HIF-1相关信号通路及其在自身免疫性疾病中作用①

滑雅娜 鲁芙爱 王永福

(包头医学院第一附属医院风湿免疫科，包头医学院风湿免疫研究所,包头 014010)

1 HIF-1的结构、表达调控及生物学特性

1.1HIF-1的结构 HIF-1(Hypoxia inducible factor-1，HIF-1)即缺氧诱导因子-1，是由Semenza等[1]在1992年研究促红细胞生成素基因表达的影响因素时，在缺氧诱导的细胞核提取物中发现的一类与缺氧应激相关的转录活性因子。HIF-1是由对氧敏感的HIF-1α亚基和组成型表达的HIF-1β亚基共同构成，两个亚基的相对分子量分别为120 kD和91～94 kD，且这两个亚基都含有基本的螺旋-环-螺旋(basic Helix-Loop-Helix，b HLH)和PAS (Per-Arnt-Sim)结构域，此结构域是两亚基和DNA结合所必需的结构，属bHLH-PAS超家族[2]。其中，HIF-1α存在于细胞质中，其蛋白表达受缺氧信号的调控，是应答缺氧应激的关键因子。也有研究发现在缺氧条件下，Northern blot检测显示，HIF-1α mRNA广泛分布于机体组织中[3]。HIF-1β也称为芳烃转运蛋白，能稳定存在于胞浆或核质中，起结构性作用，其表达不受氧浓度影响而能稳定表达，并可与多种不同的bHLH-PAS蛋白异源二聚化[4]。

1.2HIF-1的表达调控 HIF-1的转录活性的强弱主要取决于HIF-1α的水平，而HIF-1α的蛋白稳定性和转录活性的程度则主要受细胞内氧浓度高低的影响。当机体处于正常氧分压状态时，HIF-1α可被氧依赖的脯氨酸羟化酶(Proline hydroxylase,PHDs)羟基化，由于半衰期很短，不足5 min，故极易被泛素-蛋白水解酶途径降解，故而HIF-1α表达水平极低[5]。相反，当机体缺氧时，PDHs活性受到抑制，使得HIF-1α能大量聚集于胞质内而不被降解消耗。同时，低氧也可使HIF-1α的mRNA及蛋白表达上调，并增强HIF-1α的DNA结合活性。此时大量聚集的HIF-1α进入细胞核并与HIF-1β相结合，形成活化且可抗蛋白酶水解的稳定型异源二聚体HIF-1[6]。活化的HIF-1再进一步结合并激活特定的缺氧易感基因的缺氧反应元件(Hypoxia response element,HRE)并启动其转录，继而调控下游靶基因的表达，介导细胞缺氧适应性反应[7]。因此，靶向抑制蛋白水解酶复合体或减弱泛素依赖酶活性均可阻断该过程。

1.3HIF-1的生物学特性 当机体发生缺氧相关的反应时，体内会形成以HIF-1为核心，联合其上下游基因及产物组成复杂的缺氧调控网络。通过直接或间接参与某些信号通路，调控相应靶基因的表达及调节细胞凋亡、细胞周期等途径，使缺氧的细胞及组织能保持氧稳定及耐受低氧状态。据报道，HIF-1所调控的靶基因近百种，涉及众多方面，如缺氧代偿性反应、免疫反应、新生血管的生成调节、细胞外基质纤维化、转录调控、物质运输、能量代谢等，以增加组织的缺氧耐受力，使机体更好地适应低氧环境[8]，因此HIF-1有着潜在的临床应用价值。

2 HIF-1相关的重要缺氧应激信号通路

众所周知，缺氧对机体和细胞来说是种极其敏感的刺激。细胞通过氧感受器和信号转导通路特异地调节某些基因或蛋白的表达，从而形成了复杂的氧化应激反应体系，以维持自身内环境的稳定状态[9]。HIF-1是至今发现的唯一一个缺氧状态下能特异性发挥活性的转录因子，在机体进行低氧调节时起着不可忽视的作用。近些年来，HIF-1介导的基因转录调控低氧方面的研究日益受到关注。HIF-1广泛参与多条细胞信号通路，是介导缺氧信号的转导中枢[10]。其主要机理为低氧可增加HIF-1α的稳定性，并可促进HIF-1与HRE的结合，从而诱导低氧敏感型靶基因激活，进一步促使细胞对缺氧做出反应。此外，HIF-1通路和其他信号通路间也存在交叉调节，这样就形成了HIF-1介导的细胞低氧应答通路的特异性和多样性[11]。

2.1PI-3K/Akt/HIF-1通路 磷脂酰激醇3-激酶(Phosphatidylinositol-3 kinase，PI-3K)信号通路主要与细胞增殖及凋亡有关。Chen等[12]研究发现缺氧状态下，PI-3K可被激活并与下游的Akt结合，使Akt发生磷酸化。磷酸化的Akt可增强HIF-1α的活性，从而启动HIF-1相关的靶基因转录，最终使细胞增殖能力增强而细胞凋亡受到抑制。由于糖酵解过程中的某些转运体及相关的酶可能是该通路下游的作用位点，所以该途径的发生与细胞的糖酵解过程存在一定的关系[13]。另外，有研究发现，在生理状态下，亚砷酸盐可通过激活PI-3K/Akt，使HIF-1α蛋白表达上调，进一步增加HIF-1的转录活性[14]。这些发现表明HIF-1与PI-3K/Akt信号通路间存在密切关系，而这在感染、免疫等疾病的治疗中有潜在的研究价值。

2.2MAPK/HIF-1信号通路 丝裂原活化蛋白激酶(Mitogen-activated protein kinase，MAPK)具有促进细胞增殖、抗凋亡的作用，细胞外信号调节激酶(Extracellular regulated kinase，ERK)属于MAPK蛋白家族[15]。Huang等[16]研究发现缺氧刺激下，细胞内的ERK可发生磷酸化(p-ERK)，此时检测到细胞内HIF-1的表达水平也显著升高。体外及体内实验中均有研究证实，活化的MEK1/ERK可使HIF-1α磷酸化，进而影响HIF-1转录活性[17]。另外，还有研究认为PI-3K/Akt和MAPK信号通路可以协同调节HIF-1的表达[18]。因而可推断MAPK信号通路可通过调控HIF-1的表达而在某些疾病中发挥作用，但其具体机制仍需进一步研究。

2.3HIF-1相关的其他信号通路 除了上述信号通路外，研究发现HIF-1介导的缺氧适应性信号通路与NF-κB相关的炎症信号通路间也存在一定的相关性。有文献证实炎症刺激因子等可通过调节NF-κB依赖的炎症信号通路来增强HIF-1基因及蛋白水平的表达[19]。Jiang等[20]在研究慢性阻塞性肺病(Chronic obstructive pulmonary diseases，COPD)的发病机制时发现，HIF-1通过激活NF-κB信号通路加速COPD的进展。还有研究发现肾透明癌细胞中的希佩尔林道病肿瘤抑制蛋白(protein von Hippel-Lindau,pVHL)表达增强，导致HIF-1α和血管内皮生长因子(Vascular endothelial growth factor，VEGF)的表达减少，最终抑制癌细胞增殖、转移及血管再生[21]。Liu等[22]则发现热休克蛋白90(Heat shock proteins 90，Hsp90)在低氧状态下能与HIF-1α的bHLH-PAS 结构域结合，激活HIF-1α的表达，而阻止HIF-1α被泛素化降解，进而调节其下游靶基因。

此外，还有研究发现，细胞生命活动相关的转录因子Myc及Notch信号通路与HIF-1之间在机体的低氧反应也存在相互作用。机体缺氧时，HIF-1α激活并阻碍Myc靶基因的表达，负性调控细胞周期及DNA修复相关的基因表达，从而影响细胞的生长[23]。而研究中发现活化的HIF-1可诱导Notch的靶基因Hey1和Hey2表达，而当Hey1和Hey2表达到一定程度时，可反过来抑制HIF-1的表达，这种负反馈回路使机体避免发生缺氧损伤[24]。上述结果表明HIF-1通路和其他信号通路在低氧调节过程也存在相互调节作用。

3 与HIF-1相关的自身免疫病

3.1HIF-1与类风湿关节炎 类风湿关节炎(Rheumatoid arthritis，RA)是一种以持续而对称性滑膜炎症、关节畸形和骨质破坏以及全身其他系统受累为特征的慢性炎性疾病[25]。RA作为自身免疫性疾病中最常见的一种，其病因复杂多样，发病机制目前尚未完全阐明。近年来许多研究均发现HIF-1在RA发病中发挥一定的作用。Hu等[26]在研究RA患者滑膜成纤维细胞(Rheumatoid arthritis synoviol fibroblasts，RASFs)与T/B细胞间的相互作用时发现，RA患者的关节炎症有明显的低氧性表现，而且检测到RA患者的RASFs中HIF-1α的表达较对照组上调。HIF-1使RASFs与T/B细胞之间存在持续相互作用，以诱导炎性细胞因子和自身抗体产生，从而加剧RA的发展。这与其在前期研究时发现HIF-1过表达后能够促进RASFs介导的炎性Th1和Th17细胞的生成，从而激发TLR诱导RA炎症发生的结论相一致[27]。同样，Hu等[28]研究也发现HIF-1在RA患者的RASFs中表达增加，可能是HIF-1通过增强了IL-8、IL-33、MMP和VEGF在RASFs中的表达，加剧炎症、软骨破坏及血管生成而参与RA的发病。因而针对HIF-1进行靶向治疗的研究，可为克服RA持续性发展提供新的策略。

3.2HIF-1与系统性红斑狼疮 系统性红斑狼疮(Systemic lupus erythematosus，SLE)是以机体不明原因反复产生多种复杂的自身抗体、补体系统激活以及免疫复合物沉积为主要特征的慢性多系统受累的一类AID[29]。而且长期使用糖皮质激素和免疫抑制剂治疗SLE可引起严重的副作用，因而针对SLE发病机制的研究也相继增加。一些研究发现HIF-1参与SLE的发病过程，如Elshikha等[30]在研究α-1抗胰蛋白酶对SLE患者的树突细胞(Dendritic cell，DC)分化和功能的影响时发现，SLE患者体内pDC可产生IFN-γ，IFN-γ不仅可使HIF-1α蛋白表达上调，而且还能促使HIF-1α进入细胞核，从而加速SLE的病情发展。此外，还有研究报道HIF-1可通过影响Th17和Treg细胞的比例，进而使两者在功能上发生免疫失衡，从而诱导SLE的发病[31]。Feng等[32]在观察SLE患者肾细胞中诱导增殖相关信号蛋白1的作用机理时发现，该蛋白表达上调并可下调HIF-1α mRNA的表达水平。从而推断，该蛋白可能是通过调控HIF-1α的表达而使SLE患者的肾脏发生病理变化。这提示HIF-1α可能是SLE新的诊断标志物。Huang等[33]在探讨SLE患者外周血单核细胞中miR-210的表达水平时发现，机体处于低氧条件时，miRNA-210通过调控HIF-1α的表达和Th17细胞的分化而破坏SLE患者的机体功能，这也提示HIF-1可能参与了SLE的病情发展。尽管目前基于HIF-1在SLE的治疗方面的应用尚少，但对SLE中HIF-1作用的深入研究将为开展以HIF-1为靶点的SLE治疗奠定循证医学基础。

3.3HIF-1与强直性脊柱炎 强直性脊柱炎(Ankylosing spondylitis，AS)是一种以侵犯中轴骨关节和韧带附着处为主的关节性自身免疫类疾病[34]。其发病机制复杂且血清学检查阴性，病理学以滑膜不同程度的增生、血管翳形成以及关节侵蚀为主要特点[35]。在AS的发病过程中，多种原因可导致骨关节炎症反应，使得大量炎症细胞生成及浸润导致局部缺氧，进而促进血管新生。其中VEGF作为血管源性因子的一种，能刺激血管内皮细胞产生蛋白酶及纤溶酶原催化剂，进而诱导新生血管的产生[36]。而Wang等[37]在研究他汀类药物在肿瘤治疗中的作用机理时发现，在VEGF基因上存在着能与HIF-1α相互作用的结合位点HRE。因而当机体缺氧时，VEGF可诱导活化的HIF-1α与其相结合形成转录起始复合物，启动相应靶基因的转录，同时HIF-1α也反过来增强VEGF基因的表达及其表达产物的稳定性，从而构成正反馈调节，不断促进新生血管的形成。新生血管翳的不断充填，可继发产生肉芽组织，逐层破坏软骨及骨组织，形成侵蚀性骨缺损而促进AS的发展。此外，多种细胞、炎症因子如TNF、IL等在AS的病程中同样发挥着重要作用[38]，而Lv等[39]在探索了缺氧对肺成纤维细胞的影响时发现，缺氧时HIF-1能促进上述因子表达进而加速肺纤维化的进程。这些结果均提示靶向抑制HIF-1α的活性，具有治疗人类AS的潜力。

4 结语

综上所述，HIF-1可能通过多种方式参与AID的发生和发展。然而，HIF-1在AID发病机制中的具体作用仍然不确定。因此，对HIF-1及其上下游的调节基因进行深入研究，必将为AID的病因学研究和防治提供新的思路。下一步将会对HIF-1的抑制剂在AID中的治疗效果和机制进行探讨性研究，相信会为AID的诊断和治疗提供更有力的研究基础和广阔的临床应用前景。