低氧诱导因子-1在低氧训练中表达的研究综述①

潘秀清（西安体育学院　陕西西安　710068）

低氧诱导因子-1在低氧训练中表达的研究综述①

潘秀清
（西安体育学院陕西西安710068）

摘 要:该文通过对低氧诱导因子-1（HIF-1）1的活性调节机制、结构和生物学功能等的综述，重点分析了HIF-1在低氧训练中的表达。HIF-1转录调控低氧反应基因，从基因水平介导了对低氧的反应，是低氧诱导的核转录因子。低氧训练在分子基因水平上造成HIF-1mRNA上调，通过调控EPO水平以促进机体利用氧的能力，诸如肌红蛋白增多、VEGF表达上调和糖酵解速率升高，肌肉线粒体数量增多和毛细血管的密度增大，进而提高机体在缺氧状况下的运动能力。HIF-1调控诸多低氧反应基因的转录表达，是机体感受氧浓度变化的关键因素。

关键词:低氧诱导因子-1低氧训练表达HIF-1

在低氧训练中，低氧诱导因子-1（hypoxic inducible factor，HIF-1）对机体的氧运输能力、低氧适应能力、新生血管的产生以及物质的氧化代谢等都有积极的作用，介导低氧适应性反应，有助于从基因水平研究低氧训练的生理适应机理，使运动员的运动能力得到有效提高。在缺氧情况下，诸多低氧训练方法如高原训练、高住低训等被用来训练运动员，目的提高氧的运输和利用能力，最终增强其低氧适应的能力。低氧反应性基因被HIF-1陆续激活，可见，HIF-1是低氧条件下保持氧浓度稳定的重要因素。

1　IHF-1的结构和生物学功能

20世纪90年代初，Semenza和Wang用1%O2处理人类肝癌细胞株Hep3B细胞，发现细胞内EPO mRNA表达明显增高，经低氧处理过的细胞中发现，促红细胞生成素（EPO）基因上有一核苷酸序列可以与特异性蛋白质结合，该特异性蛋白质被命名为HIF-1[1]。

1.1HIF-1的结构

HIF-1由HIF-1α、HIF-1β两个亚基组成，是一种异二聚体结合DNA的蛋白质因子。α亚基分子量为120KD，包含bHLH结构域，PAS结构域和羧基末端的反式活化结构域，三者共同构成了转录因子DNA结合域。HIF-1α是氧调节蛋白，共包含826个氨基酸。其C端包含两个反式活化结构域N-TAD和C-TAD，被抑制结构域（inhibition domain， ID）分开，ID能降低N-TAD和C-TAD活性，在非缺氧细胞中这一作用更加突出。β亚基的分子量为91-94KD。两个亚基均为螺旋环螺旋（basic-helix-loop-helix/Per-Arnt-Sim domain，bHLH/PAS）家族的成员。反式活化结构域只有在HIF-1α 与β形成异二聚体时才起作用[2]。

1.2HIF-1的主要生物学功能

HIF-1是一种转录因子，和低氧反应基因（hypoxia reaction gene， HRG）的低氧反应元件（hypoxia reaction element， HRE）上的结合位点结合，促进转录表达靶基因，使机体适应低氧环境，介导低氧反应。低氧时在心、肝、肺、脑等组织细胞中被大量表达。现发现的低氧反应基因有40多种，主要有:血管内皮生长因子（VEGF）、EPO、糖酵解酶、胰岛素样生长因子结合蛋白-1、α1B肾上腺素能受体、诱导型NOS（iNOS）、转铁蛋白、血红素氧化酶-1、血栓素合酶、内皮素-1（ET-1）、尿激酶型的纤溶酶原活化素受体基因、肾上腺髓质素、环氧合酶-2（COX）等[3]。HIF-1的生物学功能主要有:促进糖代谢和氧运输、促进细胞分裂增殖和血管新生、促进铁代谢和参与诱导细胞凋亡等[3]。

2　HIF-1作用通路和活性调节机制

2.1HIF-1作用通路

HIF-1α通过一个氧化还原反应的信号通路来调节低氧活性，其调节机制涉及蛋白合成的增加、稳定性的升高和蛋白质降解的减少等。HIF-1α受到至少2条信号通路的调控:第 1条通路的激活信号包括肿瘤抑制基因的缺失、生长因子（如上皮生长因子）的变化、肽的原癌基因的突变等因素，激活肌醇磷酸3-激酶（PI3K）和（mTOR）依赖的信号通路，引起HIF-lα的增加。有研究报道: PI3K途径必须在其他通路激活PI3K转录活性的共同作用下才能增加细胞核内HIF-1的含量。HIF-lα蛋白的合成增加有利于PI3K/ Akt/FRAP通路的激活。第2条通路的激活信号为CoCI2和缺氧，包括抑制PHDs家族对HIF-lα的修饰。此外，HIF-lα被ET-I诱导激活后引起HIF-1的增多，从而激活HIF-1。

2.2HIF-1活性调节机制

细胞内氧浓度是调节HIF-1的蛋白转录活性和稳定性的主要因素，正常细胞内HIF-1含量很少，在低氧条件下，其HIF-1含量显著增加，这可能是因为在常氧条件下HIF-1迅速降解。HIF-1对细胞中氧浓度的变化比较敏感，在组织缺氧时可以迅速做出mRNA表达上的相应变化。HIF-1α蛋白稳定性受氧浓度调节的分子机制:常氧状态时，HIF-1α在脯氨酰羟化酶-1，2，3的作用下羟基化了402和564位的脯氨酸残基，林希病肿瘤因子（PVHL）与被羟化的HIF-1α结合，生成E3泛素-蛋白连接酶复合体，该复合体作用于HIF-1α的识别部位，才导致蛋白酶体降解HIF-1α。由于氧气增多抑制脯氨酸羟化酶的活性，故整个反应过程受氧浓度的影响较大。低氧时HIF-1α不能被羟化，因而不能与PVHL结合，从而使HIF-1α降解明显减少[5]。氧浓度对HIF-1α转录活性的调控机理:常氧条件下，由于羟化酶作用于HIF-1α，其天门冬氨酸残基被羟化，导致C-TAD与CBP、p300的结合被抑制，从而HIF-1α的转录活性也被抑制；低氧条件下，羟化酶活性被抑制，反馈性增强HIF-1α的转录活性。HIF-1α的反式活化结构域（TAD）要激活转录，必须与转录共活化因子CBP、p300等相互作用才行。另外，铁螯合剂和氯化钴可使HIF-1α与PVHL分离，从而诱导HIF-1α的表达，增强HIF-1转录活化功能；胰岛素、内皮生长因子、IGF-1、IGF-2、血小板衍生生长因子、凝血酶及血管紧张肽等也能增强HIF-1转录活性。

HRG上的HIF-1低氧反应元件:HRG在HIF-1上的结合位点大多数位于5'启动子（如GLU、VEGF等），HIF-1介导低氧反应是采用以HRG的低氧反应元件的结合点与HIF-1相结合的方式。

3　HIF-1对低氧训练的调控

3.1HIF-1对低氧训练的调控概况

运动员抗缺氧的能力与有氧代谢能力关系密切。低氧诱导HIF-1表达升高。低氧训练通过合理控制低氧浓度和时间，利用缺氧刺激运动员，目的提高运动员的低氧适应能力和运动成绩。常用的低氧训练有:高原训练、模拟高原训练、高住低练和间歇性低氧训练等。有研究认为:急性低氧使HIF-1表达增加，是机体应激所

致；慢性低氧引起的HIF-1表达升高幅度下降是机体适应低氧的结果，可能是HRG的负反馈调节所致。随着氧浓度的下降，特别当氧浓度降到6%以下时，HIF-1提高增速。HIF-1对组织氧浓度的改变非常敏感。HIF-1α的表达在开始和结束都比较快，其半衰期在常氧下一般不超过5 min。HIF-1α的表达变化如此的迅速，据此对机体进行间歇性低氧或急性低氧刺激下以提高机体的低氧适应提供了依据性[2]。

HIF-1是体内感受氧浓度的关键调节因子，下调相关低氧反应基因的转录表达。低氧训练在基因水平上造成HIF-1mRNA上调，结果肌肉线粒体和毛细血管的密度增大，肌红蛋白、VEGF和糖酵解水平升高，促进EPO水平的上升以及血液运输氧能力的增加，有利于运动能力的提高。

3.2HIF-1对EPO及氧运输的影响

低氧训练使机体血清中的EPO浓度升高，介导EPO基因表达的关键因子是HIF-1。通过EPO的调控，HIF-1间接调节氧气的运输，对运动时机体的携氧能力有很大影响。HIF-1与EPO结合，通过反式激活作用激活EPO基因的转录，造成血液中Hb浓度的上升。EPO生成后释放入血，在骨髓中促使干细胞分化为原始红细胞，加快原始红细胞增殖和分化，使红细胞快速成熟和Hb合成增加，加速骨髓内的网织红细胞和红细胞释放入血液，血液中氧含量上升。有研究认为HIF-1通过对靶基因的低氧反应元件的作用来调控相关基因的表达，参与了红细胞生成、缺血/缺氧后细胞凋亡和增殖等过程，引起细胞一系列缺氧反应，从而保持机体氧浓度的稳定[5]。

在低氧条件下，HIF-1的转录被激活，诱导EPO的基因转录表达增多从而提高了血红蛋白在缺氧条件下的携氧能力；HIF-1还通过诱导如诱导型一氧化氮合酶（iNOS）等扩血管因子的表达来提高组织运输和利用氧的能力。

3.3HIF-1对VEGF的影响

VEGF 基因对低氧感觉敏锐。低氧条件下，HIF-1诱导VEGF基因转录，促使组织毛细血管增生，这样既改善了骨骼肌和心肌的氧气和营养供应，又提高了机体的有氧代谢能力[6]。VEGF具有很强的促进血管内皮细胞分裂的功能，是血管生成的主要调节因子。低氧环境下毛细血管的增生，是机体的一种保护性反应。VEGF是HIF-1的一个靶基因，低氧刺激后，HIF-1通过转录和转录后水平的改变，促进VEGFmRNA的转录活化并提高其稳定性，使VEGF受体FLK1/KDR的表达上调，最终增加毛细血管的新生。当HIF-1的表达缺乏时，VEGF的mRNA水平明显降低。

有研究指出，VEGFmRNA的表达与HIF-1αmRNA的表达在低氧时一致，表明在低氧刺激下HIF-1表达的上升能激活VEGF的转录并且提高VEGFmRNA的稳定性。VEGF基因的表达上调并使血管的新生增加，有助于供给组织氧和营养，提高体能。

3.4HIF-1对糖代谢的影响

在低氧条件下，机体主要通过无氧糖酵解产生ATP供能的。在糖酵解过程中果糖磷酸激酶、甘油磷酸酸酶、丙酮酸激酶、乳酸脱氢酶、醛缩酶和醇酶等酶都受到HIF-1的影响，合成增多，加速糖酵解的进行，通过糖酵解供能以满足机体对能量的需求。糖酵解供能使乳酸产生增加，致使细胞内正常的PH值下降，而HIF-1的目的基因跨膜碳酸酐酶被激活，将二碳化合物和质子转化为CO2，调节pH值，产生的CO2由血液运送到肺部排出体外。

同时，在摄取葡萄糖过程中，HIF-1也激活调控葡萄糖转运蛋白载体-1（GLU-1）和葡萄糖转运蛋白载体-3（GLU-3）的基因表达。有研究报道，肺泡上皮细胞的GLUT-1在低氧诱导下活性明显升高，且与氧气浓度和低氧持续时间呈正相关。氧气浓度越低，低氧持续时间越长，GLUT-1活性升高越显著。恢复常氧后，GLUT-1活性迅速下降[7]。

在低氧条件下GLUT表达的增加和活性的增强，使糖代谢的速率维持在较高水平。通过HIF-1调节糖酵解，使运动员在缺氧条件下能量得到及时补充，提高其耐缺氧能力和运动能力。

4　结语

综上所述，HIF-1对运动能力的影响是积极的。在低氧下运动，HIF-1提高了EPO、VEGF基因的表达并且加速了糖酵解的进行，提高了运动员的运动能力。低氧环境下，通过对运动员HIF-1变化的分析和对HIF-1相关基因表达影响的研究，探讨低氧刺激下HIF-1的作用，为进一步揭示低氧训练提高运动成绩的机理提供理论依据。

参考文献

[1] Semenza GL， Wang GL.A nuclear factor induced by hypoxiavia denovoproteinsynthesisbindstothehumanerythropoietingene enhanceratasiterequiredfortranscriptional activation[J].MolCellBio，1992，12:5447-5454.

[2]毛衫衫，潘同斌.低氧诱导因子-1与低氧训练的调控机制[J].北京体育大学学报，2005，28（9）:1227-1229.

[3]王晖.低氧诱导因子-1的研究进展[J].辽宁体育科技，2006，28 （2）:36-44.

[4]熊正英，张怡.低氧训练与低氧诱导因子-1的研究进展[J].四川体育科学，2006（2）:37-41.

[5]罗强，金其贯.低氧诱导因子-1影响运动能力的研究进展[J].辽宁体育科技，2008，30（5）:13-15.

[6]叶红，金咸.低氧诱导因子-1的结构、功能、调节及其与低氧信号转导的关系[J].生理科学进展，2001，32（1）:62-64.

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作者简介:①潘秀清（1973—），女，陕西咸阳人，硕士，讲师，研究方向:运动低氧研究。

中图分类号:G804.5

文献标识码:A

文章编号:2095-2813（2015）06（c）-0044-02