內皮PAS區域蛋白1與低氧適應關系的研究進展

韓永建，常 榮

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·前沿進展·

內皮PAS區域蛋白1與低氧適應關系的研究進展

韓永建，常 榮

在低氧環境下，機體會出現一系列病理生理改變，藏族人群長期居住在高原，對高原的低氧環境有極強的適應能力，這種適應可能與長期自然選擇導致的基因變異有關。目前，內皮PAS區域蛋白1(EPAS1)在低氧適應中的具體機制尚不清楚，但藏族人群低氧適應可能與EPAS1調節紅細胞生成、促進腸道對鐵的吸收、抑制低氧性肺動脈高壓形成及其基因變異等有關。本文就EPAS1與低氧適應關系的研究進展進行綜述。

內皮PAS區域蛋白1；低氧適應；綜述

韓永建，常榮.內皮PAS區域蛋白1與低氧適應關系的研究進展[J].實用心腦肺血管病雜志，2016，24(2)：4-7.[www.syxnf.net]

Han YJ，Chang R.Progress on relationship between EPAS1 and hypoxic adaptation[J].Practical Journal of Cardiac Cerebral Pneumal and Vascular Disease，2016，24(2)：4-7.

高原環境下低氧對機體生理功能的影響最大，藏族人群長期居住在高原，對高原的低氧環境有極強的適應能力，這種適應可能與長期自然選擇導致的基因變異有關。臨床研究顯示，目前關于低氧適應的主要候選基因有內皮PAS區域蛋白1(endothelial PAS domain protein 1，EPAS1)、EGLN1。臨床研究顯示，低氧誘導因子(hypoxia inducible factor，HIF)在低氧反應中起關鍵作用，其廣泛存在于哺乳動物體內，可促進哺乳動物適應高原環境。EPAS1又稱為HIF-2α，屬于HIF，其在低氧反應中起核心作用[1]。低氧環境下EPAS1可調節紅細胞生成，另外其也是藏族人群適應低氧環境的主要調控因素。EPAS1能編碼許多低氧調節基因，如紅細胞生成素、血管內皮生長因子(VEGF)、腎上腺髓質素(ADM)及葡萄糖轉運體1等[2-3]。正常環境下，EPAS1被脯氨酰羥化酶羥化，最終被降解；低氧環境下，EPAS1首先轉移到細胞核，與HIF-1β結合形成二聚體，隨后與低氧調節基因上的低氧反應元件(hypoxia-response element，HRE)結合，進而啟動基因轉錄。目前，EPAS1在低氧適應中的具體機制尚不清楚，但藏族人群低氧適應可能與EPAS1調節紅細胞生成、促進腸道對鐵的吸收、抑制低氧性肺動脈高壓形成及其基因變異有關。本文就EPAS1與低氧適應關系的研究進展綜述如下。

1　EPAS1的結構

Semenza等[4-5]于1991年發現促紅細胞生成素(EPO)基因3′末端增強子能與HIF結合，接著發現HIF-1，隨后又發現HIF家族的另外兩個成員HIF-2和HIF-3。HIF-2是由HIF-2α和HIF-1β兩個蛋白質亞基組成的異源二聚體蛋白質復合物，其中α亞基受氧濃度調節，而β亞基不受氧濃度調節，β亞基的功能可能與HIF-2的結構穩定性有關。研究顯示，EPAS1基因位于人類2號染色體p16-21區，而HIF-1β基因位于人類1號染色體q21區[6]。

2　EPAS1的分布與靶基因

EPAS1在血流豐富的細胞(如血管內皮細胞、胎肺成纖維細胞)內含量較高，而在白細胞內含量非常低，且其在不同組織內表達水平不同。EPAS1的靶基因涉及紅細胞生成、血管擴張與收縮、骨髓造血、能量代謝、腫瘤血管生長及鐵代謝等方面，EPAS1通過與靶基因上的啟動子或增強子上的HRE結合而作用于VEGF、血管內皮細胞蛋白酪氨酸磷酸酶(VE-PTP)、ADM、葡萄糖載體蛋白1(GLUT1)、白介素6(IL-6)、脂肪分化相關蛋白(ADPR)、纖溶酶原激活物抑制劑-1(PAI-1)等的靶基因。Geis等[7]研究發現，肝癌細胞敲除EPAS1基因后肝細胞癌血管生成減少，且運用基因芯片技術發現其靶基因為PAI-1基因。EPAS1可通過其靶基因VE-PTP增強內皮細胞屏障的完整性[8]。Ryu等[9]研究發現，缺少IL-6的大鼠即使EPAS1過高表達也不易發生類風濕關節炎，EPAS1主要是通過IL-6刺激輔助性T17(Th17)細胞分化而促進類風濕關節炎的形成。

3　EPAS1與低氧適應的關系

研究發現，世居的藏族人群與遷移的漢族人群EPAS1基因的單核苷酸多態性(single nucleotide polymorphisms，SNP)有明顯差異，不同海拔的物種EPAS1基因的SNP也存在較大差異，這可能是長期自然選擇的結果。有研究顯示，EPAS1能調節紅細胞生成、促進腸道對鐵的吸收、抑制低氧性肺動脈高壓形成、調節一系列低氧相關基因的表達，這可能均與藏族人群對低氧的適應有關。

3.1EPAS1能調節紅細胞生成低氧環境可促進腎臟合成EPO，紅細胞生成增多以便攜帶更多的氧氣到組織，利于適應低氧環境[10-11]。HIF有3種亞型，即HIF-1α、HIF-2α(EPAS1)、HIF-3α，其中HIF-1α可在體外低氧反應中誘導EPO合成，而EPAS1是誘導EPO表達的主要轉錄因子[12-14]，短期內紅細胞增多能促進人體對低氧適應，但長期低氧會引起紅細胞與血紅蛋白增多而導致血液黏稠度增加，易造成血栓形成。

大量研究發現，藏族人群血紅蛋白水平能維持在較低水平。Beall等[15]采用全基因組等位基因分化掃描法對云南3 200～3 500 m藏族和漢族居民502 722個SNP比較后發現，8個SNP位點與藏族低血紅蛋白水平有密切關系。Wu等[16]通過對居住在喜馬拉雅山的高原居民和低海拔居民進行比較發現，高原居民的血紅蛋白水平低于海拔移居者與安第斯山土著居民，證明健康的本土人可以居住在高海拔但血紅蛋白水平未升高，低血紅蛋白水平利于低氧適應。Wu等[17]首先檢測出8種組織有EPAS1信使RNA表達，EPAS1在肺和胰腺表達最高，但在牦牛EPAS1基因上又發現3種異常SNP，巴利和甘南的牦牛AA基因型、GA基因型及A等位基因出現頻率高于天祝牛，表明巴利牦牛g 83065G>A多態性與血紅蛋白水平有關。Xu等[18]研究發現，EPAS1啟動子兩個功能位點與藏族人群低氧適應有關，且rs12619696SNP與高原紅細胞增多癥有關。Chen等[19]通過對青藏高原男性漢族EPAS1基因進行研究發現，位于EPAS1基因非編碼區域的3個SNP(rs13419896，rs4953354，rs1868092)單倍體型在高原紅細胞增多癥的患者中更常見，表明攜帶有這種單倍體型基因的人更易患高原紅細胞增多癥。Petousi等[20]研究發現，藏族人群血紅蛋白水平低、肺通氣量高，且在急性和慢性持續性低氧環境下肺血管收縮反應較遲鈍，且發現EPO與EPAS1和EGLN1有很大關系。上述研究均表明，EPAS1能通過EPO促進紅細胞生成，維持低的血紅蛋白水平，從而利于人類短期內適應低氧環境，但長期則會造成高原紅細胞增多癥，而EPAS1維持低血紅蛋白水平可能與長期EPAS1基因的自然選擇有關。

3.2EPAS1能促進腸道對鐵的吸收長期居住于高原的人群紅細胞與血紅蛋白相對平原人群增多，血紅蛋白增多需要更多的鐵，而影響鐵吸收與轉運的主要基因有3種，分別為二價金屬轉運體1(divalent metal transporter 1，DMT1)、十二指腸細胞色素B(duodenal cytochrome b，DCYTB)和膜鐵轉運蛋白(ferroportin，FPN)。Mastrogiannaki等[21]對大鼠腸道上皮細胞HIF-2α與HIF-1α基因進行敲除后發現，HIF-2α基因缺失的大鼠DMT1、IRE(80%)、DCYTB(85%)及FPN水平降低，而HIF-1α基因缺失可導致轉運葡萄糖轉運體1減少55%，但未影響鐵吸收相關基因的表達，表明HIF-2α與腸道對鐵的吸收有關。EPAS1可能通過促進腸道對鐵的吸收而維持血紅蛋白水平，以便攜帶更多的氧，促進人體對低氧的適應。

3.3EPAS1能抑制低氧性肺動脈高壓形成低氧性肺動脈高壓是由于長期慢性缺氧導致的肺血管收縮與重塑，最終造成右心室肥厚、心力衰竭。EPAS1在低氧時能夠激活VEGFA基因編碼一種誘導血管生成的蛋白質；EPAS1可能參與肺動脈高壓的形成，如一些EPAS1基因突變的患者顯示出肺動脈高壓[22-23]；另外，通過對基因工程大鼠進行研究發現，單倍體型不足的EPAS1可延遲或避免發展成肺動脈高壓，雜合子大鼠能夠部分抑制紅細胞增多、肺血管重塑、出血及高原肺水腫。EPAS1不同基因突變可能在低氧性肺動脈高壓形成中作用不同，有研究發現藏族人群肺動脈高壓發生率低于漢族人群，可能與EPAS1抑制藏族人群低氧性肺動脈高壓形成有關，有利于藏族人群更好地適應低氧環境。

3.4EPAS1基因變異與低氧適應的關系全基因組掃描顯示，人類高海拔適應取決于低氧誘導因子通路[24]。Wang等[25]采用全基因組測序方法檢測不同海拔狗發現，藏族狗和低海拔狗血紅蛋白水平間無差異，且在145 kb長度的區域里發現藏族狗和低海拔狗共有225個SNP發生不同，同時還發現EPAS1的4種非同義突變(G305S、D494E、V500M、P750S)；進一步分析發現，藏族狗EPAS1位點等位基因突變率為95%，而低海拔狗僅為6%；比較序列發現，所有已知脊椎動物中305位密碼子編碼的甘氨酸是保守的，且G305S位于PAS-B區域的Gβ層，這個區域是結合配體的主要功能區[25-27]。表明EPAS1基因某些位點突變能夠維持藏狗較低的血紅蛋白水平，可能是其適應低氧的主要原因。

Yi等[28]通過分析藏族人群50個外顯子組發現，自然選擇最強的信號來自EPAS1，差異最大的SNP位點位于內含子，藏族等位基因頻率為87%，而漢族僅為9%，這是迄今為止在人類發現的最大的等位基因頻率差異。Zhang等[29]研究發現，高原狼常染色體雜合率低于低海拔狼，在1 548個推定的基因中84個基因可能與低氧有關，為了確定與低氧適應有關的基因，該研究組對非同義SNP進行鑒定發現只有3個基因(EPAS1、RYR2、ANGPT1)可能與低氧適應有關，在EPAS1基因中發現3個非同義SNP，另外通過測序發現高原狼和低海拔狼上述基因非同義SNP頻率差異大于58%。表明不同海拔物種EPAS1基因SNP存在很大差異，該差異可能是長期自然選擇的結果，可促進高原物種對低氧環境的適應。

Hendrickson[30]通過對等位基因遺傳模型研究發現131個與低氧適應的候選基因，與低氧適應相關的重要基因是低氧誘導因子通路中的EPAS1。Li等[31]通過對32只藏獒、20只中國本土狗與14只灰狼的SNP進行比較，確定了16個與藏獒正選擇信號相關的基因，其中12個基因與低氧適應有關，如EPAS1、SIRT7、PLXNA4、MAFG等，這些基因在低氧反應中具有重要作用。Xing等[32]采用HIS和XP-EHH方法對蒙古人正選擇候選基因區域進行分析，最終確定了96個區域和162個候選基因，將確定的選擇性區域與以往報道的藏族低氧適應基因進行比較后確定了3個高原選擇候選基因(EPAS1、PKLR、CγP2E1)，這些低氧相關的基因與代謝過程有關，可能與高海拔重要生理反應有關[33]。Peng等[34]通過與Beall、Simonson的研究相比較確定出低氧適應的主要候選基因EPAS1和EGLN1，盡管其他基因也可能在低氧適應中起作用，但多重研究的基因組數據表明這兩個基因起主要作用。以上研究均表明，EPAS1為低氧適應的候選基因，該基因突變能夠促進物種對高海拔低氧的適應。此外，EPAS1還能維持藏族人群高的肺通氣，藏族新生兒較高的出生體質量也助于其對低氧適應。

綜上所述，EPAS1能維持藏族人低血紅蛋白水平、促進腸道對鐵的吸收、抑制低氧性肺動脈高壓形成，盡管高原不同物種在低氧適應基因研究方面取得很多成果，但未獲得對EPAS基因的全面認識，關于EPAS1基因在低氧適應中的生理與分子機制尚不清楚；此外，低氧適應可能是多種基因共同作用的結果，需要進一步研究與探索。但需要明確的是了解高海拔人群低氧適應的機制能夠預測、預防及治療低氧相關的疾病，具有重要的臨床意義。

【延伸閱讀】

最新研究顯示，藏族人動脈和毛細血管較粗，能為肌肉和器官輸送更多的氧，利于他們適應低氧環境。而這種低氧適應能力被證實與其體內攜帶的極不尋常的EPAS1基因單體型結構有關，且有研究者通過與來自全世界的多個現代人群及古人類基因組數據比較發現，這個受到定向選擇的單體型僅以高頻率形式存在于現代藏族人和古丹尼索瓦人中，以非常低的頻率存在于漢族人中，而在包括歐洲人、非洲人的其他主要現代人群中頻率為零，以上發現使研究者確信藏族人中該受到定向選擇的單體型源于古丹尼索瓦人或古丹尼索瓦相關人與其基因交流。

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(本文編輯：謝武英)

Progress on Relationship Between EPAS1 and Hypoxic Adaptation

HANYong-jian，CHANGRong.

GraduateSchoolofQinghaiUniversity，Xi′ning810016，China

Under the low oxygen environment，body will appear a series of pathophysiological changes.Tibetan nationality crowd lives in plateau for a long time，have very strong adaptability to low oxygen environment，it may correlated with genovariation caused by long-time natural selection.At present，the mechanism of EPAS1 in hypoxic adaptation is not very clear，it is supposed that，the hypoxic adaptation of Tibetan nationality crowd is likely to correlated with the roles of EPAS1，such as adjustment of erythropoiesis，acceleration of iron in intestinal tract，inhibit the formation of hypoxia-induced pulmonary hypertension and related genovariation.This paper reviewed the progress on relationship between EPAS1 and hypoxic adaptation.

Endothelial PAS domain protein 1；Hypoxic adaptation；Review

國家自然科學基金資助項目(81360301)；青海省應用基礎研究計劃資助項目(2013-Z-743)

810016青海省西寧市，青海大學研究生院(韓永建)；青海省人民醫院心內科(常榮)

常榮，810007青海省西寧市，青海省人民醫院心內科；E-mail：qhschangrong@126.com

R 594.3

A

10.3969/j.issn.1008-5971.2016.02.002

2015-11-05；

2016-02-14)