HIF-1與肺癌關(guān)系研究新進(jìn)展

劉 衡(綜述)，戴天陽(審校)

(1.重鋼總醫(yī)院胸外科，重慶400000;2.瀘州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院胸外科，四川瀘州646000)

低氧誘導(dǎo)因子1(hypoxia induced factor-1，HIF-1)是1992年由Semenza等［1］發(fā)現(xiàn)的一種氧依賴轉(zhuǎn)錄激活因子，通過與低氧反應(yīng)元件結(jié)合，引發(fā)下游基因的轉(zhuǎn)錄。HIF-1通過控制血管生成來調(diào)節(jié)氧的運(yùn)輸能力，通過調(diào)控糖酵解作用來增強(qiáng)機(jī)體對低氧的耐受。腫瘤的生長和血管生成與HIF-1的表達(dá)緊密相關(guān)。隨著對HIF-1在肺癌發(fā)生、發(fā)展中作用研究的逐漸深入，發(fā)現(xiàn)HIF-1在肺癌細(xì)胞組織中呈高表達(dá)，且HIF-1的表達(dá)與肺癌的生長、浸潤、轉(zhuǎn)移及預(yù)后密切相關(guān)。故采用HIF-1的抑制劑可能為肺癌的治療提供一條新的有效途徑。

1 HIF-1的結(jié)構(gòu)特征

HIF-1是由HIF-1α和HIF-1β(芳香烴受體核轉(zhuǎn)移蛋白)兩個亞單位組成的雜二聚體蛋白。HIF-1α是氧調(diào)節(jié)蛋白，為HIF-1所獨(dú)有。人類HIF-1α基因定位于第14號染色體(14q21～q24)，cDNA全長3720 bp，編碼826個氨基酸。在HIF-1α位于401～603區(qū)域，有一個氧依賴降解區(qū)(oxygen-dependent degradation domain，ODDD)，當(dāng)環(huán)境氧的濃度＞5%時，通過激活泛素-蛋白酶體途徑，作用于HIF-1α的ODDD區(qū)，使其迅速降解，半衰期＜5 min。如果截去ODDD區(qū)，可以使HIF-1α在有氧狀態(tài)下保持穩(wěn)定，并且仍具備與已知的芳香烴受體核轉(zhuǎn)移蛋白形成二聚體及與DNA結(jié)合的能力，此時即使環(huán)境不缺氧，它也具有完整的轉(zhuǎn)錄活性［2］。

2 HIF-1的基因調(diào)控

在缺氧或不缺氧的條件下，絲裂原活化蛋白激酶能增加 HIF-1的轉(zhuǎn)錄活動。Gradin等［3］研究表明，HIF-1轉(zhuǎn)錄活動調(diào)節(jié)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)主要通過絲裂原活化蛋白激酶通路完成。有研究［4］發(fā)現(xiàn)，低氧可以抑制脯胺酰-4-羥化酶活性，穩(wěn)定HIF-1α，使其進(jìn)入核內(nèi)與HIF-1β形成異二聚體，促進(jìn)靶基因的轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)。HIF-1α通過生長因子介導(dǎo)的磷脂酰肌醇3激酶等途徑使其在常氧條件下的腫瘤細(xì)胞中仍可獲得大量表達(dá)，這些生長因子包括胰島素、胰島素樣生長因子、上皮生長因子及白細(xì)胞介素1等，它們與各自受體結(jié)合后可以激活酪氨酸激酶受體，轉(zhuǎn)而活化磷脂酰肌醇3激酶和細(xì)胞內(nèi)免疫嗜素結(jié)合蛋白，而后刺激常氧下細(xì)胞中HIF-1α蛋白的大量表達(dá)。另一方面，磷酸酶基因腫瘤抑制蛋白可使磷脂酰肌醇3激酶產(chǎn)物去磷酸化而失活，因而可以負(fù)性調(diào)控生長因子的作用。因此，可以肯定磷脂酰肌醇3激酶途徑的激活和磷酸酶基因突變是常氧下腫瘤細(xì)胞內(nèi)HIF-1α獲得大量表達(dá)的重要機(jī)制之一［5］。Taguchi等［6］研究表明，在常氧條件下，HIF-1的轉(zhuǎn)錄及表達(dá)受miR-17-92 miRNA基因簇的抑制，但在缺氧條件下不受其影響。van de Sluis等［7］研究發(fā)現(xiàn)，銅代謝結(jié)構(gòu)域能夠抑制HIF-1基因的轉(zhuǎn)錄及表達(dá)。其主要途徑是阻止HIF-1α與HIF-1β形成異二聚體，進(jìn)而不能與靶基因結(jié)合，從而抑制其轉(zhuǎn)錄和表達(dá)。

3 HIF-1與靶基因的作用機(jī)制及生物效應(yīng)

HIF-1通過與靶基因特定序列DNA結(jié)合而調(diào)控它們的轉(zhuǎn)錄。目前已知受HIF-1調(diào)控的靶基因有40余種［8］，主要包括血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)、促紅細(xì)胞生成素(erythropoietin，EPO)、誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)、血紅素加氧酶1(heme oxy-genase-1，HO-1)、糖酵解酶等編碼基因。這對腫瘤，尤其是乏氧腫瘤(如肺癌)的生長、浸潤、轉(zhuǎn)移起著重要作用。

3.1 HIF-1與VEGF HIF-1和激活蛋白1共同誘導(dǎo)VEGF對缺氧的反應(yīng)，增加血管生成，使血液到達(dá)缺氧部位。VEGF是血管生成的主要調(diào)節(jié)者，VEGF能特異地結(jié)合血管內(nèi)皮細(xì)胞，促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞生長，并具有血管通透活性，可協(xié)助腫瘤細(xì)胞進(jìn)入脈管系統(tǒng)而增加腫瘤轉(zhuǎn)移的概率。

3.2 HIF-1與EPO EPO增強(qiáng)子中有兩個HIF-1的結(jié)合位點(diǎn)，HIF-1必須與肝核因子4聯(lián)合作用才能促進(jìn)EPO基因的轉(zhuǎn)錄。缺氧時，機(jī)體產(chǎn)生EPO，促進(jìn)紅細(xì)胞生成，增加血氧容量，這是機(jī)體應(yīng)對缺氧的重要反應(yīng)。

3.3 HIF-1與iNOS HIF-1在基因表達(dá)調(diào)控中具有細(xì)胞型和基因型的特異性。缺氧對巨噬細(xì)胞iNOS基因的轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)需要HIF-1和干擾素γ共同作用。缺氧條件下，HIF-1誘導(dǎo)iNOS合成，產(chǎn)生一氧化氮，一氧化氮作為血管舒張因子而舒張血管，增加血流量，增加組織供氧。

3.4 HIF-1與HO-1 HIF-1主要作用于血管平滑肌細(xì)胞HO-1基因，產(chǎn)生HO-1，HO-1可催化產(chǎn)生一氧化碳。一氧化碳作為氣體信號分子激活鳥苷酸環(huán)化酶，提高環(huán)磷酸鳥苷水平，使血管平滑肌松弛，抑制血小板凝聚，從而增加血流量和血管通透性，使缺氧組織得到充足的氧氣供應(yīng)。

3.5 HIF-1與糖酵解酶 缺氧時，氧化磷酸化過程受抑制，HIF-1通過誘導(dǎo)醛縮酶A、烯醇化醇1、乳酸脫氧酶A、磷酸果糖激酶L、磷酸甘油酸激酶1和三磷酸甘油醛脫氫酶的合成來增加糖酵解，滿足機(jī)體能量代謝的需要。

4 HIF-1及靶基因在肺癌惡性進(jìn)展中的生物學(xué)效應(yīng)

4.1 抑制肺癌細(xì)胞凋亡，促進(jìn)增殖 近期研究表明［9］，HIF-1α的表達(dá)與肺癌細(xì)胞增殖活性呈正相關(guān)。Acs等［10］研究證實，HIF-1是凋亡抑制因子，通過上調(diào)Bcl-2，而抑制細(xì)胞凋亡。HIF-1高表達(dá)能通過促進(jìn)VEGF、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1等因子的表達(dá)來保護(hù)細(xì)胞，避免凋亡;而主動抑制HIF-1的表達(dá)能誘導(dǎo)非p53依賴的細(xì)胞凋亡的發(fā)生［11］。同時，HIF-1可通過促進(jìn)細(xì)胞周期調(diào)節(jié)蛋白家族、胰島素樣生長因子2、胰島素樣生長因子結(jié)合蛋白1、2、3及轉(zhuǎn)化生長因子α、β3等的表達(dá)來促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖。

4.2 誘導(dǎo)肺癌新生血管形成，增加血管通透性，促進(jìn)紅細(xì)胞生成 HIF-1是缺氧狀態(tài)下血管生成的核心調(diào)控因子，直接參與腫瘤血管生成的全過程，其發(fā)揮作用主要是通過影響和調(diào)控與血管生成有關(guān)的靶基因來實現(xiàn)的［12］。HIF-1表達(dá)增加可使 VEGF、VEGFR2、轉(zhuǎn)化生長因子β3、內(nèi)皮素1等表達(dá)升高，誘導(dǎo)新生血管生成，增加血管通透性［13］。同時，HIF-1能促進(jìn)紅細(xì)胞的生成。乏氧條件下，HIF-1表達(dá)增加，可誘導(dǎo)EPO、EPO受體表達(dá)增加，促進(jìn)紅細(xì)胞生成，增加血液氧的運(yùn)輸，減輕腫瘤組織缺氧，增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞的適應(yīng)性［14］。

4.3 參與肺癌細(xì)胞能量代謝，促進(jìn)糖酵解 缺氧條件下，肺癌細(xì)胞不能通過呼吸鏈生成足夠的ATP，細(xì)胞代謝轉(zhuǎn)向糖酵解。肺癌組織中與糖及能量代謝有關(guān)的靶基因表達(dá)在HIF-1的誘導(dǎo)下均升高。這些靶基因包括葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1、醛縮酶A、烯醇化醇1、乳酸脫氧酶A、磷酸果糖激酶L、磷酸甘油酸激酶1、三磷酸甘油醛脫氫酶等。上述基因表達(dá)的變化可使腫瘤組織攝取和利用葡萄糖的能力增強(qiáng)［15］，從而促進(jìn)糖酵解，使腫瘤細(xì)胞在相對缺氧狀態(tài)下可獲得更多的能量供應(yīng)，以維持肺癌細(xì)胞的生長。

4.4 促進(jìn)肺癌細(xì)胞的侵襲和轉(zhuǎn)移 HIF-1通過調(diào)控多種相關(guān)因子和酶類(如尿激酶型纖維蛋白溶酶原激活劑受體、基質(zhì)金屬蛋白酶2、自分泌動力因子、角蛋白14、18、19及波形蛋白、纖連蛋白1、c-MET酪氨酸激酶［16］等)的表達(dá)介導(dǎo)惡性腫瘤的侵襲和轉(zhuǎn)移。大量的免疫組織化學(xué)資料顯示，在良性腫瘤組織中HIF-1α處于正常水平，在許多原發(fā)性惡性腫瘤中表達(dá)升高，而在轉(zhuǎn)移性腫瘤中HIF-1α表達(dá)升高得更加顯著［17］，提示HIF-1α在腫瘤細(xì)胞侵襲轉(zhuǎn)移方面發(fā)揮著重要作用。近年來有研究證實［18］，HIF-1α的表達(dá)與肺癌的分期呈正相關(guān)，肺癌的分期越高，HIF-1α表達(dá)越高，說明肺癌中HIF-1α高表達(dá)促進(jìn)了肺癌細(xì)胞的侵襲和轉(zhuǎn)移。

4.5 增加肺癌放化療的抵抗性 HIF-1通過VEGF依賴的血管生成、無氧代謝、調(diào)控參與DNA修復(fù)過程的因子表達(dá)等，使逃脫電離輻射物理殺傷的腫瘤細(xì)胞獲得必要的生存條件。夏曙等［19］的研究也顯示，在肺癌組織中HIF-1α蛋白的表達(dá)與多藥耐藥相關(guān)蛋白的表達(dá)存在明顯的相關(guān)性。近年來一系列研究均表明，HIF-1通過降低凋亡潛能細(xì)胞的選擇作用導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞對放化療不敏感，同時通過多藥耐藥基因表達(dá)使腫瘤細(xì)胞對放化療敏感性降低［20-24］。

5 HIF-1在肺癌治療方面的應(yīng)用進(jìn)展

HIF-1與肺癌的生長、浸潤、轉(zhuǎn)移密切相關(guān)，抑制HIF-1活性可能成為肺癌治療的靶點(diǎn)之一。許多通過基因和藥物途徑抑制HIF-1表達(dá)和轉(zhuǎn)錄活性的方法，已經(jīng)或準(zhǔn)備應(yīng)用到腫瘤的治療當(dāng)中。Sun等［25］證實瘤內(nèi)HIF-1α的表達(dá)被反義HIF-1α質(zhì)?；蜣D(zhuǎn)染所抑制，導(dǎo)致VEGF下調(diào)，減少瘤內(nèi)血管密度。另外，近年來發(fā)現(xiàn)兩種可被應(yīng)用的HIF-1α cDNA變異體:一種是HIF-1αZ，它是由鋅誘導(dǎo)產(chǎn)生［26］;另一種是HIF-1α516，翻譯一種含有516個氨基酸殘基的多肽［27］。它們雖然都具有堿性螺旋-環(huán)-螺旋和PAS結(jié)構(gòu)域，但都缺失ODDD區(qū)和TAD區(qū)，通過競爭性地與HIF-1β形成二聚體來抑制HIF-1α的活性。目前已有多種影響HIF-1穩(wěn)定性和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的藥物應(yīng)用于臨床或前期試驗。有文獻(xiàn)報道，熱休克蛋白90的抑制劑——17-烯丙基氨基格爾德霉素，競爭性與HIF-1α的結(jié)合可降低HIF-1α構(gòu)象的穩(wěn)定性［28］，另如雷帕霉素(哺乳類動物雷帕霉素靶蛋白抑制劑)、曲妥單抗(受體酪氨酸激酶抑制劑)等也可降低HIF-1α的穩(wěn)定性。近年來又有報道［29］稱，兩類復(fù)合物(微管靶向物質(zhì)和拓?fù)洚悩?gòu)酶1抑制劑)亦可抑制HIF-1α的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)活。故采用HIF-1的有效抑制劑可能為肺癌的治療提供一條新的途徑。

6 展望

近年來肺癌的發(fā)生率、病死率都有上升趨勢，低氧和缺氧狀態(tài)下的肺癌細(xì)胞HIF-1表達(dá)增加表現(xiàn)在多個水平，包括基因轉(zhuǎn)錄和蛋白表達(dá)，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞供血、供氧及供能增加，在肺癌的生長過程中轉(zhuǎn)錄因子HIF-1誘導(dǎo)處于低氧和缺氧狀態(tài)下的腫瘤細(xì)胞的某些基因和蛋白的表達(dá)發(fā)生改變，使癌細(xì)胞迅速增殖和浸潤。已有許多研究表明，HIF-1對腫瘤的生長、浸潤、轉(zhuǎn)移及預(yù)后的作用舉足輕重?？梢灶A(yù)見，以HIF-1為靶點(diǎn)的治療可能會成為肺癌治療的又一個重要方法。然而，目前HIF-1對肺癌細(xì)胞作用機(jī)制的研究尚處于基礎(chǔ)研究階段，要使科學(xué)試驗研究服務(wù)于臨床實踐，提高肺癌患者生存質(zhì)量、延長生存期，對其作用機(jī)制的研究就更加重要。

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