缺氧诱导因子-1和心血管疾病关系研究进展

高洁综述，陈运清审校

（重庆医科大学附属第二医院心血管内科，重庆400010）

缺氧诱导因子-1和心血管疾病关系研究进展

高洁综述，陈运清△审校

（重庆医科大学附属第二医院心血管内科，重庆400010）

缺氧诱导因子1；心血管疾病；心肌缺血；冠心病；综述

缺氧诱导因子-1（HIF-1）为一种广泛存在于多细胞动物体内的核转录因子，在低氧状态下，机体可通过上调HIF-1的表达来维持内环境的氧稳态。氧稳态的维持离不开心脏，而心脏本身也需要足够的氧气供应以维持有效的收缩功能。本文重点就HIF-1在心血管疾病中的作用作一综述，希望通过进一步认识HIF-1在缺血性心脏病（ischemic heart disease，IHD）、压力负荷性心力衰竭等心血管疾病中的作用，进而能为相关疾病的诊疗提供新的思路。

1 HIF-1 α和氧稳态

1.1 HIF-1的生物学特性HIF-1是由受氧浓度精确调节的α亚基和稳定表达的β亚基组成的异源二聚体，属于碱性螺旋-环-螺旋/PAS（bHLH-PAS）（蛋白的1个功能区域由节律调节蛋白、核转位子和发育调节因子组成）蛋白家族的成员[1]。HIF-1α编码基因定位于14号染色体（14q21-24），由氨基端的转录因子DNA结合结构域（DBD）、羧基端2个相对独立的反式激活结构域（TAD）及一个特殊的氧依赖降解区（ODDD）组成，共编码826个氨基酸[1-2]。

1.2 HIF-1α和氧稳态氧稳态是指组织中的各个细胞能得到充足的氧气和养分供应，机体处于氧供需平衡的状态。由此，哺乳动物进化出复杂的心血管循环系统输送氧气和养分，以维持机体的氧稳态。氧稳态的维持离不开心脏，然而心脏本身也需要足够的氧气供应以产生有效的收缩功能。在哺乳动物和人体内，目前，发现唯一一个具备高度特异性的专一调节氧稳态，在缺氧状态下发挥活性的核转录因子为HIF-1。HIF-1α既是HIF-1的活性亚基，又是调节亚基。HIF-1α的浓度与活性与氧浓度密切相关，其蛋白稳定性和转录活性均受细胞内氧浓度的调节，其高度调节性主要是由ODDD区的独特结构所致。在常氧下，HIF-1α ODDD区564位的脯氨酸（Prolyl，Pro）和402位的Pro被脯氨酸羟化酶（prolyl hydroxylase，PHD）羟化，转变为经Pro残基，从而被泛素-蛋白酶体降解失活[1-2]。在低氧状态下羟基化受阻，导致HIF-1α亚单位降解受阻，细胞内HIF-1α水平增加，与HIF-1β结合形成二聚体，发挥HIF-1的生物学效应。研究发现，在低氧状态下HIF-1可通过调节血管生成和血管重构、细胞分化和生存、调控糖代谢和氧化还原平衡等作用参与心血管系统及其他脏器组织对缺血缺氧的适应性反应[3]。

在低氧状态下，HIF-1可与靶基因3′或5′端的缺氧反应原件（hypoxia response element，HRE）和顺式作用转录调节序列[5-RCGTG-3（R=A or G）][4]特异性结合，从而上调相关靶基因的表达，进而参与在缺血、缺氧、持续压力超负荷等状态下心血管稳态的调控。Schodel等[5]运用全基因组染色质免疫沉淀（芯片）技术[Chromatin immunoprecipitation（ChIP）assay]综合分析所有缺氧诱导下HIF-1结合的靶基因位点，发现HIF-1α调控超过1 000个人类基因，包括促红细胞生成素，血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、诱导型NO合酶（inducible nitric oxide synthase，iNO）编码基、葡萄糖载体蛋白-1（glucose transporter-1，GLUT-1），内皮素-1（ET-1）等[6]基因，HIF-1几乎在所有细胞均有表达，只是转录活性具有细胞特异性。

然而，目前HIF-1活性调控机制还未完全清楚，但有研究表明，氧自由基、辅氨酰羟化酶（PHD）等多因素可在转录、翻译或翻译后阶段调控HIF-1活性[7]。

2 HIF-1 α与IHD、缺血预处理（IPC）的关系

2.1 HIF-1α与IHDIHD是指由于冠状动脉血流减少或心肌需求增加导致供需失衡引起的心肌损害，心肌细胞缺血引起缺氧是其主要病理因素，冠状动脉粥样硬化是引起IHD最常见的病因。近年来，在基因调控水平的研究中发现，HIF-1α表达对缺血心肌有代偿性保护作用。HIF-1α可通过促进血管重塑、侧支循环的形成和改变心肌代谢等方式提高心肌细胞对缺血、缺氧的耐受。有研究发现，因急性心肌缺血接受冠状动脉搭桥手术患者的心室活检标本中HIF-1α和VEGF的表达明显增高[8]。LI等[9]研究证实，HIF-1α可通过促进Micro RNA-24的表达从而减少缺血心肌的损伤、坏死、凋亡。Kido等[10]利用转基因使小鼠心脏过度表达HIF-1α，冠状动脉结扎4周后，心肌梗死面积明显减少、心功能明显改善。Shyu等[11]将腺病毒介导的HIF-1α/VP16基因注射至大鼠的缺血心肌，结果显示，治疗组不仅缺血面积明显减少，缺血周围区新生血管的数量也明显增加。Huang等[12]通过特异性的敲除小鼠心肌细胞的HIF-1α，发现小鼠心脏毛细血管密度、心脏收缩及舒张功能明显降低。可见，HIF-1α在心肌细胞的缺血适应性反应中起着关键作用。

HIF-1α可通过影响心脏血管生成和重塑从而改善缺血心脏的血供，同样在其他组织血管中也发现有相似的作用。Bosch-Marce等[13]研究发现，各个年龄组小鼠股动脉结扎后，HIF-1α+/-小鼠与野生型小鼠（HIF-1α+/+）比较，血流恢复更慢，组织损伤更重。Vincent等[14]在后肢缺血的新西兰白兔模型中发现，注射了嵌合HIF-1α/VP16转录因子的DNA组局部血流量和毛细血管密度明显增加。衰老与组织缺血产生的代偿性血管再生缺陷有关。Semenza等[3]研究发现，动物衰老引起代偿性血管再生缺陷可能与HIF-1α蛋白质表达降低进而影响内皮祖细胞（endothelial progenitor cell,EPC）、骨髓衍生细胞（bone marrow-derivedangiogeniccells，BMDACs）等细胞的归巢和活性相关。

2.2 HIF-1α与IPCIPC是指可通过反复短暂的心肌缺血再灌注诱导心脏产生自我保护的一种现象[15]。虽然，目前IPC作用机制尚未完全清楚，但其能够减轻心脏缺血再灌注损伤。鉴于HIF-1α在缺血适应性反应中发挥重要作用，不少研究者猜想HIF-1α也可能是IPC的作用机制之一。目前，接受IPC处理后的心肌细胞HIF-1α mRNA及其靶基因VEGFmRNA的表达水平明显增加。Belaidi等[16]发现，将大鼠间断缺氧24 h后再进行心肌缺血再灌注可使HIF-1及其下游基因iNOS表达增加达到心肌保护作用。Cai等[17]研究发现，暴露于IPC刺激后立即进行长时间缺血再灌注，HIF-1α+/+心肌梗死面积要比杂合子小鼠（HIF-1α+/-）要少。Eckle等[18]证实，IPC可通过HIF-1α-CD39和HIF-1α-CD73途径提高腺苷的水平，进而起到保护心脏的作用。Sarkar等[19]在IPC刺激之前将HIF-1α、HIF-1β二聚化抑制剂吖啶黄注释至HIF-1α+/+心脏内，发现IPC的保护作用将缺失。Sarkar等[19]研究发现，条件性敲除心脏血管内皮细胞HIF-1也会导致IPC的心脏保护作用的丧失，可见，HIF-1α在心肌细胞和内皮细胞中的表达可能在IPC中发挥着重要的作用。但同时Kawata等[20]研究表明，IPC的心脏保护作用主要通过依赖蛋白激酶-C而非HIF-1α途径。

Cai等[21]研究发现，通过远隔非致命性器官或组织的短暂缺血，即远隔缺血预处理（remote ischemic preconditioning，RIPC）也可实现对缺血性心脏的保护作用。RIPC与IPC发挥作用的机制不完全相同，但HIF-1α可能都在其中起着重要的作用[22]。Czibik等[23]将编码人HIF-1α的DNA注射至小鼠股四头肌内，再对分离出的心脏进行持续缺血再灌注，结果显示小鼠心肌梗死面积减少，心功能明显改善。

3 HIF-1 α和压力负荷性心力衰竭

高血压、主动脉缩窄等疾病状态下，心脏处于压力超负荷的工作状态，早期的心脏可通过代偿性心肌肥厚等方式维持心功能，然而持续心肌肥厚会导致心脏收缩功能障碍并最终进展为心力衰竭，引起高致残率和病死率。因此，阐明心力衰竭的发生机制对提高患者生存率具有重要意义。本研究发现，HIF-1α在压力负荷性心力衰竭的发生发展过程中可能起着重要作用。Sano等[24]采用大动脉缩窄术（transverse aorta constriction，TAC）构建压力负荷心力衰竭小鼠模型，结果发现，在TAC术后早期阶段，小鼠心脏大量表达HIF-1α，从而上调其下游VEGF等的表达，刺激血管生成以维持肥厚心肌组织血流灌注，对早期心功能维持起重要作用。然而，长时间的压力负荷会诱导p53大量生成，最终抑制HIF-1α的活动导致心功能恶化。在经过TAC处理后，若特异性敲除心肌细胞HIF-1α基因后，小鼠心脏血管新生程度会明显降低，由于心肌缺血引起缺氧是主要的病理机制，故最终由于氧稳态的失衡加速心力衰竭的发展[24]。除心肌细胞，Wei等[25]证实，在内皮细胞，HIF-1通过负性调节TGF-β信号传导通路对TAC作用下的心脏和主动脉有保护作用，并且内皮细胞HIF-1α缺乏引起血管生成障碍比心肌细胞HIF-1α缺乏引起心肌纤维化在致心力衰竭作用方面更突出；同时，他们在研究中还发现地高辛（HIF-1抑制剂）处理HIF-1α+/+会加速TAC后的心脏失代偿，一定程度解释了地高辛能够增加心脏收缩力却不能够增加心力衰竭患者生存率的原因。可见，压力超负荷引起心肌代偿性肥大时，HIF-1可能在维持心脏氧稳态中发挥着重要作用。

但同时，仍有一些学者提出不同观点，在Krishnan等[26]研究发现，在TAC模型中，HIF-1α可直接激活过氧化物酶体增殖物激活受体基因（peroxisome proliferators-activated，PPARg）的转录，改变心肌代谢方式加速心功能恶化，而缺乏HIF-1α的小鼠心脏收缩功能障碍明显减弱。HIF-1α对心功能的保护作用主要通过影响钙运作，在TAC术后HIF-1α+/+和HIF-1α+/-表现在左室肥厚、血管密度方面无明显差异，HIF-1α+/-却发展为心力衰竭[27]。可见，HIF-1α的作用目前并没有得到一致的结论。

4 HIF-1 基因多态性和冠心病

遗传和环境因素影响着冠心病的发生发展，目前，有许多研究发现，HIF-1基因多态性可能和冠心病相关。Hlatky等[28]发现，存在HIF-1α多态性的冠心病患者的初发临床表现以稳定性心绞痛多见，而急性心肌梗死较少。Liu等[29]发现，HIF-1 C1772T、G1790A基因多态性与冠心病的发生没有关联，但与冠心病的临床多样性和侧枝循环形成相关。López-Reyes等[30]研究发现，HIF-1 rs2057482基因多态性增加早发冠心病风险。Resar等[31]发现，美国冠心病患者中，HIF-1α多态性与冠状动脉侧枝循环形成存在关联。因此，进一步研究冠心病和HIF-1基因多态性的研究有助于冠心病的防治。

5 HIF-1 治疗心血管疾病的研究进展

HIF-1在机体组织缺氧条件下发挥着重要的生理作用，目前，也有越来越多的研究致力于利用转录因子HIF-1α来调控多种血管生成因子的表达，从而对缺血心肌进行基因治疗。目前，对HIF-1靶向基因疗法的研究中发现，其不仅能够促进新生血管的形成，而且在排除炎症与血管瘤形成的情况下，其能改变靶组织的代谢从而保护缺血损伤。Muinck等[32]运用脯氨酸-精氨酸-血管生成反应肽（PR39）的基因来治疗预防心肌缺血再灌注损伤，研究中发现，HIF-1α的稳定表达和纤维母细胞生长因子受体FGFR1信号有关。

6 小结和展望

HIF-1是目前唯一发现的一个可专一调节氧稳态的核转录因子，其可改善心肌细胞对缺血、缺氧的耐受能力，减轻心肌细胞、内皮细胞缺血再灌注损伤，改善肥厚心肌血供从而在IHD、压力负荷性心力衰竭等心血管疾病中发挥着重要作用。因而有望成为心血管疾病治疗的靶基因之一。同时，由于HIF-1α抑制剂近年来成为新开发的抗癌疗法[33]，针对HIF-1的靶向细胞选择性的研究显得极为重要。然而，目前大部分研究主要集中于动物模型，在人体中尚无大型研究可以证实其疗效，关于HIF-1新型靶向活性调节及阻断信号传导通路的相关的药物也处于研究阶段。因此，有待进一步的研究证实HIF-1在心血管疾病中的作用及相关药物安全性问题。

[1]林烨，汪芳.HIF-1在心血管疾病中的作用机制[J].中国分子心脏病学杂志，2015（1）：1226-1229.

[2]Adams JM，Difazio LT，Rolandelli RH，et al.HIF-1：a keymediator in hypoxia[J].Acta Physiol Hung，2009，96（1）：19-28.

[3]Semenza GL.Semenza.Hypoxia-inducible factor1 and cardiovas culardisease[J].Annu Rev Physiol，2014（76）：39-56.

[4]Bishop T，Ratcliffe PJ.HIF hydroxylase pathways in cardiovascular phys-iology and medicine[J].Circ Res，2015，117（1）：65-79.

[5]Schödel J，Oikonomopoulos S，Ragoussis J，et al.High-resolution genomewide mapping of HIF-binding sites by ChIP-seq[J].2011，117（23）：e207-217.

[6]Zimna A，Kurpisz M.Hypoxia-Inducible Factor-1 in Physiological and Pathophysiological angiogenesis：applications and therapies[J].Biomed Res Int，2015，2015：549412.

[7]Movafagh S，Crook S，Vo K.Regulation of hypoxia-inducible factor-1a by reactive oxygen species：new developments in an old debate[J].J Cell Biochem，2015，116（5）：696-703.

[8]LeeSH，WolfPL，EscuderoR，etal.Earlyexpressionofangiogenesis factors inacute myocardialischemia and infarction[J].N Engl J Med，2000，342（9）：34626-34633.

[9]Li DF，Tian J，Guo X，Huang LM，et al.Induction of microRNA-24 by HIF-1 protects against ischemic injury in rat cardiomyocytes[J].Physiol Res，2012，61（6）：555-565.

[10]Kido M，Du L，Sullivan CC，et al.Hypoxia-inducible factor1-alpha reduces infarction and attenuates progression of cardiac dysfun ction after myocardial infarction in the mouse[J].J Am Coll Cardiol，2005，46（11）：2116-2124.

[11]Shyu KG，Wang MT，Wang BW，et al.Intramyocardial injection of naked DNA encoding HIF-1alpha/VP16 hybrid to enhance angiogenesis in an acute myocardial infarction model in the rat[J].Cardiovasc Res，2002，54（3）：576-583.

[12]Huang Y，Hickey RP，Yeh JL，et al.Cardiac myocyte-specific HIF-1alpha deletion alters vascularization，energy availability，calcium flux，and contractility in the normoxic heart[J].FASEB J，2004，18（10）：1138-1140.

[13]Bosch-Marce M，Okuyama H，Wesley JB，et al.Effects of aging and hypoxia-inducible factor-1 activity on angiogenic cell mobilization and recovery of perfusion after limb ischemia[J].Circ Res，2007，101（12）：1310-1318.

[14]Vincent KA，Shyu KG，Luo Y，et al.Angiogenesis is induced in a rabbit model of hindlimb ischemia by naked DNA encoding an HIF-1alpha/ VP16hybridtranscriptionfactor[J].Circulation，2000，102（18）：2255-2261.

[15]Murry CE，Jennings RB，Reimer KA.Preconditioning with ischemia：a delay of lethal cell injury in ischemic myocardium[J].Circulation，1986，74（5）：1124-1136.

[16]Belaidi E，Beguin PC，Levy P，et al.Prevention of HIF-1 activation and i-NOS gene targeting by low-dose cadmium results in loss of myocardial hypoxic preconditioning in the rat[J].Am J Physiol HeartCirc Physiol，2008，294（2）：H901-908.

[17]Cai Z，Zhong H，Bosch-Marce M，et al.Complete loss of ischaemic preconditioning-induced cardioprotection in mice with partial deficiency of HIF-1 alpha[J].Cardiovasc Res，2008，77（3）：463-470.

[18]Eckle T，Köhler D，Lehmann R，et al.Hypoxia-induciblefactor-1 is central to cardioprotection：a newparadigm for ischemic precon ditioning[J]. Circulation，2008，118（2）：166-175.

[19]Sarkar K，Cai Z，Gupta R，et al.Hypoxia-inducible factor 1 transcriptional activity in en-dothelial cells is required for acute phase cardioprotection induced by ischemic preco-nditioning[J].Proc Natl Acad Sci USA， 2012，109（26）：10504-10509.

[20]Kawata H，Yoshida K，Kawamoto A，et al.Ischemic preconditioning upregulates vascu-lar endothelial growth factor mRNA expression and neovascularization via nuclear tra-nslocation of protein kinase C epsilon in the rat ischemic myocardium[J].Circ Res，2001，88（7）：696-704.

[21]Cai Z，Luo W，Zhan H，et al.Hypoxia-induciblefactor1 is required for remote ischemic preconditioning of the heart[J].Proc Natl Acad Sci USA，2013，110（43）：17462-17467.

[22]Martin-Puig S，Tello D，Aragonés J.Novel perspectives on the PHD-HIF oxygen sensing pathway in cardioprotectionmediated by IPC and RIPC[J]. Front Physiol，2015（6）：137.

[23]Czibik G，Gravning J，Martinov V，et al.Gene therapy with hypoxia-inducible factor 1 alpha in skeletal muscle is cardioprotective in vivo[J]. Life Sci，2011，88（11/12）：543-550.

[24]Sano M，Minamino T，Toko H，et al.p53-induced inhibition of Hif-1 causes cardiac dysfunction during pressure overload[J].Nature，2007，446（7134）：444-448.

[25]Wei H，Bedja D，Koitabashi N，et al.Endothelial expression of hypoxiainducible factor 1 protects the murine heart and aorta from pressure overloadbysuppressionofTGF-βsignaling[J].ProcNatlAcadSciUSA，2010，109（14）：E841-850.

[26]Krishnan J，Suter M，Windak R，et al.Activation of a HIF1alpha-PPAR gamma axis underlies the integration of glycolytic and lipid anabolic pathways in pathologic cardiac hypertrophy[J].Cell Metab，2009，9（6）：512-524.

[27]Silter M，Kögler H，Zieseniss A，et al.Impaired Ca（2+）-handling in HIF-1alpha（+/-）mice as a consequence of pressure overload[J].Pflugers Arch，2010，459（4）：569-577.

[28]Hlatky MA，Quertermous T，Boothroyd DB，et al.Polymorphisms in hypoxia inducible factor 1 and the initial clinical presentation of coronary disease[J].Am Heart J，2007，154（6）：1035-1042.

[29]Liu Q，Liang Y，Zou P，et al.Hypoxia-inducible factor-1α polymorphisms link to coronary artery collateral development and clinical presentation of coronary artery disease[J].Biomed Pap Med Fac Univ Palacky Olomouc Czech Repub，2013，157（4）：340-345.

[30]López-ReyesA，Rodríguez-PérezJM，Fernández-Torres J，et al.The HIF1A rs2057482 polymorphism is associated with risk of developing premature coronary artery disease and with some metabolic and cardiovascular risk factors.The Genetics of Atherosclerotic Disease（GEA）Mexican Study[J]. Exp Mol Pathol，2014，96（3）：405-410.

[31]Resar JR，Roguin A，Voner J，et al.Hypoxia-inducible factor 1alpha polymorphism and coronary collaterals in patients with ischemic heart disease[J]. Chest，2005，128（2）：787-791.

[32]Muinck ED，Nagy N，Tirziu D，et al.Protection against myocardial ischemia-reperfusion injury by the angiogenic Masterswitch protein PR 39 gene therapy：the roles of HIF1alpha stabilization and FGFR1 signaling[J]. Antioxid Redox Signal，2007，9（4）：437-445.

[33]Gudas LJ，Fu L，Minton DR，et al.The role of HIF1α in renal cell carcinoma tumorigenesis[J].Mol Med（Berl），2014，92（8）：1432-1440.

10.3969/j.issn.1009-5519.2016.23.019

A

1009-5519（2016）23-3634-04

2016-06-25）

△通讯作者，E-mail：chenyunqing.88@163.com。