HIF-1介导的自噬在心脏疾病中的研究进展

张刘杰，李 静，吴 博*

(1.哈尔滨医科大学 基础医学院 病理生理学教研室,黑龙江 哈尔滨 150086；2.哈尔滨医科大学附属第二医院 老年病科，黑龙江 哈尔滨 150081)

心血管疾病(cardiovascular disease)严重威胁人类健康，当今中国心血管疾病发病率快速增加，且往往导致猝死或心力衰竭。自噬与心脏疾病关系密切，适度自噬对缺血心肌具有保护作用，而自噬过强则参与缺血再灌注损伤的发生[1]。缺血缺氧状态下，心肌自噬的调控机制尚不清楚。低氧诱导因子1(hypoxia-inducible factor 1，HIF-1)参与心肌自噬调控[2]。HIF-1作为机体重要的转录因子，通过调控靶基因表达维持机体供氧和需氧平衡，保持所有细胞的氧稳态[3]。本文简要综述在心脏疾病中有关HIF-1对自噬的调节作用。

1 HIF-1概述

HIF是由α亚基(HIF-α)和β亚基(HIF-β)构成的异源二聚体，包括HIF-1α、HIF-2α和HIF-3α 3种亚型，其中对于HIF-1α的研究最清楚[3]。HIF-1α是HIF-1的功能亚基，其蛋白表达受机体氧含量的精确调节，它决定HIF-1的转录活性[3]。

HIF-1蛋白水平的高低决定于细胞所处环境的氧含量。生理状态下，HIF-1α蛋白水平极低[4]。但在低氧状态下，由于羟化过程受到抑制，HIF-1α无法降解，HIF-1α快速积累于胞质内，通过募集其他相关辅助蛋白形成复合体后，HIF-1α最终转入细胞核，与靶基因DNA的低氧反应元件(hypoxia res-ponse element,HRE)相结合，完成对靶基因转录的激活[4]。

HIF-1下游靶基因众多，包括编码调控红细胞增值的促红细胞生成素(erythropoietin，EPO)和编码调控血管生成的血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)，两者均与心血管系统功能密切相关[4]。

2 自噬及其调节

自噬是一种进化过程中高度保守的生物现象，是细胞清除受损大分子和细胞器的主要途径。自噬包括3种类型，即巨自噬(macroautophagy)、微自噬(microautophagy)和分子伴侣介导自噬(chaperone-mediated autophagy)[5]。自噬通过清除被降解蛋白质等大分子物质，不但调节机体基础代谢，而且与心血管疾病、神经退行性病变、肿瘤、衰老和糖尿病等密切相关[5]。自噬对机体发挥保护或损伤作用，取决于自噬发生程度及细胞所处的特定条件[5]。自噬的发生受营养缺乏、氧化应激及线粒体功能异常等诸多因素调节[5]。

自噬的调节主要依赖于哺乳动物雷帕霉素靶蛋白mTOR (mammalian target of rapamycin)途径，mTOR属于磷酸肌醇激酶3相关激酶家族，是PI3K/Akt的下游底物，是机体整合营养状况与细胞增殖的主要调节信号。营养缺乏等刺激因素通过调节PI3K/AKT/mTOR 通路，募集自噬相关基因(autophagy associated gene,ATG)家族蛋白完成自噬泡的形成[6]。细胞饥饿时ATP/AMP 比值的变化通过激活5-AMP-activated protein kinase(AMPK)抑制mTOR，继而影响自噬[7]。通过ATG家族蛋白的作用，自噬泡延伸形成自噬小体，最终与溶酶体融合，降解目标内容物[7]。

3 HIF-1介导的自噬与心脏疾病

3.1 自噬与心脏疾病

心肌自噬水平与心血管疾病的发生发展密切相关。缺血-再灌注(ischemia-reperfusion，I/R)损伤是研究自噬对缺血性心脏病影响的重要模型。在小鼠I/R损伤模型中，缺血通过AMPK/mTOR途径激活自噬，增强的自噬在缺血过程中发挥保护作用；再灌注过程中自噬由Beclin1调控，且不依赖于AMPK，再灌注时过度的自噬导致细胞损伤[1，8-9]。同样，在I/R损伤模型中，丝裂原活化蛋白激酶磷酸酶(DUSP1)通过下调再灌注自噬水平保护心肌，与野生型小鼠相比，DUSP1转基因小鼠心肌损伤较轻，DUSP1在I/R损伤过程中通过JNK通路抑制BNIP3磷酸化水平和线粒体自噬[10]。在缺血后适应过程中，天然化合物小檗胺(berbamine)通过激活PI3K/AKT信号通路下调再灌注早期心肌细胞自噬水平，改善I/R损伤后的心脏功能[11]。此外，冲击波治疗通过AMPK/mTOR 通路增强低氧状态下大鼠心肌细胞系H9c2自噬，发挥细胞保护作用[12]。综上所述，心肌自噬水平与心肌损伤程度关系密切，适度增加缺血心肌自噬，降低再灌注心肌自噬，是缺血性心脏病治疗的新方向。

3.2 HIF-1调节自噬的机制

HIF-1下游靶基因BNIP3参与心血管系统中HIF-1对自噬的调节[13]。Bcl-2/adenovirus E1B 19-kDa interacting protein 3(BNIP3)是Bcl-2家族成员，它主要存在于线粒体外膜，其N末端位于胞质侧，C末端位于线粒体内，是低氧心肌细胞中明显上调的基因之一[14]。BNIP3基因启动区包含低氧反应元件HRE，故低氧状态下BNIP3蛋白表达受HIF-1调控。低氧状态下HIF-1上调诱导BNIP3蛋白表达增加，BNIP3破坏Bcl-2/Bcl-XL和Beclin1之间的结合，导致Beclin1大量释放，继而诱发自噬[15]。BNIP3可通过促进自噬小体形成而提高自噬[16]。

3.3 HIF-1介导的自噬与心脏病和慢性缺氧的关系

3.3.1 HIF-1介导的自噬与缺血性心脏病：HIF-1参与调节缺血心肌自噬。在大鼠冠状动脉结扎复制的I/R损伤模型中，I/R诱导HIF-1α和下游靶基因BNIP3蛋白水平升高，伴有自噬标志蛋白水平升高[2，17]。在无氧与无糖培养的类心肌细胞H9c2中，利用siRNA敲减HIF-1α或BNIP3蛋白水平导致自噬水平降低，相反，过表达HIF-1α或BNIP3能够提高自噬[2，7]。提示在缺血缺氧的过程中，上调的HIF-1蛋白及靶基因表达产物BNIP3蛋白可促进心肌自噬。

缺血缺氧状态下机体内源性调节因素的变化可以通过HIF-1影响心肌自噬。有关降脂药前蛋白转化酶枯草溶菌素9型(proprotein convertase subtilisin/kexin type 9，PCSK9)的研究表明，在小鼠心肌缺血时，内源性PCSK9表达增高并伴有自噬增强，而利用siRNA敲减心肌细胞HIF-1α蛋白导致缺氧状态下PCSK9表达减少及自噬水平降低，说明PCSK9对缺血心肌自噬的调节与HIF-1相关[18]。一项有关雌激素对心血管保护作用的研究显示，过表达雌激素受体(ERβ)的H9c2细胞经过缺氧处理后，HIF-1α、BNIP3和LC3-Ⅱ蛋白表达均减少，伴有凋亡降低，说明ERβ对缺氧心肌的保护作用与其影响HIF-1α及自噬有关[19]。

药物可以通过调节HIF-1蛋白水平，干预缺血心肌自噬程度。中药三七总皂苷上调HIF-1α、BNIP3和自噬标志蛋白的表达，该药物通过上调HIF-1α介导自噬增强，从而发挥心肌保护作用[20]。缺血后适应能够改善I/R时心肌损伤程度，而在缺血后适应过程中麻醉药七氟醚的应用，能够进一步减轻心肌损伤，七氟醚的心肌保护作用与其上调HIF-1α引发自噬增强有关[21]。

上述研究证明，缺血或缺氧时心肌自噬程度的增强与HIF-1α及其靶基因表达产物BNIP3蛋白上调密切相关。

3.3.2 HIF-1介导的自噬与心力衰竭和慢性缺氧：有关HIF-1α与压力负荷过度所致心力衰竭关系的研究显示，缺乏HIF-1α可加速心力衰竭进展。条件性敲除心肌细胞HIF-1α，一方面导致HIF-1α靶基因VEGF表达减少，另一方面引起自噬水平过低，上述两方面原因加速代偿肥大的心肌组织的缺血进程[4]。相反，热休克转录因子1通过上调HIF-1α蛋白表达，增强心肌自噬水平，延缓心力衰竭进展[22]。

低氧(10% O2)提高心肌HIF-1α和Beclin-1蛋白表达，增强的自噬抑制心肌凋亡；而高氧(30% O2)条件下自噬程度降低，导致心肌损伤增重[23]。孕期生活于海拔3 000 m高原的孕羊，回到平原地区分娩幼仔，乳羊心脏HIF-1α、LC3B-Ⅱ蛋白水平和 LC3B-Ⅱ/LC3B-I比值均升高[24]。综上，在慢性低氧导致的心肌损害中，HIF-1α蛋白水平的增高引起心肌自噬增强。

综上所述，自噬与心脏疾病关系密切，缺血低氧时转录因子HIF-1α的上调促进心肌自噬，HIF-1α靶基因表达产物BNIP3蛋白参与此调节过程。

4 问题与展望

自噬与心脏疾病紧密关联。现有研究表明，HIF-1调节心血管系统细胞自噬，HIF-1靶基因表达产物BNIP3蛋白参与此调节过程。除HIF-1外，其他因素如转录因子FoxO3a同样上调BNIP3蛋白表达和自噬水平，所以心肌自噬过程中BNIP3蛋白表达的变化是否仅与HIF-1有关，尚不明确。HIF-1靶基因表达产物BNIP3调节自噬的机制也不清楚。进一步研究，有助于揭示HIF-1对心肌自噬的调控机制，为心脏疾病的防治提供新思路。