缺氧诱导因子-1α在血管性痴呆发病机制中的研究进展

张子良，黄 樱

（1. 赣南医学院2018级硕士研究生；2. 赣南医学院第一附属医院神经内科，江西 赣州 341000）

血管性痴呆（Vascular dementia，VD）主要是由慢性脑区低灌注损伤引起的一种获得性大脑智能及其他认知系统功能障碍的神经退行性疾病［1］，主要引起学习、记忆、执行力及视觉和空间等多方面的认知功能损害，甚至可能出现精神情感、人格障碍［2］。VD 发病率约占所有痴呆症患者的17%～20%，是第二大痴呆症［3］。近年来，随着科学的发展，VD 的病因、病理机制的研究也更加的深入，并且在指导临床实践中取得了一定的成效［4］。在VD的众多临床病理发病机制中，慢性脑区低灌注性损伤一直占据极其重要的地位［5］。在慢性脑区低灌注损伤导致VD 的分子生物学机制中都强调了脑细胞氧化应激和兴奋毒性反应与神经血管损伤的重要作用［6］。将这些机制作为减轻或预防VD 的策略及干预靶点，具有潜在的可行性和重要价值。

近年来研究发现，缺氧诱导因子-1α（Hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）具有保护神经元细胞的作用。当神经元细胞受到损伤时，其可以通过诱导驱动多种关键靶基因如：血管神经内皮生长因子（Vascular endothelial growth factor，VEGF）和红细胞刺激因子（Erythropoietin，EPO）等的表达从而减少神经元死亡。HIF-1α 还可以促进糖酵解和葡萄糖代谢，增加NADH/NADPH 的还原反应，减轻氧化应激引起的损伤［7］。有研究表明，HIF-1α 及其靶基因参与糖酵解或血管生成的原因可能是一种机体对氧化应激的适应性反馈［8］。此种反馈对神经元具有一定的保护作用，能缓解认知功能下降，阻止VD 的发病进程。因此，本文主要从HIF-1α 的结构特征、氧代谢的调节及其在血管性痴呆病理机制中的作用予以综述。

1 HIF-1α的结构特征

HIF-1 属于PAS（PER-ARNT-SIM）蛋白转录家族，是一种异源二聚体核蛋白。主要由α亚基和β亚基两个亚单位组成，每种亚基各自具有3种亚型，即HIF-1α、HIF-2α、HIF-3α、HIF-1β、HIF-2β、HIF-3β［9］。其中，α亚基分子量为120 KD，β亚基分子量为95 KD［10］。α 亚基主要在细胞质内表达，为HIF-1 所特有，不仅是HIF-1 的调节亚基，也是活性亚基，其转录活性及蛋白稳定性均受细胞内氧浓度的调节。β 亚基结构与芳香烃受体核转位蛋白（Aryl hydrocarbon recep-tor nuclear translocator，ARNT）相同，主要在细胞核内表达。HIF-1α的氨基端包含有碱性的螺旋-环-螺旋构型（Basic helix-loop-helix，bHLH）和PAS 结构域，是形成异源二聚体并与DNA 序列低氧反应元件（Hypoxia-responseelement，HRE）结合所必须的结构；羧基端为一个富含脯氨酸-丝氨酸-苏氨酸的氧依赖降解结构域（Oxygen-dependent degradationdo-main，ODDD）和反式激活结构域（Transactivationdo-main，TAD）即TAD-C，N 末端含有TAD-N。其中，TAD-C 和TAD-N 与HIF-1α 的氧调节稳定性和转录活性有关，ODDD 则与泛素酶连接系统有关［11］。有研究认为，这些结构域对于HIF-1 的稳定、核转位和转录激活有着重要的作用［12］。HIF-1α 是研究较多的蛋白分子，其基因定位于人的第14 号染色体q21-24 区，由826 个氨基酸组成，是缺氧时表达相对较多的蛋白。HIF-2α 被称为细胞内皮PAS 结构域蛋白-1（Endothelial PAS domain protein 1，EPAS-1），与HIF-1α有48%的氨基酸分子序列同源性，在分子结构及细胞生物化学特性上有许多相似之处，其主要作用已被广泛用于研究，在缺氧细胞中的主要作用几乎不可替代［13］。然而，与缺氧时普遍表达的HIF-1α 蛋白不同，HIF-2α 在肺、血管内皮和颈部主动脉小体中高度表达。近年来研究发现，HIF-3α 主要是与HIF-1β结合形成稳定的二聚体，并与缺氧反应元件结合。HIF-3α 在细胞中的作用机制及生物学功能方面的研究较少，有待于进一步发掘。

2 HIF-1α的生物学特性及调节机制

在常氧条件下，脯氨酸羟化酶（Prolyl hydroxy-lase domain enzyme，PHD）极易对HIF-1α 进行羟化修饰［14］。首先，HIF-1α 的ODDD 与VHL 蛋白（Von-hippel-lindau，VHL）相互作用并发生结合，从而直接激活泛素蛋白连接酶系统，导致HIF-1α蛋白的降解［15］。缺氧时，PHD 活性被抑制，VHL 蛋白不能识别并结合HIF-1α 的ODDD 结构域，HIF-1α 表达增加。HIF-1α 移位到细胞核与HIF-1β 结合而形成不易被化学降解的二聚体，同时与HRE 的序列相互结合，反式激活缺氧反应基因，以达到使细胞存活的目的［16］。另一方面，抑制细胞缺氧的诱导因子-1（Factor inhibiting HIF-1，FIH）通过直接调节HIF-1，使HIF-1 的C-末端结构域羟化而受到抑制，并且与p300/CREB 结合蛋白复合物结合，从而允许HIF-1在缺氧时反式激活［17］。

氧是有氧细胞能量代谢的重要物质，而大多数合成代谢过程、信号传导通路和酶促反应都需要三磷酸腺苷（Adenosine triphosphate，ATP）的参与［18］。缺氧时，可以通过激活AMP 的蛋白激酶途径，从而增强三羧酸循环［19］。然而，此种应激性反应是暂时的。研究发现，HIF-1 是缺氧的主要调节因子，特别是在慢性缺氧时的动态平衡反应中发挥着重要作用［20］。HIF-1 通过调节靶基因的表达来适应缺氧引起的氧化应激损伤，其主要机制可能是允许细胞通过调节糖酵解而不是氧化代谢来降低耗氧量，并通过减少细胞分裂等细胞发育过程的能量需求来适应生存［21-22］。与此同时，HIF-1α还可增加乳酸脱氢酶A 和单羧酸转运蛋白4（Monocarboxylate transporters 4，MCT4）的表达，加快乳酸运输改善缺氧引起的代谢障碍，从而达到保护细胞的作用［23］。近来研究已证实Krebs 循环和氧化磷酸化可以被HIF-1α 抑制，因为该因子可上调丙酮酸脱氢酶激酶-1，催化丙酮酸转化为乙酰辅酶A［24］。研究还发现，在低氧条件下，HIF-1可通过上调细胞色素C氧化酶和线粒体蛋白酶LONP1的过表达，减少缺氧条件下线粒体ROS的产生［25］。有的研究也认为，通过增加HIF-1 及其靶基因VEGF 的表达，可以抑制核周线粒体的聚集从而减少ROS的产生，达到保护细胞的目的［26］。

3 HIF-1α 及其在血管性痴呆病理机制中的调控

3.1 HIF-1α与血管性痴呆在VD早期，细胞为了应对缺氧，HIF-1α 高度表达，调节靶基因的转录，促进红细胞生成和血管生成等过程，改善缺血缺氧状态［27］。HIF-1α 不仅在调节氧稳态方面发挥着重要作用，而且在神经元保护中的作用同样重要。LOPEZ-HERNANDEZ 等［28］的体外研究表明，在长达24 h 的3% O2缺氧条件下，抑制HIF-1α 的siRNA 表达加重了大鼠皮层神经元的死亡。BARANOVA等［29］研究发现，神经元特异性地敲除HIF-1α导致短暂局灶性脑缺血后脑组织损伤的增加，间接证实了VD 早期病理中HIF-1α 的重要作用。YANG 等［30］的研究也发现，在慢性脑灌注不足期间，HIF-1α 表达持续增加，这在痴呆症的发生中有着重要意义。由此可见，HIF-1α 在VD 早期的病理机制中有着重要作用，需要进一步挖掘。

3.2 氧化应激促进HIF-1α 的表达，参与血管性痴呆氧化应激普遍存在于VD 的早期发病机制中，是导致神经元死亡及认知功能障碍的重要原因［31-32］。研究发现，大脑对缺氧和氧化应激特别敏感，主要是由正常功能神经元的高代谢需求所致。在大脑重要的神经元活动中，如神经元信息的传递和细胞稳态的平衡都取决于持续的氧和葡萄糖供应［33］。缺氧引起的氧化应激干扰了正常的能量代谢，由于葡萄糖-6-磷酸脱氢酶活性增加，相应的上调了HIF-1α的表达，以达到保护神经元的目的。值得注意的是，氧化应激引发的这种氧化导致神经元死亡和认知能力下降的同时，介导的活性氧也可能稳定HIF-1α 活性［34］。CHANDEL 等［35］的研究证实，HIF-1 可由自由基诱导，尤其是活性氧。通过对HIF-1α 上游调节通路的分析表明，线粒体作为一种氧水平的传感机制，在缺氧时产生的活性氧，可以稳定HIF-1α 的活性。OLSON 等［36］的研究进一步说明，活性氧通过稳定HIF-1α的活性来达到对抗氧化应激导致的神经元细胞死亡。另外，HIF-1α 在慢性脑低灌注损伤过程中，保护大脑免受氧化应激和炎症反应损害。在慢性脑低灌注期间积累的HIF-1α介导内源性适应过程，以抵御更严重的脑低灌注损伤［37］。WANG 等［38］在大鼠建立大脑中动脉梗死模型中发现，抑制miR-155-5p 表达的神经干细胞移植将直接靶向调控HIF-1α 的表达，抑制炎症和氧化应激作用。氧化应激损伤使大脑保护机制激活，HIF-1α的表达增加可能激活了Nrf2/ARE信号通路，增加了Nrf2（通过降低Keap1 水平）、血红素加氧酶1（HO-1）和一氧化氮合酶1（NOS1）的表达，这对氧化应激的损伤提供了进一步的保护［39］。YADAV等［40］在白藜芦醇固体脂质纳米粒激活Nrf2/HO-1 途径减轻血管性痴呆线粒体氧化应激的研究中发现，Nrf2 和HO-1 的水平显著升高，负反馈的使HIF-1 表达减少，间接说明了氧化应激促进HIF-1α 的表达，激活Nrf2 信号通路保护神经元。然而，HIF-1α 通过何种信号通路保护神经元，参与VD 的具体发病机制仍有待于进一步的研究。

3.3 HIF-1α 通过调节血管新生，参与血管性痴呆HIF-1α可能通过调节靶基因VEGF的表达促进血管新生，参与血管性痴呆的早期病理过程。研究表明，抑制HIF-1α 活性使靶基因VEGF 表达下调，小鼠的记忆和神经元活性显著降低［41］。ADAMCIO等［42］在服用促红细胞生成素后或在用PHD 抑制剂治疗后，可以增加HIF-1的活性并导致VEGF的表达增加，小鼠的海马记忆也得到增强。这些研究强调了HIF-1在认知功能和记忆中的作用，提示HIF-1是VD治疗可能的潜在靶点［43］。

此外，研究还发现，HIF-1α和VEGF增加局灶性脑缺血后激活的内源性神经干细胞的可塑性［44］。HAN W、PAN ZG 等［45-46］研究也发现，HIF-1α 可通过干预其靶基因VEGF 的表达调节脑损伤后的神经发生和神经血管单位的恢复。在一项针对鼠中脑源性神经前体细胞（Murine midbrain-derived neural precursor cells，mNPCs）的研究中发现，敲除HIF-1α基因的mNPCs 在3% O2处理2 周后显示，中脑中神经元的存活和增殖出现特定的损伤［47］。同时，血管内皮细胞生长因子mRNA 在HIF-1α 敲除的mNPCs中的表达降低，VEGF 治疗HIF-1α 敲除的mNPCs 可部分恢复中脑神经元的增殖，HIF-1α 的增殖效应可能与VEGF的上调有关。由此可见，HIF-1通过调控靶基因VEGF 的表达，促进大脑血管的生成和神经发生，在VD早期发病机制中具有重要意义。

4 展 望

综上所述，VD 的早期发病机制中，HIF-1α 通过调节靶基因VEGF 的表达促进血管新生，以保护神经元，参与血管性痴呆。此外，氧化应激损伤使HIF-1α 表达上调，可能激活Nrf2/ARE 信号通路，使Nrf2、HO-1 和NOS1 表达增加，这为氧化应激导致的神经元损伤提供了进一步的保护。然而，HIF-1α 在VD 早期的病理机制中的作用是复杂的，特别是在涉及到的氧化应激与炎症反应的信号通路中的作用，以及在脑细胞能量代谢中的具体机制尚未研究透彻。靶向调节HIF-1α可能是延缓VD早期认知功能减退的治疗策略。相信在不久的将来VD 的防治不再是问题，减少VD发病将成为现实。