HIF-1介導的自噬在心臟疾病中的研究進展

張劉杰，李 靜，吳 博*

(1.哈爾濱醫科大學 基礎醫學院 病理生理學教研室,黑龍江 哈爾濱 150086；2.哈爾濱醫科大學附屬第二醫院 老年病科，黑龍江 哈爾濱 150081)

心血管疾病(cardiovascular disease)嚴重威脅人類健康，當今中國心血管疾病發病率快速增加，且往往導致猝死或心力衰竭。自噬與心臟疾病關系密切，適度自噬對缺血心肌具有保護作用，而自噬過強則參與缺血再灌注損傷的發生[1]。缺血缺氧狀態下，心肌自噬的調控機制尚不清楚。低氧誘導因子1(hypoxia-inducible factor 1，HIF-1)參與心肌自噬調控[2]。HIF-1作為機體重要的轉錄因子，通過調控靶基因表達維持機體供氧和需氧平衡，保持所有細胞的氧穩態[3]。本文簡要綜述在心臟疾病中有關HIF-1對自噬的調節作用。

1 HIF-1概述

HIF是由α亞基(HIF-α)和β亞基(HIF-β)構成的異源二聚體，包括HIF-1α、HIF-2α和HIF-3α 3種亞型，其中對于HIF-1α的研究最清楚[3]。HIF-1α是HIF-1的功能亞基，其蛋白表達受機體氧含量的精確調節，它決定HIF-1的轉錄活性[3]。

HIF-1蛋白水平的高低決定于細胞所處環境的氧含量。生理狀態下，HIF-1α蛋白水平極低[4]。但在低氧狀態下，由于羥化過程受到抑制，HIF-1α無法降解，HIF-1α快速積累于胞質內，通過募集其他相關輔助蛋白形成復合體后，HIF-1α最終轉入細胞核，與靶基因DNA的低氧反應元件(hypoxia res-ponse element,HRE)相結合，完成對靶基因轉錄的激活[4]。

HIF-1下游靶基因眾多，包括編碼調控紅細胞增值的促紅細胞生成素(erythropoietin，EPO)和編碼調控血管生成的血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)，兩者均與心血管系統功能密切相關[4]。

2 自噬及其調節

自噬是一種進化過程中高度保守的生物現象，是細胞清除受損大分子和細胞器的主要途徑。自噬包括3種類型，即巨自噬(macroautophagy)、微自噬(microautophagy)和分子伴侶介導自噬(chaperone-mediated autophagy)[5]。自噬通過清除被降解蛋白質等大分子物質，不但調節機體基礎代謝，而且與心血管疾病、神經退行性病變、腫瘤、衰老和糖尿病等密切相關[5]。自噬對機體發揮保護或損傷作用，取決于自噬發生程度及細胞所處的特定條件[5]。自噬的發生受營養缺乏、氧化應激及線粒體功能異常等諸多因素調節[5]。

自噬的調節主要依賴于哺乳動物雷帕霉素靶蛋白mTOR (mammalian target of rapamycin)途徑，mTOR屬于磷酸肌醇激酶3相關激酶家族，是PI3K/Akt的下游底物，是機體整合營養狀況與細胞增殖的主要調節信號。營養缺乏等刺激因素通過調節PI3K/AKT/mTOR 通路，募集自噬相關基因(autophagy associated gene,ATG)家族蛋白完成自噬泡的形成[6]。細胞饑餓時ATP/AMP 比值的變化通過激活5-AMP-activated protein kinase(AMPK)抑制mTOR，繼而影響自噬[7]。通過ATG家族蛋白的作用，自噬泡延伸形成自噬小體，最終與溶酶體融合，降解目標內容物[7]。

3 HIF-1介導的自噬與心臟疾病

3.1 自噬與心臟疾病

心肌自噬水平與心血管疾病的發生發展密切相關。缺血-再灌注(ischemia-reperfusion，I/R)損傷是研究自噬對缺血性心臟病影響的重要模型。在小鼠I/R損傷模型中，缺血通過AMPK/mTOR途徑激活自噬，增強的自噬在缺血過程中發揮保護作用；再灌注過程中自噬由Beclin1調控，且不依賴于AMPK，再灌注時過度的自噬導致細胞損傷[1，8-9]。同樣，在I/R損傷模型中，絲裂原活化蛋白激酶磷酸酶(DUSP1)通過下調再灌注自噬水平保護心肌，與野生型小鼠相比，DUSP1轉基因小鼠心肌損傷較輕，DUSP1在I/R損傷過程中通過JNK通路抑制BNIP3磷酸化水平和線粒體自噬[10]。在缺血后適應過程中，天然化合物小檗胺(berbamine)通過激活PI3K/AKT信號通路下調再灌注早期心肌細胞自噬水平，改善I/R損傷后的心臟功能[11]。此外，沖擊波治療通過AMPK/mTOR 通路增強低氧狀態下大鼠心肌細胞系H9c2自噬，發揮細胞保護作用[12]。綜上所述，心肌自噬水平與心肌損傷程度關系密切，適度增加缺血心肌自噬，降低再灌注心肌自噬，是缺血性心臟病治療的新方向。

3.2 HIF-1調節自噬的機制

HIF-1下游靶基因BNIP3參與心血管系統中HIF-1對自噬的調節[13]。Bcl-2/adenovirus E1B 19-kDa interacting protein 3(BNIP3)是Bcl-2家族成員，它主要存在于線粒體外膜，其N末端位于胞質側，C末端位于線粒體內，是低氧心肌細胞中明顯上調的基因之一[14]。BNIP3基因啟動區包含低氧反應元件HRE，故低氧狀態下BNIP3蛋白表達受HIF-1調控。低氧狀態下HIF-1上調誘導BNIP3蛋白表達增加，BNIP3破壞Bcl-2/Bcl-XL和Beclin1之間的結合，導致Beclin1大量釋放，繼而誘發自噬[15]。BNIP3可通過促進自噬小體形成而提高自噬[16]。

3.3 HIF-1介導的自噬與心臟病和慢性缺氧的關系

3.3.1 HIF-1介導的自噬與缺血性心臟?。篐IF-1參與調節缺血心肌自噬。在大鼠冠狀動脈結扎復制的I/R損傷模型中，I/R誘導HIF-1α和下游靶基因BNIP3蛋白水平升高，伴有自噬標志蛋白水平升高[2，17]。在無氧與無糖培養的類心肌細胞H9c2中，利用siRNA敲減HIF-1α或BNIP3蛋白水平導致自噬水平降低，相反，過表達HIF-1α或BNIP3能夠提高自噬[2，7]。提示在缺血缺氧的過程中，上調的HIF-1蛋白及靶基因表達產物BNIP3蛋白可促進心肌自噬。

缺血缺氧狀態下機體內源性調節因素的變化可以通過HIF-1影響心肌自噬。有關降脂藥前蛋白轉化酶枯草溶菌素9型(proprotein convertase subtilisin/kexin type 9，PCSK9)的研究表明，在小鼠心肌缺血時，內源性PCSK9表達增高并伴有自噬增強，而利用siRNA敲減心肌細胞HIF-1α蛋白導致缺氧狀態下PCSK9表達減少及自噬水平降低，說明PCSK9對缺血心肌自噬的調節與HIF-1相關[18]。一項有關雌激素對心血管保護作用的研究顯示，過表達雌激素受體(ERβ)的H9c2細胞經過缺氧處理后，HIF-1α、BNIP3和LC3-Ⅱ蛋白表達均減少，伴有凋亡降低，說明ERβ對缺氧心肌的保護作用與其影響HIF-1α及自噬有關[19]。

藥物可以通過調節HIF-1蛋白水平，干預缺血心肌自噬程度。中藥三七總皂苷上調HIF-1α、BNIP3和自噬標志蛋白的表達，該藥物通過上調HIF-1α介導自噬增強，從而發揮心肌保護作用[20]。缺血后適應能夠改善I/R時心肌損傷程度，而在缺血后適應過程中麻醉藥七氟醚的應用，能夠進一步減輕心肌損傷，七氟醚的心肌保護作用與其上調HIF-1α引發自噬增強有關[21]。

上述研究證明，缺血或缺氧時心肌自噬程度的增強與HIF-1α及其靶基因表達產物BNIP3蛋白上調密切相關。

3.3.2 HIF-1介導的自噬與心力衰竭和慢性缺氧：有關HIF-1α與壓力負荷過度所致心力衰竭關系的研究顯示，缺乏HIF-1α可加速心力衰竭進展。條件性敲除心肌細胞HIF-1α，一方面導致HIF-1α靶基因VEGF表達減少，另一方面引起自噬水平過低，上述兩方面原因加速代償肥大的心肌組織的缺血進程[4]。相反，熱休克轉錄因子1通過上調HIF-1α蛋白表達，增強心肌自噬水平，延緩心力衰竭進展[22]。

低氧(10% O2)提高心肌HIF-1α和Beclin-1蛋白表達，增強的自噬抑制心肌凋亡；而高氧(30% O2)條件下自噬程度降低，導致心肌損傷增重[23]。孕期生活于海拔3 000 m高原的孕羊，回到平原地區分娩幼仔，乳羊心臟HIF-1α、LC3B-Ⅱ蛋白水平和 LC3B-Ⅱ/LC3B-I比值均升高[24]。綜上，在慢性低氧導致的心肌損害中，HIF-1α蛋白水平的增高引起心肌自噬增強。

綜上所述，自噬與心臟疾病關系密切，缺血低氧時轉錄因子HIF-1α的上調促進心肌自噬，HIF-1α靶基因表達產物BNIP3蛋白參與此調節過程。

4 問題與展望

自噬與心臟疾病緊密關聯。現有研究表明，HIF-1調節心血管系統細胞自噬，HIF-1靶基因表達產物BNIP3蛋白參與此調節過程。除HIF-1外，其他因素如轉錄因子FoxO3a同樣上調BNIP3蛋白表達和自噬水平，所以心肌自噬過程中BNIP3蛋白表達的變化是否僅與HIF-1有關，尚不明確。HIF-1靶基因表達產物BNIP3調節自噬的機制也不清楚。進一步研究，有助于揭示HIF-1對心肌自噬的調控機制，為心臟疾病的防治提供新思路。