HIF-1α的非氧依賴調(diào)控通路及其在腫瘤中的作用

王金良，孔佩艷

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HIF-1α的非氧依賴調(diào)控通路及其在腫瘤中的作用

王金良，孔佩艷

400037 重慶，第三軍醫(yī)大學(xué)新橋醫(yī)院血液科

低氧誘導(dǎo)因子-1（hypoxia-inducible factor-1，HIF-1）是 1992 年由 Semenza 和 Wang[1]發(fā)現(xiàn)的一種氧依賴轉(zhuǎn)錄激活因子，其調(diào)控的下游基因涉及血管生成、紅細(xì)胞生成、能量代謝、細(xì)胞凋亡和增殖等多方面，在機(jī)體的生理、病理反應(yīng)中至關(guān)重要。后續(xù)的研究發(fā)現(xiàn) HIF-1α 可受氧依賴及非氧依賴通路調(diào)控，而非氧依賴的調(diào)控通路在調(diào)控 HIF-1α 對(duì)腫瘤的作用機(jī)制中可能具有更重要的作用。現(xiàn)將近年來 HIF-1α 的非氧依賴調(diào)控通路在腫瘤發(fā)生、發(fā)展中的研究進(jìn)展做一綜述。

1 HIF-1 概述

HIF-1 是存在于哺乳動(dòng)物和人體內(nèi)的一種轉(zhuǎn)錄因子，主要由 HIF-1α 和HIF-1β 兩個(gè)亞基組成。HIF-1β 在組織中呈內(nèi)在性表達(dá)，而 HIF-1α 蛋白受氧濃度及生長因子等調(diào)控，在常氧狀態(tài)下通過泛素化作用被蛋白酶快速降解，在胞漿中幾乎檢測(cè)不到，但在低氧或生長因子刺激時(shí)進(jìn)入細(xì)胞核中與 HIF-1β 結(jié)合，調(diào)控多種下游基因的轉(zhuǎn)錄與表達(dá)。

HIF-1α 最初是從其與人促紅細(xì)胞生成素（EPO）的作用中發(fā)現(xiàn)的。研究表明 HIF-1α 能與人促紅細(xì)胞生成素基因的 3’ 增強(qiáng)子序列結(jié)合，促進(jìn)其轉(zhuǎn)錄；并且該因子對(duì)多種低氧反應(yīng)性基因的轉(zhuǎn)錄都有調(diào)控作用，并可能參與對(duì)低氧反應(yīng)的其他信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。目前已知受 HIF-1 調(diào)控的基因有 60 余種，如：血管內(nèi)皮生長因子、促紅細(xì)胞生成素、乳酸脫氫酶、血小板衍生生長因子-β 等。

近年，已有研究表明 HIF-1α 在肝癌、乳腺癌、腦腫瘤、結(jié)腸癌、早期宮頸癌、膀胱腫瘤、鱗狀細(xì)胞癌等多種腫瘤組織中有過度表達(dá)并調(diào)節(jié)其細(xì)胞生物學(xué)行為，并與這些腫瘤的分級(jí)、血管生成、轉(zhuǎn)移等密切相關(guān)。通過對(duì) HIF-1α 與惡性腫瘤細(xì)胞生物學(xué)特性之間的關(guān)系研究，發(fā)現(xiàn)其表達(dá)的調(diào)控可能存在氧依賴和非氧依賴兩種基本的調(diào)控通路，且非氧依賴的調(diào)控通路可能發(fā)揮更多樣的調(diào)節(jié)作用。

2 氧依賴和非氧依賴調(diào)控通路及其作用

氧濃度變化以及生長因子水平等可通過氧依賴和非氧依賴調(diào)控通路激活相關(guān)信號(hào)從而上調(diào) HIF-1α 表達(dá)。氧依賴通路主要是指 VHL（von Hippel-Lindau）腫瘤抑制蛋白途徑，而非氧依賴途徑包括：絲裂原活化的蛋白激酶途徑（MAPK）、磷脂?；?3（PI3K）途徑以及 RACK1 途徑。目前研究證明，HIF-1α 蛋白的合成受非氧依賴途徑如 MAPK 和 PI3K 途徑的調(diào)控；HIF-1α 蛋白的降解受非氧依賴的 RACK1 蛋白途徑和氧依賴的 VHL 途徑的調(diào)控[2]。

需要指出的是，低氧誘導(dǎo)的 HIF-1α 上調(diào)，一方面是氧依賴途徑介導(dǎo)的降解減少，另一方面是非氧依賴途徑誘導(dǎo)的合成增加，其中非氧依賴途徑發(fā)揮更為重要的作用。目前研究表明，氧依賴通路主要調(diào)控氧濃度變化所誘導(dǎo)的 HIF-1α 降解，而非氧依賴通路不僅可以調(diào)控氧濃度變化及生長因子誘導(dǎo)的 HIF-1α 的生成，而且還調(diào)控 HIF-1α 的降解。

3 HIF-1α的非氧依賴調(diào)控通路及在腫瘤中的作用

非氧依賴途徑是目前研究較為深入的途徑，參與 HIF-1α 促血管生成、促造血、調(diào)控腫瘤基因以及藥物應(yīng)用靶點(diǎn)等一系列生命活動(dòng)。

3.1 PI3K/Akt 途徑

Akt 基因是一個(gè)絲/蘇氨酸蛋白激酶，又被稱為蛋白激酶 B（protein kinase B，PKB）。PI3K（phosphatidylinositol-3 kinase）由調(diào)節(jié)亞基 p85 和催化亞基 p110 構(gòu)成。Ser473 和（或）Thr308 位點(diǎn)的磷酸化是 Akt 激活的必要條件，而 Akt 激活是其發(fā)揮促細(xì)胞生存功能的重要前提[3]。當(dāng) Akt 活化后，可以磷酸化其下游的許多底物，從而發(fā)揮其生物學(xué)特性。其具體通路為：細(xì)胞因子 + G 蛋白偶聯(lián)受體→ PI3K → Akt → mTOR（mammalian target of rapamycin）→ HIF-1α。PI3K/Akt 途徑可以穩(wěn)定調(diào)節(jié) HIF-1α，從而參與腫瘤血管生成、調(diào)控腫瘤基因以及抗腫瘤藥物途徑等。

在腫瘤細(xì)胞中，很多生長因子能誘導(dǎo) HIF-1α 蛋白的表達(dá)，并能影響 HIF-1α 的 DNA 的結(jié)合活性。這些因子包括：表皮生長因子（EGF）、成纖維細(xì)胞生長因子 2、胰島素、胰島素樣生長因子 1、2 等。研究發(fā)現(xiàn)，乳腺癌細(xì)胞中 HIF-1α 和血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）的高表達(dá)，是由胰島素樣生長因子 1 通過 PI3K 途徑介導(dǎo)的，并且可以被山豆根堿抑制[4]。在乳腺癌細(xì)胞中，堿性纖維母細(xì)胞生成因子（bFGF）誘導(dǎo) HIF-1α 的活化從而促進(jìn)血管生成，此過程是通過 PI3K/Akt 途徑來實(shí)現(xiàn)的[5]。人類T 細(xì)胞親淋巴病毒I型（human T-cell leukaemia virus type 1）是成人T 細(xì)胞白血病的病因之一，研究發(fā)現(xiàn)HTLV-1 Tax 能夠激活PI3K/Akt 途徑，從而上調(diào)HIF-1α 以及VEGF 的表達(dá)[6]。由此可見，HIF-1α 介導(dǎo)的腫瘤血管生成可能受其上游 PI3K/Akt 途徑調(diào)節(jié)。

在腫瘤基因方面，HER2neu 的高表達(dá)與乳腺癌患者的不良預(yù)后密切相關(guān)，在 NIH-3T3 細(xì)胞以及 MCF-7 乳腺癌細(xì)胞中，HER2neu 受體的酪氨酸激酶活性誘導(dǎo) HIF-1α 蛋白的表達(dá)，而且可以被 PI3K 途徑抑制劑（wortmannin、LY294002、rapamycin）阻斷；值得注意的是，heregulin（一種神經(jīng)調(diào)節(jié)蛋白）作用于乳腺癌 MCF-7 細(xì)胞引起的 HIF-1α 蛋白誘導(dǎo)表達(dá)是蛋白生成增加的結(jié)果而不是因?yàn)榻到鉁p少[7]。另外，PTEN 基因是一種腫瘤抑制基因，該基因編碼的一種磷酸酶可使PI3K 去磷酸化，從而一定程度上抑制 PI3K/Akt 途徑。PTEN 基因功能喪失與膠質(zhì)瘤和前列腺癌的血管生成和腫瘤進(jìn)展有關(guān)。PTEN 可通過抑制 PI3K/Akt 途徑，下調(diào)前列腺癌細(xì)胞中 HIF-1α 的表達(dá)[8]。

此外，一些抗腫瘤藥物的作用途徑也涉及到此信號(hào)通路。福達(dá)拉濱通過下調(diào)HIF-1α 蛋白來降低 VEGF 的表達(dá)，此過程需要 PI3K/Akt 途徑的參與[9]。岡田酸（okadaic acid）可通過 Akt 途徑激活 HIF-1 從而上調(diào) VEGF 的表達(dá)，促進(jìn)新生血管形成[10]。中藥肺巖寧方下調(diào)裸鼠人肺腺癌細(xì)胞移植瘤中磷酸化Akt 和HIF-1α 蛋白表達(dá)，由此推測(cè)可能是通過抑制Akt 途徑下調(diào)HIF-1α 蛋白的表達(dá)[11]。目前國內(nèi)關(guān)于中藥和腫瘤HIF-1α 關(guān)系的研究較多，但具體作用途徑及機(jī)制還有待進(jìn)一步發(fā)掘和研究。

3.2 MAPK 途徑

絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，MAPK 包括細(xì)胞外信號(hào)調(diào)控的蛋白激酶（extracellular signal-regulated protein kinase，ERK）、Jun N 端激酶/應(yīng)激活化的蛋白激酶（Jun N-terminal kinase/stress- activated protein kinase，JNK/SAPK）和p38MAPK。其可以被多種細(xì)胞外信號(hào)激活，處于胞漿信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的終末位置，活化后轉(zhuǎn)位到核內(nèi)，作用于核內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子，調(diào)節(jié)基因表達(dá)[12]。其具體通路為：細(xì)胞因子 + G 蛋白偶聯(lián)受體→ MEK（MAPK激酶）→ ERK→ HIF-1α。MAPK 途徑可以激活 HIF-1α，參與腫瘤血管生成、促造血及黑色素形成等。

在血管生成方面，卡波西肉瘤相關(guān)皰疹病毒編碼的自發(fā)活性G 蛋白偶聯(lián)受體，通過增強(qiáng) HIF-1α 反式激活域（transactivation domain）功能刺激血管內(nèi)皮生長因子的基因轉(zhuǎn)錄，這一通路可被 MEK1 的抑制劑（PD098059）和p38抑制劑（SKF86002）阻斷[13]。低氧培養(yǎng)的人肝癌細(xì)胞 Hep3B 中，HIF-1α 反式激活域功能可被 PD098059 抑制，并可被 SKF86002 一定程度上抑制[14]。研究表明，H-RAS 誘導(dǎo)血管內(nèi)皮生長因子表達(dá)是通過 PI3K 通路還是 MAPK 通路取決于具體的細(xì)胞類型[15]。但是，MAPK 活化 HIF-1α 的特異性與刺激物類型還是與細(xì)胞類型有關(guān)，目前尚無定論[16]。Trisciuoglio 等[17]發(fā)現(xiàn)，bcl-2 通過 MAPK 途徑誘導(dǎo)上調(diào)黑色素瘤細(xì)胞的 HIF-1α 和 VEGF 的表達(dá)，從而促進(jìn)血管生成，而 PI3K 途徑也發(fā)揮了重要的作用。研究發(fā)現(xiàn)，干細(xì)胞因子（SCF/c-Kit）可以通過 PI3K/Akt 途徑和 MAPK途徑誘導(dǎo) HIF-1α 的積聚，從而發(fā)揮促造血以及促黑色素形成等作用[18]。值得注意的是，在紅白血病 K562 細(xì)胞中，低氧通過 MAPK 途徑激活 HIF-1α，而后者可以發(fā)揮促存活和促凋亡的雙重作用[19]。此外，Mylonis 等[20]發(fā)現(xiàn)，MAPK 的 Ser-641/643 位點(diǎn)磷酸化能夠促進(jìn) HIF-1α 的核轉(zhuǎn)運(yùn)以及轉(zhuǎn)錄活性，這表明 MAPK 在 HIF-1α 的蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)和轉(zhuǎn)錄活性的調(diào)控方面可能比 PI3K/Akt 途徑發(fā)揮更獨(dú)特的作用。

MAPK 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路作為一個(gè)功能多樣、反應(yīng)靈敏的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)，在細(xì)胞生命活動(dòng)中不可或缺。MAPK 途徑對(duì) HIF-1α 具有反式激活功能，并可能調(diào)控 HIF-1α 的核轉(zhuǎn)運(yùn)以及轉(zhuǎn)錄活性，但此途徑具有一定的特異性，并且在一些細(xì)胞中和 PI3K/Akt 途徑共同發(fā)揮作用。

3.3 RACK1 蛋白途徑

RACK1 蛋白途徑是近期才被人們認(rèn)知的 HIF-1α 的非氧依賴降解途徑，主要參與熱休克蛋白 90 以及環(huán)孢素作用機(jī)制等，其在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用還有待進(jìn)一步研究。首先，眾所周知，熱休克蛋白 90（HSP90）可以和 HIF-1α 結(jié)合，研究證明：在 VHL 缺乏的細(xì)胞中，HSP90 的抑制劑能夠抑制腫瘤的生長以及 HIF-1α 的蛋白酶體降解[21]。在 HSP90 被抑制的情況下，RACK1 蛋白競爭 HSP90 和 HIF-1α 結(jié)合的 PAS-A 結(jié)構(gòu)域，以實(shí)現(xiàn) HIF-1α 的降解。因此，在 VHL 途徑缺乏的情況下，HSP90 的抑制劑介導(dǎo)的 HIF-1α 的降解是依賴 RACK1 蛋白途徑的[22]。另外，研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)孢素能夠抑制鈣調(diào)磷蛋白磷酸酶（calcineurin），因此后者催化亞基和 RACK1 蛋白的結(jié)合也隨之減少，從而降低 HIF-1α 的降解[23]。

4 結(jié)語

HIF-1 廣泛參與機(jī)體的缺氧應(yīng)答，HIF-1α 的活化促進(jìn)腫瘤的發(fā)生、發(fā)展。HIF-1 自身活性的調(diào)控在很大程度上決定了腫瘤細(xì)胞對(duì)氧分壓變化及細(xì)胞因子應(yīng)答的敏感性和準(zhǔn)確性，而非氧依賴途徑在其中發(fā)揮了重要作用。Alam 等[24]發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)SH 可以誘導(dǎo) HIF-1 活化，從而上調(diào) VEGF 等靶蛋白的表達(dá)，此過程不僅依賴 PI3K/Akt 途徑，而且可以被 ERK 抑制劑 PD9805 所抑制，但后者的途徑中的分子并不是 ERK1/2 或 5。因此 HIF-1α 的轉(zhuǎn)導(dǎo)通路還有很多是未知的。盡管目前有大量研究支持 PI3K/Akt、MAPK 和 RACK1 途徑是調(diào)控腫瘤 HIF-1α 表達(dá)和活性的三條重要非氧依賴途徑，但仍然有許多未知和有爭議的問題亟待解決。為了更加透徹的理解 HIF-1α 非氧依賴調(diào)控通路作用，今后的研究應(yīng)關(guān)注以下幾個(gè)方面：①除了上述經(jīng)典途徑以外，是否還存在著其他一些通路；② RACK1 蛋白途徑的進(jìn)一步研究；③目前大多數(shù)研究主要關(guān)注于腫瘤細(xì)胞的研究，而對(duì)于其“土壤”基質(zhì)細(xì)胞的研究還不多；④實(shí)體腫瘤的研究較多，而像血液系統(tǒng)腫瘤的調(diào)控通路研究還相對(duì)較少。隨著 HIF-1α 調(diào)控通路研究的不斷深入，可能為腫瘤的治療提供新的靶點(diǎn)。

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全軍醫(yī)學(xué)科研“十一五”面上項(xiàng)目（06-MB238）

孔佩艷，Email：peiyankong@yahoo.com.cn

2009-10-27

10.3969/cmba.j.issn.1673-713X.2010.02.010