HIF與腎細胞癌關系的研究進展

夏旺寧，王超奇

（1.內蒙古民族大學臨床醫學院，內蒙古 通遼 028000 ；2.永州市中心醫院，湖南 永州 425000 ；3.內蒙古民族大學附屬醫院，內蒙古 通遼 028000）

氧是生物生長和發育的重要元素之一，與細胞的代謝及生理過程息息相關。缺氧時在細胞水平發生的一系列代償適應性反應多是通過基因水平的改變來實現的，目前已知缺氧可誘導上百種基因的表達，并且刺激生成厭氧代謝酶，這是細胞在缺氧狀態下生存的原因，這些基因統稱為缺氧相關基因[1]。缺氧誘導因子（hypoxia-inducible factor，HIF）是調控相關基因表達的重要轉錄因子之一。缺氧是誘導腫瘤細胞生成的常見因素之一，削弱甚至阻礙了癌癥的治療如化療、放療和免疫治療等的療效，因此了解細胞缺氧的機制對于醫學的發展非常重要[2]。腎細胞癌（renal cell carcinoma，RCC）是泌尿系統中一種發病率較高的惡性腫瘤，通常分為乳頭狀腎癌、透明細胞性腎癌、集合管系統腎癌、嫌色細胞腎癌和其他類型腎癌，其中以透明細胞腎癌（clear cell RCC，ccRCC）最為常見。全球每年大約有43 萬人被診斷出RCC，其中約有18萬人因此病而死亡[3]。近幾年來，腎癌的發病率不斷增高。超過60% 的患者經手術治療預后良好，但仍有一部分患者在就診時就已進展為晚期RCC，這些患者只有通過綜合治療才能改善預后，因而與RCC 有關的靶向治療及靶向基因的研究逐漸成為熱點。已有研究發現，Von Hippel-Lindau（VHL）基因以及HIF與RCC 的發生發展有關。本文重點就HIF 與RCC 關系的研究進展進行綜述。

1 HIF 的結構與功能

1991 年，Semenza 等[4]在缺氧環境下發現一種蛋白質復合物能與特定DNA 片段結合，并能夠隨著氧氣濃度的變化做出相應的改變，他們將這種特定的DNA 片 段 稱 為“Hypoxia response element，HRE”，稱這種復合物為“Hypoxia-inducible factors，HIF”（缺氧誘導因子），從而開啟了氧感知領域的研究。緊接著在1995 年，Semenza 團隊對HIF 進行了進一步的研究，并純化解析了該轉錄因子蛋白復合體，他們發現HIF 是由兩種不同的蛋白組成，分別為轉錄因子HIF-1α 和ARNT。隨后科學家們很快找到了HIF-1α 和VHL 蛋白的聯系。HIF 由兩個基本的螺旋-環-螺旋（bHLH）蛋白組成。目前的研究表明，HIF 主要包含三種不同的HIF-α 因子 ，即HIF-1α、HIF-2α、HIF-3α，以及兩種HIF-β 因子：HIF-1β 和HIF-2β，不同的因子具有不同的功能活性和特異性[5]。HIF-1α 和HIF-2α 兩者都有NTAD 和CTAD兩個結構域來轉錄激活，當與DNA 結合時可激活轉錄。但有反式激活能力的HIF-α 蛋白異構體可被HIF-3α 競爭性抑制[6]，因為其經過較多的mRNA 剪接，所以無反式激活結構域。

HIF 發揮功能與VHL 基因有一定關聯。2001年，Kaelin 團隊和Ratcliffe 團隊經過研究發現，在正常的氧濃度下，HIF-1α 的兩個特定位點上會被添上羥基（脯氨酰羥化），這一改變使得VHL 能夠識別并結合HIF-1α ；在沒有氧氣狀態下，HIF-1α 不會與VHL 結合，而是直接進入細胞核，并與一些特定的基因組結合，從而激活、調節體內多種基因的功能，促進氧氣的供應與運輸[7-8]。VHL 基因的起始密碼子可以編碼多功能蛋白pVHL，這種蛋白與ccRCC 的發生發展相關，同時pVHL 蛋白和elongin B、elongin C、Cul2Rbx1 也是泛素化連接酶復合物底物的識別亞基[9]。在有氧情況下，pVHL 結構域識別并結合被脯氨酰羥化酶（PHD）羥化的HIF-α 亞單位和脯氨酰殘基，并通過pVHL-HIFα 功能區與E3 泛素連接酶復合物，將多聚泛素化尾共價到HIF-α 亞單位上，以便于被26S 蛋白酶體識別并降解與pVHL 結構域結合的HIF-α 亞單位[10]。當然殘留的天冬酰胺酰羥化酶1（FIH-1）也可以使HIF-α 羥基化，從而降低CTAD 活性。這種天冬酰胺酰羥基化反應需要分子內有氧環境，這點與脯氨酰羥化酶引起的羥基化反應類似[11]，但是FIH-1 在缺氧情況下也能有一定活性使HIF-α 穩定，從而調節缺氧反應[12]。通常細胞只有在缺氧時HIF 才升高，而當pVHL 異常時，細胞在任何環境中都有高水平的HIF。HIF-α 與pVHL 蛋白在缺氧或細胞中pVHL 蛋白缺失的情況下發生分離，與HIF-β 亞基二聚化并轉錄激活100 ～200 個基因，當中包含部分適應低氧環境的基因。在缺氧條件下，PHD 和FIH 兩者的氧酶活性減弱，HIF-α 變得穩定并易位到細胞核中，與ARNT 二聚化，并結合缺氧反應元件（HREs）激活細胞特異性以適應缺氧[13]。另外也有研究顯示，其他某些癌基因的激活變異、抑癌基因的失活變異，也可以使HIF-α 的表達或其活性升高[14]。

2 HIF 與RCC 的關系

目前已明確缺氧與腫瘤有一定的聯系。RCC 的患病率與VHL 等位基因不同有關，也與蛋白質的損害程度、HIF 的調節規律有相關性[15]。不同的VHL基因型，對HIF 傳導途徑具有不同的影響。RCC 的典型特征之一是高頻VHL 失活，尤其ccRCC 的高頻VHL 失活率更是達90% 以上，VHL 蛋白失活會影響HIF-α 的降解途徑，造成HIF-α 在有氧時聚集[16]，這也是RCC 發生的主要原因。有研究表明，HIF-1α 和HIF-2α 與RCC 的發生率呈正相關，認為HIF-1α 和HIF-2α 均促進了RCC 的發生，因此可以通過觀察血清HIF-1α、HIF-2α 水平的高低篩查RCC[17]。盡管RCC 的發生風險與HIF-α 失調的相關性不是絕對的，但HIF 途徑在RCC 的發病機制中仍是重要和必需的。HIF-α 不同類型在ccRCC 中具有不同的作用。有研究表明，具有HIF-2α 表達的癌癥與更大的腫瘤體積相關，含有HIF-1α 基因的14號染色體區域的缺失是RCC 的共同特征[18-19]。HIF-1α 的缺失直接導致蛋白表達異常，這種14q 的缺失常常提示RCC 患者的預后欠佳。通過對VHL 缺失的ccRCC 患者進行研究得知，許多患者表達HIF-2α但并不表達HIF-1α，而在去除了HIF-2α 缺失型VHL 的細胞系后，仍可以像恢復了pVHL 蛋白的功能一樣在裸鼠身上形成腫瘤。相反，表達過多的HIF-2α 而非HIF-1α，可以掩蓋pVHL 蛋白的抑癌作用[20]。HIF-2α 可通過影響組蛋白修飾而參與RCC的發生[21]，降低細胞中HIF-2α 的含量可明顯抑制RCC 的發展，因此靶向HIF-2α 被看作是RCC 治療的重要策略[22]。

3 HIF 與RCC 的治療

HIF 與RCC 關系密切，通過選擇能抑制HIF 或HIF 靶基因作用的藥物，可以為RCC 的治療找到新的方法。目前已有一些HIF 抑制劑進入了臨床研究階段，如伊維莫司和坦西莫司治療已轉移的RCC 效果顯著。針對低氧性腫瘤細胞及HIF 的治療策略主要包括使用低氧激活前藥、抑制HIF 二聚體形成、抑制HIF 的mRNA 或蛋白表達、抑制其DNA 結合能力和轉錄活性等。目前HIF 抑制劑的靶向目標大多為HIF-1α 及HIF-2α 亞型[23]。HIF 的兩個亞型經充分研究，發現其主要功能是調節葡萄糖代謝和血管生成。腫瘤血管生成由血管內皮生長因子（VEGF）調控為主，而VEGF 由HIF-1 和HIF-2 調節。HIF 還可調節像葡萄糖轉運蛋白和乳酸脫氫酶等參與糖酵解級聯反應的基因。此外，HIF 也可調節參與其他抗癌療法的相關基因，如放療、化療及免疫治療等[24-25]。

3.1 HIF-2α 與RCC 的治療

以往，HIF-2α 被認為是無法制成藥物的。然而，基于HIF-2α/HIF-1β 異二聚體形成過程中PAS-B結構域的特征，進一步根據HIF-2α 的PAS-B 與抑制劑的多重相關因素如選擇特異性、結合能力、口服吸收效果等，從而確定PT2385 和PT2977 兩種化合物作為抑制劑。與前者相比，后者的藥代動力學和體內生物利用率均更佳，這是因為PT2385 是體外實驗用抑制劑，而PT2977 作為臨床藥物使用。體外實驗表明，PT2385 和PT2977 可高效抑制HIF-2α/HIF-β 異二聚體形成及DNA 結合活性，最終實現抑制HIF-2α 靶基因表達的目的；兩種抑制劑的作用效果還具有較強的選擇性，盡管HIF-1α 和HIF-2α 蛋白序列具有高度同源性，但二者在PAS-B 結構方面存在一定的差別，因此PT2385/PT2977 只抑制HIF-2α 與HIF-1β 結合，并降低HIF-2α 靶基因的表達，但不影響HIF-1α 的生理功能[26]。HIF-2α 驅動ccRCC 和藥物抑制反應的基因產物VEGF 是RCC 治療的基石，HIF-2α 在RCC 中似乎是異質性的。此外，在臨床前模型中，p53 通路突變可導致對HIF-2α 的抗性，這就證實了預測性生物標志物需要優化使用HIF-2α 拮抗劑的臨床研究[27]。

3.2 HIF-1α 與RCC 的治療

前面已述，缺氧條件下HIF-1α 可在腎癌細胞中高度表達，因此對HIF-1α 及其介導的相關蛋白進行靶向藥物研究是腫瘤治療新的研究方向。HIF-1α途徑相關蛋白較多，且這些蛋白有著不同的功能，如VEGF 能促進血管生成，與代謝相關的葡萄糖轉運體1（GLUT1），維持酸堿平衡的碳酸酐酶Ⅸ（CA Ⅸ），維持細胞生長的胰島素生長因子1（IGF1），都是分子靶向藥物開發的重要靶點[28]。調控細胞生長與增殖的一個關鍵通路是哺乳動物雷帕霉素蛋白信號通路mTOR（mammalian target of rapamycin），此外細胞能量代謝的重要通路是以mTOR 為中心的PI3K/AKT/mTOR 信號通路，并且mTOR 通過多種作用途徑影響和調節HIF-1α 及其下游基因的表達，以調節HIF-1α 上游信號通路。因此，mTOR 抑制劑在低氧腫瘤的治療中被廣泛關注，如有顯著抗腫瘤效果的雷帕霉素類化合物[28-30]。由于缺氧調節關鍵因子HIF-1α 的抑制與抗腫瘤活性之間關聯甚少，因此以HIF-1α 為直接作用靶點的分子靶向藥物相對較少。此外，一些HIF-1α 的選擇性抑制劑并沒有表現出對低氧腫瘤細胞的選擇性作用。基于HIF-1α 的作用機制與抗腫瘤效果之間的關系尚未清楚，故對HIF-1α 的靶向治療仍需要大量研究。

4 小結及展望

目前RCC 的一線治療方案對70% 的個體可以產生作用，但最終多數個體病情進展[31]。研究表明，具有HIF-1 和HIF-2 高度表達的腫瘤患者治療效果及預后很差，HIF 能作為腫瘤治療反應評估的生物標志物[17]。雖然目前以HIF-2α 為靶點的藥物在腫瘤治療方面取得了不錯的進展，但HIF 與腫瘤放化療、免疫治療和靶向藥物治療抵抗仍然是面臨的難題。晚期或轉移性RCC 患者的5 年生存率僅為8%，且RCC對放化療不敏感，因此靶向治療和免疫治療成為手術后輔助治療或無法手術患者的首選治療策略[32]。多種藥物目前處于臨床研究階段，實際應用面臨許多挑戰，一方面僅有較少患者能對這些藥物產生完全反應，另一方面治療過程中出現的藥物抵抗和耐藥性使得腫瘤患者的病情進一步加重，因此需要研發更多、更好的RCC 治療藥物。相信未來隨著對HIF 研究的逐步深入，相關藥物的出現將給RCC 的治療帶來新的希望。