缺氧誘導因子在心臟重構和心力衰竭中的作用

竇夢怡綜述，秦富忠、李保審校

缺氧誘導因子在心臟重構和心力衰竭中的作用

竇夢怡綜述，秦富忠、李保審校

缺氧誘導因子(HIF)是參與缺氧轉錄反應調控的主要轉錄因子。HIF-1在心血管生理和病理過程中起重要作用。HIF-1在生理或應激狀態下對心肌細胞的大小，結構和功能起著保護作用。在急性心肌缺血、缺血預適應、缺血后適應、缺血-再灌注、急性心肌梗死和壓力超負荷誘導心肌肥厚中，HIF-1增加起保護作用；而在慢性心力衰竭過程中、HIF-1增加起惡化作用。HIF-1對心肌的作用與不同疾病或疾病的不同階段中HIF-1的激活程度、持續時間及靶基因有關。進一步闡明HIF-1在這些疾病過程中的細胞和分子機理將為缺血性心臟病和壓力超負荷誘導的心肌重構和心力衰竭的防治提供新的途徑。

缺氧誘導因子，心肌細胞自噬，心肌細胞凋亡，心肌重構，心力衰竭

近年來，心血管疾病已經成為主要威脅中老年生命健康的疾病之一。心力衰竭是一種復雜的臨床癥狀群，是各種心臟病的終末階段。心力衰竭患病率逐年升高，冠心病、高血壓是心力衰竭兩大主要病因。心室重構常繼發于高血壓、冠心病和心肌病等，在心力衰竭的發生發展過程中起十分重要的作用。然而，導致心肌重構的細胞和分子機制尚未完全闡明。研究表明，缺氧誘導因子（HIF）是參與缺氧轉錄反應調控的主要轉錄因子。當缺氧時，HIF 的活化在觸發細胞保護和代謝調節中起著重要的作用。近年來研究發現，在缺血性心臟病和壓力超負荷所致心肌重構和心力衰竭時HIF增加。然而，HIF在這些疾病中起保護還是惡化作用仍有爭議。本文重點闡述HIF在這些疾病病理過程中的作用及其細胞和分子機理。

1 HIF的結構和活性調節

HIF是近年來發現的介導哺乳動物細胞中缺氧反應的一種核轉錄調節因子。根據結構不同可分為3型，即HIF-1、HIF-2和HIF-3。 HIF-1 是由120 KD 的α亞基和91～94 KD的β 亞基組成的異源二聚體，及亞基在細胞中呈組成性表達。HIF-1的生理活性主要取決于α亞基的活性和表達。HIF-1α受氧含量的調節，編碼826個氨基酸。HIF-1α分子中存在氧依賴降解結構域（ ODDD），是正常氧分壓下HIF-1降解的必要基因[1]。細胞內氧濃度正常時，氧分壓敏感的脯氨酸羥化酶（ PHD）識別HIF-1α中ODDD區402或者564位氨基酸，將其羥化，使得林希氏蛋白（pVHL）結合識別，形成功能性E3泛素-蛋白酶鏈接復合物，進行泛素依賴的蛋白酶解。在該降解途徑中，PHD 是起關鍵作用的酶。另一方面，對氧濃度敏感的缺氧誘導抑制因子（FIH）羥化HIF-1α，阻斷其介導的轉錄共激活因子（P300/CBP）的招募，從而抑制HIF-1活性。在缺氧條件下，PHD和HIF的羥化受阻，HIF-1α穩定表達并活化，招募p300/CBP到缺氧反應元件（HRE），誘導靶基因的表達。除了羥基化, 其他轉錄后修飾也影響HIF-1α的穩定性。最近研究發現, 在缺氧時誘導一種蛋白名為“含有RWD sumoylation 增強子”, 增強缺氧時HIF-1α的SUMO 蛋白質修飾化, 促進其穩定和轉錄活性[2]。然而，也有其他的研究小組報道SUMO 修飾可負調控HIF-1α 的蛋白穩定性[3]。

2 HIF-1在缺血性心臟病和心力衰竭中的作用

在正常氧濃度下，HIF-1α在人體中低表達，狀態極不穩定，半衰期僅不到5 min，立刻通過ODDD介導的泛素蛋白酶體降解。在缺氧環境中，HIF-1α穩定性增加，進入細胞核與HIF-1β亞基組成HIF-1而發揮作用，其機制為通過HIF-1α表達及其促進下游相關基因的轉錄和表達來發揮效應。HIF-1是調節缺氧的轉錄因子，在細胞穩態、生理學和疾病中起關鍵作用。HIF-1α介導的適應性反應包括紅細胞生成，血管生成和代謝適應等。在心肌缺血時，HIF-1可通過多方面的途徑保護心肌細胞。動物實驗表明，缺血狀態下，HIF-1表達明顯增加[4]。在急性心肌缺血患者心肌中發現，HIF-1 基因表達顯著增加[5]。心臟特異性PHD基因敲除可誘導HIF表達，減輕急性心肌缺血損傷[6]。在心肌缺血后，HIF-1通過調控血管內皮生長因子（VEGF）的表達而促進心肌中血管的生成，對于心肌組織側支循環的建立有重要意義[5]。研究顯示，缺血預處理能夠增加HIF-1的表達，保護梗死后心肌細胞。同時，間斷缺氧同樣可以增加HIF-1的表達，從而增加目的蛋白VEGF的表達，改善心肌供血供氧，提高梗死區域心肌細胞的存活。在缺血后適應中，HIF-1α和誘導型一氧化氮合成酶（iNOS）的表達顯著上調，HIF-1α的表達和梗死面積呈直線負相關[1]。應用HIF-1的活性誘導劑氯化鈷干預大鼠，顯示大鼠急性心肌梗死面積可明顯減少，VEGF蛋白表達明顯增加。PHD 抑制劑二甲氧乙二酰甘氨酸（DMOG）在常氧時能穩定HIF-1α。在缺血前給予DMOG能

上調HIF-1α的表達。在缺血后適應之前給予DMOG，HIF-1α和iNOS 的表達進一步提高，DMOG 和缺血后適應在上調HIF-1α具有疊加效應[7]。在心肌缺血-再灌注時，HIF-1表達增加。HIF-1 及HIF-1依賴的基因如iNOS、血紅素氧合酶的激活可減輕心肌缺血-再灌注損傷。用RNA干擾技術敲除PHD使HIF-1激活，減輕缺血再灌注誘導的心肌炎癥反應和損傷。動物實驗研究表明，心肌梗死后心肌組織HIF-1增加。在心肌梗死患者心肌中，HIF-1表達也增加[5]。PHD抑制劑（誘導HIF-1激活）抑制膠原合成， 減輕非梗死區心肌組織纖維化，減輕梗死后心肌重構。 Bao等[8]在大鼠心肌梗死的研究中進一步發現，給予PHD抑制劑GSK360A 28天后，與安慰劑相比，GSK360A可預防左心室射血分數的進行性降低，左心室擴大和肺重量的增加。另外，與安慰劑組相比，GSK360A 治療組，微血管密度增加兩倍，存活率也顯著增加。另據報道，在心肌梗死后4周，心肌特異性HIF-1α過表達能減輕心肌梗死面積和心肌重構，改善心功能。

盡管這些研究提示HIF-1表達增加能保護梗死后心肌，減輕梗死后心肌重構和心功能的降低，但證據也表明心肌HIF-1的持續激活加重心肌重構和心功能的降低。pVHL蛋白是負責含氧量正常時抑制HIF水平的E3 泛素連接酶的一個重要組分。Lei等[9]在心臟特異性pVHL基因敲除小鼠的研究中發現，HIF-1的表達是穩定的，這些小鼠正常出生和成長，在小鼠出生3個月，心功能仍然正常，而在5個月后發現心肌細胞內脂質堆積，心肌纖維化，心肌重構和心力衰竭。同時，研究發現，在pVHL基因敲除的小鼠中，HIF-1活性增強，能直接介導心肌收縮功能障礙，導致心肌病的發生，提示HIF-1的長期存在對心臟有損害作用。Bekeredjian等[10]報道心臟特異性HIF-1過表達誘導心肌病，其機理與肌漿網鈣-ATP酶（SERCA）蛋白降低有關。最近，Moslehi等[11]的研究表明， 心臟特異性PHD2慢性失活導致擴張性心肌病。Holscher等[12]研究也證實，與正常心肌相比， 在晚期心力衰竭患者心肌中的HIF表達增加1.5倍。 Holscher等研究還發現，在主動脈縮窄誘導壓力超負荷小鼠模型上，HIF-1α過表達促進心肌肥厚和心功能惡化。Bekeredjian等[10]用心臟特異性HIF-1α過表達小鼠的研究進一步證實，增加HIF-1α能夠引起心肌收縮功能的降低。持續增加HIF-1α加重缺血性心臟病時心功能的降低，在慢性缺氧過程中，活性氧（ROS）的產生能促進HIF-1的穩定和表達增加。而HIF-1的增加，又促進ROS的產生。進一步提示HIF-1持續激活可能對細胞會產生不利影響。

上述結果提示，在短暫心肌缺血，缺血預適應，缺血后適應，缺血-再灌注和急性心肌梗死中，HIF-1表達增加對心肌起保護作用。而HIF-1長期穩定激活，在慢性心力衰竭中起惡化作用。

3 HIF-1在壓力超負荷誘導心肌肥厚和心力衰竭中的作用

Sano等[13]在胸主動脈縮窄誘導壓力超負荷小鼠模型上發現，術后3～14 d，HIF-1α表達和HIF-1活性顯著增加、心肌細胞橫斷面的面積增加、VEGF表達增加。持續壓力超負荷引起的p53表達增加，抑制HIF-1的活性，進而導致心臟血管生成障礙和心功能的降低，提示抑制HIF-1活性可促進壓力超負荷誘導的心功能降低。Fielitz等[14]的研究結果表明，在壓力超負荷致心肌肥厚的大鼠模型中，PHD抑制劑可減輕壓力超負荷誘導的心肌重構，改善心功能。Wei等[15]的研究結果進一步表明HIF-1基因敲除加重壓力超負荷誘導的心肌纖維化、心肌細胞肥大、心肌毛細血管密度降低和心肌細胞凋亡，促進心力衰竭發生，提示HIF-1對壓力超負荷小鼠心臟起保護作用。然而，Holscher等[12]的研究表明心臟特異性HIF-1過表達加重壓力超負荷所致的心肌重構和心力衰竭。他們在晚期心力衰竭患者心臟中也發現HIF-1α表達增加，提示HIF-1α長期慢性表達增加對心臟起惡化作用。

上述研究結果提示，預先誘導HIF過表達或主動脈縮窄術后早期給予PHD抑制劑，HIF-1在壓力超負荷誘導心肌肥厚中起保護作用。然而，在壓力超負荷誘導心肌肥厚演變為心力衰竭后， HIF表達增加起惡化作用， 其機理尚未完全闡明。

4 HIF-1的作用機制

HIF-1的心肌保護作用機理：HIF-1對心肌的保護作用與其上調后所誘導的靶基因有關。HIF-1α在缺血預適應中起的保護作用與促紅細胞生成素增加有關。HIF-1α過表達減輕缺血再灌注損傷，改善心功能，其心肌保護效應與誘導型一氧化氮合成酶增加有關。在急性心肌缺血再灌注損傷兔模型上，PHD抑制劑預處理可增加血紅素加氧酶，減少梗死面積，提示血紅素加氧酶作為HIF-1α靶基因介導心臟保護作用。Natarajan等[16]在糖尿病小鼠實驗模型上，PHD2基因敲除誘導心臟脂聯素基因表達增加，提示HIF-1α的心肌保護作用與心臟脂聯素增加有關。HIF-1α的其它靶基因比如VEGF、葡萄糖轉運蛋白-1（GLUT-1）、GLUT-4、核轉錄因子-κB（NFκB）和Bcl-2也參與心臟的保護作用[17]。此外，HIF-1通過靶基因包括糖酵解酶、乳酸脫氫酶、丙酮酸脫氫酶激酶、線粒體蛋白酶等，調節代謝保護心臟。

HIF-1與心肌細胞凋亡 ：心肌細胞凋亡在缺血性心臟病和壓力超負荷誘導的心肌重構和心力衰竭中起重要作用[18,19]。HIF-1α上調對心肌細胞的存活作用與其所誘導的靶基因有關。Robador等[20]研究發現，缺氧16～24 h誘導HIF-1α上調和心肌營養素（ CT-1）表達增加， HIF-1α介導缺氧誘導的CT-1表達增加； CT-1基因敲除加重缺氧誘導的心肌細胞凋亡， 提示HIF-1α和CT-1在缺氧誘導的小鼠心肌細胞凋亡中起保護作用。HIF-1在缺氧條件下能激活促紅細胞生成素的產生，促紅細胞生成素通過Akt信號通路減輕缺氧誘導的心肌細胞凋亡。促紅細胞生成素也可減輕多柔比星誘導的心肌病和心功能障礙，同時能通過PI3K-Akt途徑，降低含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-3（caspase-3）的活性，減少心肌細胞的凋亡。在缺氧條件下，HIF-1誘導血紅素氧合酶-1表達[21]，直接參與細胞的保護和抗凋亡。HIF-1誘導VEGF增加，血管再生，減少因缺血缺氧引起的心肌細胞凋亡。

缺氧能引起心肌細胞凋亡，其程度和缺氧時間有關[20]。Malhotra 等[22]報道，在H9C2心肌細胞培養模型上，與對照組相比，HIF-1α基因敲除使缺氧誘導的caspase3活性降低55%和心肌細胞凋亡降低46%，HIF-1α過表達上調Bax蛋白表達，進一步促進缺氧誘導的心肌細胞凋亡，提示HIF-1α介導缺氧誘導的心肌細胞凋亡。Zhou等[23]在新生大鼠心肌細胞培養模型上的研究發現慢性缺氧24 h誘導HIF-1α和Bcl-2家族蛋白Bnip3表達增加和心肌細胞凋亡，HIF-1抑制劑3-（5’-羥甲基-2’-呋喃基）-1-苯甲基吲唑（YC-1） 減輕這些變化，

提示HIF-1α介導缺氧誘導心肌細胞凋亡，Bnip3也參與這個過程。Wang等[24]研究也表明，缺氧再給氧誘導HIF-1α和Bnip3基因和蛋白表達上調和心肌細胞凋亡，用RNA干預技術敲除HIF-1α減輕這些變化，提示HIF-1α介導缺氧再給氧誘導的心肌細胞凋亡。最近，Diebold等[25]在肺動脈平滑肌細胞培養模型上發現HIF-1α過表達介導NADPH氧化酶4（Nox4）基因上調和ROS的形成，然而，在心肌細胞中，是否HIF-1α介導NOX4和ROS尚不清楚。

HIF-1α誘導或抑制心肌細胞凋亡仍存在分歧，這與不同疾病或疾病的不同階段中HIF-1α激活的程度，持續時間及靶基因有關。另外，細胞類別和動物種系也可能是因素之一。

HIF-1與心肌細胞自噬：在生理或輕度應激狀態下，心肌細胞自噬在維持內環境穩定和心肌細胞大小，心臟結構及功能方面起著重要作用。在心肌梗死后，心肌細胞自噬增加能改善心肌重構和保護心功能。在壓力超負荷誘導心肌肥厚時，心肌細胞自噬對心臟起保護作用；而在嚴重壓力超負荷誘導心力衰竭或其他病因所致終末期心力衰竭時，心肌細胞自噬加重心肌重構和惡化心功能[26]。在這些病理過程中，上調的HIF-1α與心肌細胞自噬的關系尚不清楚。

綜上所述，HIF-1在生理或應激狀態下對心肌細胞的大小，結構和功能起著保護作用。不同疾病或在疾病的不同階段HIF-1所起的作用存在分歧。在急性心肌缺血，缺血預適應，缺血后適應，缺血再灌注，急性心肌梗死和壓力超負荷誘導心肌肥厚中HIF-1增加起保護作用，而在慢性心力衰竭過程中HIF-1增加起惡化作用。進一步闡明HIF-1在這些疾病過程中的細胞和分子機理將為缺血性心臟病和壓力超負荷誘導的心肌重構和心力衰竭的防治提供新的途徑。

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2015-03-10）

（編輯：常文靜）

國家自然科學基金（81270307）

030001 山西省太原市，山西醫科大學（竇夢怡），山西省心血管病醫院（秦富忠、李保）

竇夢怡 碩士研究生 主要研究方向為心血管疾病的基礎和臨床 Email：348143371@qq.com 通訊作者：秦富忠 Email：sxcvh13@sina.com

李保 libaoxys@163.com

R54

A

1000-3614（2015）11-1125-03

11.3969/j.issn.1000-3614.2015.11.022