缺氧诱导因子研究的进展

氧代谢的平衡对于机体的生理功能和代谢过程极其重要,机体对于低氧或者缺氧的条件具有适应能力。缺氧诱导因子是细胞在基因转录水平协调缺氧变化的最主要的调节因子,广泛表达于哺乳动物各种组织细胞中,是一种介导哺乳动物细胞内低氧反应的核转录复合体,其表达调控与肿瘤发生发展和某些疾病的病理生理过程密切相关。本文综述近年来有关HIF激活机制、生物功能和与疾病关系等方面的研究进展。

1HIF的分子结构

HIF是由结构同源的α亚基和相同的β亚基组成的异二聚体转录因子,目前已发现HIF-1、HIF-2、HIF-3三个成员。HIF-1是一种随细胞内氧浓度变化而调节基因表达的转录激活因子,由氧调节亚单位HIF-α和结构亚单位HIF-β (也称作ARNT)组成。两个单位都是基本螺旋一环一螺线(B-HLH)转录因子家族中的成员,并具有Per-ARNT-Sim(PAS)结构域。α亚单位的结构域包括一个独特的氧依赖降解结构域(ODDD),这是正常氧分压下HIF-1降解所必需的结构,两个反式激活结构域(transaction domain,TAD),主要参与转录激活作用,一个N末端活性域(NAD)和C末端活性域(CAD),并且ODDD和NAD还有一部分重叠;β亚单位只包含一个TAD和一个CAD.

在HIFα家族中还包括HIF-2α和HIF-3α。HIF-2α和HIF-3α分别与HIF-1β组成HIF-2和HIF-3,其中HIF-2α,包含BHLH结构域、PAS结构域、TAD及入核信号[1],是HIF-2活性的功能亚单位,受氧水平的调节。HIF-1α有很多变异体,它们的组成相似但是包含结构域的种类数量存在差异。HIF-3α发现了6个剪接变异体。2HIF-α的激活机制缺氧是激活HIF的主要信号,但是一些金属离子,例如Co2+、Ni2+、Mn2+也能通过螯合作用激活HIF,除此之外,HIF的激活信号还包括一些生长因子、细胞因子等。

2.1HIF-1α的降解

在正常氧状态下,HIF-1α的半衰期

2.2HIF-1α转录的激活现已知调控HIF-1活性的信号途径主要为两条:PI-3K/Akt依赖的HIF-let蛋白稳定性调控和MEK/MAPK介导的HIF-1反式激活功能调控[3].在HIF-1α的转录激活中,CAD起重要作用。高度保守的CAD结构域通过其富含亮氨酸的区域与共刺激分子p300(也称作CBP)的CH1结构相互作用达到激活作用。酪氨酸激酶M2(PKM2)是PKM2基因的产物,具有促进肿瘤生成的作用,PKM2基因的表达受HIF-1调控。Luo W等[4]的研究表明PKM2能够加强HIF-1的聚合和p300的募集,进而促进HIF-1靶向基因的激活。PKM2通过与脯氨酸羟化酶3(PHD3)的作用来加强其与HIF-1α的联合和共激活作用,质谱分析法和抗羟脯氨酸抗体试验表明在HIF-1靶向基因激活过程中PKM2的403/408脯氨酸位点发生羟基化,敲除PHD3抑制PKM2的共激活作用。REED1蛋白是PI-3K/Akt依赖的HIF-let蛋白稳定性调控中的一个重要因子,它在调控TOR复合体1(TORC1)的活性过程中具有重要作用。Horaka P等[5]阐明了一种依赖REDD1的HIF-1负反馈调节机制,这一负反馈环在抑制肿瘤过程中具有重要作用。体外实验表明REDD1基因的缺失导致HIF-1和其靶向基因表达的增加,而在体内具有致肿瘤性。进一步研究阐释REDD1缺失时细胞内活性氧(ROS)大量增加,ROS能够稳定HIF-1α,进而促进肿瘤的发生和生长,应用抗氧化剂能够抵消ROS导致的HIF-1水平的增加。HIF的激活需要很多个基因表达水平的上调,这些基因通过稳定HIF的活性或者提高HIF的表达水平来激活HIF,Partch CL等[6]通过核磁共振光谱分析技术发现HIF-α具有的ARNT PAS-B结构域提供了一个额外的结合位点,共激活剂(TACC3)通过与这个位点结合调节缺氧条件下HIF靶向基因的转录,同时实验还表明,这种ARNT PAS-B介导的HIF激活作用离不开HIF- TADs,详细的激活过程尚待进一步研究。

2.3HIF-2 的调节机制HIF-2 的调节机制与HIF-1 的调节机制相似,但也有其特点。Dioum EM等[7]的研究发现在培养的细胞和小鼠体内,降低或者提高Sirt1(一种能够在缺氧条件下选择性激活HIF-2α活性的乙酰基转移酶)的活性或者浓度会影响HIF-2α靶向基因,Sirt1能够像其他环境压力一样促进HIF-2α缺氧条件下的反应。另外,Koizume S等[8]在卵巢透明细胞癌CCC(ovarian clear cell carcinoma,CCC)研究中发现了HIF-2α一种不同寻常的调控转录激活方式。HIF-2α通过与Sp1相互作用而不是ARNT,以依赖于缺氧反应原件HRE(hypoxia-responsive element,HRE)的方式,协同组蛋白去乙酰化酶HDAC2,HDAC4作用在凝血因子VII的启动子上,诱导激活凝血因子VII,与此同时p300组蛋白乙酰基转移酶HAT(histone acetyltransferase,HAT)对此过程起到负调节作用,该分子机制解释了CCC在缺氧环境下仍然保持高度的凝血活性。这一成果对治疗CCC具有一定的指导意义。

3生物学功能

3.1HIF与实质性肿瘤HIF对于肿瘤的重要影响最先见于免疫组织学发现的研究结果,这个结果表明在原发恶性肿瘤和转移瘤中HIF表达很高。实质性肿瘤生长速度大于血管的生长速度,因此肿瘤内部逐渐形成了缺氧的环境,而HIF的高表达与肿瘤内部需要氧气含量感应和信号传导有关。同时,肿瘤诱导的基因突变也能够增强HIF的表达。肿瘤突变基因与HIF表达水平的关系最有说服力的证据当属VHL蛋白。VHL蛋白在HIF-1和HIF-2的蛋白酶体靶向降解中发挥重要作用,von Hippel-Lindau病是一种家族遗传性肿瘤综合征,患这种病的病人VHL蛋白与HIF-1结合受损。因此,HIF-1降解减少、含量增加,而病人患有血管、视网膜、小脑、肾上腺髓质和胰腺肿瘤的几率大大提高。经典的观点认为,实质性肿瘤内主要是HIF-1α高表达,但Franovic A等[9]的研究却发现:虽然在基因层面上癌症具有多样性,但却集中于一个共同的受控于HIF-2的生长轴。抑制HIF-2的表达,在体内能够阻止高恶性肿瘤如胶质母细胞瘤、直肠癌、肺非小细胞癌的形成和生长,在体外观察到肿瘤组织能够自发增殖,且不受突变状态和组织来源影响。进一步研究表明,HIF-2是通过表皮生长因子受体、胰岛素样生长因子受体和下游的细胞外信号调节激酶/苏氨酸激酶(ERK/Akt)等信号通路实现肿瘤增殖的调控作用,沉默这些受体,HIF-2的致癌性就消失了。HIF-1α和HIF-2α在肿瘤的高表达提示它们可能是治疗肿瘤的有效的靶点。通过肿瘤组织中HIF的靶向消除能够在一定程度上限制肿瘤的生长和转移,一般而言,HIF-1的表达与恶性肿瘤的发展和预后不良密切相关,但Huang X等[10]的研究结果显示在抑制肿瘤过程中HIF-1同样表达,如在缺乏HIF-1α时,能够促进来源于胚胎干细胞的畸胎瘤细胞和来源于小鼠星形胶质细胞的肿瘤细胞的生长。另外,HIF-1α还能够通过拮抗HIF-2α起到对肿瘤生长的抑制作用[11].这一成果表明HIF-1α直接影响两种缺氧应答途径——其一是促进血管生成改变细胞代谢的途径,另一条与之作用相反是能够限制肿瘤初期生长的途径。随后,在研究乳腺癌MCF-7细胞时,Su K等[12]还发现