低氧诱导因子1α在肾脏病中的研究进展
2018-03-19钟红珍钟志青周添标
钟红珍 钟志青 周添标
汕头大学医学院第二附属医院肾内科(广东汕头515041)
慢性肾脏病(chronic kidney disease,CKD)是指肾脏结构或功能异常≥3个月,各种肾脏慢性病变最终均可引起慢性肾脏病,其中慢性缺氧和肾小管间质损伤在疾病的发生发展中起关键作用。我国的成人CKD发病率约 10.8%[1⁃2],并呈逐年升高趋势,成为我国新的公共健康问题。缺氧是许多疾病的重要特征,如癌症、心肌梗死、中风和肾脏疾病。通过转录激活基因(如通过介导代谢反应、血管生成、能量守恒、红细胞生成和细胞存活等)来维持缺氧情况下体内的平衡[3]。低氧诱导因子(hypoxia⁃inducible factors,HIFs)是细胞缺氧反应的关键转录因子,分别在分子、细胞和组织水平对缺氧进行适应性的调节反应,而 HIF⁃1α(hypoxia inducible factor 1 al⁃pha)存在于所有细胞类型中,是细胞缺氧反应的主要调节因子[4⁃5]。HIF⁃1 是由氧敏感的 α 亚基和组成性表达的β亚基构成的异二聚体。当正常供氧时,HIF亚基聚合,特异性脯氨酸残基被HIF⁃脯氨酰羟化酶结构域蛋白(HIF⁃prolyl hydroxylase domain proteins,PHD)羟化,再由希佩尔⁃林道蛋白(Von Hippel⁃Lindau Protein,VHL)识别后在蛋白酶体降解[6]。缺氧抑制PHDs的酶活性,使HIF异二聚体转录活性增加,HIF生成增多[7]。HIF参与其他细胞机制,如糖酵解、血管生成、基质沉积和红细胞生成等过程[8]。目前国内尚无HIF⁃1α在肾脏病系统的综述。本文总结了HIF⁃1α在肾性贫血、CKD、急性肾损伤(acute kidney disease,AKI)及中毒、肾小球肾炎(glomeru⁃lonephritis,GN)、肾肿瘤、多囊肾综合征(polycystic kid⁃ney diseases,PKD)、芬兰型先天性肾病综合征疾病(finn⁃ish congenital nephrotic syndrome,NPHS1)中的表达,与疾病发生的关系及其研究进展,期待为肾脏病的机制研究及早期干预提供新想法。
1 肾性贫血
贫血是终末期肾脏病常见的并发症,临床表现为血红蛋白、血细胞比容降低和循环红细胞数量的减少。在CKD患者中,主要是衰竭肾脏产生的促红细胞生成素(erythro⁃poietin,EPO)绝对或相对减少[9],红细胞生成不足,不能补充生理条件下丢失的红细胞,而很少是由红细胞直接损失或破坏引起[10]。慢性肾脏疾病贫血传统的治疗方案是红细胞生成刺激剂(erythropoiesis stimulating agents,ESAs)联合辅助性铁疗法等治疗,但随后的临床观察显示,ESAs低反应的患者经常发生全身性炎症,当使用高ESAs剂量提高其反应性的同时可能增加其他不良事件及死亡率,因此发现HIF在促进红细胞生成中起关键性调节作用并为肾性贫血的治疗开辟了新的路径[11]。研究报道肝细胞(生成)EPO的转录序列末尾有HIF的结合序列;缺氧时,HIF⁃1α的表达增加,进而增加肝脏EPO的生成(而肾脏无此调节)[12]。因此,抑制PHD酶活性,增加HIF的表达,可促使EPO生成增多[12⁃13]。此外,研究还发现,HIF几乎影响所有与红细胞生成有关的铁代谢。一方面,HIF⁃2增加小肠上皮细胞对铁的吸收;另一方面,HIF参与网状内皮系统中巨噬细胞对衰老红细胞中铁的利用。HIF不仅促使十二指肠上皮细胞和巨噬细胞中的膜铁转运蛋白表达增加,还使血清转铁蛋白水平增高,导致血液循环中铁也增加[11]。目前临床试验证实口服HIF稳定剂的耐受性好,增加HIF的表达进而刺激内源性EPO生成,从而纠正贫血;但是,可能仅对非透析依赖 CKD 患者有效[9,14⁃22]。另外,在 HIF 稳定剂的早期临床试验中,有发生与HIF稳定剂运用相关的严重不良反应(致命性肝坏死)的报道。此外,其长期安全性有待进一步研究[23]。
2 慢性肾脏病
慢性缺氧和肾小管间质损伤是所有肾脏病发展到终末期的共同通路。(1)实验发现HIF⁃1α诱导的Twist在肾小管间质表达增加[24],与Ⅰ型胶原纤维直接结合[25],促进小管纤维化,而通过抑制HIF⁃1α在肾小管上皮细胞的表达,则能减轻肾小球肥大,系膜基质扩张,细胞外基质积聚和尿蛋白排泄,有益于肾功能恢复[26⁃30]。(2)HIF⁃1α 作用于靶基因血管内皮因子(vascular endothelial growth fac⁃tor,VEGF)诱导血管生成,实验发现稳定 HIF⁃1α[31]与抑制[32]其在受损肾脏表达的结果截然相反;此外,HIF⁃1α的表达与血管平滑肌钙化表现为正相关[33];以上为HIF⁃1α在CKD血管生成方面的作用。(3)在低氧应激反应时,HIF⁃1α激活能减少蛋白质合成、抑制细胞凋亡并激活自噬,是协调低氧反应的重要因子[34],抑制HIF⁃1A基因的表达能显著减轻肾脏损伤[29];但有研究发现CKD早期肾脏氧合功能和线粒体功能减弱,激活HIF⁃1α的表达,能显著降低线粒体消耗和超氧化物产量并增加线粒体体积密度,于肾功能及代谢有益[4]。(4)CKD患者的间充质干细胞的PHD2的表达选择性增强,PHD2羟化HIF⁃1α促使其在蛋白酶体的降解,而稳定HIF⁃1α在间充质干细胞的表达有利于干细胞的创伤愈合能力的恢复[35⁃36]。
3 急性肾损伤及中毒
近端肾小管细胞因其高代谢活性易受低氧的影响,因此在急性缺氧性肾损伤时表现为近端肾小管坏死,而肾小球和远端肾单位功能正常[8]。(1)在非炎症诱导的AKI模型中,HIF⁃1α通过诱导VEGF的表达,可阻止管周毛细血管内皮细胞凋亡,HIF⁃1α并可通过诱导葡萄糖转运蛋白产生能量维持细胞在缺氧时的功能[37];增加HIF的表达或降低PHD的活性可减轻近端小管在缺氧时的损伤,减少细胞凋亡和炎症反应,促进肾功能的恢复[30,38⁃41]。实验还表明HIF的全身活化可减轻肾脏的缺血再灌注损伤,于急性肾损伤有利[42]。(2)败血症合并AKI患者的HIF⁃1α表达显著增多,并随抗生素的应用而下降,此外HIF⁃1α与铁调素的水平呈正相关[43];而在炎症诱导的小鼠急性肾损伤模型中,抑制PHDs活性提高了HIF⁃1α的表达水平、VEGF和EPO的基础血浆浓度,减弱败血症相关的近端小管空泡化和扩张,减少肾小管的凋亡和肾组织中的T细胞浸润,在败血症相关肾损伤中表现出肾脏保护作用,但PHD抑制剂导致干细胞大量糖原丢失和肝细胞凋亡而使器官破坏增加,导致死亡率增加[44]。(3)HIF因能提高血管生成素,从而减弱毒素递送的不良反应,减轻中毒导致的肾损伤。另外,有研究是HIF⁃2而不是HIF⁃1对短期急性肾损伤起保护作用[45]。
4 肾小球肾炎
GN是由一组具有共同组织病理学特征的肾脏疾病的总称,是导致终末期肾病的重要原因[46]。据报道中国因GN导致终末期肾病的患病率超过48%[47]。(1)在抗肾小球基底膜肾炎中,VHL基因敲除使局部HIFα稳定,减少肾小球疾病发展的积极作用强于VHL基因敲除引起的小管间质基质增多引起的消极作用,从而减轻疾病进展[48]。(2)在IgA肾病中,VEGF主要表达于肾小管上皮,并随疾病分级的增加而增加,而HIF⁃1α的表达先增加后下降,与VEGF的表达模式不平行,尚无足够的的证据支撑VEGF依赖HIF⁃1α的调控而发挥保护作用[49]。(3)在狼疮肾炎中,患者的尿HIF⁃1α高于健康对照组,并与慢性化指标相关,但与疾病的活动性指标没有相关性[50];随后的研究表明HIF⁃1α在患者的肾小球和肾小管间质组织中高度表达,尤其是在增殖性狼疮肾炎中,并且HIF⁃1α可通过诱导增殖和抑制凋亡促进小鼠系膜细胞的生长,在狼疮肾炎的发病机制中起重要作用[51]。
5 肾肿瘤
肾透明细胞癌(clear⁃cell renal cell carcinoma,ccRCC)VHL功能丧失[52],HIF⁃1α高表达,HIF⁃1α在ccRCC中:⑴与DNA CpG岛甲基化关系密切[53],或通过miR⁃217/HIF⁃1α/AXL信号促进Rcc肿瘤发生[54];(2)通过鞘氨醇激酶1/鞘氨醇1⁃磷酸途径[55]而影响肿瘤的生长,参与PIG3/HIF⁃1α途径调节癌细胞的迁移[56];(3)此外,HIF⁃1α可影响能量产生、氨基酸及胆碱代谢以及细胞调节和信号传导[57],并在实验中与VHL共同缺失完全恢复了肾的形态和功能,与肾血管系统恢复有关[58];(4)实验发现HIF⁃1α/ERK5途径在肿瘤治疗中具有预后价值[59]。有研究认为HIF⁃1α低表达在癌症治疗中有益[60],但也有研究认为HIF⁃1α降解有益于ccRCC增殖[61]。此外,也有研究认为HIF⁃2α蛋白是ccRCC具有转移潜能的独立标记,增加HIF⁃2α表达是一个有利的预后因素[62]。在一例急性淋巴细胞白血病肾浸润的病例报告中发现,白血病细胞浸润肾组织后形成局部缺血缺氧,从而诱导HIF⁃1α的表达增加,EPO的生成也随之增多,导致继发性红细胞增多症[63]。
6 多囊肾综合征
PKD,因大量肾囊肿而命名,是世界范围内众所周知的遗传性囊性肾病,常伴有常染色显性遗传的特性[64⁃65]。HIF⁃1α在PKD模型中高度表达于近端小管和细段的细胞核,而在正常肾脏中几乎检测不到[66]。有研究认为,可能是因为大量的囊肿造成的局部缺氧环境,刺激HIF⁃1α在肾脏中的表达[67],并且蛋白尿的发生与肾HIF⁃1α的表达正相关[68]。随后的研究通过比较不同程度囊肿形成的肾HIF⁃1α的表达发现,在程度轻的PKD中,HIF⁃1α的表达并没有增加,提示其可能是囊肿膨胀的原因;在巨大多囊肾中,HIF⁃1α在大的囊肿上皮细胞中大量增加,提示HIF⁃1α的增加是大囊肿局部缺氧的结果而非囊肿膨胀的原因[69],并且抑制HIF⁃1α的表达对疾病的进展影响小[70]。但也有研究发现HIF⁃1α依赖钙激活氯化物分泌通路促进囊肿生长[71],直接激活肾小管细胞中嘌呤能受体P2Y2R的表达促进囊肿生长,调控P2Y2R介导的依赖ATP的囊肿生长[72]。
7 NPHS1
NPHS1主要由足细胞裂隙隔膜蛋白中的遗传缺陷使肾脏肾小球内皮损伤引起的,患者在出生后不久就表现为肾病综合征,并在儿童期出现肾小球硬化症[73]。肾小球内皮细胞的维持是在很大程度上依赖于VEGF及其主要转录因子HIF⁃1α。肾小球系膜扩张和毛细血管闭塞使VEGF和HIF⁃1α生成增加,HIF⁃1α可维持足细胞VEGF的产生,维持血管内皮的稳定[73]。
总结和展望HIF⁃1α因作用于EPO的表达,在临床试验中发现能改善肾性贫血,但其长期的安全性有待进一步研究。HIF⁃1α是CKD低氧应激中的主要调节因子,既能促进小管纤维化,又可诱导受损肾脏血管生成,因此,在CKD中是否增强其表达存在争议。不同模型诱导的急性肾损伤模型,HIF⁃1α表达的作用也不同。HIF⁃1α与ccRCC的发生、增殖、转移、预后均密切相关,在继发性肾癌也发挥一定作用。HIF⁃1α是否促进囊肿形成的原因还是囊肿形成的结果目前仍存在争议。在NPHS1中,因HIF⁃1α促进VEGF的表达而维持肾小球内皮细胞的功能,对肾脏有益。综上所述,仍需要更多的研究进一步深入,解开HIF⁃1α在肾脏病发生、发展的机制及治疗应用的谜。