缺氧诱导因子研究进展

1、缺氧诱导因子研究进展【关键词】缺氧诱导因子;hif;肿瘤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 (hypoxia-induciblefactors,hif)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。1htf的分子结构hif是由结构同源的q亚基和相同的b亚基组成的异二聚体转录 因子，冃前已发现hif-k

2、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 hlf-a和结构亚单位hif-i3 (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。a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(transactiondomain, 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；b亚单位只包含一个t

3、ad和一个cado在 hif ci 家族中还包括 hif-2 a 和 hif-3 a °hif-2 ci 和 hif_3 a 分 别与hif-1 b组成hif-2和hif-3,其中hif-2 a ,包含bhlh结构域、 pas结构域、tad及入核信号1,是htf-2活性的功能亚单位，受氧 水平的调节。hif-1 a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-3q发现了 6个剪接变异体。2hif-a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z外,hif的激活信号还 包括一些生长

4、因子、细胞因子等。2. 1hif-1 a的降解在正常氧状态下，hif-1 a的半衰期<5min, 0ddd多肽序列内 的保守性脯氨酸残基被疑化，进而通过包含vonhihheldlindau肿瘤抑 制蛋口 (pvhl)的e2泛素连接酶迅速靶向降解iiif-1 a ,有研究表明2 实验条件下，可以根据hif-ae3泛索连接酶靶向降解的原理来感知细 胞内氧气含量的变化。2. 2htf-1 a转录的激活现已知调控htf-1活性的信号途径主要为 两条：pi-3k/akt依赖的iiif-let蛋口稳定性调控和mek/mapk介导的 hif-1反式激活功能调控3。在hif-la的转录激活中，c

5、ad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了 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。luow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htf-1靶向基因的激活。pkm2通过与 脯氨酸疑化酶3 (phd3)的作用來加强其与hif-1 a的联合和共激活作 用，质谱分析法和抗轻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脯氨酸位点发生瓮基化，敲除phd3抑制pkm2 的共激活作

6、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复合休1 (torc1)的活性过程中 具有重要作用。horakap等阐明了一种依赖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耍作用。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) 人量增加，ros能够稳定htf-1 a ,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iiif-1水平的增加。iiif的激活需要很 多个基因表达水平的上调，这些基因

7、通过稳定hif的活性或者提高hif 的表达水平来激活hif,partchcl等6通过核磁共振光谱分析技术发 现hif- a具有的arntpas-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arntpas-b介导的iiif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。dioumem等的研究发现在培养的细胞和小鼠体 内,降低或者提高sirtl (一种能够在缺氧条件下选择性激活hif-2 a 活性的乙酰

8、基转移酶)的活性或者浓度会彩响htf-2 a靶向基因， sirtl能够像其他环境压力一样促进hif-2a缺氧条件下的反应。另 外，koizumes 等8在卵巢透明细胞癌 ccc (ovarianclearcellcarcinoma, ccc)研究中发现了 hif-2 a 一种不 同寻常的调控转录激活方式。hif-2 a通过与spl和互作用而不是 arnt,以依赖于缺氧反应原件 hre (hypoxia-responsi veelement, hre) 的方式，协同组蛋口去乙酰化酶hdac2, hdac4作用在凝血因了 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

9、移酶hat (histoneacetyltransferase, 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htf表 达很高。实质性肿瘤牛:长速度大于血管的牛: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。同吋，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vh

10、l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， vonhippel-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儿率大大提高。 经典的观点认为，实质性肿瘤内主耍是hif-la高表达，但franovica 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

11、殖，且不受突变状态和组织來 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-1 a和htf-2 a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iiif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huangx等10的研究结杲显示在抑制肿瘤 过程屮hif-1同样表达，如在缺乏hif-l a时，能够促进来源于胚胎 干细胞的畸胎瘤细胞和

12、来源于小鼠星形胶质细胞的肿瘤细胞的生长。另外，iiif-l a还能够通过拮抗iiif-2 a起到对肿瘤生长的抑制作用 llo这一成果表明hif-la直接影响两种缺氧应答途径一一其一是 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，suk等12 还发现，tnf- a诱导表达的hif-1 a可以反过来结合到 vasp (vasodilator-stimulatedphosphoprotein)启动子上，通过抑制 其转录而起到抑制mcf-7细胞的粘附和增殖功能。进一步说明了 htf-1 a的这一抑制肿瘤细胞半长的特性。然而更多的

13、实验研究结果却与之 相反，如schwablp等13首次发现hif-1 a可以通过notch信号通路, 调控靶基因prominin-1(cd133)的表达，进而对肿瘤起始细胞 (tumor-initiatingcelis, tics)起到调控作用，该过程在促进初级肿 瘤细胞生长及转移中起到了至关重要的作用。zhangt等14在转移性 膀胱癌研究中发现，t24-l细胞系(t24肺转移亚系)的强转移能力，与 hif-1 a通过上调mmp-1水平有着密切的关系，而mmps在许多癌细胞 系已被证实，其含量的增加，能够加强癌细胞的转移能力。zhouj等 15还发现，在缺氧条件下，hif-1 a能够通过捆绑

14、一个缺氧反应元件 hre到rhoe启动子上，能够在转录水平上上调rhoeo从而促进了胃癌 细胞发生上皮-间质转化(epithel ial-mesenchyma.l trans it ions, emt) 以及侵袭能力。因此，后一途径中hif-1的这种抑制肿瘤细胞初期生 长作用尚需要更多的实验研究，而其能够促进肿瘤细胞转移、增殖、 侵袭上皮-间质转化以及肿瘤内血管再生，与肿瘤的不良预后呈正相关 作用己被更多研究所证实，因而成为主流观点16。与此同时，htf-2 a的水平也不是越低越好,mazumdarj等17的研究表明iiif-2 a缺失会促进结直肠癌基因(kras)导致的肺部肿瘤的发展。在kr

15、asg12d非小 细胞肺癌(nsclc)鼠模型中，分别敲除hif-1 a和hif-2 a ,敲除hif-2 a的小鼠肿瘤生长受到促进，同时肿瘤抑制基因scgb3al表达减少， 而在hif-1 a敲除的小鼠中没有出现类似情况。进一步研究表明 scgb3al是hif-2 a的靶向基因，hif-2 a通过调控scgb3al来控制肿 瘤的生长。hif-2 a的过表达会促进nsclc的生长，因此降低htf-2 a 的水平能够治疗nsclc,但该实验表明当hif-2 a降低到一个限度后， 会抑制抗肿瘤基因例如scgb3al的作用。因此，降低hif-2 a来治疗 nsclc的方法有待进一步研究。3. 2ht

16、f与血液肿瘤众多研究己经证明了 hif在实质性肿瘤发病机 制中的作用。而其与血液恶性肿瘤例如多发性骨髓瘤中的关系也被发 现。用5t2mm多发性骨髓瘤小鼠模型，asosinghk等18的研究显示 将止常小鼠和患有骨髓瘤的小鼠同时置于缺氧环境下后者的缺氧程度 会比较轻，而且血管生成数量较z于前者更多。hif-1在多种肿瘤屮 的高表达引起了人们高度的重视，htf-1能够促进血管的生成，这为 高速牛长的肿瘤提供足够的氧气及养料供应。实验表明将iiif-1注射 到免疫缺陷的小鼠体内能够使胚胎干细胞形成血管性质的畸胎瘤，反 之，hif-1部分敲除的小鼠肿瘤形成较小，且内皮生长因子(vegf)的 含量也降低

17、19。3. 3iiif 与肿瘤药物抵抗在孚l头状癌 (in vasivemicropapillarycarci no ma, impc)研究中，doubliers 等20 通过用乳腺癌mcf-7细胞株三维培养，在形态学上來模拟impc细胞。 他们发现在mcf-7细胞株中，hif-1被激活并且参与了 mdr-1基因（编 码p-糖蛋白，pgp）的转录控制，使得mcf-7细胞表面pgp表达增加， 因而使其聚集阿霉素（一种抗肿瘤药）能力以及对自身细胞毒素的敏感 性均有所下降。另外,通过使用hif-1抑制剂,pgp含量减少,mcf-7 细胞内聚集的阿霉素上升。mcf-7三维培养的细胞株的这种通过hif-

18、1 的激活作用使细胞膜上pgp含量增加，因而使其获得对阿霉素的抵抗 作用，有可能揭示出impc约物抵抗相似的分子机制。另外，bouchery 在研究甲状腺癌药物抗性屮发现，hif-1下游靶标vegf与药物抗性有 着密切关系。阻断vegf信号通路，能够促进肿瘤血管分布规范化，从 而增加输送到肿瘤组织的药物含量。反之，加强vegf信号通路，肿瘤 血管趋于朵乱，功能异常甚至出现漏孔，因而造成该区域低灌注并阻 碍药物扩散进入到肿瘤组织。qayumn发现,阻断egfr、ras和pi3k 传导通路也同样有该效果。另外，作为hif-1下游靶标的vegf还可以 反过来诱导htf-1 g ,并促进htf-1的激

19、活，从而强化了肿瘤的药物 抗性21 o3. 4hif与凋亡hif在缺氧诱导凋亡中的作用比较复杂。一些调控 细胞周期的基因如p21、p53的表达依赖于hif22,23,抗凋亡基因 be 1-2在缺氧的条件下会下调22,同时促进凋亡的nip3含量会上调 23。因此，在iiif的作用下，长期的慢性缺氧会促进细胞的凋广。 但是，sendoela等24的研究却有不同的结果，结果显示hif-1能够 对抗dna损伤诱导的胚细胞凋1±,这种凋亡是在cep-1的作用下实现 的，而cep-1是p53的同族体。进一步研究表明，hif-1的抗凋亡特 性是通过上调酪氨酸酶家族成员tyr-2的转录水平实现的，t

20、yr-2由 asj感觉神经元分泌，具有对抗cep-1依赖的细胞凋亡作用，实验表 明敲除人类黑色素瘤细胞中的trp2(try-2的一种同族休)会增加细胞 凋亡。这一新近研究是否具有代表性诡需进一步实验验证，但是毋庸 置疑的是hif与细胞凋亡之间的关系还有许多细节不清楚。3. 5其他生物学功能一直以来hif在肿瘤中的作用都是最受人们 关注的，但是其在其他方面的生物学功能也不容忽视。近来bento等 人研究表明在糖尿病导致的各种缺氧条件下，hif-1水平的不稳定极 可能是促进高血糖症向糖尿病转化的重要因素25。hif介导的转录 反应能够降低机体获得氧气的能力opengyj等26研究表明，在hif-2

21、 q杂合子的成年小鼠屮，颈动脉体对于缺氧、呼吸异常、窒息、高血 压的反应敏感性大大增加，并且能够提高血浆中去甲肾上腺素的水平。 进一步研究表明，iiif-la并没有相同的作用，iiif-1q杂合的小鼠不 会出现上述敏感性的增加，反之颈动脉体的敏感性会受到严重的损害。 这些结果说明hif-2 a在维持颈动脉体敏感性上具有重要且独特的作 用。在缺氧条件下雌激素受体a (era)的水平会被下调，这种下调作 用是通过蛋白酶体的降解实现的。ryuk等27的研究表明在转录水平 ±, iiif-la能够抑制雌激素受体1(esr 1)基因的转录，从而降低er q的水平，而且这一途径与蛋白酶体的降解途

22、径不相关。这说明hif-1 a可能与esri直接相关，或者hif-l a通过某个转录产物间接的抑制 esr1的表达，具体是哪一种机制尚需要进一步的实验。hif-la在心 肌缺血后的心肌保护中也有重要作用。这种心肌保护主要通过可诱导 的一氧化氮合酶(inos)、血红素氧化酶1 (ho-1)和红细胞生成素(epo) 对心肌损伤的缓解作用间接实现的。belaidie等28的研究表明，间 歇性的缺氧能够缓解缺血后心肌的收缩障碍和细胞坏死，而这种间歇 性缺氧正是hif-1上调1n0s实现的。4展望现已得知,hif可调控许多介导机体缺氧适应的靶基因，如红细胞 生成素(epo)、血管内皮细胞生长因子(veg

23、f)和糖酵解酶类等，其在肿 瘤生理中作用更是不容忽视，但是随着转基因技术、组织特异性基因 敲除技术及体内干扰实验等多项精细技术的发展和研究的深入，更多 hif的生物学功能将会被发现，例如近期yangs等29和sai tot等30 的两篇文章表明hif-2 a在实验条件下能够诱导小鼠产生骨关节炎， 但毋庸置疑这一作用对于人来说，是否有相同的效应尚待研究。rti此 可见,hif这一哺乳动物中相当古老保守的序列述有许多秘密尚待发 现，而对于hif的研究也能够为肿瘤、缺血性疾病的治疗提供理论依 据。【参考文献】isemenzagl targetinghif-lforcancertherapy. nat

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