低氧誘導因子-1α的生物學功能及其在腎纖維化中作用的研究進展

鄒開燕，王淑君，姚翠微

（廣東醫科大學附屬醫院，廣東 湛江 524000）

缺氧是臨床各種急慢性疾病的常見病理過程，可由缺血性損傷、炎癥、腫瘤等引起，其對機體的影響取決于缺氧組織、缺氧程度和持續時間。機體對缺氧或低氧做出的適應性改變與缺氧誘導因子（HIF）家族密切相關，其可誘導大量基因的表達，幫助細胞適應缺氧環境。

1 HIF 的結構和分型

Wang 和Semenza 于1992 年對促紅細胞生成素（EPO）基因進行研究時發現，在低氧條件下，一種因子可與EPO 基因結合并正向調控EPO 進行高于正常值7倍的轉錄[1]。1995 年，該因子被命名為HIF-1，并確定其是由 HIF-α 和 HIF-β 亞基組合的異源二聚體。HIF屬于堿性- 螺旋- 環- 螺旋（bHLH）轉錄因子家族。其α 亞基的N 端是一個bHLH 區域，負責與靶向DNA結合調節轉錄；接著是Per/Arnt/Sim （PAS）同源區域，與HIF-β 結合形成二聚體。PAS 區域后為氧依賴降解（ODD）區域，參與HIF-α 的降解，C 端是2 個反式激活結構域（TAD）。HIF-β 亞基是組成性表達結構，需聯合α 亞基發揮生理作用[2]。

根據α 亞基的不同，HIF 可分為HIF-1、HIF-2及HIF-3。HIF-1 是HIF 家族的重要成員，與氧感知及缺氧反應密切相關，在組織細胞中廣泛表達。不同類型的腎臟細胞表達的HIF 亞型不同，HIF-1 主要在腎小管細胞中表達，HIF-2 主要在腎間質細胞及內皮細胞中表達[3]。HIF-3α 可抑制PAS 結構域蛋白，缺氧時與HIF-1α 和HIF-2α 競爭靶基因的轉錄元件對低氧基因表達起負性調控作用[4]。

2 HIF 的調控與功能

2.1 HIF 的調控

研究表明，細胞內氧濃度是HIF 的主要調節因素。氧氣充足條件下，HIF-1α 脯氨酰殘基可通過依賴氧的脯氨酰羥化酶（PHDs）羥基與VHL 抑癌蛋白- 泛素連接酶復合物結合，進而由泛素-蛋白酶體路徑快速降解。缺氧時，PHD 活性受抑制，胞質的HIF-α 降解減少，易位至細胞核識別靶基因的低氧反應元件（HRE）可激活下游數百種靶基因的轉錄和表達[5]。除由PHD 觸發蛋白水解機制，氧依賴性加氧酶HIF 抑制因子（FIH）也在HIF-1 的失活中發揮關鍵作用。FIH 在氧氣充足條件下可使 HIF-1α 的天冬酰胺殘基羥基化，導致HIF-1α反式激活失活，從而抑制其轉錄活性[6]。非氧依賴途徑調控氧化應激、高糖、炎癥等也可刺激HIF 的表達[7]。

2.2 HIF 的生理功能

HIF-1 作為高度特異性的轉錄調節因子，其功能與下游靶基因的轉錄表達密切相關。目前已鑒定出HIF靶基因主要包括三大類，第一類與促進紅細胞生成有關，如EPO 和與鐵代謝相關的轉鐵蛋白及其受體等；第二類與促進血管生成與重塑有關，如血管內皮生長因子（VEGF）、血小板衍生生長因子（PDGF）和轉化生長因子-α 等；第二類與調控細胞能量代謝、糖代謝的相關細胞酶的表達有關，如葡萄糖轉運蛋白（GLUTs），可使細胞做出缺氧適應性改變如高原地區的高紅細胞血癥、缺氧心肌的血管生成及缺氧的糖酵解作用。此外，HIF在免疫炎癥、細胞凋亡及維持線粒體穩態等方面也有重要作用[8]。

3 HIF 在腎臟纖維化中的作用

腎臟纖維化是多種慢性腎臟病的最常見病理特點之一。HIF-1 促使腎臟纖維化具有時間、濃度及細胞特異性，在單側輸尿管梗阻（UUO）小鼠中觀察到，HIF-1 依賴性的基因表達在前7 天逐漸上調，第14 天無上漲，提示HIF-1 在早期腎纖維化中起作用。低中度的HIF-1α 活化可減輕TIF，過度活化則促進CKD 小鼠腎臟纖維化,說明HIF-1α 的濃度對纖維化有雙向調節作用[9]。HIF信號通路可能通過以下機制使腎臟進行性纖維化。

3.1 調節腎上皮-間質轉化，促進細胞外基質沉積

調節腎上皮- 間質轉化（EMT）可使上皮細胞失去極性和細胞間連接，轉化為具有間質表型細胞，表現為間質標志蛋白表達增加，如纖維連接蛋白、N 鈣黏蛋白、波形蛋白，上皮標志蛋白表達降低，如E 鈣黏蛋白（E-cadherin）、α- 平滑肌肌動蛋白（α-SMA）。用阿奇霉素誘導局灶節段性腎小球硬化（FSGS）的小鼠模型中，抑制HIF-1 表達可下調α-SMA 水平，改善小鼠的蛋白尿和腎小球硬化程度[10]。

3.2 調節促纖維化基因的表達

Kabei 等學者發現梗阻性腎病、糖尿病腎病、IgA腎病或高血壓腎病患者腎小管間質中賴氨酸酰氧化酶2（LOXL2）表達明顯增加，可促進上皮細胞去分化，介導EMT，進而加劇腎纖維化。在缺氧環境中，HIF-1α可誘導Bmil 轉錄激活，Bmi1 蛋白升高水平與腎小管間質纖維化程度密切相關，表明 Bmi1 在腎臟疾病中發揮促纖維化作用，其機制與Bmil 對腎上皮-間質細胞轉化有促進作用相關。此外，Twist、Snail、Slug、Zeb 也受HIF-1 調節，與腎纖維化相關[11]。

3.3 激活腎纖維化的關鍵信號通路

TGF-β/Smad 通 路、P13K/AKT 通 路、Wnt/β-catenin通路在腎纖維化中起重要作用。HIF-1α 能與這些通路相互作用。

3.3.1 TGF-β /Smad3 信號通路轉化 生長因子-β（TGF-β）是腎臟纖維化的主要因素，作為組織修復的正向調節劑分布于腎臟所有細胞類型中，但主要分布于腎小管及腎小球細胞。低氧情況下，HIF-1α 可刺激腎近曲小管上皮細胞釋放 TGF-β，TGF-β 依賴Smads3誘導腎小管上皮細胞分化為成纖維細胞，促進內皮細胞-間充質轉化（EMT），并產生大量細胞外基質（ECM）[12]。與Samd3 相反，Smad7 是TGF-β/Smad 信號通路的負向調節劑，其可競爭TGF-β 的結合位點[13]。Smad4 的選擇性缺失也可顯著減少UUO 模型的腎纖維化。值得注意的是，纖維化動物模型中，抑制 TGF-β 降低 ECM的同時也使免疫細胞紊亂，小鼠罹患自身免疫性疾病風險增加、炎癥加劇[14]。把控對TGF-β 通路的抑制程度以減少不良效應值得探究。

3.3.2 PI3K / AKT 信號通路 磷脂酰肌醇3（P13K）是細胞內重要的信號轉導分子，激活后可進一步引起蛋白激酶B（AKT）活化。AKT 與P13K 同為絲氨酸/ 蘇氨酸蛋白激酶，活化后通過磷酸化激活或抑制下游靶蛋白表達，共同調節細胞增殖、凋亡、自噬及血管生成等。梗死的心肌組織中Bmi1 表達明顯升高，可增強P13K 表達，提高AKT 磷酸化水平，促使心臟成纖維細胞增殖和遷徙，促進纖維化[15]。HIF-1α 可以直接誘導Bmi1 表達，但Bmi1 并不能直接激活 PI3K/AKT 通路，而是通過抑制磷酸酶及緊張素同源物（PTEN）對PI3K/AKT 通路進行負向調節。缺氧條件下，用 PI3K 抑制劑（LY294002）處理腎小管上皮細胞導致 AKT 磷酸化以及 HIF-1α 水平均降低，抑制內源性Bmi-1 轉錄表達可逆轉缺氧誘導的EMT[16]，提示HIF-1α 與P13K/AKT 信號通路存在相互作用。

3.3.3 Wnt/β-catenin 信號通路 Wnt/β-catenin 通路是經典的Wnt 信號通路，主要由Wnt 家族蛋白（Wnt）、結直腸腺瘤性息肉蛋白（APC）、β 連環蛋白（β-catenin）、卷曲蛋白（Frizzled）組成，細胞內蛋白β-catenin 是此通路的關鍵介質[17]。HIF-1 與β-catenin 存在共表達現象，HIF-1 異常激活時，家族性APC 磷酸化增強，對β-catenin 進行降解的復合物失活，β-catenin 得以積聚，從胞質進入胞核，刺激多種纖維化相關靶基因的轉錄、激活炎癥細胞和肌成纖維細胞增殖[18]。抑制HIF-1的活性，使Wnt/catenin 信號通路受阻，有助于減少EMT 的發生，從而改善腎纖維化。

3.4 調節促纖維化的酶與細胞因子表達

沉默信息調節因子2 相關酶1（SIRT1）屬于Ⅲ類組蛋白去乙酰化酶（HDAC），作為一種去乙酰化酶，在細胞代謝、氧化應激、炎癥反應、增殖分化方面起關鍵作用。STIR1 可使HIF-1 的賴氨酸殘基去乙酰化，抑制其與p300/CBP 相互作用可減輕小鼠腎纖維化[19]。小鼠模型證實，SIRT1 失活可使HIF-1α 乙酰化程度增加、活性增強，腎纖維化程度加重。反之，激活SIRT1 則可觀察到糖尿病模型小鼠的腎小球系膜纖維化顯著減輕。結締組織生長因子（CTGF）可介導成纖維細胞的DNA合成，加速膠原沉積，促進新生血管的形成，從而促進組織纖維化。HIF-1α 能直接作用于CTGF 增強子，使CTGFmRNA 轉錄增加，從而參與腎間質纖維化的發生發展[20]。

3.5 調節外泌體分泌

Liu 等[21]發現抑制腎外泌體分泌可改善單側輸尿管梗阻、缺血再灌注損傷模型的腎纖維化。外泌體攜帶的微小RNA（miRNA）可通過多種信號通路刺激成纖維細胞的增殖分化、間充質轉化及誘導細胞凋亡，加重腎臟損害。腎小管來源的外泌體miR-21 可使成纖維細胞明顯激活，其可能機制是通過PTEN/Akt 通路途徑刺激成纖維細胞和細胞外基質的產生，抑制miR-21 可上調PENT 并抑制p-Akt，體外低氧刺激HIF-1 及轉化生長因子-β 可見外泌體分泌增加[22]。針對外泌體的分泌有望為抗腎纖維化治療提供新靶點。

4 HIF 信號途徑在腎臟疾病治療中的應用

4.1 HIF 與腎性貧血

慢性腎臟病性貧血是慢性腎臟病的突出表現之一，目前臨床上主要應用紅細胞生成刺激劑（ESAs）治療腎性貧血。長期高劑量ESAs 可導致終末期腎臟病患者不良心血管事件發生率的明顯升高[23]。羅沙司他（FG-4592）是全球首個口服即可生物利用的低氧誘導因子脯氨酰羥化酶抑制劑。此藥可通過抑制HIF-a 亞基的降解，穩定HIF 介導的EPO 轉錄而促進紅細胞的生成，并可抑制鐵調素的表達，促進鐵吸收，改善患者的貧血[24]。臨床研究表明，服用羅沙司他可顯著提高患者的血紅蛋白水平[25]，這為廣大腎性貧血患者提供了全新的治療手段。

4.2 HIF 與癌癥治療

HIF-1 和HIF-2 在癌組織中過表達，與多種原發或繼發惡性腫瘤的生長、侵襲轉移及放化療抵抗有關，其作用機制可能與HIF 增加腫瘤組織中的微血管生成、癌細胞對缺氧微環境適應等有關。HIF-2 對腎透明細胞癌生長有促進作用[26]。最新研發的HIF-2 抑制劑如PT-2977 已進入臨床研究階段，對晚期腎透明細胞癌有療效，且患者耐受性良好[27]。因此，HIF 因可能作為癌癥診斷及治療的作用靶點而引發廣泛關注。

5 展望

HIF-1α 介導的靶基因表達及細胞信號轉導在腎臟纖維化中發揮重要作用，具有促進腎上皮- 間質轉化、調節促纖維化基因轉錄、誘導細胞因子生成等多重作用，可參與急性腎衰竭、多種慢性腎臟病、腎透明細胞癌的發生發展。然而，迄今為止臨床上缺乏專門針對腎纖維化本身的有效治療。對HIF-1α 介導的相關基因轉錄及信號通路進行靶向調控或阻斷，為急慢性腎臟病患者提供了新的治療方向和潛在靶點。