低氧誘導因子在腫瘤中的表達

李鑫，王凱宇，姜洋，安彩艷

（1.內蒙古大學生命科學學院，內蒙古呼和浩特 010021；2.內蒙古醫科大學附屬醫院臨床醫學研究中心，內蒙古呼和浩特 010050）

低氧誘導因子（HIFs）是一種調控與氧有關的轉錄激活因子，在系統和細胞水平的穩態變化中起著中心調控作用，目前已發現HIF1、HIF2和HIF3。腫瘤細胞因其快速增殖、能量供應不足，導致缺氧微環境的產生，腫瘤中的缺氧可促進血管生成異常、去毛細胞增生和炎癥。腫瘤細胞還能促進選擇具有更惡性表型的癌癥細胞，促進腫瘤進展和轉移，從而作為疾病結局的指標。低氧腫瘤細胞也對放療和大多數化療有抵抗作用。腫瘤除了腫瘤細胞外，還包括間質細胞和細胞外基質（ECM），它們也受到低氧環境的影響[1]。越來越多的研究強調了腫瘤微環境在調控腫瘤進展和擴散方面的重要性[2]，腫瘤細胞可通過啟動一系列低氧適應性反應來調節和適應缺氧環境。許多研究已經確定了HIFs在各種癌細胞中的高表達，并且發現它與腫瘤的生物學行為密切相關。HIFs在腫瘤起始、代謝適應缺氧、凋亡抵抗、腫瘤干細胞生長、炎性細胞招募、血管生成和轉移等方面有重要的作用[1,3]，使其更有利于生存，從而促進了腫瘤的發展，導致了缺氧和惡性進展的惡性循環。本文對低氧誘導因子以及其參與腫瘤的血管生成、代謝、增殖等過程進行了闡述。

1 HIFs的發現

HIF-1α是HIF轉錄因子家族的第一個成員，1992年Semenza和Wang通過其作為促紅細胞生成素的轉錄激活物而發現[4]，隨后發現它控制著整個身體的細胞內缺氧反應。HIF-1α普遍存在于人和哺乳動物細胞內，在常氧條件下（21%O2）也有表達，但合成的HIF-1α蛋白很快降解，只有在缺氧條件下才可穩定表達。HIF-1α之后又發現了HIF-2α，稱為內皮pas域蛋白1（EPAS1），它與HIF-1β亞基結合形成HIF-2異二聚體[5]。雖然HIF-1α和HIF-2α有著高度的序列相似性和類似的蛋白質結構[6-7]，但與HIF-1α的普遍存在相反，HIF-2α只在特定的細胞類型和腫瘤類型中表達，并介導不同的信號通路，具有相反的功能[8]。HIF-3α是HIF的最新成員，與其他兩個同系物相比，人們對HIF-3α知之甚少。然而一些最近的研究表明，HIF-3α有多個變體[9]。HIF-3存在一個剪接變異體，被稱為抑制PAS（Inhibitory PAS，IPAS），主要表達于小腦的浦肯野細胞和角膜上皮中。這對維持角膜中的無血管表型至關重要[10]。IPAS不具有內源性轉錄活性，但它也可以和HIF-let氨基末端區域作用，從而阻止其DNA結合，發揮HIF-let負性調控子的作用。但也有數據表明，HIF-3在某些情況下也可以作為轉錄激活劑[11]。

2 HIF的結構與作用機理

HIFs是由α亞基（HIF-1α、HIF-2α、HIF-3α）和β亞基（HIF-1β、HIF-2β、HIF-3β）組成的異二聚體。α亞基是HIF DNA結合和轉錄活性的主要決定因素，受到缺氧信號的調節。三個α亞基都包含氧依賴性降解區域（Oxygen-dependent degradation domain，ODD）和N端反式激活結構域（N-transactivation Domain，N-TAD），HIF-1α 和 HIF-2α也包含一個C端反式激活結構域（C-transactivation Domain，C-TAD）[12]。β亞基也叫芳香烴受體核轉運子（Aryl hydrocarbon re-eptor nuclear translocator，ARNT），在細胞核中表達，活動不受缺氧的影響[13-14]。這兩個亞基同屬于螺旋-環-螺旋（basic-he-lix-loop-helix-Per/Amt/Sim,bHLH-PAS）蛋白家族[15]。

目前，對HIF1α與HIF2α的作用機理研究的比較廣泛，在常氧條件下，HIF-1α亞基進行C-TAD的天冬氨酸殘基羥基化，降低了其轉錄活性[16]；或者在ODD的多肽序列內的保守性脯氨酸殘基被脯氨酰羥化酶結構域（Prolyl hydroxylase domain，PHD）蛋白發生氧依賴的脯氨酰羥化[17]，并通過腫瘤抑制蛋白（Von Hippel-Lindau，pVHL）介導的泛素-蛋白酶體通路降解[18]。因此，HIF-1α持續表達并快速降解，維持在一個很低的水平之內。然而在低氧條件下，脯氨酰羥化和蛋白酶體降解被抑制，導致HIF-1α的穩定和積累，HIF-1α亞基被轉移到細胞核中，與HIF-1β相結合，HIF復合物與氧調節基因啟動子區域的缺氧反應元件（HRE）結合，導致其轉錄激活，進而激活大量下游靶基因。這些靶基因都參與了腫瘤細胞對缺氧條件的適應，并通過誘導血管生成、局部浸潤和轉移傳播等方式促進腫瘤的發展[19]。

3 HIFs對腫瘤細胞的作用與影響

低氧腫瘤微環境是許多實體瘤組織的關鍵特征[20]。大多數實體腫瘤如正常的組織一樣，需要定期供應氧氣和營養物質，以及消除細胞代謝廢物的過程。但隨著腫瘤的不斷擴大，宿主血管供應不足，于是腫瘤發展自己的功能性血管供應。但新形成的腫瘤血管不僅紊亂，而且還伴隨許多結構和功能異常[21]，因此，它仍然無法滿足腫瘤生長的所有需求（尺寸為2～3mm），于是在腫瘤內部形成了一種以缺氧為主的惡性微環境，雖然缺氧對腫瘤細胞生長有一定的影響，但一系列抗低氧蛋白的誘導能夠保護細胞免受侵害，HIFs是協調這種保護作用最主要的轉錄因子[22]。HIFs通過減少氧氣消耗和增加氧氣供應來調控許多幫助細胞適應缺氧條件的基因的表達。一般來說，這包括刺激血管生成基因以增加流向缺氧區域的血管流量[23]，將能量代謝轉化為需要較少氧的糖酵解途徑和擾亂細胞周期使其細胞增殖不受控制等。HIFs可以上調各種下游靶基因表達以及蛋白質的生物合成，如紅細胞生成、糖酵解、EMT、轉移、血管生成和治療抵抗[24-28]，這不僅提高了腫瘤的生存潛力，而且還能增加它們的侵襲性和轉移性[29]，其介導的信號通路如圖1所示。

圖1 缺氧條件HIF調控基因的信號通路

3.1 HIFs對腫瘤血管生成與轉移的影響

氧是正常組織中必不可少的營養物質，也是促進腫瘤擴散轉移的重要因素。在缺氧微環境中，由于缺氧誘導因子高表達，導致血管生長因子（Vascular growth factor，VGF）上調，進而引起血管生成的一系列過程[30-31]。血管內皮生長因子（Vascular endothelial growth factor，VEGF）是最重要的血管生成因子,許多研究表明，VEGF在促進骨、肺、腎、腦、血管內皮細胞、腫瘤和其他組織的增殖、遷移和趨化反應方面起著重要作用[32-36]。VEGF在正常組織中表達非常低或缺失，但在許多惡性腫瘤如卵巢癌、乳腺癌、胃癌、膀胱癌中表達較多[37]。VEGF的表達水平與晚期腫瘤分級、惡性腫瘤及腫瘤組織血管發生呈正相關[38]。腫瘤細胞表達高水平的VEGF和VEGF受體2（VEGFR2）誘導血管內皮細胞的生長，內皮細胞的增殖和新血管的形成[39]。除了VEGF外，其他血管生成相關的基因產物和受體也受HIF-1的調控。胰島素樣生長因子1（Insulin-like growth factor，IGF1）能夠通過激活HIF-1α/VEGF信號通路促進腫瘤血管生成，最近研究表明，IGF1/IGF1R激活ERK1/2和AKT信號進而激活HIF-1α/GPER/VEGF轉導通路誘導乳腺腫瘤血管生成[40]。G蛋白雌激素受體（G protein estrogen receptor，GPER）是新發現的HIF-1α靶基因，在缺氧乳腺腫瘤微環境參與調節VEGF[41-42]。還有研究表明，HIF-1α能通過NF-κB通路促進肝癌細胞的遷移和入侵[43]，并且HIF-1α還可以上調上皮間充質過渡相關轉錄因子（EMT-TFs）,并對抗 p53[44-45]。因此，HIF-1不僅通過VEGF誘導介導血管生成，加速細胞的擴散與侵襲，以及癌細胞向轉移表型的轉移[3]，而且通過更復雜的機制影響腫瘤的發展。

3.2 HIFs對腫瘤代謝過程的影響

為了促進合成代謝過程，腫瘤細胞消耗的葡萄糖比正常細胞要多得多，并且主要通過糖酵解代謝，甚至在富氧條件下，代謝表型通常為有氧糖酵解或Warburg效應[46]。在正常分化的哺乳動物細胞中，葡萄糖通過糖酵解、線粒體三羧酸（TCA、Krebs）循環和氧化磷酸化（OXPHOS）的方式分解為CO2。然而在腫瘤細胞中，因為線粒體氧化大大減少，葡萄糖主要是由糖酵解作用被消化吸收，只有大約5%的葡萄糖通量進入線粒體，通過TCA循環和OXPHOS氧化。HIF-1介導葡萄糖轉運蛋白（GLUT1、GLUT3）和糖酵解酶（ALDOA、ENO1、GAPDH、HK1、HK2、PFKL、PGK1、PKM2和 LDHA）的基因表達，提高糖酵解速率，并且產生大量的乳酸,酸化癌細胞的微環境，更加促進了癌細胞的增殖、侵襲和遷移等能力[47-48]。HIF-1還通過增加丙酮酸脫氫酶激酶1（PDK1）的表達，抑制線粒體氧化代謝[49]。在某些細胞類型中，HIF-1還可以介導戊糖磷酸途徑（PPP）的轉肽酶（TKT、TKTL2）的表達[50]。通過信號轉導通路，中間代謝與癌癥生物學之間的聯系變得越來越明顯[51-53]。HIFs積極調控一系列糖酵解等細胞代謝有關的基因，有利于腫瘤細胞適應低氧應激。

3.3 HIFs對腫瘤細胞增殖的影響

有研究表明，多種癌細胞系在缺氧情況下，細胞周期阻滯，細胞增殖受到抑制[54-55]。然而，某些癌細胞在缺氧的情況下仍然可以維持細胞增殖[56]。HIF-1增強了細胞分裂周期蛋白6（Cell division cycle protein 6，Cdc6）和微小染色體維持蛋白（Minichromosome maintenance protein，MCM） 之間的物理相互作用,但減少了對激活細胞分裂周期蛋白7（Cell division cycle protein 7，Cdc7）和下游蛋白的招募，最終導致了DNA復制的減少，細胞周期阻滯。這些結果表明，HIF-1α通過對DNA復制機制的直接（負）效應，抑制細胞周期的進展。但MCM除了具有解旋酶的作用，多個MCM蛋白還可以與HIF-1α結合并抑制HIF-1α活性[57]。MCM7直接與HIF-1α和VHL泛素連接酶復合物的組成部分結合，從而提高HIF-1的氧依賴降解。從而提供了一種機制,通過這種增殖信號，HIF-1α和MCM蛋白質之間相互敵對的平衡，可以覆蓋缺氧對細胞周期的影響[58]。還有一種解釋是Myc（原癌基因）和HIF-1α之間存在一定的平衡，在決定細胞周期對缺氧的敏感性方面起作用。在高水平的Myc和HIF-1α的癌細胞中，這兩個因素共同促進了編碼糖酵解酶的靶基因的轉錄激活[59]。因此，通過中和HIF-1α對細胞周期的影響，同時促進HIF-1α介導的轉錄，從而促進腫瘤的生長。

4 討論

缺氧是實體腫瘤的共同特征，與癌癥進展有關。低氧反應的主要調控因子是HIFs，它通過基因激活引導細胞適應缺氧。癌癥的進展不僅受癌細胞本身的調控，也受由細胞和細胞外成分組成的整個腫瘤微環境的調控[60]。低氧誘導因子（HIFs）介導自適應對缺氧的生理反應。在人類癌癥中，可以使用O2電極測量，瘤內缺氧是常見的，并與增加的死亡風險有關。腫瘤細胞的特征是細胞增殖異常，而在實體瘤內形成的血管通常結構和功能異常，導致嚴重的缺氧[61]。在體內所遇到的各種環境壓力往往會影響特定的遺傳調控因子以促進細胞的存活。在缺氧條件下，當O2的可用性降低時，癌癥細胞會激活HIFs誘導下有信號通路調節細胞的生長和代謝，但這種失調的機制和后果，從一個癌癥到另一個，甚至從癌細胞到另一個癌癥細胞都有很大的不同。在一些癌細胞中，O2仍然控制著細胞增殖的速率，而其他的細胞即使在嚴重的缺氧條件下仍會繼續分裂，單個癌細胞的代謝反映了特定基因改變的存在，這可能會改變O2獨立的人體內的代謝，以及在腫瘤微環境中O2的空間和時間的異質性。提高HIF-1α水平也能增加癌癥死亡率的風險，包括膀胱、大腦、乳腺癌、結腸癌、食道癌、頭部和頸部/口咽、肝、肺、胰腺、皮膚、胃癌、子宮以及在急性淋巴細胞和骨髓性白血病[62]。臨床數據表明在某些癌癥中，如腎透明細胞癌，HIF-2α超表達而HIF-1α經?；蛉笔Р槐磉_[63]。在結腸癌中，HIF-1α超表達而HIF-2α不表達[64]。很明顯，HIF轉錄因子的調控是一種復雜的方式，并受到除氧以外的許多因素的控制。

腫瘤干細胞在腫瘤的發生和發展中起著至關重要的作用[65]。目前，癌癥研究的一個主要焦點是在腫瘤發生和治療過程中，腫瘤干細胞的作用。這些細胞占活腫瘤細胞總數的1%～25%[66]，它具有自我更新和分化的雙重特性，但它們被認為是必須完全消除以獲得腫瘤控制的細胞，缺氧和癌癥干細胞之間可能存在聯系[67]。缺氧可通過缺氧誘導因子的上調，使腫瘤干細胞產生和維持。有研究表示，缺氧時激活HIF-1誘導癌癥干細胞樣細胞，或介導乳腺癌細胞與間充質干細胞之間的旁分泌信號傳導，促進轉移[68-69]。