缺氧诱导因子-1在病毒感染中的作用

李琼毅，冯若飞，乔自林，马忠仁，*

(1.西北民族大学生命科学与工程学院，甘肃兰州 730030;2.西北民族大学甘肃省动物细胞工程技术研究中心，甘肃兰州 730030)

缺氧诱导因子-1(hypoxia-inducible factor-1，HIF-1)是由β和α2种不同亚单位组成的异二聚体转录因子。该因子可直接引起缺氧应答基因转录［1-2］，其表达产物参与细胞的许多生理过程，包括葡萄糖摄取、糖酵解、血管形成、释放炎症因子和红细胞生成等。这些产物对细胞在生理及病理情况下适应缺氧环境均有重要影响［1-3］。越来越多的研究提示HIF-1在感染和炎症性疾病中也发挥重要作用［4］，因此研究者开始将目光转向HIF-1的功能研究。尽管已有确切证据表明HIF-1对宿主应答具有影响，但是对HIF-1在病毒感染中的作用仍知之甚少。在此，本文通过检索相关文献，对HIF-1的活性改变及其在病毒感染中的作用进行了综述。

1 HIF-1简介

哺乳动物时常会面临不同的缺氧水平，因此需要进化出能够快速适应缺氧条件的相应机制。在这些调控因子中，最为主要的就是HIF-1。HIF-1是由HIF-1β和HIF-1α亚单位组成的异二聚体转录因子［3-5-6］。HIF-1β为DNA结合元件，组成性表达于细胞核内;而HIF-1α为调节元件，其表达水平主要受氧分压调控［3］。目前普遍认为HIF-1活化主要通过缺氧时抑制辅氨酰羟化酶结构域(PHDs)的酶活性实现［7］。当氧分压正常时，PHDs介导HIF-1α辅氨酰残基羟化，von-Hippel-Lindau(VHL)蛋白与羟化的辅氨酰残基结合并经蛋白酶体途径降解［1，8］。相反，当氧分压下降时，PHDs的功能受到抑制，HIF-1α累积并与HIF-1β结合形成活化的HIF-1异二聚体，启动缺氧诱导基因表达，因此，HIF-1α的稳定表达决定了HIF-1是否活化［1，8］。研究发现，当铁离子缺乏时(如脱铁氨等铁离子螯合剂存在时)也可以导致HIF-1的活化［9］。铁离子是PHDs保持酶活性的重要辅因子，因此，铁离子螯合剂可抑制PHDs的活性，减少HIF-1α降解，从而引发HIF-1的活化［10］。

非缺氧机制也可以诱导HIF-1α的产生。尽管在氧浓度正常时HIF-1α的降解主要通过脯氨酸羟化/VHL通路进行，但是，当有刺激因素存在时，如氧化应激、激素刺激、生长因子或细胞因子以及病原体感染时，HIF-1α的mRNA的数量或翻译效率可明显提高，HIF-1α的浓度也随之升高［11-13］。多种细胞信号级联反应均可活化HIF-1α的mRNA转录，而翻译则受磷脂酰肌醇-3激酶Akt通路和钠巴霉素哺乳动物靶子(mTOR)的控制［12，14-16］。这种级联反应特性极大地提高了细胞在外界刺激下的存活率［17-21］。

2 HIF-1在病毒感染中的作用

2.1 HIF-1在人免疫缺陷病毒-1(HIV-1)感染中的作用

Price等［22-23］发现HIV相关病毒蛋白Tat和gp-120能够引起活性氧(ROS)的产生，而氧化应激中活性氧产生可以稳定HIF-1α。因此Mermis检测了ROS介导的HIF-1α活化是否与gp-120诱导的血小板源性生长因子(PDGF)表达增加相关。结果表明，gp-120处理组HIF-1α表达水平明显高于未处理组，而且这一作用可被抗氧化剂阻断。为了进一步确定HIF-1α是否参与gp-120介导的PDGF-BB表达，Mermis［24］进行了HIF-1α特异性小分子干扰RNΑ敲除实验。经HIF-1α特异性小干扰RNΑ转染后，gp-120诱导的人原代肺微血管上皮细胞PDGF表达明显下降。这说明HIF-1α的活化在gp-120介导的PDGF表达中发挥了重要作用。

HIV-1辅助蛋白-病毒R蛋白(Vpr)于病毒复制周期的后期合成并包装在病毒粒子内部，对病毒在巨噬细胞内的复制发挥重要作用［25］。Vpr具有多种功能，包括参与HIV-1前整合复合体的入核转运［26］，使宿主细胞停滞于G2期，反式激活病毒和宿主基因复制以及诱导宿主细胞凋亡［27］。Deshmαne等［29］发现Vpr可引起ROS的聚集，后者则导致缺氧诱导因子HIF-1α的活化［28-29］。HIF-1α内部结构域与HIV启动子活化相关，适当浓度的HIF-1α对于HIV启动子活化必不可少。

2.2 HIF-1在肝炎病毒感染中的作用

引起人戊型肝炎的HEV是一类重要的病原体。Moin等［30］发现HEV的ORF3蛋白可以增加宿主细胞的存活时间。原因是ORF3表达阳性的细胞内，HIF-1α稳定性增加，该分子的稳定表达可促进糖酵解途径相关酶基因表达增加。该研究证实HEV可通过ORF3改变细胞的能量代谢从而使其更利于自身的繁殖。

在丙型肝炎病毒(HCV)感染中，丙肝病毒糖蛋白可以干扰肝细胞紧密连接相关蛋白的表达，增加肝细胞的迁移，并且上皮间质转变标志分子也有表达。而这些标志分子的出现是通过HIF-1α的稳定表达实现的。当HIF-1α的表达抑制后，病毒感染和糖蛋白表达均出现下降，HCV的复制也明显减慢，这一实验结果证实HIF-1α不仅在肝细胞迁移中发挥作用，同时对病毒复制周期也有影响［31］。

2.3 HIF-1在呼吸道合胞病毒(RSV)感染中的作用

HIF-1α稳定表达在RSV感染引起的炎症反应和水肿形成中亦发挥重要作用［32］。Kilani等［32］研究证实RSV通过诱导呼吸道上皮细胞释放一氧化氮，随后引起HIF-1α稳定表达。RSV感染细胞的HIF-1α稳定性明显高于未感染细胞，当加入NO抑制剂后阻断了RSV介导的HIF-1α稳定增加。因此，Kilani认为RSV引起的HIF-1α稳定是由NO引起的。Masaki等［2］在实验中发现，当RSV感染人鼻上皮细胞时(human nasal epithelial cells，HNECs)，紧密连接分子claudin-4的表达升高，而claudin-4的表达升高有利于前炎症因子如IL-8和TNF-α的产生，同时试验证实claudin-4的表达增加、HNECs对病毒感染的应答以及病毒的复制和出芽均受到 PKC δ/HIF-1α/NK-κB信号通路的调节。

2.4 HIF-1在其他病毒感染中的作用

当人成纤维细胞感染人巨细胞病毒(HCMV)9 h或经紫外线照射后，HIF-1α被诱导表达，提示其主要在转录水平具有刺激作用［1］。HCMV经紫外线照射后仍可产生此效应，说明该应答与病毒粒子和感染细胞之间的相互作用有关，但与病毒基因是否表达无关。Mcfarlane等［1］认为病毒感染早期的某些事件触发宿主细胞发生一系列改变，从而最终引起HIF-1α的表达。

Kondo等［33］则发现EB病毒的潜伏膜蛋白1(LMP1)可以活化上皮细胞内HIF-1α分子及后续的应答基因。LMP1通过增加Siah1 E3泛素连接酶的稳定性，上调了Siah1 E3泛素连接酶的含量，从而阻止了VHL与HIF-1α复合体的形成。这一过程不但调节了HIF-1α而且与EBV诱导的肿瘤发生息息相关。

在水痘带状疱疹病毒感染的皮肤或Kaposi’s sarcoma相关疱疹病毒(KSHV)的活组织检查中也可以检测到HIF-1α表达增加［3］，KSHV潜伏期相关核抗原(LANA)介导了HIF-1α转录活化［34］。KSHV诱导HIF-1α表达增加主要与正反馈通路相连，在缺氧的条件下，HIF-1α和LANA可协同刺激病毒RTA转录激活因子的表达［34］。

3 HIF-1在其他微生物感染中的作用

目前在汉塞巴尔通体引起的杆菌性血管瘤病和紫癜肝病的体外和活体检查中均证实有HIF-1的活化［35-36］。在该疾病发生发展过程中，汉塞巴尔通体通过HIF-1诱导宿主血管生成基因重排。感染细胞分泌血管生成相关因子如血管内皮生长因子促进内皮细胞增生［35］。肠杆菌科部分成员如小肠结肠炎耶尔森菌、产气肠杆菌和肠炎沙门菌等已证实通过氧依赖途径活化HIF-1。在这类激活途径中，由于肠杆菌分泌的铁载体与宿主竞争铁离子从而影响PHD2的活性，最终导致HIF-1的活化［37］。敲除HIF-1α基因小鼠往往表现出对经口感染的小肠结肠炎耶尔森菌的高易感性，因此细菌感染后HIF-1活化往往是宿主免疫防御机制的体现［37］。事实上，由于HIF-1在树突状细胞刺激活化T细胞的过程中必不可少，调节吞噬细胞的杀菌活性［38］，产生抗微生物肽如抗菌肽［39］，因此HIF-1在宿主固有免疫和细胞免疫中均发挥重要作用［40］。

4 展望

HIF-1活化在许多感染性疾病中均可发现，众多人源性细菌、真菌及病毒感染结果证实在机体与病原体的相互作用中HIF-1必不可少。随着对这些结果的深入研究，将会发现动物源性病原体感染后引起的HIF-1活化对患畜的生理及病理所产生影响。而在不久的将来，在严重感染中HIF-1相关的抑制性药物的治疗作用也会进一步被阐明并最终发挥出相应的作用。

［1］McFarlane S，Nicholl MJ，Sutherland JS，et al.Interaction of the human cytomegalovirus particle with the host cell induces hypoxia-inducible factor 1 alpha［J］.Virology，2011，414(1):83-90.

［2］Masaki T，Kojima T，Okabayashi T，et al.A nuclear factorkappaB signaling pathway via protein kinase C delta regulates replication of respiratory syncytial virus in polarized normal human nasal epithelial cells［J］.Mol Biol Cell，2011，22(13):2144-2156.

［3］Werth N，Beerlage C，Rosenberger C，et al.Activation of hypoxia inducible factor 1 is a general phenomenon in infections with human pathogens［J］.PLoS One，2010，5(7):e11576.

［4］Cramer T，Yamanishi Y，Clausen BE，et al.HIF-1alpha is essential for myeloid cell-mediated inflammation［J］.Cell，2003，112(5):645-657.

［5］Bruick RK.Oxygen sensing in the hypoxic response pathway:regulation of the hypoxia-inducible transcription factor［J］.Genes Dev，2003，17(21):2614-2623.

［6］Semenza GL.Hypoxia-inducible factor 1:master regulator of O2homeostasis［J］.Curr Opin Genet Dev，1998，8(5):588-594.

［7］Nasimuzzaman M，Waris G，Mikolon D，et al.Hepatitis C virus stabilizes hypoxia-inducible factor 1alpha and stimulates the synthesis of vascular endothelial growth factor［J］.J Virol，2007，81(19):10249-10257.

［8］Pugh CW，Ratcliffe PJ.Regulation of angiogenesis by hypoxia:role of the HIF system［J］.Nat Med，2003，9(6):677-684.

［9］Ivan M，Kondo K，Yang H，et al.HIFalpha targeted for VHL-mediated destruction by proline hydroxylation:implications for O2sensing［J］.Science，2001，292(5516):464-468.

［10］Mazure NM，Brahimi-Horn MC，Berta MA，et al.HIF-1:master and commander of the hypoxic world.A pharmacological ap-proach to its regulation by siRNAs［J］.Biochem Pharmacol，2004，68(6):971-980.

［11］Dery MA，Michaud MD，Richard DE.Hypoxia-inducible factor 1:regulation by hypoxic and non-hypoxic activators［J］.Int J Biochem Cell Biol，2005，37(3):535-540.

［12］Hellwig-Burgel T，Stiehl DP，Wagner AE，et al.Review:hypoxia-inducible factor-1(HIF-1):a novel transcription factor in immune reactions［J］.J Interferon Cytokine Res，2005，25(6):297-310.

［13］Zinkernagel AS，Johnson RS，Nizet V.Hypoxia inducible factor(HIF)function in innate immunity and infection［J］.J Mol Med(Berl)，2007，85(12):1339-1346.

［14］Fukuda R，Hirota K，Fan F，et al.Insulin-like growth factor 1 induces hypoxia-inducible factor 1-mediated vascular endothelial growth factor expression，which is dependent on MAP kinase and phosphatidylinositol 3-kinase signaling in colon cancer cells［J］.J Biol Chem，2002，277(41):38205-38211.

［15］Laughner E，Taghavi P，Chiles K，et al.HER2(neu)signaling increases the rate of hypoxia-inducible factor 1alpha(HIF-1alpha)synthesis:novel mechanism for HIF-1-mediated vascular endothelial growth factor expression［J］.Mol Cell Biol，2001，21(12):3995-4004.

［16］Page EL，Robitaille GA，Pouyssegur J，et al.Induction of hypoxia-inducible factor-1alpha by transcriptional and translational mechanisms［J］.J Biol Chem，2002，277(50):48403-48409.

［17］Alessi DR，Cohen P.Mechanism of activation and function of protein kinase B［J］.Curr Opin Genet Dev，1998，8(1):55-62.

［18］Bhaskar PT，Hay N.The two TORCs and Akt［J］.Dev Cell，2007，12(4):487-502.

［19］Bai X，Jiang Y.Key factors in mTOR regulation［J］.Cell Mol Life Sci，2010，67(2):239-253.

［20］Engelman JA，Luo J，Cantley LC.The evolution of phosphatidylinositol 3-kinases as regulators of growth and metabolism［J］.Nat Rev Genet，2006，7(8):606-619.

［21］Shaw RJ，Cantley LC.Ras，PI(3)K and mTOR signalling controls tumour cell growth［J］.Nature，2006，441(7092):424-430.

［22］Price TO，Ercal N，Nakaoke R，et al.HIV-1 viral proteins gp120 and Tat induce oxidative stress in brain endothelial cells［J］.Brain Res，2005，1045(1-2):57-63.

［23］Price TO，Uras F，Banks WA，et al.A novel antioxidant N-acetylcysteine amide prevents gp120-and Tat-induced oxidative stress in brain endothelial cells［J］.Exp Neurol，2006，201(1):193-202.

［24］Mermis J，Gu H，Xue B et al.Hypoxia-inducible factor-1 alpha/platelet derived growth factor axis in HIV-associated pulmonary vascular remodeling［J］.Respir Res，2011，12:103.

［25］Pandey RC，Datta D，Mukerjee R，et al.HIV-1 Vpr:a closer look at the multifunctional protein from the structural perspective［J］.Curr HIV Res，2009，7(2):114-128.

［26］Sherman MP，Greene WC.Slipping through the door:HIV entry into the nucleus［J］.Microbes Infect，2002，4(1):67-73.

［27］Amini S，Khalili K，Sawaya BE.Effect of HIV-1 Vpr on cell cycle regulators［J］.DNA Cell Biol，2004，23(4):249-260.

［28］Deshmane SL，Mukerjee R，Fan S，et al.Activation of the oxidative stress pathway by HIV-1 Vpr leads to induction of hypoxia-inducible factor 1alpha expression［J］.J Biol Chem，2009，284(17):11364-11373.

［29］Deshmane SL，Amini S，Sen S，et al.Regulation of the HIV-1 promoter by HIF-1alpha and Vpr proteins［J］.Virol J，2011，8:477.

［30］Moin SM，Chandra V，Arya R，et al.The hepatitis E virus ORF3 protein stabilizes HIF-1alpha and enhances HIF-1-mediated transcriptional activity through p300/CBP［J］.Cell Microbiol，2009，11(9):1409-1421.

［31］Wilson GK，Brimacombe CL，Rowe IA，et al.A dual role for hypoxia inducible factor-1alpha in the hepatitis C virus lifecycle and hepatoma migration［J］.J Hepatol，2012，56(4):803-809.

［32］Kilani MM，Mohammed KA，Nasreen N，et al.RSV causes HIF-1alpha stabilization via NO release in primary bronchial epithelial cells［J］.Inflammation，2004，28(5):245-251.

［33］Kondo S，Seo SY，Yoshizaki T，et al.EBV latent membrane protein 1 up-regulates hypoxia-inducible factor 1alpha through Siah1-mediated down-regulation of prolyl hydroxylases 1 and 3 in nasopharyngeal epithelial cells［J］.Cancer Res，2006，66(20):9870-9877.

［34］Cai Q，Lan K，Verma SC，et al.Kaposi’s sarcoma-associated herpesvirus latent protein LANA interacts with HIF-1 alpha to upregulate RTA expression during hypoxia:Latency control under low oxygen conditions［J］.J Virol，2006，80(16):7965-7975.

［35］Kempf VA，Volkmann B，Schaller M，et al.Evidence of a leading role for VEGF in Bartonella henselae-induced endothelial cell proliferations［J］.Cell Microbiol，2001，3(9):623-632.

［36］Riess T，Andersson SG，Lupas A，et al.Bartonella adhesin a mediates a proangiogenic host cell response［J］.J Exp Med，2004，200(10):1267-1278.

［37］Hartmann H，Eltzschig HK，Wurz H，et al.Hypoxia-independent activation of HIF-1 by enterobacteriaceae and their siderophores［J］.Gastroenterology，2008，134(3):756-767.

［38］Peyssonnaux C，Datta V，Cramer T，et al.HIF-1alpha expression regulates the bactericidal capacity of phagocytes［J］.J Clin Invest，2005，115(7):1806-1815.

［39］Peyssonnaux C，Cejudo-Martin P，Doedens A，et al.Cutting edge:Essential role of hypoxia inducible factor-1alpha in development of lipopolysaccharide-induced sepsis［J］.J Immunol，2007，178(12):7516-7519.

［40］Jantsch J，Chakravortty D，Turza N，et al.Hypoxia and hypoxia-inducible factor-1 alpha modulate lipopolysaccharide-induced dendritic cell activation and function［J］.J Immunol，2008，180(7):4697-4705.