HIF-1的调控及抗肿瘤相关基因治疗

丁婕妤，翁苓苓，王璇，张闽光

（上海中医药大学附属市中医医院放射科，上海 200071）

综述

HIF-1的调控及抗肿瘤相关基因治疗

丁婕妤，翁苓苓，王璇，张闽光

（上海中医药大学附属市中医医院放射科，上海 200071）

缺氧诱导因子-1（hypoxia-inducible factor，HIF-1）是细胞缺氧状态下的关键调控蛋白，作为调节肿瘤细胞缺氧适应、细胞活性、肿瘤血管形成、肿瘤侵袭性和恶性程度的中枢。控制HIF-1的活性及其下游基因的表达，有望成为抗肿瘤治疗的有效途径。本文就HIF-1的结构、表达的调控、相关基因治疗作一综述。

肿瘤；缺氧诱导因子-1；基因疗法

缺氧诱导因子-1（hypoxia-inducible factor，HIF-1）是细胞在缺氧状态下的关键调控蛋白，通过调节一系列细胞因子和生长介质的表达及蛋白质合成，对肿瘤血管的形成和对肿瘤细胞的增殖、转移、侵袭、凋亡、能量代谢等作用有着重要的影响［1］。HIF-1由Semenza等［2］首次分离提取得到，可调节200多种靶基因表达水平，目前被视为调节肿瘤细胞缺氧适应、促进肿瘤血管形成、提高肿瘤细胞活性、增强肿瘤侵袭性和恶性程度的中枢［3］。HIF-1抑制剂可能通过影响肿瘤细胞的代谢，使肿瘤细胞对抗癌药物更敏感［4］。本文就HIF-1的结构、表达的调控、相关基因治疗作一综述。

1 HIF-1的结构与调控

HIF-1是由α、β亚基以异源二聚体形式组成的，其中α亚基为氧调节亚基，β亚基为组成性表达的亚基，是由芳香烃受体核转运蛋白（aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator，ARNT）构成的异二聚体转录因子，两者均属于碱性螺旋-环-螺旋转录因子超家族PAS亚家族bHLH（basic helix-loop-helix）/PAS（PER-ARNT-SIM）成员。其中HIF-1α决定HIF-1的活性。HIF-1α和HIF-1β结合定位到核内，诱导下游基因产物的表达，可调节血管生成或血管紧张度、促红细胞生成素、能量代谢、进行糖酵解，控制细胞增殖和活性［5］。研究［6］还发现，HIF家族有另2个成员：HIF-2和HIF-3，三者结构虽有相似之处，但功能却大不相同。人的HIF-1α位于第14号染色体（14q21～24），含2个转录激活区，分别为N末端激活区（N terminal activation domain，NAD）、C末端激活区（C terminal activation domain，CAD）及一个氧依赖降解区（oxygen-dependent degradation domain，ODDD）。N端的作用是介导蛋白与DNA的结合、α-二聚体的形成；C端的主要作用是决定HIF-1的氧调节稳定性和蛋白转录活性。研究［7］发现，动脉内皮细胞内的HIF-1α可调节超过2%的人类基因。HIF-1β表达相对稳定，因此HIF-1的调控主要是对HIF-1α亚基的调节。HIF-1α在常氧时极不稳定，ODDD结构域中的脯氨酸（Pro）残基被羟化酶羟基化，羟基化后的ODDD促进HIF-1α与von Hippel-Lindau肿瘤抑制蛋白（von Hippel-Lindau tumor suppressor protein，pVHL）介导的泛素-蛋白酶复合体结合，引起α亚基泛素化，而后被蛋白水解酶识别并降解。缺氧时通过核转位与HIF-lβ结合产生活性，作用于目的基因的调控程序，促进下游基因和糖酵解基因等的转录，通过调节，使细胞适应缺氧［8］。

2 靶向HIF-1的肿瘤治疗策略

HIF-1的表达程度与肿瘤的恶性程度、新生血管的表达程度及预后不良呈正相关。抑制HIF-1的表达，阻断缺氧信号的传递，已经成为肿瘤治疗的新思路，针对HIF-1活性抑制的制剂及治疗方法的研究也越来越多。绝大多数HIF-1抑制剂通过降低HIF-1α的mRNA水平，促进HIF-1蛋白降解，抑制HIF-1的转录活性来抑制HIF-1的表达。近来的研究热点集中在HIF-1小分子抑制剂和信号传导通路的抑制剂。

2.1 小分子抑制剂主要的小分子抑制剂包括拓扑异构酶Ⅰ抑制剂、热休克蛋白（HSP90）抑制剂、可溶性鸟苷酸环化酶抑制剂、氧化还原抑制剂、微管蛋白抑制剂、HIF-1α转录活性调节剂等。这些小分子抑制剂在体内外实验中能够抑制肿瘤细胞的HIF-1表达，但是临床试验研究还处于起步阶段。

2.1.1 拓扑异构酶Ⅰ抑制剂喜树碱类化合物是常见的拓扑异构酶Ⅰ抑制剂。Rapisarda等［9］发现3种喜树碱类化合物，并证实了其中活性最好的是拓扑替康（NSC-609699）。拓扑异构酶Ⅰ抑制剂通过抑制HIF-1α的合成，产生抑制作用的机制还有待进一步阐明，可能与促进蛋白酶降解和抑制蛋白激酶B（protein kinase B，AKT）磷酸化相关。拓扑替康为半合成的拓扑异构酶Ⅰ抑制剂，与拓扑异构酶Ⅰ形成复合物并导致DNA不能正常复制，导致DNA双链断裂，在病理或生理氧浓度下，拓扑替康能够抑制HIF-1的表达以抑制肿瘤细胞生长和血管生成活性。拓扑替康目前为卵巢癌、小细胞肺癌的二线治疗药物，在转移性乳腺癌治疗中也获得了疗效［10］。最新研究［11］发现，拓扑异构酶抑制剂与替拉扎明联合治疗肝细胞癌，可显著抑制HIF-1α蛋白的积累，并抑制HIF-1α的转录激活，和受损的磷酸化蛋白参与了同源重组，最终导致这2种药物的协同作用。

2.1.2 HSP90抑制剂HSP90抑制剂通过其受体蛋白，影响肿瘤的发生发展进程，从而成为抗肿瘤药物作用的靶点，其抗癌活性在临床前模型中已得到证实［12］。HSP90蛋白可以抑制破坏低氧诱导因子，降低HIF-1α表达水平及其下游的转录活动，加速蛋白酶降解。格尔德霉素（geldanamycin，GA）是天然的HSP90抑制剂，通过抑制HIF-1的转录活性来抑制HIF-1的表达，其抗肿瘤活性通过结合HSP90 N-末端竞争结合位点来抑制ATP酶活性，并使其不能与效应蛋白及其他小分子蛋白形成复合体，从而抑制其行使正常的分子伴侣功能，最终导致蛋白降解，阻断肿瘤的信号通路［13］。

2.1.3 可溶性鸟苷酸环化酶抑制剂鸟苷酸环化酶C（guanylyl cyclase，GC）与肠道细胞的增殖和分化平衡调节相关，仅在正常肠道黏膜上皮及原发或继发性大肠癌中表达，是大肠癌微转移诊断、分期和术后随访监测有价值的临床指标。YC-1［3-（5'-hydroxymethyl-2'-furyl）-1-benzylindazole］能激活可溶性鸟苷酸环化酶（soluble guanylate cyclase，sGC），增加胞内环磷鸟苷的水平，被开发为血小板聚集和血管舒张的抑制剂。研究［14］发现，YC-1可以降低HIF-1α的mRNA水平，影响肿瘤细胞的增殖、迁移和凋亡。YC-1能有效抑制人食管癌细胞株（Eca-109细胞）的生长和迁移活动，为食管鳞状上皮癌的治疗提供了新思路［15］。

2.1.4 氧化还原抑制剂目前国内外研究较多的氧化还原抑制剂为灰侧耳菌素（pleurotin）和PX-478。Welsh等［16］研究了灰侧耳菌素对HIF-1的抑制作用，表明灰侧耳菌素能在体内外抑制HIF-1蛋白和反式激活作用，抑制血管生成以及下游靶基因VEGF的表达。PX-478通过氧化还原感应机制发挥作用，破坏HIF-1α蛋白稳定性或抑制HIF-1的转录活性，以非p53依赖性方式影响肿瘤细胞的凋亡。在人结肠癌细胞HT-29异种移植中，PX-478有效抑制了HIF-1α水平和HIF-1靶基因VEGF的表达［17］。

2.1.5 微管蛋白抑制剂甲氧雌二醇（2-methoxyestradiol，2ME2）是雌激素的自然代谢产物，2ME2可与微管蛋白结合，主要抑制微管蛋白的聚合而影响纺锤体微管的形成，从而使细胞阻滞在M期。近来研究［18］发现，在体内2ME2抑制肿瘤生长与血管生成的速率，可有效地使细胞有丝分裂的中期微管蛋白分离，下调HIF-1蛋白表达，降低VEGF表达，从而抑制血管新生。微管蛋白抑制剂长春氟宁（Vinflunine）是唯一经欧盟药品管理机构（The European Agency for the Evaluation of Medicinal Products，EMEA）批准的膀胱移行细胞癌二线治疗药物［19］，能抑制HIF-1的翻译及核转位，并能抑制细胞膜类脂质的合成和氨基酸在细胞膜上的转运。长春新碱对移植性肿瘤的抑制作用大于长春花碱，并且抗瘤谱广，为降低长春新碱的毒性，临床上通常联合用药以提高其疗效。

2.2 信号传导通路的抑制剂主要的信号转导通路抑制剂，如酪氨酸激酶抑制剂、丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）抑制剂、哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）抑制剂等。目前研究较多的是mTOR抑制剂。

mTOR为P13K/AKT信号下游的一个靶点，由于肿瘤抑制因子PTEN（phosphatase and tensin homolog deleted on chromosome ten）功能的缺失，PI3K/AKT/ mTOR通路得以激活并诱导HIF-1蛋白翻译的增多，通过阻断mTOR信号通路，可以抑制HIF-1α的稳定性及其转录活性。常氧条件下，mTOR介导了生长因子所引起的HIF-1α mRNA蛋白的翻译，从而调节HIF-1依赖的缺氧应激反应。研究表明，临床应用雷帕霉素及其衍生物西罗莫司脂化物（Temsirolimus，CCI779）和依维莫司（RAD001）都可以有效抑制mTOR，从而降低HIF-1α的表达［20-21］。Wysocki［22］对雷帕霉素类药物的Ⅲ期临床实验研究结果显示，西罗莫司脂化物对化疗、复发或转移者具有温和的抗肿瘤活性，对肾细胞癌的治疗效果显著。Slomovitz等［23］针对子宫内膜癌复发患者进行的Ⅱ期临床试验研究显示，RAD001的临床有效率为44%。这些均说明mTOR抑制剂的临床应用前景值得期待。

2.3 其他靶向HIF-1抑制剂Lee等［24］利用细胞筛选分析发现吖啶黄素（acriflavine）可直接抑制HIF-1的蛋白表达并影响HIF-1的二聚化和转录。Chen等［25］对13种苯并咪唑类似物进行了实验研究，结果表明苯并咪唑类似物中3a和3k是抑制HIF-1α活动的良好化合物，较YC-1能更有效抑制HIF-1α的蛋白表达，并且能有效抑制乳腺癌癌细胞的迁移。3a和3k作为癌症治疗的辅助疗法可能会取得良好效果。

3 相关基因治疗

随着DNA重组技术的成熟，基因治疗正在成为肿瘤治疗的新手段，它通过将基因导入靶细胞来纠正突变或有缺陷的基因，以达到治疗目的。HIF-1α转录水平实行靶向基因治疗也引起了人们的重视。Carroll等［26］采取由腺病毒载体介导的p53基因治疗鼠膀胱癌已取得了显著效果，受p53基因调节的microRNA-miR-107通过抑制HIF-1的表达，抑制低氧信号通路。他们还发现该治疗在产生被治疗基因作用的肿瘤细胞附近的肿瘤细胞亦被杀伤的所谓“旁观者效应”的同时也诱导包括NK细胞在内的免疫机制参与对肿瘤细胞的杀伤作用。除此之外，以HIF-1α为靶点的基因治疗可作为肝细胞肝癌治疗的辅助手段。缺氧条件下，HIF-1α-siRNA转染HepG2细胞后，HIF-1α及其下游靶基因VEGF在mRNA和蛋白水平均下调，发挥抗肝癌血管生成效应［27］。靶向HIF-1α和VEGF的siRNA共转染入人脐静脉内皮细胞和视网膜局部缺血C57BL/6J鼠模型中，发现HIF-1α-siRNA联合VEGF-siRNA显著下调两者mRNA及蛋白的表达，体内体外实验的研究均有效抑制了VEGF的表达［28］。

4 展望

通过抑制HIF-1靶基因的转录激活抑制肿瘤的生长现在被认为是最有效的抗癌策略之一，因此HIF-1可作为一个潜在的分子靶点进行抗肿瘤药物的开发。如何改造基因治疗载体，特别是如何使逆转录病毒更为安全有效，将会是未来基因治疗研究和临床试验的一大热点问题。

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2015-05-14）

10.3969/j.issn.1672-0512.2016.02.033

上海市自然基金项目（15ZR1438900）；上海市博士点基金项目（B201404）；上海市卫计委基金项目（20134167）

张闽光，E-mail：mgzhang09@163.com。