HIF-1α在高原缺氧疾病中的分子調控機制研究進展*

孫平安 綜述，馬曉峰，吳 穹，楊 惠△ 審校

(1.青海大學醫(yī)學院基礎醫(yī)學部，青海 西寧 810000；2.青海省心腦血管病專科醫(yī)院，青海 西寧 810000)

伴隨社會、經濟快速發(fā)展前往高原地區(qū)的人口不斷增多，然而大量久居平原人口無法快速適應缺氧環(huán)境，導致近年來高原缺氧疾病頻發(fā)。通常在高原缺氧條件下，機體為應對低氧脅迫而產生一系列代償調控，其中低氧誘導因子-1α(HIF-1α)是缺氧誘導調控的關鍵轉錄調控因子，介導細胞生長、增殖、遷移、凋亡和自噬等過程，也是機體多種生理調節(jié)和病理調控的關鍵分子。HIF-1α在常氧狀態(tài)下有表達，但HIF-1α蛋白能快速被細胞內氧依賴性泛素蛋白酶降解途徑降解，只在缺氧條件下才能穩(wěn)定表達。大量研究發(fā)現，HIF-1α在高原缺氧性疾病的調控中具有雙向作用，通常在急性高原缺氧過程中HIF-1α具有改善缺氧的正向作用；而慢性高原缺氧過程中HIF-1α具有促進疾病發(fā)展的負向作用。由于HIF-1α在高原缺氧疾病發(fā)展過程中的調控機制十分復雜，因此，本文從HIF-1α的結構功能、生理作用及調控機制等角度進行了綜述，以期為后續(xù)探討HIF-1α參與高原缺氧疾病的臨床診治提供基礎參考依據。

1 HIF-1α的結構

HIF-1α在人類14號染色體q21～24區(qū)，是缺氧信號直接控制的關鍵因子之一，由826個氨基酸構成。HIF-1α能快速參與缺氧應答反應與其自身組成結構有關。HIF-1α的C末端含有氧依賴降解結構域(ODDD)和反式激活結構域(TAD-C)，以及在有氧條件下能夠特異性地定位于細胞核內的核定位信號簇[1]。HIF-1α的N末端含有轉錄激活所必需的TAD-C可介導α亞基與β亞基結合形成二聚體并與靶基因啟動子上的缺氧反應元件結合，發(fā)揮激活靶基因的作用，在周期晝夜蛋白-芳基烴受體核轉運蛋白-專一蛋白結構域的參與下促進異源蛋白二聚體的形成。HIF-1α的N-端有脯氨酸殘基——脯氨酸-402、脯氨酸-564，C-端有天冬氨酸殘基——天冬氨酸-803等羥化反應作用位點[2]，為HIF-1α參與生化反應提供了基礎的結構位點。

2 HIF-1α的功能

低氧環(huán)境在機體發(fā)育過程中是普遍存在的，HIF-1α與細胞的生長、增殖密切相關。有研究表明，在大鼠晶狀體胚胎發(fā)育過程中，HIF-1α高表達于晶狀體細胞分裂、增殖旺盛的地方，表明HIF-1α具有促進細胞增殖、生長的功能[3]。并且在人類胚胎發(fā)生的初期，HIF-1α調控下游靶基因血管內皮生長因子(VEGF)，控制胚胎血管生成，為胚胎發(fā)育提供營養(yǎng)物質和氧氣。因此，HIF-1α通過對下游細胞的調控促進新血管的產生和細胞分裂、增殖，進而促進機體的生長、發(fā)育。同時，有研究表明，HIF-1α在成骨細胞發(fā)育、分化和骨形成的過程中也具有重要作用，HIF-1α可調控成體細胞的遷移，誘導干細胞的成軟骨分化影響骨的生成[4]。并且HIF-1α還普遍存在于各種肝纖維化疾病肝組織中，是由于低氧微環(huán)境造成的，有研究發(fā)現，低氧條件下HIF-1α誘導人肝內膽管上皮細胞的上皮-間質轉化，增加細胞遷移[5]。此外，HIF-1α還介導細胞的凋亡和自噬，B淋巴細胞瘤-2基因/腺病毒E1B19kDa相關蛋白3(BNIP3)和NIX是細胞凋亡和自噬的關鍵調控因子，HIF-1α可上調神經元細胞BNIP3和NIX的表達，增強細胞自噬和減少細胞凋亡，改善神經功能[6]。綜上所述，HIF-1α在動物軟骨細胞、纖維細胞，以及胚胎的生長、發(fā)育中均有較高的表達，主要介導細胞生長、增殖、遷移、自噬和凋亡等過程，與機體的各種生理調節(jié)和病理過程密切相關。

3 HIF-1α參與急性高原缺氧的機制

3.1PI3K/Akt/mTOR(磷酸肌醇-3激酶/蛋白激酶B/哺乳動物雷帕霉素蛋白)/HIF-1α信號通路 PI3K/Akt/mTOR信號通路通常主要參與細胞增殖分化、代謝、炎癥和保護過程，與促進細胞凋亡、改變組織重塑和轉移等過程相關[7-10]。有研究表明，隨著缺氧海拔升高及時間延長，PI3K/Akt/mTOR-HIF-1α信號通路逐漸被抑制，此信號通路主要在急性高原缺氧調控中發(fā)揮作用[8]。在缺氧條件下，自噬對細胞存活和凋亡具有重要的調節(jié)作用，有研究發(fā)現，PI3K/Akt/mTOR信號通路涉及調節(jié)急進高原的缺氧環(huán)境下腸黏膜上皮細胞自噬的調節(jié)過程[9]，能減輕腸黏膜損傷，說明此通路是細胞自噬中重要的信號傳導通路，能減輕缺氧對機體造成的一些損傷。在急性低壓缺氧下，大鼠腦組織中磷酸化蛋白激酶B表達水平顯著升高,PI3K/Akt通路的活化可有效對抗急性缺氧性腦損傷[10]。在低氧誘發(fā)自噬的過程中PI3K/Akt/mTOR/HIF-1α通路加快細胞周期，抑制細胞的凋亡，對機體特別是腦組織具有一定的保護作用。

3.2HIF-1α/細胞Toll樣受體4(TLR4)信號通路 通常TLR4信號通路在啟動先天免疫應答中具有重要作用，但TLR4受體信號通路在低氧條件下也十分容易激活。有研究表明，降低大鼠肺泡巨噬細胞HIF-1α水平能增強其TLR4表達抑制炎性反應，對高原肺水腫的發(fā)生具有保護作用[11]。此外，TLR4在腸道先天性免疫中發(fā)揮重要作用，能識別腸道病原體。所以，在急進高原缺氧環(huán)境下在腸黏膜缺氧的早期階段機體產生應激反應，HIF-1α介導TLR4增加，并調節(jié)與氧代謝相關的下游靶基因，如血管內皮生長因子、誘導型一氧化氮合酶、環(huán)氧化酶2等，促進機體對缺氧的適應[12]。因此，HIF-1α/TLR4信號通路可作為預防高原肺水腫的關鍵調控機制進行深入研究。

3.3活性氧(ROS)/HIF-1α信號通路 ROS是指具有高度活性的含氧自由基。在缺氧條件下，由于過多的ROS會引起脂質過氧化反應，改變蛋白的結構和功能，對體內的生物大分子造成損傷，同時會引起細胞內鈣超載導致正常細胞的凋亡，造成異常的生命活動，是引起急性高原病發(fā)生的主要原因之一[13]。有研究發(fā)現，ROS參與了細胞內沉默信息調節(jié)因子3對 HIF-1α的調節(jié)，沉默信息調節(jié)因子3基因敲除小鼠表現為ROS水平異常和 HIF-1α 表達增加，說明ROS與HIF-1α密切相關[14]。低氧條件下會誘導腫瘤細胞線粒體產生ROS，進而激活HIF-1α，抑制鉀通道并激活鈣通道，導致鈣超載，引起平滑肌細胞收縮[15]。此外，ROS還參與調節(jié)核因子κB、信號轉導及轉錄活化因子3 、HIF-1α、各種蛋白激酶、生長因子、細胞因子、蛋白酶等的活性，是急性高原疾病分子調控的關鍵因子[13-15]。

4 HIF-1α與慢性高原病相關的信號通路

4.1小泛素樣修飾蛋白特異蛋白酶1(SENP1)/HIF-1α信號通路 有研究發(fā)現，SENP1/HIF-1α信號通路能使HIF-1α穩(wěn)定表達,剔除SENP1基因的小鼠胚胎促紅細胞生成素產生缺乏而導致嚴重缺血[16]。并且HIF-1α的穩(wěn)定性與SENP1的去類泛素蛋白修飾分子(SUMO)化作用有關，SENP1使低氧所引起的SUMO化的HIF-1α，即HIF-1α-SUMO去SUMO化，防止HIF-1α在細胞核內發(fā)生泛素化降解，從而使HIF-1α蛋白穩(wěn)定表達，繼而調節(jié)其靶基因的表達[17]。此外，有研究發(fā)現，慢性低氧誘導小鼠肺小動脈壁SUMO-1 表達增加，SENP-1蛋白降解，去SUMO化修飾的HIF-1α明顯增加，HIF-1α穩(wěn)定性和轉錄活性增加，引起低氧性肺動脈高壓(HPH)[18]。因此，SENP1對HIF-1α介導的信號通路的活性有顯著影響，與高原紅細胞增多癥及HPH等疾病的調控密切相關。

4.2HIF-1α/內皮素-1(ET-1)信號通路 ET-1是一種強烈的血管收縮活性物質，ET-1基因啟動子上有HIF-1α的結合位點，在低氧下HIF-1α的產生能調節(jié)ET-1 基因的表達[19]。由于ET-1可引起血管收縮和血管平滑肌細胞增殖，造成肺血管重構，通常HPH患者血清HIF-1α、ET-1水平相應升高，且與肺動脈收縮壓呈正相關[20]。此外，有研究表明，模擬高原慢性缺氧條件下局部富氧環(huán)境能顯著降低大鼠肺組織ET-1表達，能有效緩解大鼠缺氧性肺血管重塑程度[21]。HIF-1α/ET-1途徑在HPH的發(fā)病中具有重要作用。

4.3HIF-1α/VEGF VEGF是HIF-1α轉錄活化的一個重要靶基因，VEGF的表達受HIF-1α的調控。在缺氧條件下HIF-1α可通過促進VEGF及其受體1，增加血管通透性和誘導新生血管生成來改善機體組織缺氧情況，高原肺源性心臟病急性加重患者血清 HIF-1α、VEGF水平明顯升高,并且與動脈血氧分壓呈明顯負相關,長時間低氧血癥導致患者肺動脈高壓,肺血管結構重建，因此，HIF-1α/VEGF信號通路可能是誘發(fā)高原心臟病的重要因素[22]。此外，VEGF在慢性高原病中的調控作用已進行了廣泛研究，發(fā)現VEGF與造血調節(jié)有關[23]。因此，HIF-1α/VEGF與高原肺源性心臟病的形成密切相關。

5 小 結

目前，關于HIF-1α在高原缺氧疾病中的分子作用機制尚不完全清楚，但近年來大量研究表明，HIF-1α在急、慢性高原缺氧中激活的關鍵信號傳導通路存在一定差異。盡管通過大量動物模型對急、慢性高原缺氧進行了研究，但例如慢性低氧誘導肺動脈高壓動物模型不能完全復制人類疾病的復雜過程，未來仍需對HIF-1α在人體乏氧狀態(tài)下的作用機制進行深入探討，明確不同信號通路的調控作用，為高原缺氧疾病的預防和診治提供新思路。