧时，氧化磷酸化过程受抑制，HIF-1通过诱导醛缩酶A、烯醇化醇1、乳酸脱氧酶A、磷酸果糖激酶L、磷酸甘油酸激酶1和三磷酸甘油醛脱氢酶的合成来增加糖酵解，满足机体能量代谢的需要。

4 HIF-1及靶基因在肺癌恶性进展中的生物学效应

4.1 抑制肺癌细胞凋亡，促进增殖 近期研究表明［9］，HIF-1α的表达与肺癌细胞增殖活性呈正相关。Acs等［10］研究证实，HIF-1是凋亡抑制因子，通过上调Bcl-2，而抑制细胞凋亡。HIF-1高表达能通过促进VEGF、葡萄糖转运蛋白1等因子的表达来保护细胞，避免凋亡;而主动抑制HIF-1的表达能诱导非p53依赖的细胞凋亡的发生［11］。同时，HIF-1可通过促进细胞周期调节蛋白家族、胰岛素样生长因子2、胰岛素样生长因子结合蛋白1、2、3及转化生长因子α、β3等的表达来促进肿瘤细胞的增殖。

4.2 诱导肺癌新生血管形成，增加血管通透性，促进红细胞生成 HIF-1是缺氧状态下血管生成的核心调控因子，直接参与肿瘤血管生成的全过程，其发挥作用主要是通过影响和调控与血管生成有关的靶基因来实现的［12］。HIF-1表达增加可使 VEGF、VEGFR2、转化生长因子β3、内皮素1等表达升高，诱导新生血管生成，增加血管通透性［13］。同时，HIF-1能促进红细胞的生成。乏氧条件下，HIF-1表达增加，可诱导EPO、EPO受体表达增加，促进红细胞生成，增加血液氧的运输，减轻肿瘤组织缺氧，增强肿瘤细胞的适应性［14］。

4.3 参与肺癌细胞能量代谢，促进糖酵解 缺氧条件下，肺癌细胞不能通过呼吸链生成足够的ATP，细胞代谢转向糖酵解。肺癌组织中与糖及能量代谢有关的靶基因表达在HIF-1的诱导下均升高。这些靶基因包括葡萄糖转运蛋白1、醛缩酶A、烯醇化醇1、乳酸脱氧酶A、磷酸果糖激酶L、磷酸甘油酸激酶1、三磷酸甘油醛脱氢酶等。上述基因表达的变化可使肿瘤组织摄取和利用葡萄糖的能力增强［15］，从而促进糖酵解，使肿瘤细胞在相对缺氧状态下可获得更多的能量供应，以维持肺癌细胞的生长。

4.4 促进肺癌细胞的侵袭和转移 HIF-1通过调控多种相关因子和酶类(如尿激酶型纤维蛋白溶酶原激活剂受体、基质金属蛋白酶2、自分泌动力因子、角蛋白14、18、19及波形蛋白、纤连蛋白1、c-MET酪氨酸激酶［16］等)的表达介导恶性肿瘤的侵袭和转移。大量的免疫组织化学资料显示，在良性肿瘤组织中HIF-1α处于正常水平，在许多原发性恶性肿瘤中表达升高，而在转移性肿瘤中HIF-1α表达升高得更加显著［17］，提示HIF-1α在肿瘤细胞侵袭转移方面发挥着重要作用。近年来有研究证实［18］，HIF-1α的表达与肺癌的分期呈正相关，肺癌的分期越高，HIF-1α表达越高，说明肺癌中HIF-1α高表达促进了肺癌细胞的侵袭和转移。

4.5 增加肺癌放化疗的抵抗性 HIF-1通过VEGF依赖的血管生成、无氧代谢、调控参与DNA修复过程的因子表达等，使逃脱电离辐射物理杀伤的肿瘤细胞获得必要的生存条件。夏曙等［19］的研究也显示，在肺癌组织中HIF-1α蛋白的表达与多药耐药相关蛋白的表达存在明显的相关性。近年来一系列研究均表明，HIF-1通过降低凋亡潜能细胞的选择作用导致肿瘤细胞对放化疗不敏感，同时通过多药耐药基因表达使肿瘤细胞对放化疗敏感性降低［20-24］。

5 HIF-1在肺癌治疗方面的应用进展

HIF-1与肺癌的生长、浸润、转移密切相关，抑制HIF-1活性可能成为肺癌治疗的靶点之一。许多通过基因和药物途径抑制HIF-1表达和转录活性的方法，已经或准备应用到肿瘤的治疗当中。Sun等［25］证实瘤内HIF-1α的表达被反义HIF-1α质粒基因转染所抑制，导致VEGF下调，减少瘤内血管密度。另外，近年来发现两种可被应用的HIF-1α cDNA变异体:一种是HIF-1αZ，它是由锌诱导产生［26］;另一种是HIF-1α516，翻译一种含有516个氨基酸残基的多肽［27］。它们虽然都具有碱性螺旋-环-螺旋和PAS结构域，但都缺失ODDD区和TAD区，通过竞争性地与HIF-1β形成二聚体来抑制HIF-1α的活性。目前已有多种影响HIF-1稳定性和信号转导途径的药物应用于临床或前期试验。有文献报道，热休克蛋白90的抑制剂——17-烯丙基氨基格尔德霉素，竞争性与HIF-1α的结合可降低HIF-1α构象的稳定性［28］，另如雷帕霉素(哺乳类动物雷帕霉素靶蛋白抑制剂)、曲妥单抗(受体酪氨酸激酶抑制剂)等也可降低HIF-1α的稳定性。近年来又有报道［29］称，两类复合物(微管靶向物质和拓扑异构酶1抑制剂)亦可抑制HIF-1α的稳定性和转活。故采用HIF-1的有效抑制剂可能为肺癌的治疗提供一条新的途径。

6 展望

近年来肺癌的发生率、病死率都有上升趋势，低氧和缺氧状态下的肺癌细胞HIF-1表达增加表现在多个水平，包括基因转录和蛋白表达，导致肿瘤细胞供血、供氧及供能增加，在肺癌的生长过程中转录因子HIF-1诱导处于低氧和缺氧状态下的肿瘤细胞的某些基因和蛋白的表达发生改变，使癌细胞迅速增殖和浸润。已有许多研究表明，HIF-1对肿瘤的生长、浸润、转移及预后的作用举足轻重。可以预见，以HIF-1为靶点的治疗可能会成为肺癌治疗的又一个重要方法。然而，目前HIF-1对肺癌细胞作用机制的研究尚处于基础研究阶段，要使科学试验研究服务于临床实践，提高肺癌患者生存质量、延长生存期，对其作用机制的研究就更加重要。

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