缺氧誘導(dǎo)因子-1α在金屬毒性中的作用研究進(jìn)展

張宇, 趙文英, 劉婷婷, 董麗華, 白羽, 楊波波, 陸榮柱

(1. 江蘇大學(xué)醫(yī)學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 2. 昆山市第一人民醫(yī)院免疫研究室, 江蘇 蘇州 215300; 3. 泉州市第一醫(yī)院檢驗(yàn)科, 福建 泉州 362000)

近年來(lái),隨著環(huán)境污染的加重,各種金屬過(guò)度暴露損害人體健康的事件頻發(fā)。但由于金屬種類繁多,加之其毒性機(jī)制尚不完全明確,依然缺乏有效的預(yù)防和治療措施[1]。缺氧誘導(dǎo)因子-1α(hypoxia-inducible factor-1α,HIF-1α)是一種機(jī)體適應(yīng)低氧環(huán)境的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子,可調(diào)控下游200余種基因的表達(dá),表現(xiàn)出廣泛的生物學(xué)效應(yīng)。研究表明金屬的毒性與HIF-1α及其下游基因的表達(dá)密切相關(guān),但HIF-1α在不同金屬毒性中的作用機(jī)制仍有待明確[2]。本文就金屬對(duì)HIF-1α表達(dá)的影響及其可能機(jī)制作一闡述,以期為探索金屬毒性機(jī)制及開發(fā)有效的防治藥物提供參考和依據(jù)。

1 HIF-1α的調(diào)控和功能特點(diǎn)

HIF-1由對(duì)氧敏感的α亞基和不依賴氧的穩(wěn)定表達(dá)的β亞基形成的二聚體蛋白組成。其中HIF-1α亞基C端具有保守的功能結(jié)構(gòu)域,即氧依賴的降解結(jié)構(gòu)域(ODDD)以及兩個(gè)轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域(N-TAD和C-TAD),其中N-TAD與HIF-1α的穩(wěn)定表達(dá)最為相關(guān)[3]。在常氧條件下,HIF-1α經(jīng)脯氨酸羥化酶(PHD)羥基化,再由希佩爾-林道病蛋白(VHL)識(shí)別,然后經(jīng)泛素蛋白酶體水解復(fù)合物降解[4]。PHD的輔因子包括抗壞血酸、氧氣、鐵和α-酮戊二酸,因而缺氧或氧化還原狀態(tài)失衡等情況下,PHD活力下降,抑制HIF-1α羥基化,繼而激發(fā)HIF-1α入核與HIF-1β組成HIF-1,HIF-1與缺氧反應(yīng)元件結(jié)合,激活一系列下游靶基因,進(jìn)而引發(fā)多種生物學(xué)效應(yīng)[5]。目前已經(jīng)確認(rèn)的HIF-1靶基因有促紅細(xì)胞生成素(EPO)、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(GLUT1)、內(nèi)皮型一氧化氮合酶(eNOS)和Bcl-2/腺病毒E1B 19 kD相互作用蛋白3(BNIP3)等在內(nèi)的200多種[6],這些靶基因參與紅細(xì)胞生成、血管形成、能量代謝、細(xì)胞增殖、自噬與凋亡等調(diào)控過(guò)程(圖1)。

HIF-1α:缺氧誘導(dǎo)因子-1α;HIF-1β:缺氧誘導(dǎo)因子-1β;HRE:缺氧反應(yīng)元件;PHD:脯氨酸羥化酶;VHL:希佩爾-林道病蛋白;-OH:羥基;EPO:促紅細(xì)胞生成素;VEGF:血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子;GLUT1:葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1;eNOS:內(nèi)皮型一氧化氮合酶;BNIP3:Bcl-2/腺病毒E1B 19 kD相互作用蛋白3

2 HIF-1α在金屬毒性效應(yīng)中的作用

金屬暴露對(duì)機(jī)體可造成包括肺、肝、腎、神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)和生殖泌尿系統(tǒng)在內(nèi)的多種器官及系統(tǒng)損傷,損傷機(jī)制在不同金屬中也有所不同。

2.1 HIF-1α與神經(jīng)損傷類金屬

錳(Mn)是生命過(guò)程所必需的微量元素,但過(guò)度暴露卻可造成神經(jīng)損傷。野生型小鼠Mn暴露后,HIF-1α蛋白表達(dá)增加,螺旋神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元變性,脂褐質(zhì)顆粒數(shù)量增加[7]。鈷(Co)暴露引起小鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞中HIF-1α穩(wěn)定表達(dá)增多、ATP耗竭、細(xì)胞凋亡和壞死,其機(jī)制可能與激活血紅素氧合酶1(HO-1)、促凋亡因子BNIP3和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(iNOS)等HIF-1α下游基因進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞凋亡和壞死有關(guān)[8]。Mohamed等[9]研究表明,CoCl2可誘導(dǎo)大鼠的大腦皮層中HIF-1αmRNA表達(dá)上調(diào)4.8倍,表現(xiàn)出大腦皮質(zhì)中固縮神經(jīng)元聚集、空泡形成和血管充血等毒性作用。

分化成神經(jīng)元的人類畸胎瘤NT2細(xì)胞暴露于鎳(Ni)后可增加神經(jīng)細(xì)胞黏附分子和微管相關(guān)蛋白2等特定神經(jīng)元分化標(biāo)志物的表達(dá),同時(shí)上調(diào)HIF-1α的表達(dá)并激活蛋白激酶B(AKT或者PKB)通路,表明Ni暴露可能通過(guò)影響HIF-1α的表達(dá)而增加神經(jīng)疾病的易感性[10]。大鼠腎上腺嗜鉻細(xì)胞瘤PC12細(xì)胞作為一種神經(jīng)元樣細(xì)胞模型,暴露于鉛(Pb)后,HIF-1α表達(dá)增加,氧自由基水平增加,誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[11]。甲基汞(MeHg)是一種神經(jīng)毒物,大鼠體內(nèi)及體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)均表明其毒性機(jī)制與下調(diào)HIF-1α蛋白及下游基因GLUT1、VEGF和EPO表達(dá)相關(guān)。當(dāng)上調(diào)HIF-1α表達(dá)時(shí),MeHg對(duì)大鼠原代星形膠質(zhì)細(xì)胞毒性減弱;反之,抑制HIF-1α表達(dá)時(shí),MeHg所致細(xì)胞毒性增強(qiáng)[12]。

金屬暴露可損傷神經(jīng)系統(tǒng),也可擾亂HIF-1α表達(dá),但HIF-1α在不同金屬暴露后的表達(dá)及效應(yīng)各不相同。Mn、Co、Ni暴露上調(diào)HIF-1α表達(dá),引發(fā)神經(jīng)毒性;MeHg則通過(guò)抑制HIF-1α表達(dá),增強(qiáng)神經(jīng)毒性。HIF-1α在神經(jīng)損傷類金屬毒性機(jī)制中的作用仍需進(jìn)一步探究。

2.2 HIF-1α與肺損傷類金屬

鎘(Cd)作為人類致癌物,可引發(fā)包括肺癌在內(nèi)的多種腫瘤。外周肺上皮細(xì)胞連續(xù)低劑量長(zhǎng)時(shí)間(5 mol/L,20周)暴露于Cd后,細(xì)胞中HIF-1α的表達(dá)明顯增加。這可能與金屬硫蛋白表達(dá)增加,細(xì)胞侵襲力增強(qiáng)以及細(xì)胞獲得與肺癌細(xì)胞相同的特性有關(guān)[13]。人肺腺癌A549細(xì)胞暴露于Cd也可導(dǎo)致HIF-1α表達(dá)增加,繼而促進(jìn)腫瘤惡性進(jìn)展[14]。鉻(Cr)是一種常見的職業(yè)環(huán)境污染物。Cr6+可增加人支氣管上皮細(xì)胞系(BEAS-2B)HIF-1α的表達(dá),并與IL-6和NF-κB的表達(dá)增加以及miR-143水平降低相關(guān)。另外,小鼠體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明過(guò)表達(dá)miR-143可抑制HIF-1α及其下游基因VEGF的表達(dá),減緩腫瘤生長(zhǎng),提示miR-143/IL-6/HIF-1α通路在Cr6+誘導(dǎo)的肺癌發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮作用[15]。中草藥活性成分木犀草素可通過(guò)降低BEAS-2B細(xì)胞中Cr6+誘導(dǎo)的HIF-1α和VEGF表達(dá),抑制活性氧、脂質(zhì)過(guò)氧化以及促炎因子的產(chǎn)生,進(jìn)而保護(hù)細(xì)胞免受Cr6+誘導(dǎo)的惡性轉(zhuǎn)化,降低其致癌性,提示HIF-1α可能成為腫瘤預(yù)防的靶點(diǎn)[16]。

研究發(fā)現(xiàn)Ni暴露引起HIF-1α表達(dá)增加,促進(jìn)DNA去甲基化酶TET1表達(dá),從而使血管生成素樣蛋白4(ANGPTL4)高表達(dá),引起肺癌的發(fā)生發(fā)展[17]。Ni可誘導(dǎo)BEAS-2B細(xì)胞中HIF-1α積累從而導(dǎo)致ANGPTL4表達(dá)增加,且這種增加可被二甲雙胍逆轉(zhuǎn)[18]。而體外NIH/3T3細(xì)胞實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Ni可通過(guò)磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(ERK)通路增加細(xì)胞中HIF-1α的表達(dá)進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化;大鼠體內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Ni引起肺泡隔增寬,血管周圍水腫,血管擴(kuò)張、充血,且這與肺組織中HIF-1α表達(dá)增加相關(guān)。由此提示PI3K/ERK通路介導(dǎo)HIF-1α表達(dá)增加是Ni致肺癌的關(guān)鍵機(jī)制[19]。

人肺癌細(xì)胞系A(chǔ)549細(xì)胞暴露于高濃度的Mn后,通過(guò)ERK-1/2、c-Jun N-末端激酶-1(JNK-1)和PKB上調(diào)HIF-1α蛋白的表達(dá),但巴戟天汁卻可以抑制Mn誘導(dǎo)的HIF-1α表達(dá),進(jìn)而抑制Mn所致肺癌的進(jìn)一步發(fā)展[20]。Mn暴露可導(dǎo)致Hep2細(xì)胞中p38 MAPK和JNK-1/2的激活,引起HIF-1α的蛋白表達(dá)上調(diào),而p38 MAPK和JNK-1/2抑制劑又可阻斷HIF-1α的表達(dá),這些結(jié)果共同提示Mn引起HIF-1α表達(dá)增加可能與MAPK通路有關(guān)[21]。

以上結(jié)果表明Cd、Cr、Ni及Mn致肺毒性主要與上調(diào)HIF-1α及其下游蛋白VEGF表達(dá),進(jìn)而促進(jìn)炎癥和腫瘤血管生成及增加糖酵解促進(jìn)腫瘤發(fā)展,抑制HIF-1α表達(dá)可減輕金屬暴露引起的肺損傷,PI3K/ERK/MAPK通路激活可能是金屬毒性引起HIF-1α表達(dá)增加的重要機(jī)制。

2.3 HIF-1α與肝損傷類金屬

鋁(Al)暴露可引起體內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)失衡和機(jī)體氧化應(yīng)激。在肝癌細(xì)胞株HepG2中進(jìn)行Al暴露可增加HIF-1α穩(wěn)定表達(dá),己糖激酶(HK)、丙酮酸激酶(PK)和乳酸脫氫酶(LDH)等糖酵解相關(guān)酶表達(dá)也上調(diào),進(jìn)而ATP產(chǎn)生增多,補(bǔ)償線粒體功能,促進(jìn)細(xì)胞存活[22]。研究發(fā)現(xiàn)Al誘導(dǎo)HIF-1α積聚是通過(guò)抑制三羧酸循環(huán)酶(α-酮戊二酸脫氫酶和琥珀酸脫氫酶)而降低PHD2活性實(shí)現(xiàn)的,進(jìn)而提高糖酵解水平來(lái)緩解Al暴露引起的毒性及線粒體功能障礙[23]。HepG2細(xì)胞暴露于Ni后,通過(guò)PI3K/AKT/雷帕霉素靶蛋白(mTOR)通路促進(jìn)HIF-1α及VEGF表達(dá)增加,進(jìn)而促進(jìn)腫瘤血管生成,導(dǎo)致腫瘤快速生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移。荔枝花提取物通過(guò)抑制HIF-1α表達(dá)、Janus激酶2(JAK2)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、Raf-1原癌基因和VEGF的表達(dá)減輕Ni毒性,從而延緩Ni誘發(fā)的肝癌快速進(jìn)展[24]。

Cr6+暴露引起大鼠肝臟毒性,表現(xiàn)為血清丙氨酸和天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶表達(dá)降低,引發(fā)肝細(xì)胞凋亡數(shù)量、丙二醛含量及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的凋亡相關(guān)蛋白表達(dá)量增加,這些損傷都與HIF-1α表達(dá)增加相關(guān),而骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞可以通過(guò)抑制HIF-1α表達(dá)降低Cr6+介導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激,減輕鉻的肝毒性作用[25]。長(zhǎng)期接觸二氧化鈦(TiO2)和納米TiO2均可導(dǎo)致肝損傷,小鼠喂食納米TiO29個(gè)月后,肝組織中HIF-1α、NF-κB和MAPK表達(dá)增加,導(dǎo)致炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)和肝纖維化,造成肝毒性[26]。MeHg處理可引起大鼠肝細(xì)胞HIF-1α表達(dá)降低,肝細(xì)胞活力下降[27]。

Ni、Cr6+、Ti、Mn等金屬暴露可引起肝細(xì)胞HIF-1α的穩(wěn)定表達(dá),導(dǎo)致肝毒性增加。MeHg暴露引起HIF-1α表達(dá)降低造成肝細(xì)胞損傷。而Al暴露中HIF-1α的升高反而起到細(xì)胞保護(hù)作用,因此HIF-1α在金屬肝毒性中的作用仍需進(jìn)一步探索。

2.4 HIF-1α與腎損傷類金屬

研究表明鋅(Zn)可以通過(guò)下調(diào)小鼠糖尿病模型腎臟中HIF-1α的表達(dá)來(lái)阻斷腎小管上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化并減輕腎纖維化,這一機(jī)制可能與Zn激活PI3K/AKT/GSK-3β通路引起HIF-1α下調(diào)相關(guān)[28]。

流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn)Cd暴露與腎癌患者VEGF、金屬硫蛋白及HIF-1α的表達(dá)增加顯著相關(guān),提示Cd的腎毒性與HIF-1α通路激活相關(guān)[29]。Cd可通過(guò)胎盤到達(dá)胎兒腎臟產(chǎn)生毒性,但有研究發(fā)現(xiàn)Cd暴露大鼠胚胎腎臟中HIF-1α和PHD2蛋白表達(dá)沒(méi)有變化,僅發(fā)現(xiàn)VEGFmRNA水平降低,這可能與HIF-1與DNA的結(jié)合能力降低有關(guān)[30]。小鼠吸入納米TiO2后,腎組織中HIF-1α表達(dá)增加的同時(shí),硝基酪氨酸、iNOS、HO-1和TGF-β表達(dá)也增加,且與腎臟發(fā)生病理改變以及腎纖維化相關(guān)。體外實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)[31],納米TiO2劑量依賴性地引起人腎近端腎小管細(xì)胞中HIF-1α增加,與活性氧及TGF-β表達(dá)增加相關(guān),產(chǎn)生腎細(xì)胞毒性。

以上結(jié)果表明,金屬暴露引發(fā)腎細(xì)胞HIF-1α激活或抑制從而導(dǎo)致不同的生物學(xué)效應(yīng),在一些非缺氧狀態(tài)下,HIF-1α的上調(diào)可能與促進(jìn)腎臟纖維化及腫瘤發(fā)生發(fā)展有關(guān)。

2.5 HIF-1α與血管損傷類金屬

傷口愈合過(guò)程中,銅(Cu)通過(guò)誘導(dǎo)HIF-1α和VEGF的表達(dá)促進(jìn)血管生成,提高皮膚再生和血管生成能力[32],而Pb暴露則可上調(diào)HIF-1α的表達(dá),進(jìn)而導(dǎo)致原代人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞線粒體形態(tài)和功能改變,造成血管生成受損[33]。這一現(xiàn)象提示Cu暴露激活HIF-1α,促進(jìn)皮膚組織和血管生成,而Pb暴露引起的HIF-1α激活反而損傷血管生成功能。這些結(jié)果說(shuō)明HIF-1α在金屬血管毒性中具有雙重作用。

2.6 HIF-1α與免疫損傷類金屬

Cd可通過(guò)氧化應(yīng)激、鈣離子通道及自噬等途徑引起免疫系統(tǒng)損傷[34]。6周齡的斷奶仔豬在20 mg/kg CdCl2暴露后,淋巴結(jié)中的Cd沉積量及淋巴結(jié)細(xì)胞凋亡率增加,同時(shí)淋巴細(xì)胞HIF-1α表達(dá)明顯降低,且PI3K和AKT也同樣降低,由此提示Cd可能通過(guò)擾亂HIF-1α以及相關(guān)的PI3K/AKT信號(hào)通路引起淋巴細(xì)胞凋亡,造成免疫系統(tǒng)損傷[35]。Salloum等[36]研究發(fā)現(xiàn),Co可通過(guò)HIF-1α穩(wěn)定表達(dá)引起小鼠巨噬細(xì)胞中糖酵解通量增加,進(jìn)而降低氧化磷酸化,增加糖酵解,從而激活巨噬細(xì)胞發(fā)生炎癥反應(yīng)。

Cd暴露引起HIF-1α表達(dá)降低引發(fā)免疫毒性,而Co暴露誘導(dǎo)HIF-1α表達(dá)增加,同樣引發(fā)免疫毒性,HIF-1α在金屬免疫毒性中的作用仍待進(jìn)一步明確。

2.7 HIF-1α與生殖泌尿系統(tǒng)損傷類金屬

Shen等[37]研究發(fā)現(xiàn),Cd同時(shí)誘導(dǎo)先兆子癇大鼠胎盤中腺苷A2A受體和HIF-1α表達(dá)增加,導(dǎo)致胎盤受損。而Cr6+暴露可誘導(dǎo)人前列腺癌細(xì)胞DU145活性氧產(chǎn)生,并上調(diào)HIF-1α和VEGF的表達(dá),促進(jìn)癌細(xì)胞的生長(zhǎng),因而提示HIF-1α可能參與Cr6+暴露的前列腺致癌作用[38]。暴露于Co的絨毛膜癌細(xì)胞系和絨毛外細(xì)胞滋養(yǎng)層HIF-1α增多,進(jìn)而引起滋養(yǎng)細(xì)胞中斑點(diǎn)型POZ蛋白表達(dá)增加,激活PI3K/AKT/GSK-3β通路,導(dǎo)致滋養(yǎng)細(xì)胞的流動(dòng)性下降,子宮螺旋動(dòng)脈重塑和胎盤灌注不足,導(dǎo)致妊娠相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)生[39]。HIF-1α的表達(dá)增加在Cd、Cr6+及Co暴露引起的生殖泌尿系統(tǒng)損傷中的作用有待深入研究。

3 總結(jié)與展望

不同金屬暴露對(duì)HIF-1α表達(dá)產(chǎn)生不同的影響,部分重金屬暴露引起機(jī)體HIF-1α表達(dá)降低可能與其抑制機(jī)體正常生理功能,引發(fā)氧化應(yīng)激相關(guān),而有些金屬暴露引起HIF-1α表達(dá)增加則進(jìn)一步損傷線粒體功能,促進(jìn)自噬與凋亡。最為特別的是Al在肝組織、Zn在腎臟組織以及Cu在心血管系統(tǒng)中增加HIF-1α表達(dá),對(duì)機(jī)體起到保護(hù)作用,這可能與HIF-1α激活下游糖酵解、紅細(xì)胞生成及血管生成基因相關(guān)。HIF-1α通路已成為參與金屬毒性的重要機(jī)制,為臨床金屬中毒的防治提供了新的靶點(diǎn)和依據(jù)。