HIF-1α在高原缺氧疾病中的分子调控机制研究进展*

孙平安 综述，马晓峰，吴 穹，杨 惠△ 审校

(1.青海大学医学院基础医学部，青海 西宁 810000；2.青海省心脑血管病专科医院，青海 西宁 810000)

伴随社会、经济快速发展前往高原地区的人口不断增多，然而大量久居平原人口无法快速适应缺氧环境，导致近年来高原缺氧疾病频发。通常在高原缺氧条件下，机体为应对低氧胁迫而产生一系列代偿调控，其中低氧诱导因子-1α(HIF-1α)是缺氧诱导调控的关键转录调控因子，介导细胞生长、增殖、迁移、凋亡和自噬等过程，也是机体多种生理调节和病理调控的关键分子。HIF-1α在常氧状态下有表达，但HIF-1α蛋白能快速被细胞内氧依赖性泛素蛋白酶降解途径降解，只在缺氧条件下才能稳定表达。大量研究发现，HIF-1α在高原缺氧性疾病的调控中具有双向作用，通常在急性高原缺氧过程中HIF-1α具有改善缺氧的正向作用；而慢性高原缺氧过程中HIF-1α具有促进疾病发展的负向作用。由于HIF-1α在高原缺氧疾病发展过程中的调控机制十分复杂，因此，本文从HIF-1α的结构功能、生理作用及调控机制等角度进行了综述，以期为后续探讨HIF-1α参与高原缺氧疾病的临床诊治提供基础参考依据。

1 HIF-1α的结构

HIF-1α在人类14号染色体q21～24区，是缺氧信号直接控制的关键因子之一，由826个氨基酸构成。HIF-1α能快速参与缺氧应答反应与其自身组成结构有关。HIF-1α的C末端含有氧依赖降解结构域(ODDD)和反式激活结构域(TAD-C)，以及在有氧条件下能够特异性地定位于细胞核内的核定位信号簇[1]。HIF-1α的N末端含有转录激活所必需的TAD-C可介导α亚基与β亚基结合形成二聚体并与靶基因启动子上的缺氧反应元件结合，发挥激活靶基因的作用，在周期昼夜蛋白-芳基烃受体核转运蛋白-专一蛋白结构域的参与下促进异源蛋白二聚体的形成。HIF-1α的N-端有脯氨酸残基——脯氨酸-402、脯氨酸-564，C-端有天冬氨酸残基——天冬氨酸-803等羟化反应作用位点[2]，为HIF-1α参与生化反应提供了基础的结构位点。

2 HIF-1α的功能

低氧环境在机体发育过程中是普遍存在的，HIF-1α与细胞的生长、增殖密切相关。有研究表明，在大鼠晶状体胚胎发育过程中，HIF-1α高表达于晶状体细胞分裂、增殖旺盛的地方，表明HIF-1α具有促进细胞增殖、生长的功能[3]。并且在人类胚胎发生的初期，HIF-1α调控下游靶基因血管内皮生长因子(VEGF)，控制胚胎血管生成，为胚胎发育提供营养物质和氧气。因此，HIF-1α通过对下游细胞的调控促进新血管的产生和细胞分裂、增殖，进而促进机体的生长、发育。同时，有研究表明，HIF-1α在成骨细胞发育、分化和骨形成的过程中也具有重要作用，HIF-1α可调控成体细胞的迁移，诱导干细胞的成软骨分化影响骨的生成[4]。并且HIF-1α还普遍存在于各种肝纤维化疾病肝组织中，是由于低氧微环境造成的，有研究发现，低氧条件下HIF-1α诱导人肝内胆管上皮细胞的上皮-间质转化，增加细胞迁移[5]。此外，HIF-1α还介导细胞的凋亡和自噬，B淋巴细胞瘤-2基因/腺病毒E1B19kDa相关蛋白3(BNIP3)和NIX是细胞凋亡和自噬的关键调控因子，HIF-1α可上调神经元细胞BNIP3和NIX的表达，增强细胞自噬和减少细胞凋亡，改善神经功能[6]。综上所述，HIF-1α在动物软骨细胞、纤维细胞，以及胚胎的生长、发育中均有较高的表达，主要介导细胞生长、增殖、迁移、自噬和凋亡等过程，与机体的各种生理调节和病理过程密切相关。

3 HIF-1α参与急性高原缺氧的机制

3.1PI3K/Akt/mTOR(磷酸肌醇-3激酶/蛋白激酶B/哺乳动物雷帕霉素蛋白)/HIF-1α信号通路 PI3K/Akt/mTOR信号通路通常主要参与细胞增殖分化、代谢、炎症和保护过程，与促进细胞凋亡、改变组织重塑和转移等过程相关[7-10]。有研究表明，随着缺氧海拔升高及时间延长，PI3K/Akt/mTOR-HIF-1α信号通路逐渐被抑制，此信号通路主要在急性高原缺氧调控中发挥作用[8]。在缺氧条件下，自噬对细胞存活和凋亡具有重要的调节作用，有研究发现，PI3K/Akt/mTOR信号通路涉及调节急进高原的缺氧环境下肠黏膜上皮细胞自噬的调节过程[9]，能减轻肠黏膜损伤，说明此通路是细胞自噬中重要的信号传导通路，能减轻缺氧对机体造成的一些损伤。在急性低压缺氧下，大鼠脑组织中磷酸化蛋白激酶B表达水平显著升高,PI3K/Akt通路的活化可有效对抗急性缺氧性脑损伤[10]。在低氧诱发自噬的过程中PI3K/Akt/mTOR/HIF-1α通路加快细胞周期，抑制细胞的凋亡，对机体特别是脑组织具有一定的保护作用。

3.2HIF-1α/细胞Toll样受体4(TLR4)信号通路 通常TLR4信号通路在启动先天免疫应答中具有重要作用，但TLR4受体信号通路在低氧条件下也十分容易激活。有研究表明，降低大鼠肺泡巨噬细胞HIF-1α水平能增强其TLR4表达抑制炎性反应，对高原肺水肿的发生具有保护作用[11]。此外，TLR4在肠道先天性免疫中发挥重要作用，能识别肠道病原体。所以，在急进高原缺氧环境下在肠黏膜缺氧的早期阶段机体产生应激反应，HIF-1α介导TLR4增加，并调节与氧代谢相关的下游靶基因，如血管内皮生长因子、诱导型一氧化氮合酶、环氧化酶2等，促进机体对缺氧的适应[12]。因此，HIF-1α/TLR4信号通路可作为预防高原肺水肿的关键调控机制进行深入研究。

3.3活性氧(ROS)/HIF-1α信号通路 ROS是指具有高度活性的含氧自由基。在缺氧条件下，由于过多的ROS会引起脂质过氧化反应，改变蛋白的结构和功能，对体内的生物大分子造成损伤，同时会引起细胞内钙超载导致正常细胞的凋亡，造成异常的生命活动，是引起急性高原病发生的主要原因之一[13]。有研究发现，ROS参与了细胞内沉默信息调节因子3对 HIF-1α的调节，沉默信息调节因子3基因敲除小鼠表现为ROS水平异常和 HIF-1α 表达增加，说明ROS与HIF-1α密切相关[14]。低氧条件下会诱导肿瘤细胞线粒体产生ROS，进而激活HIF-1α，抑制钾通道并激活钙通道，导致钙超载，引起平滑肌细胞收缩[15]。此外，ROS还参与调节核因子κB、信号转导及转录活化因子3 、HIF-1α、各种蛋白激酶、生长因子、细胞因子、蛋白酶等的活性，是急性高原疾病分子调控的关键因子[13-15]。

4 HIF-1α与慢性高原病相关的信号通路

4.1小泛素样修饰蛋白特异蛋白酶1(SENP1)/HIF-1α信号通路 有研究发现，SENP1/HIF-1α信号通路能使HIF-1α稳定表达,剔除SENP1基因的小鼠胚胎促红细胞生成素产生缺乏而导致严重缺血[16]。并且HIF-1α的稳定性与SENP1的去类泛素蛋白修饰分子(SUMO)化作用有关，SENP1使低氧所引起的SUMO化的HIF-1α，即HIF-1α-SUMO去SUMO化，防止HIF-1α在细胞核内发生泛素化降解，从而使HIF-1α蛋白稳定表达，继而调节其靶基因的表达[17]。此外，有研究发现，慢性低氧诱导小鼠肺小动脉壁SUMO-1 表达增加，SENP-1蛋白降解，去SUMO化修饰的HIF-1α明显增加，HIF-1α稳定性和转录活性增加，引起低氧性肺动脉高压(HPH)[18]。因此，SENP1对HIF-1α介导的信号通路的活性有显著影响，与高原红细胞增多症及HPH等疾病的调控密切相关。

4.2HIF-1α/内皮素-1(ET-1)信号通路 ET-1是一种强烈的血管收缩活性物质，ET-1基因启动子上有HIF-1α的结合位点，在低氧下HIF-1α的产生能调节ET-1 基因的表达[19]。由于ET-1可引起血管收缩和血管平滑肌细胞增殖，造成肺血管重构，通常HPH患者血清HIF-1α、ET-1水平相应升高，且与肺动脉收缩压呈正相关[20]。此外，有研究表明，模拟高原慢性缺氧条件下局部富氧环境能显著降低大鼠肺组织ET-1表达，能有效缓解大鼠缺氧性肺血管重塑程度[21]。HIF-1α/ET-1途径在HPH的发病中具有重要作用。

4.3HIF-1α/VEGF VEGF是HIF-1α转录活化的一个重要靶基因，VEGF的表达受HIF-1α的调控。在缺氧条件下HIF-1α可通过促进VEGF及其受体1，增加血管通透性和诱导新生血管生成来改善机体组织缺氧情况，高原肺源性心脏病急性加重患者血清 HIF-1α、VEGF水平明显升高,并且与动脉血氧分压呈明显负相关,长时间低氧血症导致患者肺动脉高压,肺血管结构重建，因此，HIF-1α/VEGF信号通路可能是诱发高原心脏病的重要因素[22]。此外，VEGF在慢性高原病中的调控作用已进行了广泛研究，发现VEGF与造血调节有关[23]。因此，HIF-1α/VEGF与高原肺源性心脏病的形成密切相关。

5 小 结

目前，关于HIF-1α在高原缺氧疾病中的分子作用机制尚不完全清楚，但近年来大量研究表明，HIF-1α在急、慢性高原缺氧中激活的关键信号传导通路存在一定差异。尽管通过大量动物模型对急、慢性高原缺氧进行了研究，但例如慢性低氧诱导肺动脉高压动物模型不能完全复制人类疾病的复杂过程，未来仍需对HIF-1α在人体乏氧状态下的作用机制进行深入探讨，明确不同信号通路的调控作用，为高原缺氧疾病的预防和诊治提供新思路。