缺氧诱导因子-1α在高原低氧脑损伤中的研究进展*

陈敬威 杨 艺 魏艳娜 孙 娟 赵秀丽△

（青海大学，1 研究生院，2 附属医院神经内科，西宁 810016）

高原低氧环境对机体的影响是广泛的，高原具有低氧、低气压、寒冷、干燥等环境特点，进入高原后，机体会发生急性缺氧反应，处于缺氧应激状态，引起一系列脏器功能、代谢、内分泌等方面的代偿性调节，当机体对低氧环境的适应能力不全或失调时，会引发一系列高原疾病[1]。近年越来越多的平原居民前往高海拔地区工作、旅游，急进高原发生脑损伤的风险明显增加。因此，高原低氧脑损伤为目前的研究热点之一。

急进高原者，数分钟内脑血流降低，随后脑血流迅速增加，且l～2 d后达到高峰，此后随着缺氧时间的延长，脑血流量逐渐下降，并接近于平原水平[2]。急性高原低氧导致脑血管扩张、脑血流增加、颅内压升高、脑组织无氧代谢加强、ATP生成减少，进而导致血脑屏障（blood brain barrier，BBB）破坏、脑水肿发生。缺氧诱导因子-1（hypoxia inducible factor-1，HIF-1）α在高原低氧脑损伤的机制中发挥着重要的作用。在低氧条件下HIF-1α诱导多种因子表达，引起BBB破坏、脑水肿形成，导致细胞凋亡、细胞自噬、炎症反应、氧化应激等，从而引起低氧脑损伤。激活的HIF-1α也可促进红细胞生成、血管生成、糖代谢及转运等，在低氧时起到一定神经保护作用。

1 HIF-1α在高原低氧脑损伤中的相关作用机制

1.1 HIF-1α

HIF-1是1988年Goldberg等[3]在促红细胞生成素（erythropoietin，EPO）基因的相关调节研究中发现，是一种氧敏感的转录激活因子，其与下游靶基因结合后，诱导特定基因的转录表达。HIF-1是一种异源二聚体，由氧调节亚基HIF-1α（120 kD）和结构性亚基HIF-1β（91～94 kD）2个亚单位组成。在常氧条件下，HIF-1α通过泛素-蛋白酶途径降解；此外，HIF-1抑制因子（factor inhibiting HIF-1，FIH-1）将HIF-1α的COOH末端激活域（COOH-terminal activation domain，CAD）羟基化，抑制了HIF-1α与转录激活辅助因子（CBP/p300）的结合，从而抑制了其转录活性[4]。而低氧条件阻断了HIF-1α的上述过程，使得细胞核内HIF-1α与HIF-1β结合，构成HIF-1，并作用于多种缺氧反应元件（hypoxia response elements，HRE），诱导靶基因的表达、参与调控下游因子。

1.2 HIF-1α与血脑屏障破坏、脑水肿

缺氧是导致BBB渗透性破坏和脑水肿形成的重要因素。BBB是血液与脑组织间的一种特殊屏障，其最关键的结构是内皮细胞间的连接，内皮细胞间的连接包括紧密连接（tight junctions，TJs）、黏附连接（adherent junctions，AJs）和缝隙连接（gap junctions，GJs）；其中TJs是BBB的结构基础，由跨膜蛋白、胞质附着蛋白和细胞骨架蛋白共同组成。跨膜蛋白包括闭合蛋白（claudins）、咬合蛋白（occludin）、连接黏附分子（junctional adhesive molecule，JAM）；胞质附着蛋白由带状闭合蛋白（zonular occludens，ZO）构成，包括ZO-1、ZO-2和ZO-3[5]。

血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的增强子上存在HIF-1α的结合位点，缺氧时在细胞核内HIF-1α与HIF-1β结合成HIF-1，HIF-1与VEGF基因增强子结合促进VEGF转录和表达[6]。有研究表明，缺氧诱导HIF-1α积累和VEGF的产生是缺氧导致BBB内皮细胞通透性增加和ZO-1破坏的部分原因，VEGF通过在转录水平上抑制ZO-1 mRNA的表达，导致BBB渗透性改变[7]。有文献报道，VEGF能促进ZO-1和occludin的酪氨酸磷酸化，导致TJs破坏，进而使得BBB通透性增加[8]。Engelhardt等[9]报道，在缺氧和常氧HIF-1α激活时，ZO-1和claudin-5从细胞膜上移位，进而导致TJs破坏。VEGF激活内皮细胞胞质内的囊泡-液泡细胞器途径，在BBB破坏过程中起到了一定的作用[10]。

另有研究表明，HIF-1α可通过激活 MMP-9破坏基底膜及ZO-1、occludin，导致BBB通透性增加，同时增加水通道蛋白-4（aquaporin-4，AQP-4）的表达，从而导致BBB破坏及脑水肿形成[11]。

轻中度缺氧暴露时，VEGF的上调可增强低氧区域周围细胞的存活，在重度和持续缺氧暴露时，VEGF迅速大量增加，引起血管通透性增加和血管重塑，从而导致BBB破坏[12]。高原低氧脑损伤也同样存在脑缺血缺氧损伤相关表现。Zhang等[12]在大鼠脑缺血模型中显示，在脑局部缺血2～6 h时，VEGF表达上调加重了BBB渗透性和脑水肿形成。另有研究证明：通过3-（5'-羟甲基-2'-呋喃基）-1-苄基吲唑[3-（5'-hydroxymethyl-2'-furyl）-1-benzylindazole，YC-1]抑制HIF-1α的积累和VEGF的产生，可以保护BBB免受缺氧引起的损伤[13]。

低氧暴露损害脑组织的完整性，破坏神经元的功能。虽然在缺氧和缺血条件下血脑屏障功能的变化已经被证实，但到目前为止，HIF-1α通路的激活与脑内皮细胞屏障功能之间的关系尚待进一步研究。

1.3 HIF-1α与细胞凋亡

Chen等[14]研究表明，低氧时HIF-1α直接与p53泛素连接酶结合，阻断p53转运，进而促进凋亡。有研究表明，大鼠短暂局灶性缺血后纹状体和皮质神经元中，HIF-1α通过增加Bcl2/腺病毒E1B相互作用蛋白（recombinant Bcl2/adenovirus E1B interacting protein 3，BNIP3）的表达，诱导神经元凋亡[15]。相反通过抑制HIF-1α的表达，抑制BNIP3途径所致神经元凋亡，发挥缺血缺氧脑组织的保护作用[16]。在大鼠高原低氧脑损伤模型中，低氧显著诱导HIF-1α、凋亡蛋白酶激活因子-1（apoptotic protease-activating factor-1，APAF-1）、半胱天冬酶-3（caspase-3）、活化caspase-3、Bax等蛋白和细胞色素c（cytochrome c，Cyto-c）的表达，促进细胞凋亡，进而导致脑损伤的发生[17]。

微小核糖核酸-210（microRNA-210，miR-210）是缺氧时由HIF-1α诱导的具有缺氧敏感性的miRNA之一，为调节缺氧反应的重要因子。miR-210过表达，可抑制细胞色素c氧化酶组装蛋白（cytochrome c oxidase assembly protein，COX10）的表达[18]。HIF-1α蛋白表达增加诱导miR-210过表达，从而抑制COX10的表达，影响线粒体的能量代谢过程[19]，线粒体电子传递通路被终止，凋亡通路被启动，导致caspase级联反应和凋亡。

在缺血性神经元死亡的过程中，Notch-1和HIF-1α协同促进缺血性卒中神经元死亡[20]；在大鼠脑缺血再灌注损伤研究表明，可以通过敲除miR-34a从而激活Notch-1/HIF-1α信号通路，减轻脑组织损伤和神经元凋亡[21]。

1.4 HIF-1α与自噬

中度缺氧条件下，HIF-1通过诱导BH3-only蛋白（BCL2 homolog 3r domain only proteins，BH3-only proteins）中的BNIP3蛋白表达，破坏beclin-1与B细胞淋巴瘤-2（B-cell lymphoma-2，Bcl-2）之间的相互抑制作用，从而促进自噬[22]，同时缺氧后上调的HIF-1α诱导BNIP3和BNIP3L（BNIP3-like）激活自噬。另有文献报道，2-甲氧基雌二醇通过抑制HIF-1α进而下调BNIP3表达，从而减轻全脑缺血后自噬通路的激活，进而发挥脑保护作用[23]。缺氧可上调小鼠脑组织小胶质细胞HIF-1α蛋白的表达，进而诱导beclin-1的表达，激活自噬通路，发挥脑保护作用[24]。Gong等[25]在大鼠脑缺血/再灌注模型研究中显示，模型组动物通过哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）通路，增加HIF-1α的表达，进而诱导大鼠皮质神经元线粒体自噬的激活。

1.5 HIF-1α与炎症

HIF-1α与核转录因子-κB（nuclear factor-κB，NF-κB）之间可能存在相互调控机制。相关研究证明，HIF-1α基因的启动子上有NF-κB的结合位点，NF-κB是HIF-1α表达的直接调节者[26]；而且在低氧条件下，NF-κB亚基也可移位到细胞核，并与HIF-1α启动子结合位点相互作用，从而增加HIF-1α的表达；缺氧还可以诱导内皮细胞自分泌肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α），进而通过NF-κB激活HIF通路，促进内皮细胞产生VEGF导致血管生成[27]；有研究报道称，HIF-1α可通过抑制NF-κB的活性调控炎症反应，保护机体免受炎症反应的损害[28]；NF-κB通过直接竞争结合HRE编码基因上的p300来阻断HIF-1α对HRE编码基因的反式激活[29]。在急性低压缺氧诱导大鼠脑损伤研究表明，通过阻断NF-κB和HIF-1α信号通路，可抑制下游促炎细胞因子（IL-1β、IL-6、TNF-α和VEGF）的表达[30]。

1.6 HIF-1α与氧化应激

大鼠脑缺血再灌注损伤模型研究中表明，自由基清除剂依达拉奉通过抑制活性氧（reactive oxygen species，ROS）、HIF-1α的产生，可减轻缺血后脑损伤[31]。在小鼠脑组织中的研究显示，通过抑制线粒体电子传递链，从而抑制HIF-1的表达[32]。在低氧条件下，线粒体复合体Ⅲ产生的ROS起到稳定HIF-1α的作用，从而增加缺氧HIF-1α的积累，若破坏ROS的产生，则HIF-1α的稳定性减弱。研究表明复合物Ⅲ的Qo位点是缺氧时ROS产生的主要位点，若抑制Qo位点，则HIF-1α的稳定性降低。研究表明，线粒体ROS的增加可能通过阻止HIF-1α的羟基化，从而稳定HIF-1α[33]。在缺氧条件下ROS可能没有或是没有直接参与HIF-1α的稳定，超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）中的SOD1和SOD2过表达并没有阻止缺氧时HIF-1α的稳定，这表明线粒体ROS不是缺氧下HIF-1α稳定所直接需要的[34]。低剂量外源性H2O2增加HIF-1α蛋白表达来保护初级皮质神经元免受缺血的影响[35]，短期缺氧缺糖和H2O2诱导预处理可能提供了神经保护，外源性H2O2可通过抑制FIH，来稳定HIF-1α[36]。

研究显示，ROS可能通过细胞外调节蛋白激酶（extracellular regulated protein kinases，ERK）和磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）/V-akt鼠胸腺瘤病毒癌基因同源物（V-akt murine thymoma viral oncogene homolog，AKT）对HIF-1α的转录和翻译进行调控。在缺氧条件下，ROS通过诱导ERK和PI3K/AKT磷酸化，导致HIF-1α的转录增加；抑制miR-210可降低HIF-1α蛋白水平，miR-210可能通过抑制线粒体复合体Ⅱ调控HIF-1α的表达[37，38]。miR-210可能参与ROS介导的HIF-1α调控；此外，ROS也可通过AKT和ERK通路对miR-210进行调控[39]。

2 HIF-1α与神经保护

在低氧条件下HIF-1α触发多种基因的表达，这些基因启动缺血缺氧损伤后的红细胞生成、血管生成、糖代谢及转运、细胞存活等，激活的HIF-1α可在脑缺血缺氧时起到保护作用。

EPO促进红细胞生成，提高携氧能力。体内外研究表明，缺氧条件下HIF-1α通过诱导EPO生成，抑制脑缺血缺氧组织细胞凋亡和促进缺血耐受[40]。HIF-1α通过上调大鼠脑缺血再灌注损伤后EPO的表达，抑制缺血后神经元中活化的caspase-3，减轻神经元凋亡[41]。

VEGF在促进血管生成、改变血管及血脑屏障通透性方面起重要作用。在脑缺血缺氧期，HIF-1α可诱导VEGF促进血管生成来增加氧气输送。Zhang等[12]在大鼠脑缺血模型中显示，在脑局部缺血2～28 d时，VEGF的上调主要发生在缺血周边带，VEGF与其受体结合调节新生血管重建。体内外研究结果表明，通过激活HIF-1α/VEGF途径，对局灶性脑缺血大鼠血管结构有保护作用，并促进血管生成[42]。亚硝基谷氨酰胺硫酮通过HIF-1α/VEGF途径，促进大鼠实验性卒中后血管生成、神经修复和功能恢复[43]。

缺氧激活HIF-1α，通过增加葡萄糖转运和糖酵解，促进缺血缺氧组织中的神经细胞存活。对大鼠脑局灶性缺血研究显示，缺血7.5～24 h，观察到HIF-1α诱导GLUT-1、糖酵解酶表达增加，通过增加葡萄糖转运和糖酵解促进缺氧缺血半暗带的组织存活[44]。在大鼠脑组织低压低氧后适应研究表明，HIF-1α通过调节磷酸戊糖途径，导致NADPH稳定和谷胱甘肽水平升高，从而起到神经保护作用[45]。

血红素加氧酶-1（heme oxygenase-1，HO-1）将血红素转化为胆红素、CO和铁。胆红素已被证明可以保护细胞免受氧化损伤，CO引起血管舒张、抑制血小板聚集、抑制炎症反应，从而保护细胞免受损伤。研究表明HIF-1α通过上调HO-1，抗氧化应激、抑制炎症、促进血管生成，促进细胞存活[46]。将大鼠暴露于低压低氧（7 619 m）环境中，钴通过诱导HIF-1α高表达，维持较高的HO-1水平，降低缺氧诱导的氧化应激，提供有效的神经保护[47]。3 展望

HIF-1α作为细胞适应低氧环境的关键性诱导因子，在缺氧缺血脑损伤发生、发展过程中发挥着双重作用。在低氧条件下，许多因素参与HIF-1α调节，HIF-1α通过激活靶基因诱导多种蛋白的表达，HIF-1α与许多因子之间存在相互调节，与各信号通路相互影响，发挥重要的协同或拮抗作用，其中诱导或抑制因素、作用靶点及通路中是否还涉及其他相关因子尚不完全清楚，有待进一步实验证明。缺氧的程度、缺氧缺血的持续时间及其在不同类型细胞中的表达，可能是影响其两面性的重要因素。HIF-1α在低氧诱导大脑的血脑屏障破坏、脑水肿、神经元凋亡、炎症反应、氧化应激等多方面发挥着促进或抑制作用。在今后的研究中，可将HIF-1α作为神经保护治疗的有效靶点，通过应用HIF-1α的抑制剂、激活剂，进行缺氧预处理或针对特定的细胞类型和细胞靶点，调控HIF-1α促进神经保护和抑制细胞凋亡作用。但在不同的缺氧时程及不同的信号通路中，如何给予不同的干预仍是个难题。