缺氧诱导因子-1α和幽门螺杆菌在胃癌中的研究进展△

李文茜，王学红，朱思雨，刘曙

1青海大学研究生院，西宁 810016

2青海大学附属医院消化内科，西宁 810000

胃癌是一种起源于胃黏膜上皮细胞的恶性肿瘤，其恶性程度高、异质性强、预后较差[1]，发病率和病死率在恶性肿瘤中均居前列，对人类的健康和生命安全产生巨大的威胁[2]。肿瘤快速和不受控制的增殖限制了氧气的供应，因此血液供应不足或缺氧是几乎所有实体瘤的典型微环境特征[3-4]。研究报道证明，缺氧在肿瘤形成过程中具有重要作用[5]。缺氧产生瘤内氧梯度，有助于肿瘤的可塑性和异质性，并促进更具侵袭性和转移性的表型[6]，在这个过程中，一个关键的标志就是缺氧诱导因子-1α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）的表达增加，HIF-1α在因缺氧而触发的细胞机制中发挥着核心作用，是目前发现的唯一一个在缺氧状态下可以发挥活性的核转录因子，是专一调节氧稳态的关键性介质[7]。幽门螺杆菌（Helicobacter pylori，Hp）是一种革兰阴性微需氧细菌[8]，与胃炎、消化性溃疡和胃癌等多种胃病的发展有关[8]，Hp也被世界卫生组织（WHO）列为胃癌的最高警示级别的Ⅰ类致癌物。本综述简要总结了Hp感染与HIF-1α之间的相关性，以及两者的相互作用对胃癌产生所起的关键作用，为进一步研究提供帮助。

1 Hp与胃癌

Hp感染被广泛认为会增加患胃癌的风险，其可以独特地在恶劣的胃环境中存在数十年，会破坏胃黏膜并改变胃激素释放模式，从而影响胃生理[9-10]。Hp通过利用各种毒力因子，靶向不同的细胞蛋白来调节宿主的炎症反应，同样会改变胃微生物群的组成[11]和许多信号通路，导致了有利于细胞增殖和凋亡的矛盾反应，这些改变可能会增加患胃癌的风险，并且是造成大约90%的肠型胃癌的原因[12]。WHO在1994年根据观察性研究将Hp归类为胃癌Ⅰ类致癌物[13]。2000年，一项研究显示了Hp治疗对蒙古沙鼠胃癌的预防作用，根除Hp的沙鼠再患残胃癌的概率大大降低[14]。在大多数国家，Hp的患病率仍然很高，在北欧和北美，约1/3的成年人有Hp感染，而在南欧和东欧、南美和亚洲，Hp的患病率通常高于50%[15]。在Hp感染检测结果呈阳性的患者中，与不进行治疗相比，加用Hp根除治疗可降低十二指肠溃疡或胃溃疡的发病率。卢光荣等[16]的研究结果表明，轻、中度胃黏膜肠上皮化生（intestinal metaplasia，IM）患者根除Hp后IM程度较未根除Hp患者轻。Choi等[17]研究证实，接受过Hp根除的早期胃癌患者的异时性胃癌发生率较低，证明如果发现Hp感染，应及时进行根除。研究表明，Hp能够通过细菌毒力因素、宿主因素和环境因素之间的复杂作用对胃黏膜细胞形成致癌影响，但该过程所涉及的确切机制仍不清楚。HIF-1α存在于所有细胞中，其在肿瘤领域的研究较为成熟。也有研究表明，胃上皮Hp感染通过介导HIF-1α的稳定性，诱导细胞增殖，抑制细胞凋亡，并最终有胃上皮的致癌作用[18]。

2 HIF-1α与胃癌

2.1 HIF-1α的基本结构和功能

Semenza和Wang[19]于1992年发现HIF-1，HIF-1是一种异二聚体，由PAS家族的两个基本螺旋-环-螺旋蛋白组成：一个氧敏感的α亚基和一个组成型表达的β亚基，是可介导病理性和生理性低氧性反应的关键性转录因子[20]，其靶基因涉及众多病理生理机制[21]。唯一决定HIF-1活性的氧调节亚基是HIF-1α。脯氨酸羟化酶（prolyl hydroxylase，PHD）是在哺乳动物中发现的HIF保存的羟化酶，具有3种亚型：PHD1、PHD2和PHD3，作为HIF-1α氧传感器的调节剂参与HIF-1α的降解。

在常氧时，亚基中的保守脯氨酸残基通过氧气依赖性PHDS羟基化，α亚基水平受到泛素依赖性蛋白酶体的调节，很快通过蛋白酶降解[6]，因此几乎检测不到其表达[22]；而低氧时，HIF-1α可避免被PHD羟基化，其α亚基的降解被阻断，而被强烈诱导表达[23]，并与HIF-1β结合形成有活性的HIF-1，从而启动50多种下游基因，如环氧化酶-2（cyclooxygenase-2，COX-2）、促红细胞生成素（erythropoietin，EPO）、p53、血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）等的转录，使血管生成增多，细胞无氧代谢增加，使得肿瘤细胞在缺氧环境下可以继续存活和增殖[24]。

2.2 HIF-1α与胃癌的关系

HIF-1α参与了多种疾病的发生与发展，包括对肿瘤缺氧基因表达的调节和参与缺氧相关的信号通路。张国福[25]对肝细胞肝癌（hepatocellular carcinoma，HCC）患者手术前后血清中HIF-1α进行对比，发现肝动脉栓塞术（transcatheter arterial embolization，TAE）治疗后的HCC患者短期预后可通过血清HIF-1α的表达来评估，术后患者血清HIF-1α水平会增高，而升高较少的患者有较理想的肿瘤缓解状况。在胃癌这种缺氧环境下，HIF-1α的表达增加会促进肿瘤血管生成[26]、调节下游转录因子并作为激活剂促进miRNA-421在胃癌细胞中高表达，从而抑制细胞凋亡[27]。高国安和高超[28]研究发现，HIF-1α蛋白在胃癌组织中的阳性率高于癌旁组织，且HIF-1α的表达与患者的临床特征相关，高表达HIF-1α的胃癌患者预后不良。

有研究表明，Hp感染可以从多方面诱导HIF-1α的表达增加，而高表达的HIF-1α也会增强Hp的感染力[29]。HIF-1α在感染Hp期间的宿主防御系统中参与增强caspase 1活化和白细胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）释放，以进一步加强Hp的感染力，这在胃癌发生发展中尤为重要，在降低胃癌发病率、残胃癌复发率和延长肿瘤患者生存期方面均可提供指导和帮助。本文从几个方面叙述Hp如何诱导HIF-1α的表达。

3 Hp和HIF-1α的相互作用

3.1 Hp对HIF-1α的影响

缺氧会导致PHD活性下降，降解减少，从而导致HIF-1α蛋白增加，促进与多种细胞反应相关的基因表达，包括糖酵解代谢增加、血管生成、细胞存活和上皮-间充质转化，这些都对肿瘤进展很重要[30]，因此，HIF-1α的激活被认为是胃癌进展的关键步骤。大多数人感染Hp都没有明显的临床症状，但均显示慢性炎症，由于免疫细胞在炎症部位浸润过程中对氧气的需求增加，导致各种表现出炎症的组织会出现局部缺氧[31]。有研究表明，Hp感染期间会使组织缺氧，并促进HIF-1α的激活。张艳杰和李彦冬[32]通过对胃癌手术患者行13C呼气试验，并采用免疫组化法检测HIF-1α表达情况，结果显示，Hp阳性的胃癌患者胃癌组织中HIF-1α呈高表达状态，阴性患者呈低表达状态。Hp感染可以诱导HIF-1α的表达，因此控制Hp可以达到预防及治疗胃癌的目的。

除缺氧外，HIF-1α还可以通过不依赖缺氧的机制诱导，这些机制包括酪氨酸激酶受体和下游磷脂酰肌醇-3-羟激酶（phosphatidylinositol 3-hydroxy kinase，PI3K）/蛋白激酶 B（protein kinase B，PKB，又称AKT）/雷帕霉素靶蛋白（mechanistic target of rapamycin kinase，MTOR）通路的激活，以及活性氧（reactive oxygen species，ROS）的产生。也有研究表明，Hp感染不仅通过信号通路，还可通过尿素酶、毒力因子等的产生来诱导HIF-1α表达[33]。

3.1.1 信号通路 在胃上皮细胞中，Hp感染改变了许多信号通路，导致了有利于增殖和凋亡的相互矛盾的反应。关于与Hp诱导的细胞周期进程相关的信号通路，PI3K/AKT通路受到了相当多的关注[34]。Canales等[35]通过细胞学方法，在Hp感染前后的胃癌细胞系AGS中分别放入PI3K抑制剂、AKT抑制剂和MTOR抑制剂，并用蛋白质印迹法测定HIF-1α的表达量，结果显示，加入PI3K抑制剂后完全消除了对HIF-1α的诱导；而使用AKT抑制剂并不有效，证明Hp感染导致PI3K激活的刺激通过AKT和MTOR的下游激活增加HIF-1α蛋白水平，Hp诱导的PI3K/AKT激活是短暂的，在感染后相对较早发生，并且遵循与HIF-1α诱导相似的动力学[36]。也有研究结果表明，Hp感染的胃细胞促进了对PI3K/MTOR有依赖性的HIF-1α的诱导，使HIF-1α易位至细胞核，发挥其作为转录因子的作用[37]。在感染的情况下，该途径的激活与通过诱导β-连环蛋白/转录因子淋巴样增强因子结合因子（lymphoid enhancer binding factor，LEF）依赖性转录、细胞存活和细胞迁移以及通过MTOR激活增强蛋白质合成有关[38]。

3.1.2 ROS 机体内含氧并且性质活泼的物质被统称为ROS，缺氧伴随着ROS的增加[39]。有研究表明，Hp感染通过Hp本身或NADPH产生过多的ROS[40]，并上调人胃上皮细胞AGS和GES-1中HIF-1α的表达[41]，尤其是胃上皮的Hp感染和ROS介导的HIF-1α稳定被认为可诱导细胞增殖、抑制细胞凋亡并最终有利于胃上皮的癌变。ROS介导HIF-1α的转录和翻译调控，最近的假说表明，ROS通过诱导PI3K/AKT和细胞外信号调节激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）磷酸化在缺氧条件下增加HIF-1α的转录[42]。研究表明，低氧条件导致ROS的产生和HIF-1α的稳定，尤其是线粒体复合物Ⅲ产生的ROS负责在缺氧期间稳定HIF-1α。研究表明，ROS介导PHD抑制和常氧条件下HIF-1α的稳定[43]。ROS和HIF-1α信号转导长期以来被认为与许多疾病的病理学有关，包括肿瘤、炎症性疾病和缺血性损伤。

3.1.3 基因蛋白 Hp感染人体后会产生多种毒力因子，细胞毒素相关蛋白A（cytotoxin associated gene product A，CagA）及空泡细胞A（vacuolating cytotoxin A，VacA）是目前研究最多且致病力较强的两种毒力因子，其与慢性胃炎和胃癌的发生密切相关。高毒性菌株表达致癌蛋白CagA，会使炎症反应加剧，并且在几种动物模型中都与促进肿瘤形成有关。Sirtuins蛋白家族SIRT3（recombinant Sirtuin 3，SIRT3）被称为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+）依赖性脱乙酰酶，线粒体SIRT3通过抑制HIF-1α的表达成为肿瘤抑制因子。CagA+Hp感染还通过下调SIRT3的活性增加HIF-1α的表达，类似于胃上皮细胞的缺氧状态。相反，SIRT3的过表达则抑制了HIF-1α蛋白的稳定性，并减弱了缺氧条件下HIF-1α转录活性的增加[44]。此外，在过表达SIRT3的胃上皮细胞中，CagA+Hp减弱了HIF-1α的稳定性及转录活性，缺乏CagA+的特定菌株无法诱导HIF-1α是因为CagA的缺乏导致脲酶活性降低，这还需要继续研究。总之，这些发现为SIRT3在CagA+Hp介导的胃癌发生中的潜在作用以及通过抑制HIF-1α预防肿瘤的可能靶点提供了有价值的见解。

3.1.4 尿素酶 胃腔的低pH值是细菌生长的主要限制因素，为了克服这一点，Hp表达高水平的尿素酶，这种酶催化尿素水解产生氨，从而缓冲细菌的细胞质和直接环境。Hp尿素酶对感染的重要性已在动物模型中得到证实，表明缺乏该酶的突变菌株无法持续定植于胃黏膜。Valenzuela等[33-34]的研究中采用的CagA突变菌株存在一些导致尿素酶蛋白和活性降低的额外缺陷，这使得该特定菌株无法诱导HIF-1α，表明Hp尿素酶负责胃细胞中的HIF-1α诱导。也有研究表明Hp尿素酶作为配体可以通过胃细胞中的Toll样受体2（Toll-like receptor 2，TLR2）信号转导诱导HIF-1α活化，从而确定了Hp尿素酶的非酶作用[37]。

3.2 HIF-1α对Hp的影响

有研究表明，HIF-1α在Hp介导的胃炎中具有保护作用，Hp感染期间会使组织缺氧，并促进HIF-1α的激活。同样，当缺氧时，HIF-1α的产生也会加强Hp的感染吞噬作用[29]。Abass等[45]的研究假设Hp诱导的炎症小体激活可能受氧气条件的影响，在该研究的小鼠感染模型中，IL-1β的产生也受到HIF-1α抑制剂的影响，表明HIF-1α在感染Hp期间的宿主防御系统中参与增强caspase 1活化和IL-1β释放，以进一步加强Hp的感染力。

在之前的研究中，IL-1β和IL-18的上调在人类免疫细胞和动物模型的胃组织中得到证实，进一步的研究发现缺氧条件下Hp吞噬作用升高可能是NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3（NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3，NLRP3）激活增强的原因，通过激活NLRP3炎症小体产生的IL-1β升高会引发炎症反应，例如中性粒细胞浸润并减少胃酸分泌，从而帮助细菌定植并长期存活[46]。也有实验发现，在感染前用HIF-1α抑制剂处理巨噬细胞可显著降低缺氧条件下巨噬细胞吞噬Hp的速率，其原因可能与HIF-1α介导的细胞信号转导参与Hp吞噬作用上游的触发状态有关[47]，并且还需要进一步的研究来探索Hp感染期间在缺氧条件下增强细胞因子产生和吞噬作用的其他机制。HIF-1α在不同海拔地区的差异性很大，高海拔地区典型的环境表现是低氧和低压，而其正是导致疾病发生的根本原因，低氧环境下，HIF-1α被激活[48]。来自青海省的一份对于Hp的研究表明，果洛地区患者抗Hp抗体阳性表达率显著低于西宁和格尔木地区患者，不同海拔地区胃癌患者抗Hp抗体阳性表达率不同[49]。也有一份来自西藏自治区的研究证明，定居高海拔地区的藏族居民Hp感染阳性率比移居居民高，这可能与高原缺氧居住环境相关[50]。但是Hp的感染率及感染强度是否与HIF-1α相关还需要更多的研究证明。

4 小结与展望

本综述总结了胃癌中Hp和HIF-1α之间的相互作用，Hp感染通过氧气、信号通路、炎症因子、毒力因子、尿素酶和其他如髓细胞白血病因子-1（myeloid cell leukemia-1，Mcl-1）、VEGF和Lon蛋白酶等的表达介导HIF-1α蛋白表达[51]。HIF-1α的增加通过NLRP3炎症小体和IL-1β的激活增强又加强了Hp的感染力。这些研究表明，Hp的缺氧或非缺氧途径激活HIF-1α表达以及缺氧条件下HIF-1α的增加使得Hp更难被根除，这些都可能是加速胃癌发生的主要原因。本文依据近些年来有关胃癌和Hp的研究报道，从Hp和HIF-1α相互影响的角度深入探讨了胃癌发展的分子机制。胃癌虽然是由多因素引起且形态异质的肿瘤，但Hp感染占主要因素，使其成为靶向疗法的靶点，从而可以为制订最佳治疗方案提供借鉴。