HIF-1α及其相关信号转导通路在疾病中的研究进展①

朱 培 唐梦燕 闫东梅

(吉林大学基础医学院免疫学系,长春 130021)

1 HIF-1α的结构及功能

缺氧诱导因子-1(hypoxia inducible factor-1，HIF-1)最初是由Semenza在1991年研究促红细胞生成素(EPO)基因时发现的，由HIF-1α和HIF-1β两个亚基组成的异二聚体转录因子[1，2]。这两个亚基均具有碱性-螺旋-环-螺旋(bHLH)基序[3]。 其中HIF-1α分子大小约为120 kD[4]，是氧敏感亚基，低氧条件下可被诱导表达并累积。HIF-1β分子大小为91～94 kD,是组成型，不受低氧条件影响。HIF-1β与HIF-1α结合移位至细胞核，并与缺氧反应元件HRE结合[2]。

HIF-1α在体内普遍表达，但在正常氧的情况下，HIF-1α的ODDD区的两个脯氨酸残基(P402/P564)被脯氨酰-4-羟化酶(PHD)羟基化,赖氨酸(K532)可被乙酰转移酶ARD-1乙酰化，具有羟基化P402/P564和乙酰化K532修饰的HIF-1α亚基被pVHL识别，并被泛素化标记最终被降解。在缺氧及炎症情况下，PHD及ARD-1水平较低，HIF-1α脯氨酸和赖氨酸残基不会被羟基化和乙酰化，使HIF-1α结构稳定化并与HIF-1β结合为异源二聚体入核，招募p300并识别基因上的HRE序列，与之结合启动下游基因如炎症因子白介素1β(IL-1β)、糖酵解相关酶乳酸脱氢酶A(LDHA)、丙酮酸激酶(PKM)以及促血管生成因子血管内皮生长因子(VEGF)等基因的转录[5]并激活相关信号通路。

2 HIF-1α相关信号通路

HIF-1α不仅能维持正常机体的氧气及其相关功能的稳态，其在肿瘤发生发展、炎症及各种缺氧性疾病中都具有一定影响。大量研究表明HIF-1α在多种肿瘤及炎症、缺氧细胞中过表达，且在这些相关疾病的发生发展过程中发挥不可替代的作用。HIF-1α是一个转录因子，受多种信号转导分子如PI3K/AKT/mTOR、SIRT3/ROS的调控，而HIF-1α又调控多种基因的转录，如调节糖酵解、促进肿瘤细胞增殖、迁移和血管生成[6]，在细胞增殖、凋亡和分化过程中发挥重要作用。HIF-1在免疫炎症反应中也起重要的作用，参与机体中多种正常应激及病理情况的发生发展。本文将根据功能分类描述HIF-1α参与的信号通路。

2.1HIF-1α与细胞增殖

2.1.1PI3K/AKT/mTOR/HIF-1α途径 磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)信号通路在代谢、炎症、细胞存活、运动和癌症进展等多种细胞过程中起作用。磷酸肌醇3-激酶/蛋白激酶B/哺乳动物雷帕霉素靶点(PI3K/AKT/mTOR)途径及HIF-1信号转导是糖酵解、肿瘤细胞增殖的重要机制。PI3K/AKT/mTOR途径能够促进HIF-1α的表达及稳定。相关研究表明，血小板衍生生长因子受体PDGF能够通过激活肺功能平滑肌细胞中的PI3K/AKT/mTOR/HIF-1α 的上游促进其增殖和迁移[7，8]。

2.1.2HIF-1α/Wnt/β-catenin途径 缺氧提高了神经干细胞(NSCs)的增殖和HIF-1α、β-连环蛋白及细胞周期蛋白D1的水平。阻断Wnt信号传导途径减少了缺氧诱导的NSC增殖，而该途径的激活增加了缺氧诱导的NSC增殖。研究表明，用HIF-1α siRNA敲低HIF-1α能降低β-连环蛋白核转位和细胞周期蛋白D1的表达，并抑制NSC的增殖。病理性缺氧通过增加HIF-1α的表达和激活Wnt/β-catenin信号通路来刺激NSC增殖。这说明HIF-1α/Wnt/β-catenin途径可能在NSC增殖中起关键作用[9]。

2.2HIF-1α与细胞转移和侵袭

2.2.1HIF-1α/HDAC1/Slug途径 死亡域相关蛋白(Daxx)通过抑制HIF-1α/HDAC1/Slug途径负向调节缺氧诱导的细胞传播和侵袭。Daxx直接结合Slug的DNA结合结构域，阻止组蛋白脱乙酰酶1(HDAC1)募集和拮抗Slug E-box结合。这反过来刺激E-钙粘蛋白和occludin表达，并抑制Slug介导的上皮-间质转化(EMT)和细胞侵袭。在缺氧条件下，稳定的HIF-1α下调Daxx表达并促进癌症侵袭，而Daxx的重新表达抑制缺氧诱导的癌症侵袭。 Daxx还在原位肺转移小鼠模型中抑制Slug介导的肺癌转移[10]。

2.2.2TRAF6-ATM-H2AX/HIF-1α途径 肿瘤坏死因子受体相关因子6 (TRAF6)是缺氧靶标，肿瘤微环境的缺氧条件促进TRAF6 mRNA表达及自身的泛素化和HIF-1α及其信号传导的激活。TRAF6被激活后招募共济失调-毛细血管扩张突变基因(ATM)驱动γH2AX形成在缺氧时转录激活的先决条件。H2AX调节HIF-1α信号传导、癌细胞糖酵解和肿瘤发生[11]。TRAF6-ATM-H2AX信号轴通过促进HIF-1α活化，促进肿瘤的发生和转移。

2.2.3NF-κB/HIF-1α/miR-210途径 肝再生磷酸酶-3(PRL-3)为蛋白酪氨酸磷酸酶超家族成员,研究表明其与多种肿瘤的迁移、侵袭及预后密切相关。有研究表明，在胃癌组织和细胞中，miR-210的水平与PRL-3的表达水平显著正相关。研究发现PRL-3通过促进p65的磷酸化激活NF-κB信号通路上调HIF-1α 和miR-210水平[12]，且PRL-3在胃癌迁移侵袭中的作用依赖于P65/NF-κB/HIF-1α/miR-210途径。说明NF-κB/HIF-1α/miR-210途径在胃癌迁移侵袭过程中起重要作用。

2.3HIF-1α与血管生成 HIF-1α/VEGF途径在缺氧环境中，HIF-1α水平增加并上调各种促血管生成因子尤其是VEGF，从而诱导血管生成。有研究表明，缺氧能够诱导内皮细胞(EC)产生大量的TNF-1α，而低密度脂蛋白(LDL)能够通过下调TNF的受体阻断TNF-α/NF-κB/HIF/VEGF通路减轻缺氧诱导的血管生成[13]。这为LDL抗血管生成提供了理论依据。此外缺氧促进促红细胞生成素(EPO)的产生，增加骨髓中红细胞、VEGF及血管生成，改善机体组织缺氧情况[14]。研究表明VEGF的产生能够负反馈调节HIF-1α。这条途径在缺氧及炎症中发挥重要调控作用。且研究发现调节成骨细胞中的PHD/VHL/HIF途径还可以诱导骨中的EPO，提高血细胞比容，并保护小鼠免受应激诱导的贫血。

2.4HIF-1α与糖酵解 糖酵解途径中HIF-1的靶标包括葡萄糖转运蛋白1(GLUT1)、GLUT3和HK1、HK2、磷酸果糖激酶肝型(PFK-L)、醛缩酶A和C(ALD-A，ALD-C)、磷酸甘油酸激酶1(PGK1)、烯醇酶α(ENO-α)、PKM2、乳酸脱氢酶A(LDH-A)和果糖2,6双磷酸酶(PFKFB-3)[15]。由于这些酶在糖酵解途径中都至关重要，而HIF-1α是其重要的转录因子，所以HIF-1α在糖酵解途径中起到决定性作用。众多研究表明，HIF-1α高表达的细胞中，糖酵解水平明显增加。此外，对免疫细胞及免疫反应具有一定的影响。有研究者认为，免疫细胞的激活和表型转换与HIF-1α之间有紧密联系[16，17]。有研究表明糖酵解增加T辅助细胞因子表达，且HIF通过TCR或细胞因子刺激促进T辅助细胞中的糖酵解及细胞因子的产生，而Tfh细胞缺乏HIF后，IFN-γ分泌减少，表明HIF在体液反应过程中必不可少[18]。且HIF-1α对肿瘤的部分促进作用也是通过影响糖酵解来实现的[19，20]。

2.5HIF-1α与氧化应激 SIRT3/ROS/HIF-1α途径：线粒体去乙酰化酶3(SirT3)在维持细胞代谢稳态中起重要作用，其变异能够延长寿命。SirT3可以通过抑制活性氧(ROS)间接抑制HIF-1α活性，也可以直接降低HIF-1α的稳定性[21]。SirT3敲低增加了异种移植模型中的肿瘤发生，SirT3的过表达抑制缺氧中HIF-1α蛋白的稳定并减弱HIF-1α转录活性[22]。表明SirT3可以通过抑制ROS和HIF-1α来抑制肿瘤的生长。

2.6HIF-1α与其他 VHL-HIF1α途径 E3泛素连接酶VHL能使HIF-1α泛素化并导致HIF-1α降解。VHL在HIF-1α的稳定及活性中发挥重要作用。VHL的丢失可增加ILC2细胞中HIF-1α的表达并促进糖酵解，且VHL-HIF1α途径可以通过调控ST2表达及IL-33-ST2途径来影响ILC2细胞的分化及成熟[23]，进而影响免疫反应。表明HIF-1α对细胞表型分化及功能有重要影响，而VHL在其中起到调控作用。

3 HIF-1α在疾病中的研究进展

由于HIF-1α存在广泛，在机体正常及病理情况下都发挥重要作用。其在肿瘤发生发展、炎症产生、消退及各种缺氧性疾病中都有一定影响。以下是HIF-1α在几种疾病中的机制研究进展。

3.1HIF-1α在肿瘤中的研究进展 由于肿瘤微环境中的胰岛素、胰岛素样生长因子(IGF)-1、IGF-2、v-Src、乳酸、丙酮酸和遗传改变(如癌基因激活或肿瘤抑制基因失活)，HIF-1α在多形性胶质母细胞瘤、成血管细胞瘤、结肠腺癌、肺癌、前列腺癌和乳腺癌亚型中表达上调，促进肿瘤的迁移、侵袭和血管生成，调节pH和葡萄糖代谢，从而促进肿瘤的发生、发展[24]。有研究表明HIF-1α或许能作为多种肿瘤的靶点来干预肿瘤的治疗。缺氧诱导肝癌组织表达HIF-1α及免疫抑制，但沉默HIF-1α的Hepa1-6肝癌移植瘤的生长及浸润明显受到了抑制，且逆转了肝癌免疫抑制[25]。

HIF-1α能够通过诱导miR-23a～27a～24簇影响细胞代谢促进结肠直肠癌发生发展[26]。研究表明PI3K/AKT/mTOR/HIF-1α信号传导级联的激活促进爱泼斯坦-巴尔病毒(epstein-barr virus，EBV)诱导血管生成拟态(vasculogenic mimicry，VM)形成。一旦VM形成，便会诱导EBV相关的上皮癌EBVaGC 发生[27]。肿瘤抑制因子HOXA9可以通过负调节HIF-1α及其下游糖酵解调节因子HK2，GLUT1和PDK1，在体外和体内抑制细胞中的糖酵解来干预皮肤鳞状细胞癌[28]。有研究发现可以通过靶向线粒体呼吸及HIF-1α来逆转TNBC乳腺癌化疗的耐药性[29]。近年对以HIF-1为靶点的药物研究主要分基因疗法和药物疗法两类。在针对肿瘤的治疗中体现出显著的效果，能够有效降低肿瘤的耐药性，增加肿瘤细胞对化疗药物的敏感性，并有效抑制肿瘤中的血管生成。但目前有效的抑制剂没有直接靶向HIF-1的，大多是通过抑制HIF-1的转录、活性或与其他基因片段或蛋白的结合来实现的。所以对靶向HIF-1的药物研究还需要拓宽思路进行更深一步的研究。

3.2HIF-1α在炎症中的研究进展 炎症部位的多种免疫细胞中都高表达HIF-1α。缺氧诱导的HIF-1α抑制中性粒细胞凋亡，且HIF-1α在中性粒细胞杀菌活性的调节中起作用，其能够通过介导免疫细胞基础代谢重编程促进先天免疫功能，HIF-1α还影响免疫细胞的募集、迁移、吞噬、杀伤等功能，在炎症发生及消退过程中都发挥重要作用。羟化酶抑制剂可通过激活HIF-1α途径而发挥抗炎作用，其已于多种炎性疾病模型中应用[30]。

3.3HIF-1α在其他相关疾病中的研究进展 研究发现HIF-1α在缺氧性肺动脉高压形成中起关键作用。持续低氧可导致大鼠肺动脉高压形成,同时HIF-1α的表达也明显增加[31]。大脑对低氧十分敏感,大量实验证明，任何氧浓度降低的情况都可诱导HIF-1α大量表达。在全脑缺血模型、局灶性脑缺血模型中均发现HIF-1α浓度在缺血缺氧后的脑组织中显著增加,从而促进神经细胞的凋亡，加重动物脑缺血模型的脑损伤，这可能与HIF-1α过表达诱导了促凋亡调节蛋白BCL2/腺病毒E1B结合蛋白3BNIP3的表达有关[32，33]。

HIF-1α对类风湿关节炎(rheumatoid arthritis，RA)、动脉粥样硬化(atherosclersis，AS)、自身免疫性疾病的发生也有影响。HIF-1α可能与RA的发生和发展有关,但其在RA组织中具体的功能和调控机理尚不清楚。研究表明琥珀酸能够通过代谢重编程和HIF-1α/VEGF轴诱导RA中的滑膜血管生成[34]，中药新风胶囊能够通过PI3K/AKT/mTOR/HIF-1α途径明显降低 RA患者关节肿痛等症状，改善滑膜血管新生[35]。HIF-1α是AS的重要调控因子，AS部位巨噬细胞浸润且高表达HIF-1α,促进动脉粥样硬化。病变中，HIF-1α诱导TSP-1形成，导致血管平滑肌迁移，是血管损伤及狭窄的主要原因[36]。由于HIF-1α影响免疫细胞表型及功能，其在自身免疫性疾病的发生中也发挥重要作用。研究表明，HIF-1α是自身免疫疾病中B细胞产生IL-10的关键转录因子[37]。以上结果提示，可以通过调节HIF-1α转录、表达及稳定来控制疾病的发生发展。

4 小结

HIF-1α在机体中普遍存在，但在常氧条件下易被降解，几乎检测不到，在缺氧情况下才能检测的到其蛋白形式。HIF-1α是重要的转录因子，影响细胞的增殖、凋亡及代谢。在肿瘤、炎症、缺血缺氧性疾病及免疫相关疾病中发挥重要作用。目前虽然有靶向HIF-1α的药物，但是没有直接针对HIF-1α的抑制剂或激动剂。作为重要的转录因子，HIF-1α还有更多的未知功能需要探索，尤其是其在免疫细胞中的作用，HIF-1α可以通过哪些途径来调控免疫细胞的表型及功能还需进一步探讨，为临床药物的研发提供更多的思路及理论支持。