低氧诱导因子1对中枢神经保护作用的研究进展

刘 艳(综述)，夏苏英(审校)

(1.中南大学湘雅三医院神经内科，长沙 410000； 2.长沙市中心医院，长沙市老年医学研究所，长沙 410000)

低氧诱导因子1(hypoxia-inducible factor 1，HIF-1)是目前发现的唯一一个高度特异性、并且在缺氧环境下广泛存在于哺乳动物与人体内可发挥活性的核因子，它可通过激活下游靶基因的表达，适应缺血缺氧环境。HIF-1的活性亚基HIF-1α是对低氧反应极其敏感的转录因子,参与脑组织缺血缺氧过程中的病理生理过程,通过激活多种途径发挥对缺血性脑组织的保护作用。因此，HIF-1成为治疗脑血管意外的重要靶点。近年来，学者对HIF-1在脑缺血缺氧环境下的神经保护进行多项研究，现对其予以综述。

1 HIF-1的概述

HIF-1是首次由Wang等[1]在研究缺氧刺激肾脏分泌红细胞生成素基因表达时发现的一种脱氧核糖核酸结合蛋白，通过与低氧反应元件结合，引发下游靶基因的转录。HIF-1具有相当广泛的靶基因谱，如血管内皮生长因子(vascaluar endothecial growth factor,VEGF)、促红细胞生成素(erythropoietin,EPO)等，这些因子在组织、细胞的低氧适应反应过程中起重要作用，进而对中枢神经的保护有着重要意义。

HIF-1主要由HIF-1α(相对分子质量为120×103)和HIF-1β(相对分子质量为91×103～94×103)两个亚单位组成,以异二聚体形式存在，两个亚基均属碱性多肽-螺旋-环-螺旋转录因子家族中的成员，含有时钟-芳香烃受体核转位蛋白-sumo蛋白结合(Per-ARNT-Sim,PAS)结构域，碱性多肽-螺旋-环-螺旋区与DNA结合，PAS区则与另一亚基构成二聚体。HIF-1α为氧调节亚基，全长826个氨基酸残基，它决定HIF-1的活性,常氧条件下被泛素-蛋白酶迅速降解；而HIF-1β则在所有细胞细胞核中持续表达[2]。细胞处于低氧环境时，HIF-1α的降解受到抑制，HIF-1α蛋白水平急剧增加，并与HIF-1β结合形成HIF-1，HIF-1进一步与DNA上的缺氧反应元件相结合，激活相关目的基因的转录，引起一系列细胞缺氧反应[3-4]。

2 HIF-1对中枢神经保护的研究进展

2.1缺血缺氧条件下HIF-1在脑组织的表达 低氧环境能显著诱导鼠脑组织HIF-1α信使RNA的表达上调，在低氧环境下诱导30 min，HIF-1α信使RNA表达开始增加，诱导60 min达到高峰，持续诱导4 h，HIF-1α信使RNA表达又回落到基础水平，说明HIF-1α的表达是瞬时的[5]。大鼠短暂性全脑缺血模型中，缺血15 min后大脑皮质和海马就有HIF-1α信使RNA及其靶基因VEGF信使RNA在同一神经元表达，在4～72 h缺血/再灌注期间也有持续表达[6]。在小鼠脑出血模型中，大脑皮质和出血灶周围半暗带HIF-1α阳性细胞计数在第7日和第14日显著增多，且HIF-1α阳性细胞计数在第7日显著多于第14日[7]。由此可见，在中枢神经系统中，HIF-1是调节细胞缺氧反应中非常重要的转录因子。

2.2HIF-1对神经组织的保护作用 Du等[8]采用高温预处理方式，在40℃条件下培养星形胶质细胞6 h诱导HIF-1表达，收集培养基上清液，发现与对照组培养基上清液相比，这种高温预处理后培养基对氧糖剥夺环境中的神经元有显著的神经保护和抗凋亡作用，并且这种神经保护作用与培养液中HIF-1的表达增加显著相关。也有人用二甲基草酰甘氨酸抑制常温下HIF-1的降解，间接使HIF-1表达上调，发现在大鼠永久性大脑中动脉和短暂性大脑中动脉闭塞模型中静脉注射40 mg/kg二甲基草酰甘氨酸，能有效减小梗死体积，改善脑组织局部血液循环，促进运动功能恢复，并且这种保护神经、促进神经恢复的作用与HIF-1下游靶基因VEGF、内皮型一氧化氮合酶的激活有关[9]。

3 HIF-1及其下游靶基因对神经保护的作用

HIF-1的表达增加是组织细胞对缺血缺氧的一种适应性反应，它通过调控下游多种靶基因的表达，能改善脑组织缺血，减少组织再灌注损伤，改善局部能量代谢障碍，促进组织缺血后血流动力学恢复和新生血管生成，抗细胞凋亡，引起内源性干细胞趋化迁徙。HIF-1表达上调产生的生物效应与其下游靶基因的激活息息相关，因此了解下游各种靶基因所发挥的作用十分必要。

3.1VEGF对神经保护作用 VEGF在血管发生和形成过程中起着中枢性的调控作用，是血管形成的关键刺激因子。HIF-1结合点和上游的激活蛋白1结合点共同构成低氧反应元件，刺激VEGF的表达。研究表明VEGF对微环境的构建主要通过3种途径：①促进内皮细胞的增殖和血管的生成，VEGF可以通过其特异性受体血管内皮生长因子受体(血管内皮生长因子受体1、血管内皮生长因子2)直接作用于血管内皮细胞刺激其增殖，促使血管形成，改善局部血液循环，提高缺血缺氧病灶的供血量，进而延缓细胞及组织坏死[10]；②增加血管通透性，引起血浆蛋白外渗，并通过诱导间质产生而促进体内新生血管生成[11]；③对神经组织有直接的保护作用，体外培养中，VEGF能显著提高神经元在无血清、低氧、机械损伤、有害化学环境中的存活率[7,12]。

3.2EPO的作用 EPO是HIF-1靶基因之一，是一种调节红细胞生成的体液因子，能刺激红细胞的发生和成熟，增加了携氧能力。EPO还具有抗细胞凋亡、保护神经、促进干细胞迁移、促血管生成、抗炎等作用[13]。

3.2.1EPO的抗凋亡作用 EPO与EPO受体结合，启动细胞内的信号转导。Xiong等[14]研究发现，EPO可激活脑区中JAK激酶2，胞外信号调节激酶1/2、蛋白激酶B、核因子κB及信号转导及转录激活因子5通路，使Bcl-xL和Bcl-2基因高表达，同时减少Bax基因的表达。EPO与其受体相结合激活Janus蛋白酪氨酸激酶2后，可抑制核因子磷酸化，使结合核因子κB移位入核，转录结合核因子κB依赖的凋亡抑制因子X染色体连锁凋亡抑制因子和细胞凋亡抑制蛋白，从而抑制凋亡发生[15]，说明EPO可增加抗凋亡蛋白的表达，发挥抗凋亡作用。另外，EPO还可降低血中有促进凋亡作用的细胞因子。

3.2.2EPO的神经保护作用 EPO通过多种机制发挥稳定内环境和保护神经细胞作用：①对抗神经细胞兴奋性中毒，Kawakami等[16]发现EPO能增加暴露在细胞毒性环境下神经细胞的存活率，这种机制可能与通过降低钙依赖性谷氨酸释放而增强对谷氨酸毒性的耐受；②减轻细胞水肿；③减轻组织炎性反应，EPO能通过增加细胞溶质内抗氧化物酶(如超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶等)活性，减轻细胞由于过氧化反应带来的伤害[17-18]。在大鼠TBI创伤性脑损伤模型中，皮质损伤早期给予EPO治疗能显著减少组织挫伤体积，保护海马神经元，改善运动功能，并且治疗效果与EPO的给药方案有关，每日多次给药比每日单次给药具有更好的神经保护和改善功能的效果[19-20]。

3.2.3EPO对血管的保护 EPO在体内外均能保护内皮细胞的完整性，还能促进新血管的生成，其机制与VEGF具有相似性。EPO可通过促进血管内皮细胞增生、分化、迁移来介导血管生成，从而对维持和重建血供、促进损伤修复有重要意义。另外，EPO在体内促血管生成的作用可能部分与促进骨髓内皮起源细胞(内皮祖细胞)迁移至成血管处分化为血管有关[21]。

3.3其他靶基因 胰岛素样生长因子Ⅱ编码基因、脑红蛋白、一氧化氮合酶、血小板源性生长因子、葡萄糖载体蛋白1、葡萄糖载体蛋白3、内皮缩血管肽1等基因表达产物对受损后组织的红细胞生成及血管形成、能量代谢、减少神经细胞凋亡等发挥重要的作用，维持神经细胞生存微环境的稳定，并对损伤后微环境的构建也起到积极的作用，间接保护了神经细胞。

4 小 结

HIF-1在中枢神经系统损伤后微环境的构建，神经细胞的保护等多方面均起着重要作用。近几年对HIF-1在组织缺血缺氧应答中取得突破进展。研究证明中药治疗脑梗死的机制可能与HIF-1调节下游靶基因相关[22-23]。在朊病毒病所致的神经退行性变疾病中，通过上调HIF-1的表达，发挥神经保护作用[24]。由此可见，HIF-1不仅是缺血性脑卒中的治疗靶点，还为神经科其他疾病的治疗开辟新的途径。然而，对于信号通路及调控机制的研究及HIF-1在常氧环境下稳定无害的表达还有待进一步的研究。

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