低氧誘導(dǎo)因子1對(duì)中樞神經(jīng)保護(hù)作用的研究進(jìn)展

劉 艷(綜述)，夏蘇英(審校)

(1.中南大學(xué)湘雅三醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，長(zhǎng)沙 410000； 2.長(zhǎng)沙市中心醫(yī)院，長(zhǎng)沙市老年醫(yī)學(xué)研究所，長(zhǎng)沙 410000)

低氧誘導(dǎo)因子1(hypoxia-inducible factor 1，HIF-1)是目前發(fā)現(xiàn)的唯一一個(gè)高度特異性、并且在缺氧環(huán)境下廣泛存在于哺乳動(dòng)物與人體內(nèi)可發(fā)揮活性的核因子，它可通過(guò)激活下游靶基因的表達(dá)，適應(yīng)缺血缺氧環(huán)境。HIF-1的活性亞基HIF-1α是對(duì)低氧反應(yīng)極其敏感的轉(zhuǎn)錄因子,參與腦組織缺血缺氧過(guò)程中的病理生理過(guò)程,通過(guò)激活多種途徑發(fā)揮對(duì)缺血性腦組織的保護(hù)作用。因此，HIF-1成為治療腦血管意外的重要靶點(diǎn)。近年來(lái)，學(xué)者對(duì)HIF-1在腦缺血缺氧環(huán)境下的神經(jīng)保護(hù)進(jìn)行多項(xiàng)研究，現(xiàn)對(duì)其予以綜述。

1 HIF-1的概述

HIF-1是首次由Wang等[1]在研究缺氧刺激腎臟分泌紅細(xì)胞生成素基因表達(dá)時(shí)發(fā)現(xiàn)的一種脫氧核糖核酸結(jié)合蛋白，通過(guò)與低氧反應(yīng)元件結(jié)合，引發(fā)下游靶基因的轉(zhuǎn)錄。HIF-1具有相當(dāng)廣泛的靶基因譜，如血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascaluar endothecial growth factor,VEGF)、促紅細(xì)胞生成素(erythropoietin,EPO)等，這些因子在組織、細(xì)胞的低氧適應(yīng)反應(yīng)過(guò)程中起重要作用，進(jìn)而對(duì)中樞神經(jīng)的保護(hù)有著重要意義。

HIF-1主要由HIF-1α(相對(duì)分子質(zhì)量為120×103)和HIF-1β(相對(duì)分子質(zhì)量為91×103～94×103)兩個(gè)亞單位組成,以異二聚體形式存在，兩個(gè)亞基均屬堿性多肽-螺旋-環(huán)-螺旋轉(zhuǎn)錄因子家族中的成員，含有時(shí)鐘-芳香烴受體核轉(zhuǎn)位蛋白-sumo蛋白結(jié)合(Per-ARNT-Sim,PAS)結(jié)構(gòu)域，堿性多肽-螺旋-環(huán)-螺旋區(qū)與DNA結(jié)合，PAS區(qū)則與另一亞基構(gòu)成二聚體。HIF-1α為氧調(diào)節(jié)亞基，全長(zhǎng)826個(gè)氨基酸殘基，它決定HIF-1的活性,常氧條件下被泛素-蛋白酶迅速降解；而HIF-1β則在所有細(xì)胞細(xì)胞核中持續(xù)表達(dá)[2]。細(xì)胞處于低氧環(huán)境時(shí)，HIF-1α的降解受到抑制，HIF-1α蛋白水平急劇增加，并與HIF-1β結(jié)合形成HIF-1，HIF-1進(jìn)一步與DNA上的缺氧反應(yīng)元件相結(jié)合，激活相關(guān)目的基因的轉(zhuǎn)錄，引起一系列細(xì)胞缺氧反應(yīng)[3-4]。

2 HIF-1對(duì)中樞神經(jīng)保護(hù)的研究進(jìn)展

2.1缺血缺氧條件下HIF-1在腦組織的表達(dá) 低氧環(huán)境能顯著誘導(dǎo)鼠腦組織HIF-1α信使RNA的表達(dá)上調(diào)，在低氧環(huán)境下誘導(dǎo)30 min，HIF-1α信使RNA表達(dá)開(kāi)始增加，誘導(dǎo)60 min達(dá)到高峰，持續(xù)誘導(dǎo)4 h，HIF-1α信使RNA表達(dá)又回落到基礎(chǔ)水平，說(shuō)明HIF-1α的表達(dá)是瞬時(shí)的[5]。大鼠短暫性全腦缺血模型中，缺血15 min后大腦皮質(zhì)和海馬就有HIF-1α信使RNA及其靶基因VEGF信使RNA在同一神經(jīng)元表達(dá)，在4～72 h缺血/再灌注期間也有持續(xù)表達(dá)[6]。在小鼠腦出血模型中，大腦皮質(zhì)和出血灶周?chē)氚祹IF-1α陽(yáng)性細(xì)胞計(jì)數(shù)在第7日和第14日顯著增多，且HIF-1α陽(yáng)性細(xì)胞計(jì)數(shù)在第7日顯著多于第14日[7]。由此可見(jiàn)，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，HIF-1是調(diào)節(jié)細(xì)胞缺氧反應(yīng)中非常重要的轉(zhuǎn)錄因子。

2.2HIF-1對(duì)神經(jīng)組織的保護(hù)作用 Du等[8]采用高溫預(yù)處理方式，在40℃條件下培養(yǎng)星形膠質(zhì)細(xì)胞6 h誘導(dǎo)HIF-1表達(dá)，收集培養(yǎng)基上清液，發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組培養(yǎng)基上清液相比，這種高溫預(yù)處理后培養(yǎng)基對(duì)氧糖剝奪環(huán)境中的神經(jīng)元有顯著的神經(jīng)保護(hù)和抗凋亡作用，并且這種神經(jīng)保護(hù)作用與培養(yǎng)液中HIF-1的表達(dá)增加顯著相關(guān)。也有人用二甲基草酰甘氨酸抑制常溫下HIF-1的降解，間接使HIF-1表達(dá)上調(diào)，發(fā)現(xiàn)在大鼠永久性大腦中動(dòng)脈和短暫性大腦中動(dòng)脈閉塞模型中靜脈注射40 mg/kg二甲基草酰甘氨酸，能有效減小梗死體積，改善腦組織局部血液循環(huán)，促進(jìn)運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)，并且這種保護(hù)神經(jīng)、促進(jìn)神經(jīng)恢復(fù)的作用與HIF-1下游靶基因VEGF、內(nèi)皮型一氧化氮合酶的激活有關(guān)[9]。

3 HIF-1及其下游靶基因?qū)ι窠?jīng)保護(hù)的作用

HIF-1的表達(dá)增加是組織細(xì)胞對(duì)缺血缺氧的一種適應(yīng)性反應(yīng)，它通過(guò)調(diào)控下游多種靶基因的表達(dá)，能改善腦組織缺血，減少組織再灌注損傷，改善局部能量代謝障礙，促進(jìn)組織缺血后血流動(dòng)力學(xué)恢復(fù)和新生血管生成，抗細(xì)胞凋亡，引起內(nèi)源性干細(xì)胞趨化遷徙。HIF-1表達(dá)上調(diào)產(chǎn)生的生物效應(yīng)與其下游靶基因的激活息息相關(guān)，因此了解下游各種靶基因所發(fā)揮的作用十分必要。

3.1VEGF對(duì)神經(jīng)保護(hù)作用 VEGF在血管發(fā)生和形成過(guò)程中起著中樞性的調(diào)控作用，是血管形成的關(guān)鍵刺激因子。HIF-1結(jié)合點(diǎn)和上游的激活蛋白1結(jié)合點(diǎn)共同構(gòu)成低氧反應(yīng)元件，刺激VEGF的表達(dá)。研究表明VEGF對(duì)微環(huán)境的構(gòu)建主要通過(guò)3種途徑：①促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞的增殖和血管的生成，VEGF可以通過(guò)其特異性受體血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子受體(血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子受體1、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子2)直接作用于血管內(nèi)皮細(xì)胞刺激其增殖，促使血管形成，改善局部血液循環(huán)，提高缺血缺氧病灶的供血量，進(jìn)而延緩細(xì)胞及組織壞死[10]；②增加血管通透性，引起血漿蛋白外滲，并通過(guò)誘導(dǎo)間質(zhì)產(chǎn)生而促進(jìn)體內(nèi)新生血管生成[11]；③對(duì)神經(jīng)組織有直接的保護(hù)作用，體外培養(yǎng)中，VEGF能顯著提高神經(jīng)元在無(wú)血清、低氧、機(jī)械損傷、有害化學(xué)環(huán)境中的存活率[7,12]。

3.2EPO的作用 EPO是HIF-1靶基因之一，是一種調(diào)節(jié)紅細(xì)胞生成的體液因子，能刺激紅細(xì)胞的發(fā)生和成熟，增加了攜氧能力。EPO還具有抗細(xì)胞凋亡、保護(hù)神經(jīng)、促進(jìn)干細(xì)胞遷移、促血管生成、抗炎等作用[13]。

3.2.1EPO的抗凋亡作用 EPO與EPO受體結(jié)合，啟動(dòng)細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。Xiong等[14]研究發(fā)現(xiàn)，EPO可激活腦區(qū)中JAK激酶2，胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1/2、蛋白激酶B、核因子κB及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子5通路，使Bcl-xL和Bcl-2基因高表達(dá)，同時(shí)減少Bax基因的表達(dá)。EPO與其受體相結(jié)合激活Janus蛋白酪氨酸激酶2后，可抑制核因子磷酸化，使結(jié)合核因子κB移位入核，轉(zhuǎn)錄結(jié)合核因子κB依賴(lài)的凋亡抑制因子X(jué)染色體連鎖凋亡抑制因子和細(xì)胞凋亡抑制蛋白，從而抑制凋亡發(fā)生[15]，說(shuō)明EPO可增加抗凋亡蛋白的表達(dá)，發(fā)揮抗凋亡作用。另外，EPO還可降低血中有促進(jìn)凋亡作用的細(xì)胞因子。

3.2.2EPO的神經(jīng)保護(hù)作用 EPO通過(guò)多種機(jī)制發(fā)揮穩(wěn)定內(nèi)環(huán)境和保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞作用：①對(duì)抗神經(jīng)細(xì)胞興奮性中毒，Kawakami等[16]發(fā)現(xiàn)EPO能增加暴露在細(xì)胞毒性環(huán)境下神經(jīng)細(xì)胞的存活率，這種機(jī)制可能與通過(guò)降低鈣依賴(lài)性谷氨酸釋放而增強(qiáng)對(duì)谷氨酸毒性的耐受；②減輕細(xì)胞水腫；③減輕組織炎性反應(yīng)，EPO能通過(guò)增加細(xì)胞溶質(zhì)內(nèi)抗氧化物酶(如超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶等)活性，減輕細(xì)胞由于過(guò)氧化反應(yīng)帶來(lái)的傷害[17-18]。在大鼠TBI創(chuàng)傷性腦損傷模型中，皮質(zhì)損傷早期給予EPO治療能顯著減少組織挫傷體積，保護(hù)海馬神經(jīng)元，改善運(yùn)動(dòng)功能，并且治療效果與EPO的給藥方案有關(guān)，每日多次給藥比每日單次給藥具有更好的神經(jīng)保護(hù)和改善功能的效果[19-20]。

3.2.3EPO對(duì)血管的保護(hù) EPO在體內(nèi)外均能保護(hù)內(nèi)皮細(xì)胞的完整性，還能促進(jìn)新血管的生成，其機(jī)制與VEGF具有相似性。EPO可通過(guò)促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞增生、分化、遷移來(lái)介導(dǎo)血管生成，從而對(duì)維持和重建血供、促進(jìn)損傷修復(fù)有重要意義。另外，EPO在體內(nèi)促血管生成的作用可能部分與促進(jìn)骨髓內(nèi)皮起源細(xì)胞(內(nèi)皮祖細(xì)胞)遷移至成血管處分化為血管有關(guān)[21]。

3.3其他靶基因 胰島素樣生長(zhǎng)因子Ⅱ編碼基因、腦紅蛋白、一氧化氮合酶、血小板源性生長(zhǎng)因子、葡萄糖載體蛋白1、葡萄糖載體蛋白3、內(nèi)皮縮血管肽1等基因表達(dá)產(chǎn)物對(duì)受損后組織的紅細(xì)胞生成及血管形成、能量代謝、減少神經(jīng)細(xì)胞凋亡等發(fā)揮重要的作用，維持神經(jīng)細(xì)胞生存微環(huán)境的穩(wěn)定，并對(duì)損傷后微環(huán)境的構(gòu)建也起到積極的作用，間接保護(hù)了神經(jīng)細(xì)胞。

4 小 結(jié)

HIF-1在中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后微環(huán)境的構(gòu)建，神經(jīng)細(xì)胞的保護(hù)等多方面均起著重要作用。近幾年對(duì)HIF-1在組織缺血缺氧應(yīng)答中取得突破進(jìn)展。研究證明中藥治療腦梗死的機(jī)制可能與HIF-1調(diào)節(jié)下游靶基因相關(guān)[22-23]。在朊病毒病所致的神經(jīng)退行性變疾病中，通過(guò)上調(diào)HIF-1的表達(dá)，發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[24]。由此可見(jiàn)，HIF-1不僅是缺血性腦卒中的治療靶點(diǎn)，還為神經(jīng)科其他疾病的治療開(kāi)辟新的途徑。然而，對(duì)于信號(hào)通路及調(diào)控機(jī)制的研究及HIF-1在常氧環(huán)境下穩(wěn)定無(wú)害的表達(dá)還有待進(jìn)一步的研究。

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