缺氧诱导因子-1α的生物学功能及与喉鳞状细胞癌化疗耐药性的关系

黄强 周梁

·综述·

缺氧诱导因子-1α的生物学功能及与喉鳞状细胞癌化疗耐药性的关系

黄强 周梁

缺氧诱导因子-1α(HIF-1α)是肿瘤引起局部组织缺氧效应中的关键转录因子，能介导诸如血管生成、细胞凋亡抑制以及糖代谢异常等各种生物学行为，其与喉鳞状细胞癌化疗耐药性密切相关。本文就目前关于 HIF-1α的基本结构、功能与喉鳞状细胞癌化疗耐药性的关系以及靶向治疗等方面作一综述。(中国眼耳鼻喉科杂志，2017，17：449-452)

缺氧诱导因子-1α；喉癌；化疗；耐药性；靶向治疗

众所周知，各种实体肿瘤在异常生长到一定程度时(直径gt;2 mm)会引起组织的相对缺氧，造成局部形成缺氧微环境，使得机体诱导产生一系列缺氧效应，其中缺氧诱导因子-1α(hypoxia-inducible factor-1α,HIF-1α)是介导细胞缺氧效应的关键转录因子。HIF-1α能介导多种缺氧效应(即激活其下游靶基因)，包括血管生成、细胞凋亡抑制以及糖代谢异常等各种生物学行为，同时也增加了肿瘤对于化疗的抵抗。本文就目前HIF-1α的基本生物学特性、在肿瘤中的表达与作用、与喉癌化疗耐药性的关系以及靶向HIF-1α治疗的研究进展作一综述。

1 HIF-1α的基本生物学特性

1.1 结构 HIF-1于1992年由Semenza等[1]作为一个核因子首先被报道。HIF-1以由HIF-1α和HIF-1β 2个亚单位构成的异源二聚体的形式存在[2]，其基因分别定位于人类染色体14q21～q24和1q21。HIF-1β是芳香烃受体核转位子基因产物，具有789个或774个氨基酸残基，相对分子质量为91×103或94×103，是HIF-1的结构性亚基。HIF-1α含826个氨基酸残基，相对分子质量为120×103，是HIF-1的功能性亚基，是HIF的限速因子。HIF-1α分子由位于N末端的转录因子DNA结合结构域(DNA-binding domain, DBD)、位于C末端的2个反式激活结构域(transactivation domain, TAD)及位于中间的氧依赖降解结构域(oxygen-dependent degradation domain, ODD)组成。HIF-1α激活的下游基因称为HIF-1α的靶基因,其启动子或增强子中含有HIF-1α结合位点；核心碱基序列为5′-TACGTGCT-3′,称为缺氧反应元件(hypoxia response element, HRE)[3]。

在组织氧浓度低下时,细胞核产生激活的HIF-1α，进而与其靶基因(包括血管生成、细胞凋亡等相关基因)中的HRE相结合,使得靶基因转录的效率更高,从而引起细胞对缺氧的反应，调整局部组织的氧平衡[4]。

1.2 调节机制 正常氧浓度下, 位于HIF-1α中间的ODD氨基酸序列内的保守性脯氨酸残基被羟基化,随后Hippel-Lindau肿瘤抑制蛋白(protein von Hippel-Lindau, pVHL)辨认并结合到含羟基化脯氨酸残基的ODD上,诱导HIF-1α通过泛素依赖的蛋白酶体途径快速降解[5-6]。因此正常情况下组织及细胞内HIF-1α的水平极低。

在缺氧及氧浓度降低时,HIF-1α与pVHL的结合受到限制，导致HIF-1α在细胞内快速集聚及激活[5-6]，并与HIF-1β结合成异源二聚体HIF-1。在此过程中，丝裂原蛋白激活酶(MAPK)激活HIF-1α，从而抑制TAD内保守性天冬酰氨羟基化过程。HIF-1可抵抗泛素依赖的蛋白酶体途径对HIF-1α的水解,并进一步使HIF-1α在缺氧细胞中积聚。HIF-1随后与靶基因序列上的HRE结合，促进其转录，产生一系列效应以应对缺氧。

2 HIF-1α在肿瘤中的表达与作用

肿瘤细胞在恶性生长的同时伴随着局部组织缺氧，而HIF-1α在其中扮演了关键的转录因子角色。目前报道[7-10]在很多恶性肿瘤，如胰腺癌、舌鳞状细胞癌、绒毛膜上皮癌及甲状腺癌等存在HIF-1α的过表达，其通过激活下游靶基因介导血管生成，抑制细胞凋亡、浸润、转移等各种生物学行为的发生。

2.1 血管生成 Folkman于20世纪80年代初提出血管生成(angiogenesis)假说，认为各种实体肿瘤内新生血管的形成是肿瘤发生、发展的必要条件[11]。肿瘤组织生长到1～2 mm时若没有新生血管提供更多的营养和氧气，则难以维持其继续生长的需求。而血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)及其受体(VEGF receptor, VEGFR)则是血管生成调控机制中最为重要的一对调节因子。较多文献[12-14]报道VEGF和VEGFR在恶性肿瘤中，如胃癌、肾透明细胞癌、膀胱癌等中呈过表达，并发现VEGF水平与预后呈负相关。Wu等[15]发现，选择性敲除HIF-1α的Ben-Men-1细胞株对于缺氧等刺激产生VEGF的能力大大减弱，提示HIF-1α是肿瘤血管生成的“开关”。Ahn等[16]也发现，与被抑制了HIF-1α表达的骨髓细胞相比，选择性抑制VHL基因的骨髓细胞显示出较强的血管生成能力和高表达VEGF能力，提示HIF-1α基因的转录激活可促进VEGF的表达，增强肿瘤血管生成能力。

另外，在口腔鳞状细胞癌[17]、喉鳞状细胞癌[18]等头颈部恶性肿瘤中也证实HIF-1α与血管生成密切相关。邱亚双等[19]发现，喉鳞状细胞癌组织中HIF-1α和VEGF的阳性率以及微血管密度(micro-vessel density, MVD)均大于癌旁正常组织，提示喉鳞状细胞癌组织中HIF-1α、VEGF过表达，且二者在肿瘤组织血管生成方面有协同促进的重要作用。

2.2 细胞凋亡 细胞凋亡在正常的代谢过程中占据着重要地位，其中HIF-1α在细胞凋亡中起到双重调节的作用，取决于HIF-1α是否被磷酸化。磷酸化的HIF-1α起到抑制细胞凋亡的作用，而去磷酸化的HIF-1α则促进凋亡。除此之外，HIF-1α还可通过转录与“沉默”相关下游靶基因的表达在调控细胞凋亡中发挥双重调节作用。

缺氧条件下，HIF-1α主要发挥抑制凋亡作用，正常表达HIF-1α的肿瘤细胞抗凋亡能力要强于不表达HIF-1α者。Yoshida等[20]通过siRNA技术,沉默垂体腺瘤HP75细胞株中HIF-1α基因的表达,发现HIF-1α表达缺失的HP75细胞株凋亡率明显高于HIF-1α表达正常的HP75细胞株,提示 HIF-1α可使肿瘤细胞对低氧诱导的凋亡敏感度减弱，起到抑制肿瘤细胞凋亡的作用。Shi等[21]也同样使用siRNA技术沉默HIF-1α表达，结果发现转染后的乳腺癌MDA-MB-231细胞株细胞周期被抑制、细胞凋亡增强，并观察到转染细胞中存在激活的caspase3片段。推测可能是HIF-1α通过抑制半胱天冬酶级联反应(caspase cascade)等途径，从而抑制细胞凋亡的发生。

2.3 糖代谢 正常组织中绝大多数ATP来源于线粒体的氧化磷酸化途径，而只有少部分ATP来源于糖酵解途径。而与之相反的是，肿瘤细胞中大约有50%的ATP是通过糖酵解途径生成的[22]，即使在正常氧浓度中的肿瘤细胞依然进行糖酵解,这种现象称为瓦尔堡效应(Warburg effect)[23]。HIF-1α水平的升高与糖酵解活动的增强密切相关[24]，在食管癌[25]、胶质瘤[26]等肿瘤中都有报道。

HIF-1α可与其Glut1等下游糖代谢相关基因的HRE结合，并在转录水平上调糖酵解酶,使得肿瘤细胞在缺氧条件下糖酵解能力增强，维持其继续生长的能量需求；同时,HIF-1α能上调丙酮酸脱氢酶激酶-1(pyruvate dehydrogenase-1, PDK-1)而抑制线粒体丙酮酸脱氢酶(pyruvic dehydrogenase, PDH),从而抑制三羧酸循环[27]。糖代谢通路复杂，目前关于HIF-1α与糖代谢的关系尚未彻底揭示，仍需进一步研究。

3 HIF-1α与喉鳞状细胞癌化疗耐药性

临床上95%的喉鳞状细胞癌属于对化疗敏感度较差的鳞状细胞癌，治疗失败的原因很大程度上可归因于肿瘤对化疗产生耐药性。当喉鳞状细胞癌细胞处于低氧时，其化疗敏感度明显低于正常氧浓度时[28]，而HIF-1α是细胞缺氧时最重要的转录调节因子。因此有必要探讨HIF-1α和喉鳞状细胞癌细胞对化疗产生抵抗之间的关系，为临床提供新的思路和手段。

Li等[29]证明，通过RNA干扰技术沉默HIF-1α基因表达的喉鳞状细胞癌细胞在低氧条件下可以恢复对5-氟尿嘧啶、顺铂等多种化疗药物的敏感度，同时也增强了喉鳞状细胞癌细胞在紫杉醇诱导下发生的细胞凋亡。提示HIF-1α在喉鳞状细胞癌细胞多药耐药(multidrug resistance, MDR)方面可能起到重要的调节作用，推测HIF-1α通过抑制化疗药物诱导发生的细胞凋亡参与MDR形成的过程。敲除HIF-1α的表达可以逆转喉鳞状细胞癌细胞MDR的形成。MDR是大多数实体肿瘤抵抗化疗药物作用最主要的机制，包括肾癌[30]、结直肠癌[31-32]、非小细胞肺癌[33]等，在喉鳞状细胞癌中亦是如此[29, 34]。其产生的机制主要包括：耐药相关膜蛋白的形成、DNA损伤修复功能的改变、谷胱甘肽S转移酶π(glutathione-transferase-π，GST-π)活性的上调以及突变型P53抑制凋亡等途径，而其中MDR1及其编码的产物P-糖蛋白(P-glycoprotein， P-gp)在介导肿瘤MDR方面占有重要的地位。

MDR/P-gp为跨膜转运蛋白，属于ATP结合盒(ATP-binding cassette，ABC)转运蛋白之一，通过消耗能量将肿瘤细胞内的化疗药物转移到细胞外，导致细胞内药物浓度低于有效治疗浓度，由此获得对药物的耐药性。Xie等[34]证实HIF-1α与喉鳞状细胞癌细胞MDR/P-GP的表达呈正相关，抑制HIF-1α表达时MDR/P-gp的表达也随之下调。提示喉鳞状细胞癌细胞在缺氧时可上调HIF-1α的表达水平，参与MDR的形成，从而削弱了喉癌细胞对化疗药物的敏感度。然而HIF-1α是如何调节MDR/P-gp的具体机制等方面问题尚未完全阐明，仍然需要进一步的研究。

4 靶向HIF-1α的治疗

鉴于缺氧是实体肿瘤中普遍存在的现象，而HIF-1α在缺氧效应中又具有重要作用，因此抑制、减弱HIF-1α的表达水平，阻止缺氧效应的发生等治疗手段越来越被研究人员重视。应用反义RNA、RNA干扰(RNA interference，RNAi)等方法可以抑制HIF-1α的表达水平或使其结构域失活，从而破坏HIF-1α的生物学作用。Sun等[35]报道，通过转染包含反义HIF-1α的质粒，肿瘤细胞内HIF-1α、VEGF的表达水平和肿瘤MVD都随之下降。

目前报道已有多种信号传导通路抑制剂以及小分子药物等通过作用于HIF-1α合成等不同阶段抑制、阻断HIF-1α的合成、稳定性和活性等，从而阻断其一系列生物学作用，如西罗莫司脂化物(Temsirolimus)、酪氨酸激酶抑制剂、FRAP/mTOR抑制剂等药物。

5 结语

HIF-1α作为不同氧浓度下机体应对缺氧效应最重要的转录因子，广泛参与肿瘤血管生成、细胞凋亡、糖代谢、浸润、转移等方面，临床上95%的喉鳞状细胞癌属于对化疗不敏感的鳞状细胞癌，而HIF-1α在其化疗耐药中扮演了重要的角色。这使得破坏肿瘤组织的缺氧微环境、阻断缺氧效应、靶向抑制HIF-1α活性及其功能等研究热点越来越得到重视，最终为临床治疗肿瘤提供新的思路和方法。

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2017-02-22)

(本文编辑 杨美琴)

Biologicalfunctionofhypoxia-induciblefactor-1αanditsrelationshipwithchemotherapyresistanceoflaryngealsquamouscellcarcinoma

HUANGQiang,ZHOULiang.

DepartmentofOtorhinolaryngology,EyeEarNoseandThroatHospitalofFudanUniversity,Shanghai200031,China

ZHOU Liang, Email: zhoulent@126.com

Hypoxia-inducible factor-1α(HIF-1α), which can mediate various kinds of biological behaviors such as angiogenesis, inhibition of apoptosis and disorder of glucose metabolism, is the key transcription factor in the hypoxia response caused by carcinoma, and is closely related to the chemotherapy resistance of laryngeal squamous cell carcinoma. In this review, the fundamental structure and functions of HIF-1α, and the relationship between HIF-1α and the chemotherapy resistance of laryngeal squamous cell carcinoma was summarized. Targeted therapy to HIF-1α was also involved. (Chin J Ophthalmol and Otorhinolaryngol,2017,17:449-452)

Hypoxia-inducible factor-1α; Laryngeal squamous cell carcinoma; Chemotherapy; Resistance; Targeted therapy

复旦大学附属眼耳鼻喉科医院耳鼻喉科 上海 200031

周梁(Email: zhoulent@126.com)

10.14166/j.issn.1671-2420.2017.06.019