低氧诱导因子1α在炎症中的作用研究进展①

赵思涵 李红艳

(西藏民族大学高原环境与疾病相关机理研究高校重点实验室，咸阳 712082)

低氧诱导因子1α(hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α)是诱导低氧基因及细胞氧内环境修复的核心调节因子，可调控细胞的生长、增殖、迁移、炎症和凋亡等过程。炎症是免疫系统对感染、损伤或刺激的首次生物反应。抗炎作用主要是通过调节多种炎症细胞因子，如一氧化氮(NO)、白细胞介素、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)以及非细胞因子介导的前列腺素E(prostaglandin E，PGE)等保护机体免受损伤。研究表明，低氧是大多数炎症的共同特征，也是导致炎症或加重炎症的重要原因。本文就HIF-1α的结构特点、在炎症性疾病中的作用、与相关炎症因子的关系及药物治疗等研究进展进行综述。

1 低氧诱导因子

HIF家族有HIF-1、HIF-2和HIF-3 3个成员，均由氧敏感的α亚基和氧不敏感的β亚基组成，其中α亚基主要以HIF-1α的形式存在。HIF-1和HIF-2是缺氧反应的主要调节因子，而HIF-3在缺氧应答中，以与HIF-1和HIF-2相互竞争结合到靶基因的方式发挥负调控作用，但仅限于在固定组织内表达[1]。只有当α及β亚基结合成二聚体时HIF-1才具有活性。HIF-1α是O2调节蛋白，是机体低氧适应和病理反应间的一个特异的中介因子，其稳定性受含氧量影响。其表达水平决定了HIF-1在细胞内的活性。HIF-1α主要在细胞质中表达，半衰期短，在含氧量正常时快速降解；HIF-1β主要在细胞核内稳定表达，起结构性作用。HIF-1α有2个激活域(TAD)：氨基NH2末端(N-TAD)和羧基COOH末端(C-TAD)，决定了HIF-1α的转录活性[2]。缺氧条件下，C-TAD与共激活因子如CBP/p300相互作用调控HIF-1α基因转录，而N-TAD负责稳定HIF-1α表达，防止其降解。由此可见，在机体广泛的炎症低氧环境中，HIF-1α可能发挥更关键的作用。

2 HIF-1α在炎症反应中的作用

正常情况下，炎症反应是机体应对病原体感染的一个过程，该过程是可控制的，但若炎症反应持续存在，就会对机体造成损伤，成为许多疾病发生的根本原因。HIF-1α的表达在炎症发生时常常升高，通过调控血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)、NO、活性氧和前列腺素E2 (PGE2) 等相关靶基因的表达，引起内皮细胞功能障碍、血管生成而促进炎症发展。脂多糖可诱导巨噬细胞中HIF-1α积聚，上调VEGF表达，促进全身炎症反应。另外，炎症反应通常会产生一种异常的代谢微环境，不同程度的氧浓度、pH值和免疫代谢调控HIF-1α的激活和其他免疫细胞及炎症进程，如在亚砷酸盐诱导的糖酵解中，HIF-1α直接介导单羧酸转运体-4(monocarboxylate transporter 4,MCT-4)过表达，使糖酵解维持在较高水平，致使细胞间质中乳酸积聚，诱导促炎细胞因子产生，进而加重炎症[3]。

在缺血性和炎症性肠道疾病中，激活HIF-1α可抑制肠道炎症，而巨噬细胞中缺失HIF-1α后却可以减轻肺动脉高压带来的组织损伤[4]。HIF也可通过调节Bcl-2家族基因、与p53相互作用或靶向作用于线粒体酶减少肾小管细胞死亡而抑制肾脏炎症[5]。可见，由于炎症发生发展的复杂性，HIF-1α可能在其发展的不同阶段作用也不同，有待进一步研究。

3 免疫细胞与HIF-1α

已有研究证实，HIF-1α具有影响免疫细胞活化、增殖和分化等作用，可参与到机体炎症反应中。这些作用主要通过调控T细胞、巨噬细胞、中性粒细胞和B细胞等免疫细胞中相关基因的表达实现。

3.1T细胞与HIF-1α 研究表明，炎症中T细胞内HIF-1α稳定表达主要通过以下3条通路：①通过PI3激酶/mTOR通路与T细胞抗原受体(T cell receptor，TCR)结合，促进HIF-1α稳定性；②IL-6激活转录激活因子3(signal transducers and activators of transcription，STAT3)介导HIF-1α稳定表达；③低氧条件下，HIF-1α的自身结构C-TAD诱导其转录，N-TAD稳定其表达。HIF-1α依赖的糖酵解通路调控辅助性T细胞17(T helper cell 17,Th17)和调节性T细胞(regulatory cells,Treg)的分化，缺乏HIF-1α则会抑制Th17细胞发育，促进Treg分化，保护小鼠免受自身免疫性神经炎症损伤。糖酵解代谢还会参与调节记忆T细胞中HIF-1α的翻译，糖酵解中甘油醛-3-磷酸脱氢酶(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase,GAPDH)通过与中央记忆T细胞和效应记忆T细胞中HIF-1α mRNA 3′-UTR区富含腺苷酸-尿酸盐的元件结合，负调控HIF-1α表达，并抑制T细胞增殖和存活。而GAPDH表达降低则上调HIF-1α表达，致使记忆T细胞功能增强，从而抑制肿瘤及炎症发展[6]。低氧条件可通过上调CD4+T淋巴细胞中HIF-1α表达刺激Foxp3基因表达，从而促进CD4+T淋巴细胞转化为Treg，避免炎症反应发生[7]。E3泛素连接酶VHL是维持Treg稳定性和功能的关键调控因子，缺失VHL的Treg细胞会激活Foxp3基因表达，Foxp3激活CD4+T细胞，进而产生过量的INF-γ。HIF-1α与INF-γ直接结合，导致T细胞转化为Th1样致病性T细胞，诱导多种组织炎症及自身免疫性疾病[8]。干扰素调节因子5(interferon regulatory factor-5，IRF-5)可调控IL-6和TNF-β的表达。IRF-5本身可通过MyD88信号通路被TLR7和TLR9激活，或直接被病毒感染和Ⅰ型干扰素激活而参与炎症反应。研究发现，IRF-5通过诱导树突状细胞中HIF-1α表达抑制CD8+T细胞增殖，增加糖酵解和M1巨噬细胞极化，加重炎症反应[9,10]。提示HIF-1α在调控T细胞发育及介导T细胞参与的炎症反应中发挥重要作用。

3.2巨噬细胞与HIF-1α 巨噬细胞发挥作用与其表型密切相关,目前已确定有2种类型巨噬细胞:一种为干扰素γ (interferon-γ,IFN-γ)和TNF-α诱导的促炎或经典活化巨噬细胞，即M1型巨噬细胞，表达高水平促炎细胞因子；第二种为IL-4和IL-13诱导的抗炎巨噬细胞，即M2型巨噬细胞，有助于炎症的消退和损伤修复。M1型或M2型巨噬细胞在炎症中的作用均与HIF-1α密切相关。

在促炎反应中，M1型巨噬细胞的葡萄糖分解代谢明显提高，主要是依赖于HIF-1α和6-磷酸果糖-2-激酶表达，并按比例调节其促炎活性。巨噬细胞在动脉粥样硬化炎症的存活依赖完整的HIF-1α调节系统。氧化低密度脂蛋白(oxidized low-density lipoprotein,oxLDL)是一种强有力的促氧剂，可促使巨噬细胞募集，激活和泡沫细胞形成。巨噬细胞通过上调人葡萄糖转运蛋白1(glucose transporter 1,GLUT-1)和己糖激酶表达摄取氟代脱葡萄糖并上调糖酵解量，促进炎症发展。而沉默HIF-1α表达能完全消除oxLDL的代谢作用，这在一定程度上可抑制动脉粥样硬化炎症对血管的损伤[11]。研究发现，ω-炔基花生四烯酸在LPS刺激下可抑制HIF-1α与iNOS启动子中HRE序列结合，并抑制巨噬细胞中糖酵解丙酮酸激酶M2 (pyruvate kinase isozyme type M2,PKM2)过表达和核转位，调节PKM2、HIF-1α与iNOS的相互作用，可促进急性心肌梗死巨噬细胞的M2极化抗炎作用，抑制心血管炎症[12]。

3.3中性粒细胞与HIF-1α 感染或炎症过程中，中性粒细胞募集到病灶部位，以释放中性粒细胞胞外陷阱的方式进行免疫防御。对于慢性炎症而言，IL-4通过激活STAT信号通路可抑制中性粒细胞的HIF-1α依赖性存活，促进中性粒细胞凋亡和继发性坏死，导致其生存时间缩短，缩短病程，促进慢性炎症康复[13,14]。另外，中性粒细胞线粒体代谢及三羧酸循环代谢在一定程度上参与了中性粒细胞及巨噬细胞在低氧组织中的生存和抗菌功能，中性粒细胞的低氧存活时间延长也依赖于HIF-1α的表达[15]。但有关中性粒细胞中HIF-1α活性的增加是否与其线粒体代谢及三羧酸循环有关仍需进一步研究。

3.4B细胞与HIF-1α B细胞在抗原刺激后，经抗原提呈细胞和Th细胞的辅助，分化为具有体液免疫功能的浆细胞，浆细胞产生大量细胞因子，参与免疫调节、炎症反应及造血过程。研究表明，在胶原诱导的关节炎及脑脊髓炎模型中，B细胞通过NF-κB通路增加HIF-1α mRNA和蛋白的表达水平；通过细胞外调节蛋白激酶-转录调节因子3(extracellular-signal regulated protein kinase-signal transducer and activator of transcription 3，ERK-STAT3)信号通路激活B细胞表面抗原受体。CD5+B细胞在体外以HIF-1α依赖的方式调控1型调节性T细胞(type 1 regulatory T cells,Tr1)的分化，起到抑制自身免疫性炎症反应的作用[16]。另外，HIF-1α通过TASK-2+通道增加B细胞中Ca2+传递，上调B细胞离子通道活性，增强B细胞在炎症反应中的灵敏性[17]。

潜伏膜蛋白1(latent membrane protein 1，LMP1)是EB病毒(EBV)诱导B细胞转化的关键蛋白。EBV感染过程中HIF-1α启动子区域与聚腺苷酸二磷酸核糖转移酶-1(poly ADP-ribose polymerase 1 PARP1)形成PARylated复合物，导致HIF-1α与PARP1在B细胞积累，促进炎症发展。PARP1缺失后干扰了NF-κB诱导的基因表达，从而降低B细胞促炎因子表达，保护组织免受损伤，这或许能成为炎症性疾病的又一治疗靶点，但具体治疗效果如何有待进一步研究[18]。

3.5树突状细胞(dendritic cells,DC)与HIF-1α DC是桥接先天免疫与适应性免疫的关键因素，常位于低氧区，尤其在炎症过程中。未成熟的DC具有极强的抗原吞噬能力与迁移能力，高表达MHC-Ⅰ及MHC-Ⅱ类分子，与抗原形成肽-MHC分子复合物，呈递给T细胞而启动免疫应答。DC通过SIRT1-HIF-1α轴以不依赖糖代谢的方式诱导DC细胞因子产生，促进CD4+T细胞分化，将先天免疫信号桥接至适应性免疫应答[19]。早期研究表明，单独的低氧环境并不能诱导DC成熟，但会显著刺激促炎细胞因子及MHC-Ⅱ类分子合成。随着炎症进展，HIF-1α蛋白积累，糖酵解活性进一步增强，导致DC活化，DC由接触抗原的外周组织迁移进入次级淋巴器官，与T细胞接触并激发免疫应答。

成熟DC能有效激活初始T细胞并与T细胞结合，高表达CD40等刺激分子作为T细胞活化的第二信号。近年来研究均发现，HIF-1α的积累导致DC诱导更多的Treg而抑制肠道炎症[20]。且HIF-1α是单核吞噬细胞分化为耐受性DC的关键，缺乏HIF-1α的DC不能诱导初始T细胞分化为Tregs，导致肠道炎症加重[21]。虽然DC作为目前功能最强的抗原呈递细胞，但近年来HIF-1α与DC的关系及影响机制尚未明确，以此为治疗靶点是否能用于其他炎症性疾病治疗有待进一步研究。免疫细胞中HIF-1α对炎症的影响见表1。

表1 免疫细胞中HIF-1α对炎症的影响

4 多种炎症介质与HIF-1α的相互作用

4.1PGE2与HIF-1α PGE2是一种生物活性脂质物质，由环加氧酶催化花生四烯酸产生，在乳酸代谢、内皮细胞修复、肿瘤免疫及机体炎症过程中均发挥重要作用，同时具有免疫抑制和抗炎作用。HIF-1α本身能促进干细胞和祖细胞归巢和植入，而PGE2增强趋化受体因子4(Cys-X-CysR4，CXCR4)的表达促进干细胞归巢[22]。Kwak等[23]发现，在小鼠哮喘模型中，用CoCl2预处理移植的间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)可比天然MSCs更能抑制肺部炎症。人类脐带血MSCs通过ERK-HIF-1α-micro146a信号通路促进PGE2等抗炎介质和抑炎细胞因子(如TNF-α和IFN-γ)表达。以上结果提示，CoCl2通过调控PGE2表达发挥抗炎作用，具体机制有待深入研究。

4.2PAF与HIF-1α 血小板活化因子(platelet activating factor，PAF)是一种多效内源性磷脂，可扩张血管，增加血管通透性，促进白细胞黏附内皮细胞和吞噬细胞的活化，参与细胞增殖、迁移、新生血管生成、炎症和癌症等诸多反应。血小板活化因子乙酰水解酶β(platelet-activating factor acetylhydrolase，PAFAH1B2)是PAF的主要降解酶，对PAF的代谢起重要调节作用。缺氧可促进HIF-1α与PAFAH1B2启动子区结合，诱导PAFAH1B2转录，导致PAFAH1B2过表达而诱导上皮间充质转移，体内外迁移和侵袭，进而导致肿瘤组织的扩散[24]。在PAF受体障碍所造成的组织损伤研究中发现，活化PAF受体可保护肿瘤细胞免受辐射杀伤影响，辐射产生PAF配体，而辐射PAF配体可诱导肿瘤细胞产生PAF样脂质和PGE2保护细胞免受辐射诱导的凋亡，PAF受体拮抗剂的应用能抑制PGE2保护作用，增加放疗对肿瘤细胞的杀伤效果[25]。此类治疗方法是否能应用于炎症的治疗仍需进一步研究。

4.3IFN-γ与HIF-1α IFN-γ是HIF-1α依赖的炎症反应的重要调节因子，由活化的T细胞、NK细胞和NKT细胞产生。感染过程中，HIF-1α调控了几乎IFN-γ一半的诱导基因表达，使巨噬细胞从无氧糖酵解转变为有氧糖酵解，增强巨噬细胞活性，从而抑制炎症的发生[26]。结核分枝杆菌感染巨噬细胞后，通过IFN-γ/HIF-1α/Hig 2信号通路介导脂滴累积，最终导致炎症及组织损伤[27]。在IFN-γ处理的T84肠上皮细胞研究中发现，IFN-γ通过NF-κB通路上调HIF-1α表达，诱导上皮屏障功能丧失，并抑制紧密连接蛋白表达，从而易感肠道炎症性疾病[28]。这与Xue等[4]的研究相反，进一步说明HIF-1α的激活或表达水平的变化，在炎症性疾病中的不同阶段具有不同的作用。

4.4其他炎症介质与HIF-1α VEGF是一种可通过旁分泌方式作用于血管内皮细胞的血管新生因子,既可促进血管内皮细胞增殖、迁移和血管生长，也可促进淋巴管内皮细胞增殖和淋巴管增生。近年来在炎症、肿瘤及耐氧方面均发现，VEGF与HIF-1α协同作用，促进炎症及肿瘤发展。HIF-1α被认为是VEGF-A的关键调控因子。Toll样受体(Toll-like receptors,TLR)参与天然免疫，是连接非特异性免疫与特异性免疫的桥梁，此过程中炎症性树突状细胞还需要三种转录因子(即HIF-1α、STAT3和CREB)的共同支持才能诱导VEGF-A转录，进而促进炎症[29]。正常氧浓度下，线粒体通过NADPH氧化酶(O2→O2-)途径可生成活性氧(reactive oxygen species,ROS)，诱导HIF-1α降解抑制炎症进程。缺氧条件下线粒体通过cyt c1→O2-→H2O2产生ROS促使HIF-1α稳定表达，导致炎症迁延不愈。而在高氧条件下ROS诱导TNF-α和HIF-1α的表达显著增加，促进炎症反应[30]。

5 以HIF-1α为靶点的抗炎药物

目前，HIF-1α已被确认为治疗多种炎症性疾病的有效靶点。以HIF-1α为靶点的抗炎药物大致分为3类：①中药抗生素；②植物及植物相关提取物；③HIF抑制剂。如枸杞多糖、丹参酮等植物提取物均可通过特异性抑制NF-κB和HIF-1α通路抑制炎症反应和细胞凋亡。青藤碱是具有抗炎功效的中药抗生素，能通过与转铁蛋白结合非特异性上调HIF-1α水平，诱导新生血管生成而缓解炎症。红景天提取物和红景天苷激活mTOR通路，刺激旁分泌，抑制PHD3，稳定骨骼肌中HIF-1α蛋白，促进血管新生[31]，起抗氧化作用。而在肿瘤及炎症组织中，下调HIF-1α/HIF-2α的表达可减少血管生成。调节肽(Apelin)是G蛋白偶联受体APJ的内源性配体，与肿瘤和炎症发生紧密相关。研究表明，缺氧时Apelin和APJ通过HIF-1α信号通路增加其表达，从而促进细胞增殖、迁移和存活，调节血管生成，在一定程度上改善心肌及肾脏损伤[32]。植物型药剂大黄素可通过特异性阻断HIF-1α/NF-COX-2信号通路抑制炎症[33]。

HIF抑制剂主要有2类：一类是影响HIF分子表达或功能的直接HIF抑制剂，另一类是调节上游mTOR通路中其他分子的间接HIF抑制剂，如雷帕霉素及其酯化物CCI-779等[34]。吖啶黄素可通过多种给药方式靶向降低HIF-1和HIF-2的转录活性，导致剂量依赖性抑制视网膜血管新生。另外，吖啶黄素可调节多种血管活性蛋白，为其他血管相关性疾病提供了治疗手段[35]。HIF-1α在前列腺肿瘤中表达水平升高，加大了肿瘤转移的风险，而非特异性HIF-1α抑制剂(地高辛、二甲双胍和血管紧张素-2受体阻滞剂等)能够降低持续雄激素阻断治疗患者发生前列腺癌耐药和转移的风险[36]。目前HIF抑制剂作为单一药物或与其他药物联合使用用于治疗晚期或难治性癌症的疗效并未得到广泛认可，但大量研究表明，HIF-1α抑制剂的使用在抗肿瘤、免疫排斥反应、炎症性疾病治疗中均发挥积极作用。

6 总结与展望

综上所述，HIF-1α通过影响糖酵解代谢、炎症相关靶基因表达和与PGE2、INF-γ、PAF、VEGF等致炎因子相互作用参与炎症反应。另外，T细胞和B细胞等免疫细胞均通过HIF-1α信号通路参与炎症发展。与此同时，HIF-1α在炎症反应中的作用具有相反的报道，即促进或抑制炎症，这可能与炎症的进程有关，需要进一步研究。总之，HIF-1α是炎症发生发展的核心因子之一，以HIF-1α为靶点的药物开发迫在眉睫，HIF-1α抑制剂及免疫抑制剂的开发将是对炎症治疗的一项有效举措。