低氧诱导因子-1α在糖尿病肾病中作用机制的研究进展

张雅慧，白 琼

北京大学第三医院 肾内科，北京 100191

糖尿病肾病(diabetic kidney disease, DKD)是糖尿病常见的微血管并发症,是导致终末期肾衰竭的主要原因[1]。随着全球糖尿病患病率大幅上升,DKD成为全球面临的重要公共卫生问题[2]。DKD的发病机制复杂,确切机制未明。近年来,有关DKD发病机制的研究不断深入,低氧诱导因子1α(hypoxia inducible factor 1α, HIF-1α)在其中发挥的作用是近年的研究热点。本文就HIF-1α 在DKD发病机制中的作用进行综述,为后续研究提供参考和思路。

1 HIF-1α的生物学功能

HIF-1是由α和β两个亚单位组成的异二聚体,只有α和β两个亚单位聚合后才能发挥转录因子的作用。HIF-1β亚基是HIF-1的结构性亚基,在细胞内的表达水平相对稳定[3]。HIF-1α是HIF-1的功能性亚基,在常氧条件下,HIF-1α亚基在不断合成的同时,又不断经泛素-蛋白酶小体途径水解,一般很少检测到[3]。低氧条件下,HIF-lα降解受阻,细胞浆内积聚增多,向细胞核内转移,与HIF-1β结合成HIF-1分子[3]。在低氧条件下HIF-lα表达增高并诱导多种靶基因表达,从而调节细胞增殖、血管新生和重构、细胞调亡、能量代谢以及铁转运等。

2 HIF-1α在DKD中的变化和作用

肾脏中HIF-1α表达水平存在组织差异性,高糖促进人系膜细胞中HIF-1α的表达及活性,诱导肾小球硬化;但高糖抑制人近端肾小管HK-2 细胞HIF-1α的稳定和功能,激活HIF-1α能够减少DKD的肾小管间质损伤[4]。但有相反观点认为,低氧高糖状态下,细胞中HIF-1α表达上调使肾组织和细胞对纤维化敏感[5],肾近端小管HIF-1α的长期激活能够促进肾小管间质纤维化[6]。抑制HIF-1α能减弱高糖细胞中低氧诱导的纤连蛋白的表达,从而减轻纤维化[6]。

3 HIF-1α参与DKD的机制

在高糖状态下,HIF-1α的活性及表达水平发生改变,参与DKD的发生发展[3,5],可能涉及以下机制。

3.1 HIF-1α/VEGF通路

血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)是HIF-1α下游靶基因调控表达的分子之一。在低氧条件下,HIF-1α稳定性增强,并获得反式激活活性,激活的HIF-1α易位到细胞核,与HIF-1β结合形成异二聚体HIF-1, HIF-1 与低氧反应元件(hypoxia response element, HRE)结合,诱导下游靶基因VEGF的转录[3]。在肾小球处,足细胞分泌VEGF,逆流通过滤过屏障后作用于肾小球内皮细胞(glomerular endothelial cells,GECs);在肾小管处,肾小管上皮细胞(renal proximal tubule epithelial cells,RPTECs)也能分泌VEGF作用于自身[7]。VEGF与GECs、RPTECs表面的VEGFR2结合,激活通路下游的效应蛋白活化,进一步触发下游的Src/Vav2/rac1/PAK1信号、PI3K/AKT信号通路、PLC依赖的PKC通路等[7],促进血管内皮细胞的增殖和新生血管生成[8]。

HIF-1α/VEGF 信号通路也被证明参与细胞外基质(extracellular matrix,ECM)的调节[9]。HIF-1α转录抑制能够增加TGF-β诱导的异常ECM生成,稳定的HIF-1α蛋白表达可能在一定程度上通过蛋白磷酸酶2的活性负调控TGF-β诱导的ECM生成[9]。

高糖通过改变HIF-1α的稳定性及活性,影响肾组织细胞中VGEF的转录[10]。同时,高血糖和晚期糖基化终末产物通过降低GECs上VEGFR2的表达,导致GECs对VEGF的反应性降低[10]。VEGF的生物学效应降低损害内皮修复功能并减弱血管生成能力,使细胞外基质表达增加。内皮修复功能损害、细胞外基质蛋白质积累在DKD的发生发展中起关键作用[10]。内皮修复功能损害及毛细血管生成减少会影响血液供氧,导致肾组织细胞凋亡和成纤维细胞激活,增加细胞外基质的产生,细胞外基质沉积导致肾小球基底膜增厚和肾小管间质基质增多,最终导致肾小球硬化和肾小管间质纤维化。细胞实验中,高糖抑制近端肾小管HK-2细胞的HIF-1/HRE反应,导致VEGF产生减少,促进肾小管间质纤维化[11]。

此外,在高糖低氧病理条件下,上游基因的改变也可能参与HIF-1α/VEGF通路的调控。微小RNA-217(microRNA-217,miR-217)促进人巨细胞病毒感染的内皮细胞的增殖和迁移,并促进血管生成;介导Sirt1/HIF-1α通路来调节高糖暴露的大鼠肾小球系膜细胞的炎性反应和纤维化。HIF-1α是miR-217的靶基因,miR-217可能通过影响HIF-1α/VEGF通路在DKD的血管生成中发挥调节作用,抑制miR217可上调该通路,促进血管生成,减轻炎性反应[8]。

3.2 HIF-1α/HO-1通路

血红素加氧酶-1(heme oxygenase-1, HO-1)是一种应激诱导酶,可催化血红素降解为一氧化碳、铁和胆绿素[12]。HO-1也是HIF-1α的下游靶基因之一[12]。在低氧、高糖条件下,高糖低氧上调肾脏细胞中HIF-1α的表达,HIF-1α作为细胞内的核转录因子,导致下游靶基因HO-1的表达增加。此外,HO-1还存在自身的正反馈效应,HO-1过度降解血红素,血红素降解产物在细胞内堆积导致铁过载,促进氧化应激和脂质过氧化,增加活性氧自由基的产生,进一步诱导HO-1表达增加,导致恶性循环的发生[13]。

HIF-1α/HO-1通路表达上调导致下游铁摄取和转运相关基因的表达,造成铁过载,过量的铁通过产生活性氧自由基、脂质过氧化和铁死亡等方式造成肾脏损害[5,13-14]。

然而,HIF-1α/HO-1途径也表现出有利的一面。HIF-1α通过HO-1途径改善DKD肾小管上皮细胞线粒体功能障碍,限制线粒体依赖性细胞凋亡,HIF-1α/HO-1通路是介导DKD肾小管细胞线粒体动力学的关键通路[15]。

3.3 HIF-1α与线粒体自噬

线粒体通过自噬选择性去除线粒体,以维持细胞的线粒体含量并确保质量控制,维持线粒体稳态[16]。线粒体自噬由两种信号通路介导:PINK1/Parkin途径和线粒体自噬受体途径,后者包括FUNDC1参与的线粒体自噬及BNIP3/NIX介导的线粒体自噬等[16]。线粒体自噬在DKD发病机制中具有重要作用,在高糖处理的小鼠肾小管上皮细胞和 DKD 患者的肾活检组织中,观察到线粒体自噬水平降低[16-17]。

HIF-1α可在低氧条件下诱导自噬受体介导的线粒体自噬。低氧条件下HIF-1α与HIF-1β结合形成HIF-1,HIF-1通过直接结合其启动子上的HRE,增强下游靶基因BNIP3和BNIP3L(NIX)的表达[18],诱导线粒体自噬[19]。HIF也与PINK1/Parkin 介导的线粒体自噬有关,已在卵巢颗粒细胞中发现HIF-1α能够促进PINK1和Parkin的激活,进而促进线粒体自噬[20];在肝细胞癌的研究中亦发现HIF-1α可以通过促进STOML2基因介导的PINK1稳定来调节PINK1和线粒体自噬[21]。

在DKD中,代偿期时低氧上调HIF-1α表达,通过诱发BNIP3/NIX介导的线粒体自噬,抑制细胞凋亡和氧自由基产生,发挥保护作用[23]。但持续的高糖低氧环境破坏HIF-1α稳定,可抑制线粒体自噬[24]。线粒体自噬障碍导致DKD肾脏中受损线粒体积累,氧自由基和细胞内稳态失衡,促进DKD进展。

3.4 HIF-1α与炎性反应

炎性反应是DKD的发生和发展中的重要环节[25]。研究发现DKD患者或动物模型中促炎基因和纤维化相关基因的表达显著升高,并伴有外周血中炎性细胞因子水平升高[26-27]。临床试验亦证实非甾体选择性盐皮质激素受体拮抗剂(mineralcorti-coid receptor antagonist,MRA)可以通过抑制炎性反应来延缓 DKD 的进展[25]。

HIF-1α参与DKD的炎性反应,与促进多种细胞因子产生导致的免疫反应相关,并过表达多种纤维化相关因子导致肾间质纤维化的发生。在高糖环境下,HIF-1α表达上调促进系膜细胞的炎性反应和纤维化相关细胞因子TGF-β1、内皮素和纤连蛋白的表达,应用YC-1(HIF-1α特异性抑制剂)能够促进肾小管上皮细胞中的炎性反应和细胞因子IL-1β及IL-18的产生[28]。高剂量的MK-8617(HIF-1α脯氨酰羟化酶抑制剂)可通过激活 HIF-1α/KLF5/TGF-β1通路促进肾小管间质纤维化[29]。在DKD的早期阶段,HIF-1α发挥肾脏保护作用,但HIF-1α的持续激活导致肾脏炎性反应和肾间质纤维化进展的发生。

NF-κB是先天免疫、炎性反应和细胞凋亡相关基因(如TNFα、ICAM和iNOS)的主要调节因子,其与HIF-1α存在交互作用,低氧条件下HIF-1α的激活调节NF-κB的转录水平,NF-κB也参与刺激HIF-1α mRNA的表达[28]。

4 问题与展望

HIF-1α是适应低氧反应的主要调节因子,能够调节体内糖代谢过程。高糖水平是影响HIF及其目标基因转录的另一重要因素。在高糖低氧环境下,HIF-1α的表达水平异常,与DKD的发生发展密切相关。但目前对于HIF-1α在DKD肾脏各组织细胞中的表达水平变化意见不一,还有待后续更多的研究来明确。

HIF-1α为重要的核转录因子,其下游靶基因如VEGF、HO-1、BNIP3表达异常通过影响血管生成、ECM沉积,铁代谢及线粒体自噬参与DKD的发生发展。但对于HIF-1α在DKD发病机制中的作用还有待深入,尚不明确各靶基因的信号通路之间是否存在联系,以及其他HIF-1α下游靶基因的参与也有待进一步探索。此外, HIF-1α与炎性反应密切相关,但针对HIF-1α在DKD炎性反应中的研究较少,相关的具体分子通路也有待进一步研究。