缺氧誘導(dǎo)因子1α相關(guān)信號(hào)通路與腫瘤關(guān)系的研究進(jìn)展

李繼強(qiáng)(綜述)，陳謙學(xué)(審校)

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院神經(jīng)外科，武漢430060)

缺氧誘導(dǎo)因子1α相關(guān)信號(hào)通路與腫瘤關(guān)系的研究進(jìn)展

李繼強(qiáng)△(綜述)，陳謙學(xué)※(審校)

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院神經(jīng)外科，武漢430060)

摘要：缺氧誘導(dǎo)因子1α(HIF-1α)是細(xì)胞缺氧應(yīng)激狀態(tài)下活躍的細(xì)胞因子，其表達(dá)及活性受脯氨酰羥化酶(PHD)/希佩爾林道蛋白(pVHL)、磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/蛋白激酶B(AKT)/哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)、細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(ERK)/絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)、Bcl-2相關(guān)性抗凋亡基因3(BAG3)/熱激蛋白70(HSP70)等上游信號(hào)通路的調(diào)節(jié)，并通過特異性識(shí)別結(jié)合靶基因缺氧反應(yīng)元件區(qū)域，調(diào)節(jié)其下游靶基因表達(dá)，在腫瘤發(fā)生過程中起重要作用。

關(guān)鍵詞：缺氧誘導(dǎo)因子1α；缺氧反應(yīng)元件；信號(hào)通路；靶基因

缺氧是實(shí)體腫瘤中普遍存在的現(xiàn)象，這種缺氧條件使腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生包括耐藥性、異常增殖、抑制凋亡及侵襲和轉(zhuǎn)移等生物學(xué)性狀的改變，給臨床腫瘤的治療帶來極大困擾。缺氧誘導(dǎo)因子1α(hypoxia induced factor-1 alpha，HIF-1α)是哺乳動(dòng)物維持氧平衡的最主要調(diào)控因子[1]。正常狀態(tài)下，HIF-1α蛋白極易降解，細(xì)胞中含量極少；當(dāng)細(xì)胞缺氧時(shí)，HIF-1α表達(dá)量明顯增加，且HIF-1α蛋白穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)，并直接調(diào)節(jié)多種靶基因的轉(zhuǎn)錄；此外，HIF-1α還參與腫瘤多種信號(hào)通路，調(diào)控腫瘤血管生成、細(xì)胞存活、抑制腫瘤細(xì)胞凋亡、代謝重塑以及pH穩(wěn)態(tài)的發(fā)生、發(fā)展[2]?，F(xiàn)就HIF-1α相關(guān)信號(hào)通路與腫瘤關(guān)系的研究進(jìn)展予以綜述，為臨床各種腫瘤的研究及治療提供思路。

1HIF-1α的結(jié)構(gòu)及生物學(xué)功能

1.1HIF-1α基因及蛋白分子的基本結(jié)構(gòu)HIF-1是由α和β兩個(gè)亞基構(gòu)成的異源二聚體，均屬于堿性螺旋-環(huán)-螺旋超家族成員，并具有下游鐘基因-芳香烴受體核轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-小泛素相關(guān)修飾物結(jié)合結(jié)構(gòu)域家族(per-arnt-sim，PAS)同源域結(jié)構(gòu)[3]。HIF-1β亞基在細(xì)胞內(nèi)表達(dá)后相對(duì)穩(wěn)定，不受缺氧因素所調(diào)控，HIF-1α亞基是HIF-1的活性功能亞基，相對(duì)分子質(zhì)量120 000，HIF-1α與靶基因的結(jié)合主要是通過其蛋白N端的PAS同源域結(jié)構(gòu)和堿性螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)域來完成的，并參與腫瘤內(nèi)細(xì)胞缺氧調(diào)節(jié)基因表達(dá)的調(diào)控；其C端主要含有TAD(transactivation domain)-N (531～575位氨基酸序列) 和TAD-C(786～826位氨基酸序列)2個(gè)TAD反式激活域及2個(gè)抑制TAD轉(zhuǎn)錄激活的TAD序列抑制結(jié)構(gòu)域[4]。

1.2HIF-1α的生物學(xué)功能HIF-1α是細(xì)胞產(chǎn)生的一種胞核蛋白，在常氧狀態(tài)下降解速度極快，其生物半衰期不足5 min。但缺氧或無氧條件將顯著增加HIF-1α蛋白穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)錄活性，其機(jī)制主要是通過有氧依賴性酶HIF-1抑制因子 (factor-inhibiting HIF-1，F(xiàn)IH-1)和腫瘤抑制蛋白希佩爾林道蛋白(von Hippel-Lindau protein，pVHL)兩條氧依賴途徑來實(shí)現(xiàn)。FIH-1途徑主要是通過將HIF-1α C端反式激活結(jié)構(gòu)域內(nèi)803位的天冬氨酸殘基羥基化，進(jìn)而阻止HIF-1α與轉(zhuǎn)錄輔助激活因子環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP-response element binding protein，CREBP)結(jié)合，由于CREBP能在轉(zhuǎn)錄因子HIF-1α與相關(guān)轉(zhuǎn)錄復(fù)合物之間發(fā)揮橋梁連接作用，因此當(dāng)HIF-1α與CREBP的結(jié)合受到抑制后，HIF-1α對(duì)其下游靶基因的轉(zhuǎn)錄激活功能同樣被抑制[5]；pVHL途徑則是通過與HIF-1α亞基的氧依賴結(jié)構(gòu)域ODDD(oxygen dependent degradation domain)結(jié)合，并募集泛素蛋白，形成泛素連接蛋白酶復(fù)合體，使HIF-1α亞基泛素化，并通過泛素化途徑降解[6]。通過以上途徑穩(wěn)定的HIF-1α亞基結(jié)構(gòu)能轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞核內(nèi)，并與HIF-1β亞基形成HIF-1α/β二聚體，進(jìn)而結(jié)合到靶基因的缺氧反應(yīng)元件(hypoxia response element，HRE)的基因序列上。由于HRE是一個(gè)由保守的HIF-1結(jié)合位點(diǎn)AGCCTC和高度可變的旁側(cè)序列組成的調(diào)節(jié)元件，這種高度可變性可能增強(qiáng)了低氧反應(yīng)性和不同組織的反應(yīng)特異性，并且使得HIF-1α能結(jié)合血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)、血小板衍生生長因子、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1、促紅細(xì)胞生成素及內(nèi)皮素1等多種靶基因并調(diào)節(jié)其表達(dá)[7]。

2HIF-1α的調(diào)節(jié)通路

2.1HIF-1α的上游調(diào)節(jié)通路

2.1.1脯氨酰羥化酶(prolylhydroxylase，PHD)/pVHL信號(hào)通路對(duì)HIF-1α的調(diào)節(jié)PHD是一種二氧化酶，也是細(xì)胞內(nèi)分子氧傳感器，催化HIF-1α中ODDD區(qū)的羥化反應(yīng)，其活性依賴氧，PHD主要包括PHD1、PHD2、PHD3和PHD4，其中PHD2與HIF-1α功能關(guān)系最為密切。最近研究表明，HIF-1α羥基化反應(yīng)需要一系列氧依賴因子的參與，PHD2是羥基化反應(yīng)發(fā)生中最主要的因子，并調(diào)控HIF-1的表達(dá)水平和轉(zhuǎn)錄活性；PHD2催化HIF-1α的ODDD 結(jié)構(gòu)域中兩個(gè)具有募集蛋白功能的關(guān)鍵脯氨酸殘基發(fā)生羥基化修飾反應(yīng)，羥基化修飾后的HIF-1α蛋白迅速與pVHL蛋白結(jié)合形成蛋白復(fù)合體，這種蛋白復(fù)合體可募集延伸因子B、延伸因子C、cullin-2蛋白和 Rbx-1(RING box protein 1)形成pVHL/延伸因子B/延伸因子C/cullin-2/泛素連接酶E3復(fù)合體，這種蛋白復(fù)合體經(jīng)泛素連接酶E3泛素化，并通過泛素降解途徑被迅速降解[8]。因此，PHD2構(gòu)成了轉(zhuǎn)錄因子HIF-1α低氧誘導(dǎo)功能的關(guān)鍵分子，并受氧分壓的精密調(diào)控，也是該催化過程中的關(guān)鍵限速酶。

2.1.2磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-hydroxy kinase，PI3K)/蛋白激酶B(protien kinase B，PKB/AKT)/哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)信號(hào)通路對(duì)HIF-1α的調(diào)節(jié)缺氧以及各種生長因子和細(xì)胞因子均可誘導(dǎo)HIF-1α蛋白表達(dá)量增加，增強(qiáng)HIF-1α DNA連接活性，進(jìn)而促進(jìn)HIF-1α靶基因的表達(dá)，而且這些細(xì)胞因子與相應(yīng)的酪氨酸酶受體結(jié)合，進(jìn)而激活PI3K、AKT以及mTOR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑[9]。活化的AKT是細(xì)胞存活因子，活化的AKT通常以磷酸化形式存在，AKT能通過直接磷酸化促凋亡分子BAD(Bcl-2/Bcl-xL associated death promoter)第136位絲氨酸殘基、磷酸化叉頭狀轉(zhuǎn)錄因子家族以及正性調(diào)節(jié)核因子κB和CREBP促進(jìn)抗凋亡基因轉(zhuǎn)錄，從而降低凋亡因子及增加抗凋亡因子蛋白的活性[10]。人類第10號(hào)染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源物(phosphatase and tensin homolog deleted on chromosome ten，PTEN)是一種新的腫瘤抑制基因，PTEN抗腫瘤機(jī)制主要是通過抑制PI3K/AKT信號(hào)通路誘導(dǎo)細(xì)胞周期停滯。研究表明，當(dāng)PTEN基因功能缺失時(shí)，PI3K/AKT的負(fù)性調(diào)控作用明顯減弱，進(jìn)而使AKT過度活化為磷酸化AKT，使細(xì)胞生長繁殖增快[11]。mTOR的C端與PI3K催化結(jié)構(gòu)域同源，活化的AKT可促進(jìn)mTOR的表達(dá)，mTOR表達(dá)增加后又能反饋抑制AKT，mTOR作為磷酸化AKT下游重要效應(yīng)分子，對(duì)細(xì)胞增殖、凋亡以及成瘤，甚至對(duì)細(xì)胞的活性具有重要調(diào)節(jié)作用，mTOR促增殖作用在腫瘤細(xì)胞中尤為顯著[12]。體外研究表明，對(duì)于體外培養(yǎng)的細(xì)胞，利用基因沉默技術(shù)抑制mTOR基因的表達(dá)，細(xì)胞周期將明顯受到抑制，同時(shí)細(xì)胞凋亡率明顯增加；mTOR是通過5′端寡聚嘧啶核苷酸序列來增加HIF-1α信使RNA的翻譯速率，從而促進(jìn)HIF-1α表達(dá)[13]。因此，PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路是HIF-1α主要的上游調(diào)節(jié)通路之一。

2.1.3細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(extracellular regulated protein kinase，ERK)/絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)信號(hào)通路對(duì)HIF-1α的調(diào)節(jié)ERK/MAPK作為最經(jīng)典的信號(hào)通路，同時(shí)是MAPK超家族通路中的一個(gè)重要亞通路，在細(xì)胞的增殖、分化、組織侵襲及轉(zhuǎn)移等多種生物學(xué)行為的調(diào)節(jié)方面發(fā)揮重要作用，主要是通過磷酸化級(jí)聯(lián)反應(yīng)將細(xì)胞外刺激信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)至細(xì)胞內(nèi)相應(yīng)的調(diào)節(jié)靶點(diǎn)，調(diào)節(jié)靶點(diǎn)被激活后進(jìn)而產(chǎn)生與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展、轉(zhuǎn)移及耐藥性密切有關(guān)的生物學(xué)性狀。HIF-1α是ERK/MAPK信號(hào)通路中重要的調(diào)節(jié)靶點(diǎn)之一。ERK包含p42和p44兩個(gè)結(jié)構(gòu)激酶，這兩個(gè)激酶均為MAPK信號(hào)通路的激酶，ERK/MAPK信號(hào)通路是Ras蛋白連接磷酸化的酪氨酸激酶和胞質(zhì)蛋白所引起的包膜反應(yīng)，主要是以Ras蛋白鳥苷酸交換激活Ras蛋白為起始，由失活狀態(tài)的Ras-二磷酸鳥苷轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨癄顟B(tài)的Ras-三磷酸鳥苷；Ras激活后，信號(hào)進(jìn)一步通過細(xì)胞內(nèi)順序化蛋白激酶以典型的三級(jí)級(jí)聯(lián)反應(yīng)MAPKKK(mitogen-activated protein kinase kinase kinase)/MAPKK(mitogen-activated protein kinase kinase)/MAPK向下轉(zhuǎn)導(dǎo)，影響其他相關(guān)基因及蛋白的表達(dá)[14]。體外實(shí)驗(yàn)表明，HIF-1α可被p42、p44、p38α和p38γ激酶磷酸化，進(jìn)而使HIF-1α活性顯著增強(qiáng)，但HIF-1α蛋白的表達(dá)量并沒有明顯增加[15]。因此，ERK/MAPK信號(hào)通路通過級(jí)聯(lián)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)只能增加HIF-1α蛋白活性，HIF-1α活性增加后作為多種靶基因的轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)相應(yīng)基因及蛋白的表達(dá)，并最終引起細(xì)胞增殖、凋亡、侵襲等相關(guān)生物學(xué)變化。

2.1.4Bcl-2相關(guān)性抗凋亡基因3(Bcl-2 associated athanogene 3，BAG3)/熱激蛋白70(hot shock protein 70，HSP70)蛋白酶體途徑對(duì)HIF-1α的調(diào)節(jié)BAG3是BAG家族成員之一，主要通過與HSP70形成蛋白酶體，進(jìn)而促進(jìn)線粒體細(xì)胞凋亡途徑。BAG3蛋白主要表達(dá)于胞質(zhì)，胞質(zhì)中的HSP70蛋白上有BAG3蛋白結(jié)合位點(diǎn)，BAG3與HSP70的結(jié)合可進(jìn)一步促進(jìn)HSP70結(jié)合Bax(Bcl-2 associated X protein)蛋白，從而形成BAG3-HSP70-Bax復(fù)合體，減少細(xì)胞中游離狀態(tài)的Bax蛋白；由于Bax蛋白可附著于細(xì)胞線粒體，進(jìn)而降低線粒體膜電位并增加線粒體通透性使線粒體裂解，從而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，因此，BAG3-HSP70-Bax復(fù)合體的形成能抑制細(xì)胞凋亡[16]。此外，研究表明，HSP70蛋白能通過20S和26S蛋白酶體促進(jìn)HIF-1α蛋白降解[17]，而BAG3可促進(jìn)HIF-1α表達(dá)，其作用主要是通過與HSP70形成蛋白酶體復(fù)合物，從而抑制HSP70蛋白對(duì)HIF-1α的降解作用[18]。體外研究表明，非特異性蛋白酶體抑制劑MG132作用于腫瘤細(xì)胞后，HIF-1α表達(dá)量升高[19]，進(jìn)一步證明了BAG3-HSP70蛋白酶體途徑抑制HSP70對(duì)HIF-1α的降解作用。

2.2HIF-1α的下游調(diào)節(jié)通路HIF-1α的下游調(diào)節(jié)主要通過調(diào)控靶基因的轉(zhuǎn)錄來實(shí)現(xiàn)，目前發(fā)現(xiàn)，HIF-1α下游的靶基因有VEGF、血小板衍生生長因子、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1、促紅細(xì)胞生成素、內(nèi)皮素1、一氧化氮合酶2等數(shù)十種，這些靶基因的啟動(dòng)子上均有HRE，HIF-1α蛋白能特異性識(shí)別靶基因轉(zhuǎn)錄起始部位基因片段上的HRE序列并與之結(jié)合，且能促進(jìn)相應(yīng)靶基因的轉(zhuǎn)錄[20]。研究表明，在缺氧等條件誘導(dǎo)HIF-1α表達(dá)增加時(shí)，其靶基因表達(dá)量也明顯增加[21-22]。

3HIF-1α與腫瘤

與正常組織相比，腫瘤組織生長速度一般較快；由于腫瘤組織的快速增長，而腫瘤組織的供應(yīng)血管生長相對(duì)較慢，因此造成了腫瘤細(xì)胞長期處于一種相對(duì)缺血缺氧的微環(huán)境；當(dāng)局部缺血缺氧狀態(tài)持續(xù)存在時(shí)，能刺激腫瘤細(xì)胞HIF-1α蛋白表達(dá)量顯著增加并作用于其下游靶基因產(chǎn)生相應(yīng)的腫瘤生物學(xué)效應(yīng)。

3.1HIF-1α與腫瘤細(xì)胞增殖和凋亡研究表明，當(dāng)細(xì)胞處于缺氧應(yīng)激條件下，HIF-1α表達(dá)顯著增加，并能促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖和凋亡[23]。HIF-1α促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖主要涉及細(xì)胞能量代謝及血管生成。與細(xì)胞能量代謝相關(guān)的且最重要的是葡萄糖代謝相關(guān)基因,包括烯醇化酶α、M2型丙酮酸激酶、磷酸甘油酸酯激酶1、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1以及乳酸脫氫酶A等，缺氧微環(huán)境中HIF-1α能促進(jìn)細(xì)胞中葡萄糖代謝相關(guān)基因的表達(dá)，從而調(diào)節(jié)能量代謝，使腫瘤細(xì)胞獲取更多葡萄糖能量物質(zhì)，促進(jìn)細(xì)胞增殖[24]。另外，HIF-1α可通過促進(jìn)腫瘤組織血管生成，增加腫瘤細(xì)胞血液營養(yǎng)供應(yīng)，從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖。研究表明，HIF-1α與增殖細(xì)胞核抗原呈正相關(guān)，而增殖細(xì)胞核抗原可以作為反映細(xì)胞增殖情況的重要指標(biāo)，因此HIF-1α與腫瘤細(xì)胞增殖具有密切聯(lián)系[25]。此外，對(duì)腫瘤周圍組織進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤壞死灶周圍組織中的HIF-1α蛋白表達(dá)量顯著高于正常組織及壞死灶組織，壞死灶周圍組織細(xì)胞是腫瘤中增殖最活躍的細(xì)胞群，表明HIF-1α蛋白能促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖[26]。腫瘤的發(fā)生與腫瘤細(xì)胞凋亡誘導(dǎo)基因失活及凋亡抑制基因過表達(dá)有關(guān)，目前發(fā)現(xiàn)，有多種與細(xì)胞凋亡相關(guān)的基因蛋白，而p53蛋白是其中最常見的凋亡蛋白；細(xì)胞缺氧時(shí)，HIF-1α抑制p53蛋白激活，進(jìn)而抑制細(xì)胞凋亡[27]。

3.2HIF-1α與腫瘤細(xì)胞侵襲和轉(zhuǎn)移惡性腫瘤經(jīng)常發(fā)生腫瘤細(xì)胞向鄰近的正常組織或其他遠(yuǎn)處器官侵襲和轉(zhuǎn)移，這種侵襲和遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移與腫瘤細(xì)胞生物學(xué)性狀的改變密切相關(guān)。與正常細(xì)胞相比，腫瘤細(xì)胞的遷移能力明顯增強(qiáng)，另外，腫瘤組織基膜和細(xì)胞外基質(zhì)及細(xì)胞間黏附作用明顯減弱。腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移的起始步驟是腫瘤細(xì)胞的遷移，而細(xì)胞遷移是由機(jī)體內(nèi)的細(xì)胞運(yùn)動(dòng)因子啟動(dòng)，細(xì)胞運(yùn)動(dòng)因子包括細(xì)胞表達(dá)的某些趨化因子、炎性因子或生長因子，這些運(yùn)動(dòng)因子在細(xì)胞處于異常環(huán)境時(shí)表達(dá)增加，并且可與特定受體結(jié)合，進(jìn)而通過信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)而引發(fā)細(xì)胞遷移運(yùn)動(dòng)。影響細(xì)胞遷移的細(xì)胞因子主要有：白細(xì)胞介素6、肝細(xì)胞生長因子以及自分泌運(yùn)動(dòng)因子等。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)細(xì)胞處于缺氧狀態(tài)時(shí)，肝細(xì)胞生長因子受體(hepatocyte growth factor receptor,HGFR/c-Met)表達(dá)量明顯增加，高表達(dá)的c-Met通過與肝細(xì)胞生長因子特異性結(jié)合而顯著增加細(xì)胞侵襲性，并誘導(dǎo)正常細(xì)胞癌變并轉(zhuǎn)移[28]。另外，細(xì)胞外基質(zhì)的改變?yōu)槟[瘤細(xì)胞侵襲和轉(zhuǎn)移提供了促進(jìn)細(xì)胞遷移的蛋白酶類。研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤細(xì)胞的細(xì)胞外基質(zhì)蛋白成分與正常細(xì)胞相比，降解顯著增加[29]，這些促細(xì)胞遷移蛋白酶類的降解是腫瘤細(xì)胞侵襲和轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵步驟之一。腫瘤細(xì)胞外基質(zhì)中含有多種與腫瘤細(xì)胞侵襲有關(guān)的蛋白酶，其中最常見的是基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs)。腫瘤細(xì)胞侵襲和轉(zhuǎn)移能力與細(xì)胞表達(dá)MMP量密切相關(guān)，細(xì)胞中MMP含量越高，細(xì)胞轉(zhuǎn)移能力越強(qiáng)[30]。研究表明，HIF-1α能促進(jìn)腫瘤細(xì)胞MMPs表達(dá)增加[31]。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在給予乳腺癌細(xì)胞缺氧處理后，膜型MMP和MMP-2蛋白表達(dá)量顯著上升，并且腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移能力明顯增強(qiáng)，在采用以膜型MMP為特異性靶點(diǎn)的基因沉默技術(shù)剔除膜型MMP基因表達(dá)后，乳腺癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移能力明顯下降[32]。因此，腫瘤缺氧導(dǎo)致的HIF-1α 高表達(dá)能通過上調(diào)MMPs的表達(dá)而促進(jìn)惡性腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移。另外，腫瘤細(xì)胞侵襲轉(zhuǎn)移還涉及到多種細(xì)胞黏附分子，在腫瘤細(xì)胞浸潤、轉(zhuǎn)移相關(guān)的黏附分子中，發(fā)揮關(guān)鍵作用的黏附分子是上皮鈣黏素(E-cadherin)與β聯(lián)蛋白(β-catenin)。組織中的E-cadherin 與β-catenin可形成E-cadherin/β-catenin復(fù)合體，正常情況下這種復(fù)合體的存在形式比較穩(wěn)定，但當(dāng)組織發(fā)生癌變后，腫瘤微環(huán)境及某些表達(dá)異常的蛋白使E-cadherin/β-catenin復(fù)合體的穩(wěn)定性發(fā)生改變，甚至解聚，E-cadherin/β-catenin復(fù)合體的破壞使腫瘤細(xì)胞更容易逃離周圍細(xì)胞和細(xì)胞基質(zhì)的黏附，進(jìn)而更容易發(fā)生分離、侵襲和移動(dòng)[33]。此外，在胃癌、肝癌等常發(fā)生上皮細(xì)胞間質(zhì)轉(zhuǎn)化的惡性腫瘤中，E-cadherin與β-catenin同樣發(fā)揮重要作用，Calvisi等[34]研究發(fā)現(xiàn)，在利用HIF-1α質(zhì)粒轉(zhuǎn)染技術(shù)上調(diào)肝癌細(xì)胞中HIF-1α后，β-catenin的表達(dá)明顯增加，E-cadherin的表達(dá)降低，而肝癌細(xì)胞明顯發(fā)生上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化，肝癌細(xì)胞的侵襲、轉(zhuǎn)移能力明顯增強(qiáng)，表明HIF-1α可通過對(duì)腫瘤細(xì)胞黏附分子表達(dá)的影響而促進(jìn)腫瘤轉(zhuǎn)移。

3.3HIF-1α與腫瘤血管生成腫瘤組織生長過快必然導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞血液供應(yīng)相對(duì)減少，處于缺血缺氧條件下的腫瘤細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生多種細(xì)胞因子，促進(jìn)腫瘤組織血管生成。VEGF是腫瘤組織中促血管生成作用最強(qiáng)的主要血管生長因子，VEGF蛋白有多種受體，VEGF受體1/FAM樣酪氨酸激酶1(Fams-like tyrosine kinase 1,FLT-1)和 VEGF受體2/胎肝激酶1是VEGF發(fā)揮促血管生成最重要的受體，VEGF與FLT-1和胎肝激酶1發(fā)生特異性結(jié)合后，誘導(dǎo)并激活血管內(nèi)皮細(xì)胞進(jìn)行有絲分裂，產(chǎn)生大量血管內(nèi)皮細(xì)胞并形成毛細(xì)血管。此外，VEGF結(jié)合受體后，毛細(xì)血管通透性發(fā)生顯著改變，主要表現(xiàn)為毛細(xì)血管空隙增大，使得大分子物質(zhì)更容易從較大的血管空隙中漏出到血管外基質(zhì)，為增殖的毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞和毛細(xì)血管的形成提供外部支架，從而輔助血管的形成[35]。研究發(fā)現(xiàn)，組織活細(xì)胞缺氧時(shí)，高表達(dá)的HIF-1α蛋白可作為轉(zhuǎn)錄因子可直接激活一系列促血管生成因子的轉(zhuǎn)錄，包括VEGF、FLT-1、胎肝激酶1、血管生成素、纖溶酶原激活抑制因子、血小板衍生生長因子等，這些促血管生成因子共同促進(jìn)腫瘤新生血管生成[36-37]。研究表明，腫瘤組織中HIF-1α與VEGF表達(dá)量呈正相關(guān)，利用HIF-1α小干擾RNA剔除HIF-1α 時(shí)，VEGF表達(dá)量顯著下降，腫瘤組織血管生成明顯增加[38]。

3.4HIF-1α與腫瘤耐藥性腫瘤耐藥異常復(fù)雜，是基因與環(huán)境共同作用的結(jié)果。實(shí)體腫瘤的缺氧微環(huán)境是腫瘤治療效果差及易產(chǎn)生耐藥性的重要原因。腫瘤細(xì)胞生物膜上存在多種可以將抗癌藥物排出細(xì)胞外的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可使細(xì)胞內(nèi)藥物濃度下降，降低化療藥物對(duì)腫瘤細(xì)胞的毒性，其中最常見的有多藥耐藥相關(guān)蛋白與谷胱甘肽S轉(zhuǎn)移酶π。多藥耐藥相關(guān)蛋白是腺苷三磷酸結(jié)合盒超家族膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白之一，它是谷胱甘肽在谷胱甘肽巰基酶催化下所形成復(fù)合物的轉(zhuǎn)運(yùn)泵，參與胞質(zhì)囊泡的運(yùn)輸，胞質(zhì)囊泡的轉(zhuǎn)運(yùn)會(huì)引起藥物在不同細(xì)胞器之間分布的改變，使針對(duì)靶點(diǎn)的有效藥物濃度降低[39]。谷胱甘肽S轉(zhuǎn)移酶π是一種有多種生理功能的二聚體蛋白質(zhì)，主要催化谷胱甘肽與廣泛的親電物質(zhì)結(jié)合形成復(fù)合體，進(jìn)而使細(xì)胞內(nèi)藥物排出細(xì)胞外達(dá)到生物解毒作用。此外，目前已發(fā)現(xiàn)的耐藥蛋白還有多藥耐藥蛋白1、P糖蛋白、肺耐藥相關(guān)蛋白、乳腺癌耐藥蛋白等。研究表明，剔除腫瘤細(xì)胞HIF-1α后，多藥耐藥蛋白1、肺耐藥相關(guān)蛋白和乳腺癌耐藥蛋白等耐藥相關(guān)蛋白表達(dá)量顯著下降，腫瘤細(xì)胞對(duì)化療藥物的化療敏感性顯著增強(qiáng)[40]。由此可見，腫瘤細(xì)胞的快速增殖及血管供應(yīng)相對(duì)不足的特性造成局部缺氧的微環(huán)境，這種局部缺氧微環(huán)境一方面使腫瘤組織中HIF-1α表達(dá)量增加，高表達(dá)的HIF-1α使局部腫瘤組織中耐藥蛋白的表達(dá)量增加，使腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生耐藥性。

4小結(jié)

HIF-1α的表達(dá)主要受其上游PHD/pVHL、PI3K/AKT/mTOR、ERK/MAPK等信號(hào)通路及BAG3/HSP70蛋白酶體途徑的調(diào)節(jié)，進(jìn)而特異性識(shí)別結(jié)合靶基因HRE區(qū)域序列調(diào)節(jié)靶基因表達(dá)，通過調(diào)節(jié)p53等基因表達(dá)促進(jìn)腫瘤增殖，抑制凋亡；通過調(diào)節(jié)肝細(xì)胞生長因子、MMPs、β-catenin及E-cadherin 等基因的表達(dá)促進(jìn)腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移；通過調(diào)節(jié)VEGF、FLT-1、胎肝激酶1、血管生成素等基因的表達(dá)促進(jìn)腫瘤血管生成；通過誘導(dǎo)多藥耐藥相關(guān)蛋白及谷胱甘肽S轉(zhuǎn)移酶π蛋白的表達(dá)使腫瘤耐藥。

參考文獻(xiàn)

[1]Hochachka PW，Lutz PL．Mechanism，origin，and evolution of anoxia tolerance in animals [J].Comp Biochem Physiol B Biochem Mol Biol，2001，130(4):435-459．

[2]Semenza GL.Hypoxia-inducible factor 1 (HIF-1) pathway[J].Sci STKE,2007,2007(407):cm8.

[3]Wang GL，Jiang BH，Rue EA，etal．Hypoxia-inducible factor 1 is a basic-helix-loop-helix-PAS heterodimer regulated by cellular O2tension[J].Proc Natl Acad Sci U S A，1995，92(12):5510-5514.

[4]Jiang BH，Zhang JZ，Leung SW，etal．Transactivation and inhibitory domains of hypoxia-inducible factor 1 alpha.Modulation of transcriptional activity by oxygen tension [J].J Biol Chem，1997，272(31):19253-19260．

[5]Lendahl U，Lee KL，Yang H,etal.Generating specificity and diversity in the transcriptional response to hypoxia[J].Nat Rev Genet,2009,10(12):821-832．

[6]Kondo K，Kaelin WG Jr．The von Hippel-Lindau tumor suppressor gene[J]．Exp Cell Res，2001，264(1):117-125．

[7]Rhim T,Lee DY,Lee M.Hypoxia as a target for tissue specific gene therapy[J].J Control Release,2013，172(2)：484-494.

[8]Rishi MT,Selvaraju V,Thirunavukkarasu M,etal.Deletion of prolyl hydroxylase domain proteins (PHD1,PHD3) stabilizes hypoxia inducible factor-1 alpha,promotes neovascularization,and improves perfusion in a murine model of hind-limb ischemia[J].Microvasc Res，2015,97:181-188.

[9]Kitajima Y,Miyazaki K.The Critical Impact of HIF-1 on Gastric Cancer Biology[J].Cancers(Basel),2013,5(1):15-26.

[10]Li J,Zhang C,Jiang H,etal.Andrographolide inhibits hypoxia-inducible factor-1 through phosphatidylinositol 3-kinase/AKT pathway and suppresses breast cancer growth[J].Onco Targets Ther,2015,8:427-435.

[11]Park JH,Lee JY,Shin DH,etal.Loss of Mel-18 induces tumor angiogenesis through enhancing the activity and expression of HIF-1α mediated by the PTEN/PI3K/Akt pathway[J].Oncogene,2011,30(45):4578-4589.

[12]Park SH,Kim BR,Lee JH,etal.GABARBP down-regulates HIF-1α expression through the VEGFR-2 and PI3K/mTOR/4E-BP1 pathways[J].Cell Signal,2014,26(7):1506-1513.

[13]Follo MY,Manzoli L,Poli A,etal.PLC and PI3K/Akt/mTOR signalling in disease and cancer[J].Adv Biol Regul,2014,57:10-16.

[14]Kim MK,Park HJ,Kim YD,etal.Hinokitiol increases the angiogenic potential of dental pulp cells through ERK and p38MAPK activation and hypoxia-inducible factor-1α(HIF-1α)upregul-ation[J].Arch Oral Biol,2014,59(2):102-110.

[15]Richard DE,Berra E,Gothié E,etal.p42/p44 mitogen-activated protein kinases phosphorylate hypoxia-inducible factor 1 alpha (HIF-1 alpha) and enhance the transcriptional activity of HIF-1[J].J Biol Chem,1999,274(46):32631-32637.

[16]Festa M,Del Valle L,Khalili K,etal.BAG3 protein is overexpressed in human glioblastoma and is a potential target for the-rapy[J].Am J Pathol,2011,178(6):2504-2512.

[17]Gogate SS,Fujita N,Skubutyte R,etal.Tonicity enhancer binding protein (TonEBP) and hypoxia-inducible factor(HIF) coordinate heat shock protein 70(Hsp70) expression in hypoxic nucleus pulposus cells:role of Hsp70 in HIF-1α degradation[J].J Bone Miner Res,2012,27(5):1106-1117.

[18]Xiao H,Cheng S,Tong R,etal.BAG3 regulates epithelial-mesenchymal transition and angiogenesis in human hepatocellular carcinoma[J].Lab Invest,2014,94(3):252-261.

[19]Kim JA,Kim Y,Kwon BM,etal.The natural compound cantharidin induces cancer cell death through inhibition of heat shock protein 70 (HSP70) and Bcl-2-associated athanogene domain 3 (BAG3) expression by blocking heat shock factor 1 (HSF1) binding to promoters [J].J Biol Chem,2013,288(40):28713-28726.

[20]Koshiji M,Huang LE.Dynamic balancing of the dual nature of HIF-1alpha for cell survival[J].Cell Cycle,2004,3(7):853-854.

[21]Shin JM,Jeong YJ,Cho HJ,etal.Melittin suppresses HIF-1α/VEGF expression through inhibition of ERK and mTOR/p70S6K pathway in human cervical carcinoma cells[J].PLoS One,2013,8(7):e69380.

[22]Salva E,Turan SO,Eren F,etal.The enhancement of gene silencing efficiency with chitosan-coated liposome formulations of siRNAs targeting HIF-1α and VEGF[J].Int J Pharm,2014,478(1):147-154.

[23]Li J,Xu Y,Jiao H,etal.Sumoylation of hypoxia inducible factor-1αand its significance in cancer[J].Sci China Life Sci,2014,57(7):657-664.

[24]Song IS,Wang AG,Yoon SY，etal.Regulation of glucose metabolism-related genes and VEGF by HIF-1alpha and HIF-1beta,but not HIF-2alpha,in gastric cancer[J].Exp Mol Med，2009,41(1):51-58.

[25]Shi YH,Bingle L,Gong LH,etal.Basic FGF augment hypoxia induced HIF-1-alpha expression and VEGF release in T47D breast cancer cells[J].Pathology,2007,39(4):396-400.

[26]Dong ZZ,Yao M,Wang L,etal.Hypoxia-inducible factor-1alpha:molecular-targeted therapy for hepatocellular carcinoma[J].Mini Rev Med Chem,2013,13(9):1295-1304.

[27]Fu Z,Chen D,Cheng H,etal.Hypoxia-inducible factor-1α protects cervical carcinoma cells from apoptosis induced by radiation via modulation of vascular endothelial growth factor and p53 under hypoxia[J].Med Sci Monit,2015,21:318-325.

[28]Bernards R.Cancer:cues for migration[J].Nature,2003,425(6955):247-248.

[29]Gill BJ,West JL.Modeling the tumor extracellular matrix:Tissue engineering tools repurposed towards new frontiers in cancer bio-logy[J].J Biomech,2014,47(9):1969-1978.

[30]Watanabe H.Extracellular matrix--regulation of cancer invasion and metastasis[J].Gan To Kagaku Ryoho,2010,37(11):2058-2061.

[31]Wang B,Ding YM,Fan P,etal.Expression and significance of MMP2 and HIF-1αin hepatocellular carcinoma[J].Oncol Lett,2014,8(2):539-546.

[33]Lee DJ,Kang DH,Choi M,etal.Peroxiredoxin-2 represses melanoma metastasis by increasing E-Cadherin/β-Catenin complexes in adherens junctions[J].Cancer Res,2013,75(15):4744-4757.

[34]Calvisi DF,Ladu S,Conner EA,etal.Disregulation of E-cadherin in transgenic mouse models of liver cancer[J].Lab Invest,2004,84(9):1137-1147.

[35]Nakao S.Impact of anti-VEGF therapy on the cellular microenvironment in retinal angiogenesis[J].Nihon Ganka Gakkai Zasshi,2014,118(11):943-952.

[36]Lee JG,Wu R.Erlotinib-cisplatin combination inhibits growth and angiogenesis through c-MYC and HIF-1α in EGFR-mutated lung cancer in vitro and in vivo[J].Neoplasia,2015,17(2):190-200.

[37]Clara CA,Marie SK,de Almeida JR,etal.Angiogenesis and expression of PDGF-C,VEGF,CD105 and HIF-1α in human glioblastoma[J].Neuropathology,2014,34(4):343-352.

[38]Chen D,Tian W,Li Y,etal.Osteoblast-specific transcription factor Osterix (Osx) and HIF-1α cooperatively regulate gene expression of vascular endothelial growth factor (VEGF)[J].Biochem Biophys Res Commun,2012,424(1):176-181.

[39]Yeh JJ,Hsu NY,Hsu WH,etal.Comparison of chemotherapy response with P-glycoprotein,multidrug resistance-related protein-1,and lung resistance-related protein expression in untreated small cell lung cancer[J].Lung,2005,183(3):177-183.

[40]Gao H,Xie J,Peng J，etal.Hispidulin inhibits proliferation and enhances chemosensitivity of gallbladder cancer cells by targeting HIF-1α[J].Exp Cell Res,2015,332(2)：236-246.

Research Progress of Hypoxia Inducible Factor 1α Associated Signal Pathway and Its Roles in TumorsLIJi-qiang，CHENQian-xue.(DepartmentofNeurosurgery,RenminHospitalofWuhanUniversity，Wuhan430060,China)

Abstract：Hypoxia induced factor 1 α (HIF-1α) is an active cytokine under hypoxia condition and its expression and activity are regulated by upstream signal pathways including PHD/VHL,PI3K/AKT/mTOR,ERK/MAPK and BAG3/HSP70 protease.Through specifically recognizing hypoxia response element of the target gene,HIF-1α can regulate its downstream target genes expression and plays an important role in tumor development.

Key words:Hypoxia inducible factor 1α； Hypoxia response element； Signal pathway； Target gene

收稿日期：2015-04-13修回日期：2015-05-22編輯：鄭雪

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.24.015

中圖分類號(hào)：R73-3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-2084(2015)24-4460-05