HIF-1與肺癌關系研究新進展

劉 衡(綜述)，戴天陽(審校)

(1.重鋼總醫院胸外科，重慶400000;2.瀘州醫學院附屬醫院胸外科，四川瀘州646000)

低氧誘導因子1(hypoxia induced factor-1，HIF-1)是1992年由Semenza等［1］發現的一種氧依賴轉錄激活因子，通過與低氧反應元件結合，引發下游基因的轉錄。HIF-1通過控制血管生成來調節氧的運輸能力，通過調控糖酵解作用來增強機體對低氧的耐受。腫瘤的生長和血管生成與HIF-1的表達緊密相關。隨著對HIF-1在肺癌發生、發展中作用研究的逐漸深入，發現HIF-1在肺癌細胞組織中呈高表達，且HIF-1的表達與肺癌的生長、浸潤、轉移及預后密切相關。故采用HIF-1的抑制劑可能為肺癌的治療提供一條新的有效途徑。

1 HIF-1的結構特征

HIF-1是由HIF-1α和HIF-1β(芳香烴受體核轉移蛋白)兩個亞單位組成的雜二聚體蛋白。HIF-1α是氧調節蛋白，為HIF-1所獨有。人類HIF-1α基因定位于第14號染色體(14q21～q24)，cDNA全長3720 bp，編碼826個氨基酸。在HIF-1α位于401～603區域，有一個氧依賴降解區(oxygen-dependent degradation domain，ODDD)，當環境氧的濃度＞5%時，通過激活泛素-蛋白酶體途徑，作用于HIF-1α的ODDD區，使其迅速降解，半衰期＜5 min。如果截去ODDD區，可以使HIF-1α在有氧狀態下保持穩定，并且仍具備與已知的芳香烴受體核轉移蛋白形成二聚體及與DNA結合的能力，此時即使環境不缺氧，它也具有完整的轉錄活性［2］。

2 HIF-1的基因調控

在缺氧或不缺氧的條件下，絲裂原活化蛋白激酶能增加 HIF-1的轉錄活動。Gradin等［3］研究表明，HIF-1轉錄活動調節的信號轉導主要通過絲裂原活化蛋白激酶通路完成。有研究［4］發現，低氧可以抑制脯胺酰-4-羥化酶活性，穩定HIF-1α，使其進入核內與HIF-1β形成異二聚體，促進靶基因的轉錄增強。HIF-1α通過生長因子介導的磷脂酰肌醇3激酶等途徑使其在常氧條件下的腫瘤細胞中仍可獲得大量表達，這些生長因子包括胰島素、胰島素樣生長因子、上皮生長因子及白細胞介素1等，它們與各自受體結合后可以激活酪氨酸激酶受體，轉而活化磷脂酰肌醇3激酶和細胞內免疫嗜素結合蛋白，而后刺激常氧下細胞中HIF-1α蛋白的大量表達。另一方面，磷酸酶基因腫瘤抑制蛋白可使磷脂酰肌醇3激酶產物去磷酸化而失活，因而可以負性調控生長因子的作用。因此，可以肯定磷脂酰肌醇3激酶途徑的激活和磷酸酶基因突變是常氧下腫瘤細胞內HIF-1α獲得大量表達的重要機制之一［5］。Taguchi等［6］研究表明，在常氧條件下，HIF-1的轉錄及表達受miR-17-92 miRNA基因簇的抑制，但在缺氧條件下不受其影響。van de Sluis等［7］研究發現，銅代謝結構域能夠抑制HIF-1基因的轉錄及表達。其主要途徑是阻止HIF-1α與HIF-1β形成異二聚體，進而不能與靶基因結合，從而抑制其轉錄和表達。

3 HIF-1與靶基因的作用機制及生物效應

HIF-1通過與靶基因特定序列DNA結合而調控它們的轉錄。目前已知受HIF-1調控的靶基因有40余種［8］，主要包括血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)、促紅細胞生成素(erythropoietin，EPO)、誘導型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)、血紅素加氧酶1(heme oxy-genase-1，HO-1)、糖酵解酶等編碼基因。這對腫瘤，尤其是乏氧腫瘤(如肺癌)的生長、浸潤、轉移起著重要作用。

3.1 HIF-1與VEGF HIF-1和激活蛋白1共同誘導VEGF對缺氧的反應，增加血管生成，使血液到達缺氧部位。VEGF是血管生成的主要調節者，VEGF能特異地結合血管內皮細胞，促進內皮細胞生長，并具有血管通透活性，可協助腫瘤細胞進入脈管系統而增加腫瘤轉移的概率。

3.2 HIF-1與EPO EPO增強子中有兩個HIF-1的結合位點，HIF-1必須與肝核因子4聯合作用才能促進EPO基因的轉錄。缺氧時，機體產生EPO，促進紅細胞生成，增加血氧容量，這是機體應對缺氧的重要反應。

3.3 HIF-1與iNOS HIF-1在基因表達調控中具有細胞型和基因型的特異性。缺氧對巨噬細胞iNOS基因的轉錄誘導需要HIF-1和干擾素γ共同作用。缺氧條件下，HIF-1誘導iNOS合成，產生一氧化氮，一氧化氮作為血管舒張因子而舒張血管，增加血流量，增加組織供氧。

3.4 HIF-1與HO-1 HIF-1主要作用于血管平滑肌細胞HO-1基因，產生HO-1，HO-1可催化產生一氧化碳。一氧化碳作為氣體信號分子激活鳥苷酸環化酶，提高環磷酸鳥苷水平，使血管平滑肌松弛，抑制血小板凝聚，從而增加血流量和血管通透性，使缺氧組織得到充足的氧氣供應。

3.5 HIF-1與糖酵解酶 缺氧時，氧化磷酸化過程受抑制，HIF-1通過誘導醛縮酶A、烯醇化醇1、乳酸脫氧酶A、磷酸果糖激酶L、磷酸甘油酸激酶1和三磷酸甘油醛脫氫酶的合成來增加糖酵解，滿足機體能量代謝的需要。

4 HIF-1及靶基因在肺癌惡性進展中的生物學效應

4.1 抑制肺癌細胞凋亡，促進增殖 近期研究表明［9］，HIF-1α的表達與肺癌細胞增殖活性呈正相關。Acs等［10］研究證實，HIF-1是凋亡抑制因子，通過上調Bcl-2，而抑制細胞凋亡。HIF-1高表達能通過促進VEGF、葡萄糖轉運蛋白1等因子的表達來保護細胞，避免凋亡;而主動抑制HIF-1的表達能誘導非p53依賴的細胞凋亡的發生［11］。同時，HIF-1可通過促進細胞周期調節蛋白家族、胰島素樣生長因子2、胰島素樣生長因子結合蛋白1、2、3及轉化生長因子α、β3等的表達來促進腫瘤細胞的增殖。

4.2 誘導肺癌新生血管形成，增加血管通透性，促進紅細胞生成 HIF-1是缺氧狀態下血管生成的核心調控因子，直接參與腫瘤血管生成的全過程，其發揮作用主要是通過影響和調控與血管生成有關的靶基因來實現的［12］。HIF-1表達增加可使 VEGF、VEGFR2、轉化生長因子β3、內皮素1等表達升高，誘導新生血管生成，增加血管通透性［13］。同時，HIF-1能促進紅細胞的生成。乏氧條件下，HIF-1表達增加，可誘導EPO、EPO受體表達增加，促進紅細胞生成，增加血液氧的運輸，減輕腫瘤組織缺氧，增強腫瘤細胞的適應性［14］。

4.3 參與肺癌細胞能量代謝，促進糖酵解 缺氧條件下，肺癌細胞不能通過呼吸鏈生成足夠的ATP，細胞代謝轉向糖酵解。肺癌組織中與糖及能量代謝有關的靶基因表達在HIF-1的誘導下均升高。這些靶基因包括葡萄糖轉運蛋白1、醛縮酶A、烯醇化醇1、乳酸脫氧酶A、磷酸果糖激酶L、磷酸甘油酸激酶1、三磷酸甘油醛脫氫酶等。上述基因表達的變化可使腫瘤組織攝取和利用葡萄糖的能力增強［15］，從而促進糖酵解，使腫瘤細胞在相對缺氧狀態下可獲得更多的能量供應，以維持肺癌細胞的生長。

4.4 促進肺癌細胞的侵襲和轉移 HIF-1通過調控多種相關因子和酶類(如尿激酶型纖維蛋白溶酶原激活劑受體、基質金屬蛋白酶2、自分泌動力因子、角蛋白14、18、19及波形蛋白、纖連蛋白1、c-MET酪氨酸激酶［16］等)的表達介導惡性腫瘤的侵襲和轉移。大量的免疫組織化學資料顯示，在良性腫瘤組織中HIF-1α處于正常水平，在許多原發性惡性腫瘤中表達升高，而在轉移性腫瘤中HIF-1α表達升高得更加顯著［17］，提示HIF-1α在腫瘤細胞侵襲轉移方面發揮著重要作用。近年來有研究證實［18］，HIF-1α的表達與肺癌的分期呈正相關，肺癌的分期越高，HIF-1α表達越高，說明肺癌中HIF-1α高表達促進了肺癌細胞的侵襲和轉移。

4.5 增加肺癌放化療的抵抗性 HIF-1通過VEGF依賴的血管生成、無氧代謝、調控參與DNA修復過程的因子表達等，使逃脫電離輻射物理殺傷的腫瘤細胞獲得必要的生存條件。夏曙等［19］的研究也顯示，在肺癌組織中HIF-1α蛋白的表達與多藥耐藥相關蛋白的表達存在明顯的相關性。近年來一系列研究均表明，HIF-1通過降低凋亡潛能細胞的選擇作用導致腫瘤細胞對放化療不敏感，同時通過多藥耐藥基因表達使腫瘤細胞對放化療敏感性降低［20-24］。

5 HIF-1在肺癌治療方面的應用進展

HIF-1與肺癌的生長、浸潤、轉移密切相關，抑制HIF-1活性可能成為肺癌治療的靶點之一。許多通過基因和藥物途徑抑制HIF-1表達和轉錄活性的方法，已經或準備應用到腫瘤的治療當中。Sun等［25］證實瘤內HIF-1α的表達被反義HIF-1α質粒基因轉染所抑制，導致VEGF下調，減少瘤內血管密度。另外，近年來發現兩種可被應用的HIF-1α cDNA變異體:一種是HIF-1αZ，它是由鋅誘導產生［26］;另一種是HIF-1α516，翻譯一種含有516個氨基酸殘基的多肽［27］。它們雖然都具有堿性螺旋-環-螺旋和PAS結構域，但都缺失ODDD區和TAD區，通過競爭性地與HIF-1β形成二聚體來抑制HIF-1α的活性。目前已有多種影響HIF-1穩定性和信號轉導途徑的藥物應用于臨床或前期試驗。有文獻報道，熱休克蛋白90的抑制劑——17-烯丙基氨基格爾德霉素，競爭性與HIF-1α的結合可降低HIF-1α構象的穩定性［28］，另如雷帕霉素(哺乳類動物雷帕霉素靶蛋白抑制劑)、曲妥單抗(受體酪氨酸激酶抑制劑)等也可降低HIF-1α的穩定性。近年來又有報道［29］稱，兩類復合物(微管靶向物質和拓撲異構酶1抑制劑)亦可抑制HIF-1α的穩定性和轉活。故采用HIF-1的有效抑制劑可能為肺癌的治療提供一條新的途徑。

6 展望

近年來肺癌的發生率、病死率都有上升趨勢，低氧和缺氧狀態下的肺癌細胞HIF-1表達增加表現在多個水平，包括基因轉錄和蛋白表達，導致腫瘤細胞供血、供氧及供能增加，在肺癌的生長過程中轉錄因子HIF-1誘導處于低氧和缺氧狀態下的腫瘤細胞的某些基因和蛋白的表達發生改變，使癌細胞迅速增殖和浸潤。已有許多研究表明，HIF-1對腫瘤的生長、浸潤、轉移及預后的作用舉足輕重。可以預見，以HIF-1為靶點的治療可能會成為肺癌治療的又一個重要方法。然而，目前HIF-1對肺癌細胞作用機制的研究尚處于基礎研究階段，要使科學試驗研究服務于臨床實踐，提高肺癌患者生存質量、延長生存期，對其作用機制的研究就更加重要。

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