缺氧诱导因子1研究进展

【关键词】 缺氧诱导因子1;缺氧;靶基因;高血压/肺性

缺氧诱导因子1(hypoxia inducible factor1，HIF1)是1992年Semenza和Wang[1]首先发现的，随后确立了HIF1的结构，并证明了其cDNA的编码顺序。HIF1普遍存在于人和哺乳动物细胞内，常氧下(21%O2)也有表达，但合成的HIF1蛋白很快即被细胞内氧依赖性泛素蛋白酶降解途径所降解，只有在缺氧条件下HIF1才可稳定表达[2]。HIF1是具有转录活性的核蛋白，具有相当广泛的靶基因谱，其中包括与缺氧适应、炎症发展及肿瘤生长等相关的近100种靶基因[3，4]。当其与靶基因结合后，通过转录和转录后调控使机体产生一系列反应，有些反应尽管带有适应代偿性质，但也常给机体带来病理性损害，如低氧性肺动脉高压(hypoxic pulmonary hypertension，HPH)、肿瘤加速生长等。

　　1 HIF1生物学活性的分子基础

　　HIF1是一种异源二聚体，主要由120kD的HIF1α和91～94kD的HIF1β两个亚单位组成。HIF1β亚基又称芳香烃受体核转运子(aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator，ARNT)，基因定位于人的1号染色体q21区，在细胞内稳定表达，起结构性作用;HIF1α基因定位于人的14号染色体q21～24区，受缺氧信号的调控，是HIF1的活性亚基[5，6]。每个亚单位的氨基端均含有碱性的螺旋环螺旋(basichelixloophelix，bHLH)构型和Per/Amt/Sim(PAS)结构，是其形成异源二聚体并与DNA结合所必需的结构。作为活性亚基的HIF1α，由826个氨基酸构成，其两个末端是感受缺氧信号的活性调控区域，C末端有一个富含脯氨酸丝氨酸苏氨酸(Pro/Ser/Thr)的氧依赖降解结构域(oxygendependent degradation domain，ODDD)和反式激活结构域(transactivation domain，TAD)，即TADC;N末端含有TADN;这些结构域都是缺氧诱导蛋白稳定、核定位和转录激活的调节域，其中TADC发挥精细调整作用，TADN为激活转录所必需，可见HIF1α亚基受缺氧调控并调节HIF1的活性[7，8]。关于HIF1β，除了结构性组成作用外，其还可能与HIF1在核内的稳定性及二聚化后的构象转变有关[9]。有研究证明在ARNT缺陷的细胞不能诱导HIF1的活性，HIF1α亚基必须与HIF1β亚基聚合形成异二聚体，才能发挥转录因子的作用。

　　2 HIF1的稳定性调节

　　常氧条件下，HIF1β在细胞内稳定表达，缺氧时几乎不被诱导。HIF1α蛋白在常氧时其合成和降解同时发生，且保持稳定，低于可检测水平;缺氧刺激下

　　HIF1α蛋白迅速增加，复氧时又迅速降解，可见，细胞内存在迅速而完善的对HIF1活性的调节机制。目前的研究证明：缺氧诱导HIF1活性至少在mRNA水平、蛋白质水平和HIF1二聚化水平三个水平上调节，其中最主要发生在蛋白质的水平[10]，即通过HIF1α蛋白的羟化、乙酰化、磷酸化的调节和信号转导途径来提高蛋白质的稳定性和增强其转录活性。

　　2.1 羟化作用 在常氧情况下，HIF1α的ODDD中第402及564位脯氨酸残基被脯氨酸羟化酶(prolyl hydroxylase，PHD)羟化，羟基化的脯氨酸残基与肿瘤抑制蛋白(Von HippelLindau protein，pVHL)结合并被包围在其疏水的分子中心，pVHL在与HIF1α亚单位的ODDD结合后募集elongin C，elongin B等泛素蛋白，共同组成泛素连接蛋白酶复合体，进而使HIF1α亚单位泛素化并经泛素连接蛋白酶复合体途径被降解[11]。缺氧情况下PHD失活，不能使HIF1α亚单位羟基化，导致HIF1α亚单位降解受阻。此外，常氧时HIF1α羧基端的转录激活区(TADC)上的803位天冬氨酸能被氧依赖性天冬氨酰羟化酶羟化，从而阻止HIF1α与转录辅助激活因子P300/CBP的相互作用。缺氧状态下，803位的天冬氨酸不被羟化，HIF1的TADC与P300/CBP相互作用，激活靶基因的转录。脯氨酸羟化酶和天冬氨酰羟化酶二种羟化酶调控HIF1α的作用分别相当于粗调和精调的关系[12，13]。

　　2.2 乙酰化作用 HIF1α的ODDD中第532位的赖氨酸可被乙酰转移酶(arrestdefective1，ARD1)乙酰化，该酶为酵母与低等真核细胞蛋白N乙酰转移酶的同系物，作用同脯氨酸羟化酶。乙酰化后的HIF1α与pVHL的结合能力增强，使HIF1α经蛋白酶复合体途径降解。缺氧时，ARD1在mRNA和蛋白水平减少，引起缺氧情况下HIF1α的乙酰化减少，使HIF1表达增加[14]。

　　2.3 磷酸化作用 HIF1α是一种磷酸化蛋白，蛋白合成时其磷酸化过程可改变蛋白本身的合成与降解率，从而影响HIF1α亚单位表达，实现对其稳定性的调节。实验发现，Ser/Thr激酶抑制剂及酪氨酸激酶抑制剂均可降低HIF1α的稳定性。不仅如此，缺氧诱导的磷酸化作用也可使HIF1的转录活性增强[15]。

　　2.4 信号转导途径 某些生长因子和细胞因子可通过一定的信号途径刺激HIF1α合成增加：生长因子包括胰岛素、胰岛素样生长因子(insulinlike growth factor，IGF)、转化生长因子(transforming growth factor，TGF)、血小板衍生因子(plateletderived growth factor，PDGF);细胞因子涉及白细胞介素1β(interleukin1β，IL1β)、肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor1α，TNF1α)，甚至细菌内毒素的脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)和信息分子一氧化氮(nitric oxide，NO)等[16，17]。除这些生长因子和细胞因子外，环境刺激以及其他信号分子等都可在低氧条件下和相应的酪氨酸激酶受体结合，激活磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)，增加HIF1的表达。

　　3 HIF1对靶基因的功能调控

　　3.1 靶基因特点

　　在缺氧条件下，机体通过精确地感受氧分压和后继信号转导过程，增强HIF1的稳定性和转录活性，使HIF1α、HIF1β在核内形成二聚体，之后在其他转录辅助激活因子p300/CBP等的协同作用下调控一系列缺氧相关基因的表达，这些受HIF1调控的缺氧相关基因称HIF1的靶基因。HIF1靶基因的共同特点是：①在启动子或增强子中含有HIF1结合位点，其核心序列为5′RCGTG3′，称为缺氧反应元件(hypoxia response element，HRE);②HIF1的诱导物如缺氧、氯化钴、去铁胺等能诱导该基因的转录。

　　3.2 HIF1启动靶基因过程

　　在缺氧条件下，细胞核产生的HIF1诱导其靶基因转录，介导机体对缺氧环境的适应，该过程大体为：①细胞缺氧时HIF1α从胞浆转移到核，而HIF1β在核中显著增加，并与HIF1α形成稳定的HIF1二聚体蛋白;②HIF1α亚基C端的缺氧信号活性调控区域介导HIF1的激活;③活化的HIF1与HRE结合，在靶基因的转录起始部位形成转录起始复合物，从而启动靶基因的转录。

　　3.3 主要靶基因

　　HIF1的靶基因涉及能量代谢、血管新生、铁与血红素的代谢、儿茶酚胺代谢、以及一些细胞因子和一氧化氮的合成等，主要包括以下几种[18，19]：①促红细胞生成素(EPO)编码基因。EPO的3′端增强子有33bp的HRE，其中有两个HIF1的结合位点，即5′TACGTGCT3′和5′AACAG3′。EPO能促进干细胞分化为原红细胞，并促进其分化、增殖和成熟，从而加速血红蛋白合成，使骨髓中的网织红细胞和红细胞释放入血。EPO增多是缺氧条件下血液系统的重要代偿反应。然而，EPO的大量生成使血液黏度上升，血容量增加，血小板黏附聚集增多，促进HPH的形成对机体是不利的。②血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)编码基因。VEGF基因转录起始点上游大约1kb的5′侧翼区域有286bp的HRE，VEGF基因的HIF1结合点序列为5′CACAG3′和5′ATCGTGGG3′。VEGF是很强的内皮特异性丝裂原，可与内皮细胞表达的特异性VEGF受体结合，使内皮细胞增殖，从而增加血管的数量和密度。缺氧时HIF1诱导VEGF生成增多，在HPH中发挥了重要作用，因其介导缺氧性肺血管重塑(hypoxic pulmonary vascular remodeling，HPVR)，而HPVR是HPH形成的重要病理基础。③葡萄糖载体蛋白1(glucose transporter1，GLUT1)和糖酵解酶类，包括醛缩酶A，烯醇化酶1，乳酸脱氢酶A，磷酸果糖激酶L，磷酸甘油酸激酶1和3磷酸甘油醛脱氢酶编码基因等。缺氧时，氧化磷酸化过程受抑制，HIF1通过诱导这些基因的表达来增加糖酵解，满足机体对能量代谢的需要。④血红素氧合酶1(heme oxygenase1，HO1)编码基因。HO1基因HRE位于转录起始点上游大约9.5kb的BT片段，BT片段有两个HIF1结合位点5′GACGTGCT3′和5′GACGTGCC3′。HO1可催化血红素产生CO，CO作为气体信号分子激活鸟苷酸环化酶，提高cGMP水平，使血管平滑肌松弛，抑制血小板凝聚，从而增加血流量和血管通透性，使缺氧组织得到充足的氧气供应。⑤诱导型NO合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)编码基因。缺氧条件下，HIF1可诱导iNOS合成，产生NO，NO作为血管舒张因子，可舒张血管，增加血流量和组织供氧。研究证明iNOS基因5′侧翼区域有HIF1结合的共有序列5′TACGTGCT3′。⑥内皮素1(endothelin1，ET1)。ET1基因的启动子上含有HIF1的结合位点。ET1是最强烈的缩血管物质之一，在HPH形成中发挥重要作用：ET1与特异性受体ETA、ETB结合后介导肺血管平滑肌收缩;ET1还可以促进肺血管平滑肌细胞的生长及增值，参与肺血管重建的过程。而缺氧时HIF1在肺泡上皮细胞、支气管上皮细胞、巨噬细胞、血管内皮细胞、血管平滑肌细胞等都有表达。可见，HPH的形成与HIF1诱导ET1高表达有关[20]。此外，HIF1的靶基因还有胰岛素样生长因子结合蛋白、IGF2和TGFβ等。随着新的靶基因陆续被发现，表明其数目远远不止这些。

　　4 小结与展望

　　自发现HIF1以来，不仅认识了其结构、活性和靶基因等，还对HIF1在细胞增殖与凋亡、肿瘤、心血管疾病等中的作用进行了研究，并取得一定成果。然而，至今仍有很多问题有待解决，如：低氧情况下，组织细胞中的HIF1如何感受缺氧信号，从而使其转录激活?HIF1调控激活其靶基因的具体途径是怎样的?还有哪些靶基因未被发现?针对HIF1如何为根治恶性肿瘤开辟新的途径?相信在众多科学工作者的不懈努力下，对HIF1的认识会更加深入，应用其防治疾病的愿望也将会变为现实。

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