缺氧誘導(dǎo)因子-1在腫瘤細(xì)胞能量代謝中作用的研究進(jìn)展

董雨晴

（中國醫(yī)科大學(xué)99期臨床醫(yī)學(xué)系，沈陽 110013）

缺氧誘導(dǎo)因子-1在腫瘤細(xì)胞能量代謝中作用的研究進(jìn)展

董雨晴

（中國醫(yī)科大學(xué)99期臨床醫(yī)學(xué)系，沈陽 110013）

文章介紹缺氧誘導(dǎo)因子-1在腫瘤細(xì)胞能量代謝中作用的研究進(jìn)展。

缺氧誘導(dǎo)因子-1；腫瘤；能量；代謝

腫瘤細(xì)胞的快速增殖和高代謝狀態(tài)導(dǎo)致腫瘤供血供氧相對不足，低氧成為腫瘤組織中的常見現(xiàn)象。腫瘤為了適應(yīng)低氧環(huán)境，在能量代謝、血管生成、糖酵解、凋亡、浸潤和轉(zhuǎn)移等方面出現(xiàn)一系列的變化。缺氧誘導(dǎo)因子-1（HIF-1）是啟動(dòng)這一系列代謝和生物學(xué)行為改變的一個(gè)重要因子。HIF-1有A亞基和β亞基組成，其中HIF-1A為HIF-1所特有，既是調(diào)節(jié)亞基也是活性亞基，決定HIF-1的活的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3]。

乳牙不僅是乳兒期、幼兒期和學(xué)齡期咀嚼器官的重要組成部分，對兒童的生長發(fā)育、正常恒牙列的形成等都起重要的作用。乳幼兒時(shí)期是生長發(fā)育的旺盛期，健康的乳牙有助于消化作用，有利于生長發(fā)育。正常的乳牙能發(fā)揮良好的咀嚼功能，給頜、顱底等軟組織以功能性刺激，進(jìn)而有助于頜面部正常發(fā)育。若咀嚼功能低下，頜面的發(fā)育就會(huì)受到一定影響。乳牙對恒牙的萌出具有一定的誘導(dǎo)作用。乳牙過早喪失常致恒牙牙列不齊。乳牙萌出期和乳牙列期是兒童開始發(fā)音和學(xué)講話的主要時(shí)期，正常的乳牙列有助于兒童正確發(fā)音。此外，乳牙的損壞，尤其是上乳前牙的大面積齲或過早喪失，常常給兒童心理上帶來不良刺激。因此，重視和保護(hù)乳牙甚為重要，特別應(yīng)認(rèn)識到在乳牙萌出后即加以保護(hù)。消除乳牙是暫時(shí)性的、無關(guān)緊要的等錯(cuò)誤觀點(diǎn)。所以，在孕期、哺乳期和幼兒時(shí)期都要注意食物營養(yǎng)。如果營養(yǎng)缺乏或營養(yǎng)不均衡，在牙齒萌出前的發(fā)育階段，將影響牙齒的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、生長時(shí)間以及牙齒對齲病的抵抗力。幼兒牙齒萌出之后，食物營養(yǎng)可通過牙髓組織和唾液成分對牙齒進(jìn)行新陳代謝，食物本身的局部作用也會(huì)對幼兒牙齒的健康造成影響。隨著乳牙的逐漸萌出，先由家長代為刷牙，培養(yǎng)幼兒對刷牙的興趣，在家長的幫教和督促下逐漸掌握正確的刷牙方法與餐后漱口的習(xí)慣，為促進(jìn)身體發(fā)育和有利于口性。

1 HIF-1的結(jié)構(gòu)

HIF-1以異源二聚體的形成存在，由A亞基和β亞基組成，定位于染色體14q21-24和1q21，兩者均為螺旋-環(huán)-螺旋（bHLH）轉(zhuǎn)錄因子家族中的成員，具有PerARNT-Sim（PAS）結(jié)構(gòu)域。bHLH和PAS結(jié)構(gòu)域介導(dǎo)DNA的結(jié)合，并是兩個(gè)亞單位的二聚化所必須[1]。A亞單位上包括一個(gè)O2依賴降解結(jié)構(gòu)域（ODDD），主要參與轉(zhuǎn)錄激活作用。HIF-1A是許多bHLH蛋白的共同亞單位,與穩(wěn)定HIF-1及其二聚化有關(guān)。常氧狀態(tài)下，細(xì)胞合成的HIF-1受氧依賴性降解結(jié)構(gòu)域降解，很難檢測到[2]，而在缺氧時(shí)則降解途徑被阻斷[3]，HIF-1A在胞漿內(nèi)聚積、活化，并轉(zhuǎn)位至核內(nèi)，HIF-lA表達(dá)增加。HIF-1β是HIF-1發(fā)揮生物學(xué)作用所必須的組成部分，當(dāng)HIF-lA與HIF-1β結(jié)合形成有活性的HIF-1，再結(jié)合到靶基因的啟動(dòng)子或增強(qiáng)子的缺氧反應(yīng)元件（HRE）上，從而啟動(dòng)靶基因的表達(dá)[4]。

2 HIF-1的生物學(xué)特性

在生理和病理?xiàng)l件下，HIF-1通過激活大量運(yùn)氧基因及刺激血管生成、細(xì)胞增殖、細(xì)胞分化和代謝基因等來適應(yīng)缺氧負(fù)荷[5]。缺氧狀態(tài)下，HIF-1A在胞漿內(nèi)聚積、活化，轉(zhuǎn)位至核內(nèi)與HIF-1β亞基形成有完整轉(zhuǎn)錄功能的HIF-1，在諸如CBP/p300等轉(zhuǎn)錄共激活因子的幫助下，啟動(dòng)一系列下游靶基因的轉(zhuǎn)錄，從而產(chǎn)生對缺氧的適應(yīng)。

3 HIF-1對腫瘤細(xì)胞能量代謝的作用

3.1 缺氧時(shí)腫瘤細(xì)胞的能量來源主要是糖酵解 為適應(yīng)缺氧，腫瘤細(xì)胞的能量產(chǎn)物是在活化的HIF-1控制下，通過誘導(dǎo)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)（GLUT1和GLUT3）及己糖激酶（HK1和HK2）和磷酸甘油酸激酶1（PGK1）促進(jìn)糖酵解的產(chǎn)生[6-7]。雖然糖酵解時(shí)每分子葡萄糖產(chǎn)生的ATP比氧化磷酸化產(chǎn)生得少，但是誘導(dǎo)葡萄糖的攝取和糖酵解的協(xié)同作用可以快速產(chǎn)生能量。HIF-1也上調(diào)乳酸脫氫酶A（LDHA）[8]。丙酮酸激酶M2（PKM2）是另一種形式的蛋白激酶（PK），主要在胚胎和腫瘤細(xì)胞表達(dá)，催化糖酵解過程中不可逆反應(yīng)的最后一步，被HIF-1依賴的缺氧誘導(dǎo)。

3.2 重塑線粒體減少耗氧量 導(dǎo)致氧耗下降的代謝程序重排使線粒體中細(xì)胞器重塑。在VHL缺陷的腎腫瘤細(xì)胞，HIF-1通過誘導(dǎo)Myc拮抗基因（MXI-1）阻礙線粒體生物合成，MXI-1干擾c-Myc-MAx的相互作用，從而抑制轉(zhuǎn)錄輔助活化因子（PGC-1A）的轉(zhuǎn)錄活性，PGC-1A是線粒體生物合成的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子[9]。Jensen等[10]最近的一份報(bào)告表明，HIF-1介導(dǎo)的FoxO3A（一種轉(zhuǎn)錄因子亞型，抑制腫瘤）直接拮抗c-Myc基因功能，造成大量線粒體缺氧抑制與代謝的氧耗轉(zhuǎn)移到糖酵解。HIF-1介導(dǎo)乏氧調(diào)控因子（miR-210）誘導(dǎo)激活另一個(gè)拮抗劑MNT，以類似MXI-1的方式通過與MAx競爭c-Myc的結(jié)合，參與調(diào)節(jié)線粒體的量[11]。HIF-1介導(dǎo)BNIP3表達(dá)阻礙了Bcl-2/xL和自噬基因Beclin-1（也被稱為Atg6）的聯(lián)合，然后釋放的自噬基因Beclin-1促進(jìn)線粒體選擇性自噬作用，導(dǎo)致線粒體減少[12]。雖然線粒體減少是在缺氧時(shí)有效限制氧消耗量，但線粒體呼吸作用未完全停止，表明線粒體在缺氧條件下仍然有生成ATP的功能。這個(gè)想法得到事實(shí)支持，即HIF-1通過從COX4-1切換到COX4-2調(diào)節(jié)COX（環(huán)氧化酶）活性[13]。亞單位轉(zhuǎn)換是通過LON逐步降解COX4-1促進(jìn)的，LON是缺氧條件下的線粒體蛋白酶，并被HIF-1上調(diào)。因此，亞單位轉(zhuǎn)換促進(jìn)了代謝反應(yīng)，確保了缺氧細(xì)胞低ROS時(shí)產(chǎn)生有效的ATP。

3.3 HIF-1對碳水化合物的代謝調(diào)節(jié) 在肝臟中，HIF-1A的丟失在基本碳水化合物代謝和相關(guān)基因的表達(dá)上沒有本質(zhì)上的影響，包括GLUT1，GK和PGK1。這些數(shù)據(jù)表明，一種HIF-2或其他轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的代償保障系統(tǒng)，可在體內(nèi)起作用。長期高糖飲食的小鼠，缺乏HIF-1A基因功能表現(xiàn)出嚴(yán)重的葡萄糖耐受不良，是通過B細(xì)胞功能損傷和外周組織如骨骼肌肉和脂肪組織中胰島素抵抗而導(dǎo)致的[14]。HIF-1A基因敲除的小鼠可出現(xiàn)代謝改變，對于受損的肝葡萄糖激酶（GK）誘導(dǎo)似乎是次要的，因而肝臟減少餐后葡萄糖的攝取，這樣強(qiáng)迫GK誘導(dǎo)恢復(fù)肝葡萄糖處理能力。然而，GLUT1和其他糖酵解酶如PGK1在對照組和飼喂基礎(chǔ)日糧HIF-1A缺陷的小鼠有同樣的表達(dá)。HIF-1依賴性代謝轉(zhuǎn)移出現(xiàn)組織依賴性?？傊{(diào)節(jié)肝臟葡萄糖代謝的靶向HIF-1可能對糖尿病和術(shù)后肝功能不全提供了一個(gè)很有前途的治療，但需要進(jìn)一步詳細(xì)研究，什么影響了肝臟中HIF-1介導(dǎo)的碳水化合物的代謝。

3.4 HIF-1調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝 脂肪酸通過氧化分解大量的氧產(chǎn)生能量，可以想象低氧時(shí)HIF-1的激活可以調(diào)節(jié)脂代謝。在某些類型的細(xì)胞中，缺氧條件下PPARA和（或）RXR表達(dá)，專一性結(jié)合PPARA，或PPARA/RXR復(fù)合物的DNA結(jié)合能力減少，部分是因?yàn)镠IF-1依賴[15]。最近的一項(xiàng)研究進(jìn)一步證實(shí)，PHD2/3雙基因敲除小鼠中重度脂肪肝的發(fā)展是HIF-2依賴性的。據(jù)報(bào)道，在缺氧條件下HIF-1誘導(dǎo)HIG2表達(dá)，使中性脂質(zhì)形成脂蛋白，在心臟肥大中通過同時(shí)激活PPARC和糖酵解加速脂肪酸的合成。HIF-1通過抑制從頭合成脂肪酸途徑來抑制酒精性脂肪肝的發(fā)展。HIF的從頭合成途徑在肝臟新陳代謝中的調(diào)節(jié)，取決于其在肝腺泡中的位置。在脂類代謝中，脂質(zhì)生成即脂肪酸氧化作用主要發(fā)生在肝腺泡的中心和門靜脈周圍的區(qū)域。當(dāng)HIF-1A被VHL基因或腺病毒載體編碼的HIF基因強(qiáng)制表達(dá)時(shí)，HIF-2可以調(diào)節(jié)基因作用于脂肪酸的氧化作用，而不是作用于脂肪酸的從頭合成，HIF無處不在的激活可以發(fā)生在肝腺泡。HIF-1在脂肪酸合成中的選擇性作用在工作時(shí)選擇性地發(fā)揮作用，兩種HIF-1A在肝細(xì)胞中心都是唯一有活性的，HIF介導(dǎo)的代謝改變在肝細(xì)胞的氧穩(wěn)態(tài)的維持中很重要，可降低氧耗或ATP的生成，這是在被缺氧喚醒的細(xì)胞中的一種特征性反應(yīng)。

4 結(jié)語

線粒體程序重排在缺氧介導(dǎo)的代謝故障是極為重要的。為適應(yīng)低氧，腫瘤細(xì)胞中大量信息如何被激活，并受哪些基因調(diào)控，現(xiàn)在可以很容易地理解。在缺氧時(shí)HIF-1A和HIF-2可以同時(shí)或分別激活，細(xì)胞和組織代謝會(huì)出現(xiàn)顯著不同，具有細(xì)胞依賴性和組織依賴性。在不同的細(xì)胞和組織發(fā)生就需要進(jìn)一步調(diào)查，以便更好地了解其生理和病理生理作用，并開發(fā)新的治療策略，這對疾病是至關(guān)重要的。

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