缺氧诱导因子－1α与相关疾病的研究综述

作者：杨超月

　　缺氧诱导因子-1α（ hypoxia-inducible factor,HIF-1α）在缺血缺氧性脑损伤、缺氧性肺部疾病、缺血缺氧性心肌疾病、肿瘤和炎症中的作用日益受到学界关注，并由此生发出许多新的观点和认识，部分观点和认识还存在差异。本文就此做一简要综述。
　　
　　1 HIF-1α 与缺血缺氧性脑损伤
　　
　　HIF-1α 在缺血缺氧性脑损伤中的作用，学者们有不同的观点。大部分学者认为，HIF-1α 能够发挥抗凋亡、脑神经保护及促进大脑血管生成等作用。Ogunshola[1]等报道 HIF-1α 能够通过增强抗凋亡作用而促进神经元在受到氧化应激及局部脑缺血后的存活； Wang[2]等研究发现，适度的运动预处理通过上调 HIF-1α 的表达可以减轻缺血再灌注所致的局灶性脑梗塞面积；在一项关于神经母细胞瘤凋亡的研究中发现，HIF-1α 和 Survivin 在缺氧缺血小鼠模型中表达水平明显上升，继而发挥抗凋亡的作用[3].至于 HIF-1α 发挥上述抗凋亡、保护脑细胞的机制，Zhu[4]等报道，在短暂脑缺血缺氧后，HIF-1α通过上调 VEGF 和下调 caspase-9 发挥了脑神经保护作用，其中 PI3K、p38 MAPK 及 MEK 途径参与了 HIF-1α 和 VEGF 的调控作用。在调控脑血管生成方面，Reisehl[5]等研究表明，脯氨酸羟化酶抑制剂通过减少 HIF-1α 的降解来稳定 HIF-1α 的浓度、控制 VEGF 及 EPO 的表达，从而明显减少缺血卒中后脑水肿、血管渗漏。
　　
　　然而另一些研究者持相反观点，认为 HIF-1α可导致神经细胞的凋亡、坏死，并且参与脑缺血缺氧后的炎症反应。Min[6]等研究报道，HIF-1α 抑制剂Vitexin 对急性和慢性新生儿脑损伤具有神经保护作用。Cheng[7]等研究表明，在缺血性卒中大鼠模型中，使用 HIF-1α 抑制剂能够保护培养液中的皮质细胞对抗缺血性应激、减少神经元细胞坏死，认为HIF-1α 可能促进神经元的坏死。关于 HIF-1α 促进细胞坏死可能的机制，Singh[8]等报道 HIF-1α 在脑缺血再灌注后通过诱导前凋亡蛋白及 Nix、BNip3、IL-20 等细胞因子，导致线粒体功能障碍，从而导致细胞坏死。
　　
　　出现上述不同观点的原因，可能与研究设计方法、实验方法、缺血低氧条件及时间节点差异有关，目前大部分研究倾向于支持前者观点。为进一步明确 HIF-1α 在缺血缺氧性脑损伤中的机制，需建立脑损伤的标准模型，同时需考虑机体内外环境、地域、不同种族等因素。
　　
　　2 HIF-1α 与缺氧性肺部疾病
　　
　　2.1 HIF-1α 与慢性阻塞性肺疾病（ chronic obstruc-tive pulmonary disease,COPD）
　　
　　在 COPD 的发病机制中，HIF-1α 的作用日益受到重视，然而学界关于 HIF-1α 在 COPD 发病中的病理生理机制及作用存在分歧。一部分学者认为，HIF - 1α 在 COPD 患者肺组织中表达上调，Tao[9]等研究表明 COPD 患者肺组织和血清HIF-1α表达增加，与气流受限的严重程度呈正相关。王红云[10]等研究发现 COPD 大鼠模型的肺小动脉壁HIF- 1α 的表达明显增强，且与肺小动脉管壁厚度和肺动脉压力相关，提示 HIF-1α 在 COPD 的肺血管重塑过程中发挥重要作用。罗玲[11]等研究提示COPD 患者外周血单个核细胞 NF-κB、HIF-1 表达均增加，且 HIF-1α 在不同严重程度的 COPD 中稳定表达，表明在慢性持续性缺氧的同时既启动了炎症反应也启动了适应性保护机制。
　　
　　然而，另一些研究者持相反观点。有报道，COPD 患者肺组织中 HIF-1α 表达下降、p53 表达增加[12].Yasuo[13]等研究指出，在重度 COPD 患者肺组织以及肺动脉内皮细胞和肺泡间质细胞中，HIF-1α mRNA 及蛋白表达量明显下调，认为其与肺实质结构在分子水平上遭到损伤有关。魏文婷[14]等研究提示 HIF-1α 在 COPD 的进展过程中表达减少，可能与疾病的发展相关。
　　
　　针对上述不同观点，笔者认为 HIF - 1α 在COPD 中的表达可能与其基因多态性、不同人群及病程阶段相关，在轻中度 COPD 患者肺组织中HIF-1α表达上调，而在重度 COPD 患者肺组织中表达下调，进一步阐明 HIF-1α 基因多态性在 COPD中的作用，对于寻找阻断 COPD 发生、发展的新途径有重要意义。
　　
　　2.2 HIF-1α 与缺氧性肺动脉高压（ hypoxic pulmo-nary hypertension,HPH）
　　
　　大量实验结果表明，HIF-1α 在 HPH 形成中起着至关重要的作用。Zhou[15]等研究表明，慢性缺氧所致的 HPH 患者血清 HIF-1α 水平相应升高，且与肺动脉收缩压呈正相关。王建荣[16]等在慢性缺氧诱导的新生大鼠 HPH 模型中发现，肺组织中HIF-1α表达在缺氧 3 d 后显着高于对照组，新生大鼠缺氧 7 d 后肺血管出现重塑，提示 HIF-1α 参与了新生大鼠 HPH 的发生及发展。曹静[17]等研究发现 HIF-1α 及其下游靶基因 ET-1 和 iNOS 在 HPH新生大鼠肺组织中表达增加，提示 HIF-1α 在该病发病机制中具有重要作用。孙青[18]等研究认为肺动脉高压大鼠肺小动脉内膜增殖的机制与 HIF-1α表达上调、促进血管平滑肌细胞增殖有关。
　　
　　HIF-1α 在 HPH 发病机制中的调控作用学界观点基本一致。众多研究表明，HIF-1α 在 HPH 发病机制中起到了中心作用，进一步研究 HIF-1α 及其靶基因与缺氧性肺血管收缩和肺血管重建的关系，以及 HIF-1α 参与低氧细胞凋亡与增殖的机制，有助于从分子水平上阐明 HPH 的发病机制，进而为其临床诊治奠定基础。
　　
　　3 HIF-1α 与缺血缺氧性心肌疾病
　　
　　缺血性心肌疾病是目前威胁人类健康的一大疾病。研究表明，HIF-1α 在调节心肌保护中起着重要作用。Kilian[19]等运用 HIF-1α 腺病毒载体导入心肌细胞，稳定、大量地表达 HIF-1α 可以通过上调多种在血管生成过程中起促进作用的细胞因子，而使内源性内皮祖细胞大量聚集于缺血心肌，从而建立心脏的侧支循环改善心功能。闫振娴[20]等发现，老年冠心病患者随着心肌缺血严重程度的增加体内HIF-1α、HO-1 表达水平增高，HIF-1α 通过调控其下游靶基因 HO-1 及其反应产物提高心肌对缺血缺氧的耐受性，从而对机体发挥重要的保护作用。最近的一项研究证实，在大鼠心肌缺血模型中，接受注射 HIF-1α 腺病毒载体的大鼠心肌梗死面积小于对照组[21],表明 HIF-1α 可以改善急性心肌缺血的心脏功能。Du[22]等最近报道，HIF-1α 通过对新型靶基因 renalase 的调节发挥对心肌缺血再灌注的保护作用，为缺血性心肌疾病患者的治疗策略提供了依据。
　　
　　另外，在缺氧时 HIF-1α 还通过激活丙酮酸脱氢酶激酶 1 从而抑制细胞的新陈代谢[23],降低心肌耗氧量，提高心肌存活率。此外，在心肌缺氧环境中，出现 caspase-3 的激活、促凋亡基因（如 bax）表达上调以及抗凋亡基因（如 bcl-2）表达下调等，通过死亡受体途径及线粒体途径等导致心肌细胞发生凋亡，而缺氧时 HIF - 1α 的高表达可通过激活PI-3K / Akt等通路逆转上述过程，降低细胞凋亡率，从而提高缺氧区细胞的增殖率，发挥抗凋亡的作用[24-25].
　　
　　HIF-1α 作为一种氧敏感的转录调节因子，其对缺血缺氧性心肌的保护作用得到了学界的公认，其中对 HIF-lα 相关信号通路的深入研究，将为缺血性心肌疾病的治疗提供新的视野。
　　
　　4 HIF-1α 与肿瘤
　　
　　4.1 HIF-1α 与血管生成及肿瘤转移
　　
　　HIF-1α 的激活在促进肿瘤血管生成中起着关键作用，HIF-1α 可通过上调 VEGF 的表达，促进肿瘤血管生成，并导致肿瘤浸润和淋巴结转移。研究发现 HIF-1α 抑制剂可以使肿瘤生长、血管形成和转移明显降低[26].最近的一项研究发现，乳腺癌合并糖尿病患者乳腺癌组织中 HIF-1α、VEGF 显着升高，提示 HIF-1α 通过其靶基因 VEGF 增强肿瘤组织的血管生成[27].在一项结直肠癌的研究报道中，HIF-1α 参与了肿瘤的血管生成、转移、细胞的存活和化疗耐药[28].
　　
　　侵袭转移是恶性肿瘤发展的一个重要特性，可发生于肿瘤发展过程中的任一阶段，HIF-1α 对肿瘤的侵袭转移起到了至关重要的作用。在肿瘤缺氧状态下，各种黏附分子、表面分子、膜蛋白及杂蛋白均在 HIF-1α 的调节下参与了肿瘤的转移。Wei[29]等报道，抑制 HIF-1α 表达后，胰腺癌细胞的侵袭性、抗缺氧能力及扩散能力降低，其机制可能是HIF-1α通过上调 Caveolin - 1 促进了配体 - 表皮生长因子受体的信号转导，增加了肿瘤细胞增殖、迁移和侵袭的能力[30].Thomas[31]等研究证实 HIF-1α作用于癌症干细胞相关膜蛋白 CD24,促进肿瘤生长和转移。Ke[32]等研究发现，在低氧条件下 HIF-1α和 Sp1 联合激活 CD147 基因启动子，导致 CD147 表达上调，从而促进上皮实体瘤的生长和转移。另外，一篇 Meta 分析[33]结果表明 HIF-1α 基因 C1772T多态性和癌症的组织学分级及淋巴结转移的增加风险相关，提示 HIF-1α 多态性也与肿瘤转移密切相关。
　　
　　缺氧是诱发肿瘤转移的最重要的因素之一，进一步研究 HIF-1α 新的靶基因及其功能，有助于对侵袭性肿瘤提供新的治疗靶点。
　　
　　4.2 HIF-1α 与肿瘤细胞凋亡
　　
　　HIF-1α 在肿瘤细胞凋亡调控中的作用机制，学界持有不同的观点。一部分学者认为 HIF-1α 促进了肿瘤细胞凋亡的作用。有报道，在肿瘤低氧区域，HIF-1α 可通过激活凋亡前体蛋白 BNIP3 和NIX 诱导肿瘤细胞凋亡。研究发现，p53 结合到ODD 结构域而与 HIF-1α 结合[34],通过调节 Bax 等蛋白诱导细胞程序性死亡或由 p21 介导细胞生长抑制。Li[35]等研究表明，HIF-1α 通过下调 cyclin B1、survivin 和上调 Caspase - 3 促进肺癌细胞的凋亡。
　　
　　张晓楠[36]等研究发现，HIF-1α 与促凋亡蛋白 BAK在胃癌组织中的阳性表达成正相关，提示 HIF-1α可能参与诱导了胃癌细胞的凋亡。然而，另一些学者认为 HIF-1α 可使细胞免于低氧诱导的细胞凋亡，在低氧应激中发挥抗凋亡的作用。Nardinocchi[37]等发现，HIF-1α 可通过下调HIPK2 对抗 p53 介导的凋亡。Xia[38]等报道，在恶性视网膜母细胞瘤中，通过抑制 HIF-1α 可以下调VEGF、GLUT1 及 Survivin mRNA 的表达，进而抑制肿瘤细胞增殖、促进细胞凋亡。Shin[39]等研究表明，HIF-1α 激动剂氯化钴抑制了凋亡调节蛋白的表达，如 Bax、Bcl - 2、Caspase - 3、Caspase - 8、caspase-9及细胞色素 C 等，而 HIF-1α 抑制剂 IK 可以发挥抗增殖和诱导凋亡的作用。
　　
　　HIF-1α 调节肿瘤细胞凋亡的确切机制仍不是很清楚，对于上述两种相反的观点，作者认为由于缺氧的程度和时间不同，HIF-1α 在缺氧组织细胞凋亡中扮演着双重角色，既可发挥抗凋亡作用又可发挥促凋亡作用，另外缺氧还可以通过非 HIF-1α 途径调节细胞凋亡，所以在肿瘤细胞凋亡中 HIF-1α表现出不同的调节作用。进一步探讨 HIF-1α 参与肿瘤细胞凋亡具体的信号传导通路，将为临床抗肿瘤提供新的思路和手段。
　　
　　5 HIF-1α 与炎症
　　
　　微环境的低氧是炎症组织重要的病理特征，缺氧损伤通常伴有炎性细胞浸润，炎症反应常导致细胞缺氧反应途径的激活。近年研究发现 HIF-1α 具有炎症调节作用。目前已知 IL-6、GF-1、IL-1β、TNF-α、PGE2 及 LPS 等致炎因子能激活 HIF-1α 的转录活性。另外，HIF-1α 不仅调控巨噬细胞的免疫相关基因，也调控 CD4+和 CD8+T 细胞介导的炎症细胞因子的产生。
　　
　　HIF-1α 在炎症中的作用，学者们有不同的认识。大部分研究认为，HIF-1α 促进了炎症反应，最近的一项研究显示，HIF-1α 增强了舒林酸处理的小鼠近端结肠炎症反应[40].Hu[41]等发现，HIF-1α协同 Toll 样受体促进了类风湿关节炎的炎症活动。Suresh[42]等研究表明，2 型肺泡上皮细胞中 HIF-1α的活化是肺挫伤后急性炎症的主要驱动力。
　　
　　Fitzpatrick[43]等研究表明，低氧条件下 HIF-1α 和NF-κB的 P65 亚基直接促进 COX-2 及其他主要促炎因子的表达。Kim[44]等证实，在吸入 OVA 引起的炎症反应中，HIF-1α 表达水平均升高，并且炎症细胞数量增多，气道高反应性和肺血管通透性增加，HIF-1α的抑制剂 2-二甲氧雌二醇能够逆转这种趋势。
　　
　　然而，另一些研究者认为，HIF-1α 在炎症性疾病中发挥了抗炎作用。Flück[45]等研究发现，在炎症性肠病小鼠模型中，特异性敲除树突状细胞中HIF- 1α 可以增加促炎因子及粘蛋白水平，表现出更严重的肠道炎症反应，这提示 HIF-1α 可能具有抑制炎症反应作用。在大鼠肺不张模型中，研究者发现，肺泡上皮细胞 HIF-1α 的活化可以抑制肺不张引起肺泡缺氧所致的炎症反应[46].Tang[47]等研究表明，HIF-1α 作用于 TNF-α 抑制了血管扩张刺激磷蛋白的表达，减轻了肺部急性炎症反应。Kihira[48]等研究证实，HIF-1α 的缺失减轻了脂肪组织中巨噬细胞浸润及炎症反应。
　　
　　目前学界对 HIF-1α 与炎症关系存在不同观点。笔者认为 HIF-1α 可能在不同炎症性疾病中表现出不同的作用机制。如上所述，在胃肠炎症性疾病中，HIF-1α 促进了其炎症反应，而在肺部炎症性疾病当中，HIF-1α 发挥了抗炎作用。目前，HIF-1α在炎症中的具体机制尚未完全阐明，随着研究的不断深入，有望对炎症性疾病的诊治开辟新的视野。
　　
　　6 结语
　　
　　缺氧是哺乳动物机体最为常见的的病理生理反应，HIF-1α 作为缺氧调节中的关键转录调节因子，在红系生成、肿瘤表达、细胞凋亡、炎症免疫及能量代谢等细胞及系统水平发挥重要作用。目前，尽管学界对 HIF-1α 在低氧性疾病中的作用持有不同观点，但随着分子生物学技术的不断进步，相信HIF-1α在低氧性疾病中的中心枢纽作用将进一步得到阐明，其中对 HIF-1α 活性的调节，未来可能成为治疗多种疾病的靶点，从而为这类疾病的治疗提供新的思路和方法。
　　
　　参考文献
　　
　　[1]Ogunshola OO,Al Ahmad A.HIF-1 at the blood-brainbarrier: a mediator of permeability[J].High Alt Med Biol,2012,13（ 3） : 153-161.
　　
　　[2]Wang L,Deng W,Yuan Q,et al.Exercise precondition-ing reduces ischemia reperfusion- induced focal cerebral infarctvolume through up-regulating the expression of HIF-1α[J].PakJ Pharm Sci,2015,28（ 2） : 791-798.
　　
　　[3]Zhang B,Yin CP,Zhao Q,et al.Upregulation of HIF-1α by hypoxia protect neuroblastoma cells from apoptosis by pro-moting survivin expression[J]. Asian Pac J Cancer Prev,2014,15（ 19） : 8251-8257.
　　
　　[4]Zhu T,Zhan L,Liang D,et al.Hypoxia-inducible factor1α mediates neuroprotection of hypoxic postconditioning againstglobal cerebralischemia[J].J Neuropathol Exp Neurol,2014,73（ 10） : 975-986.
　　
　　[5]Reisehl S,Li L,Walkinshaw G,et al.Inhibition of HIFprolyl-4-hydroxylases by FG- 4497 reduces brain tissue injuryand edema formation during ischemic stroke[J]. PLoS One,2014,9（ 1） : e84767.
　　
　　[6]Min JW,Hu JJ,He M,et al.Vitexin reduces hypoxia-ischemia neonatal brain injury by the inhibition of HIF- 1alphain a rat pup model[J].Neuropharmacology,2015,99: 38-50.
　　
　　[7]Cheng YL,Park JS,Manzanero S,et al.Evidence thatcollaboration between HIF- 1α and Notch- 1 promotes neuronalcell death in ischemic stroke[J].Neurobiol Dis,2014,62: 286-295.
　　
　　[8]Singh N,Sharma G,Mishra V.Hypoxia inducible factor-1: its potential role in cerebral ischemia[J].Cell Mol Neurobi-ol.2012,32（ 4） : 491-507.