低氧誘導(dǎo)因子-1在低氧訓(xùn)練中表達的研究綜述①

潘秀清（西安體育學(xué)院　陜西西安　710068）

低氧誘導(dǎo)因子-1在低氧訓(xùn)練中表達的研究綜述①

潘秀清
（西安體育學(xué)院陜西西安710068）

摘 要:該文通過對低氧誘導(dǎo)因子-1（HIF-1）1的活性調(diào)節(jié)機制、結(jié)構(gòu)和生物學(xué)功能等的綜述，重點分析了HIF-1在低氧訓(xùn)練中的表達。HIF-1轉(zhuǎn)錄調(diào)控低氧反應(yīng)基因，從基因水平介導(dǎo)了對低氧的反應(yīng)，是低氧誘導(dǎo)的核轉(zhuǎn)錄因子。低氧訓(xùn)練在分子基因水平上造成HIF-1mRNA上調(diào)，通過調(diào)控EPO水平以促進機體利用氧的能力，諸如肌紅蛋白增多、VEGF表達上調(diào)和糖酵解速率升高，肌肉線粒體數(shù)量增多和毛細血管的密度增大，進而提高機體在缺氧狀況下的運動能力。HIF-1調(diào)控諸多低氧反應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄表達，是機體感受氧濃度變化的關(guān)鍵因素。

關(guān)鍵詞:低氧誘導(dǎo)因子-1低氧訓(xùn)練表達HIF-1

在低氧訓(xùn)練中，低氧誘導(dǎo)因子-1（hypoxic inducible factor，HIF-1）對機體的氧運輸能力、低氧適應(yīng)能力、新生血管的產(chǎn)生以及物質(zhì)的氧化代謝等都有積極的作用，介導(dǎo)低氧適應(yīng)性反應(yīng)，有助于從基因水平研究低氧訓(xùn)練的生理適應(yīng)機理，使運動員的運動能力得到有效提高。在缺氧情況下，諸多低氧訓(xùn)練方法如高原訓(xùn)練、高住低訓(xùn)等被用來訓(xùn)練運動員，目的提高氧的運輸和利用能力，最終增強其低氧適應(yīng)的能力。低氧反應(yīng)性基因被HIF-1陸續(xù)激活，可見，HIF-1是低氧條件下保持氧濃度穩(wěn)定的重要因素。

1　IHF-1的結(jié)構(gòu)和生物學(xué)功能

20世紀(jì)90年代初，Semenza和Wang用1%O2處理人類肝癌細胞株Hep3B細胞，發(fā)現(xiàn)細胞內(nèi)EPO mRNA表達明顯增高，經(jīng)低氧處理過的細胞中發(fā)現(xiàn)，促紅細胞生成素（EPO）基因上有一核苷酸序列可以與特異性蛋白質(zhì)結(jié)合，該特異性蛋白質(zhì)被命名為HIF-1[1]。

1.1HIF-1的結(jié)構(gòu)

HIF-1由HIF-1α、HIF-1β兩個亞基組成，是一種異二聚體結(jié)合DNA的蛋白質(zhì)因子。α亞基分子量為120KD，包含bHLH結(jié)構(gòu)域，PAS結(jié)構(gòu)域和羧基末端的反式活化結(jié)構(gòu)域，三者共同構(gòu)成了轉(zhuǎn)錄因子DNA結(jié)合域。HIF-1α是氧調(diào)節(jié)蛋白，共包含826個氨基酸。其C端包含兩個反式活化結(jié)構(gòu)域N-TAD和C-TAD，被抑制結(jié)構(gòu)域（inhibition domain， ID）分開，ID能降低N-TAD和C-TAD活性，在非缺氧細胞中這一作用更加突出。β亞基的分子量為91-94KD。兩個亞基均為螺旋環(huán)螺旋（basic-helix-loop-helix/Per-Arnt-Sim domain，bHLH/PAS）家族的成員。反式活化結(jié)構(gòu)域只有在HIF-1α 與β形成異二聚體時才起作用[2]。

1.2HIF-1的主要生物學(xué)功能

HIF-1是一種轉(zhuǎn)錄因子，和低氧反應(yīng)基因（hypoxia reaction gene， HRG）的低氧反應(yīng)元件（hypoxia reaction element， HRE）上的結(jié)合位點結(jié)合，促進轉(zhuǎn)錄表達靶基因，使機體適應(yīng)低氧環(huán)境，介導(dǎo)低氧反應(yīng)。低氧時在心、肝、肺、腦等組織細胞中被大量表達?，F(xiàn)發(fā)現(xiàn)的低氧反應(yīng)基因有40多種，主要有:血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）、EPO、糖酵解酶、胰島素樣生長因子結(jié)合蛋白-1、α1B腎上腺素能受體、誘導(dǎo)型NOS（iNOS）、轉(zhuǎn)鐵蛋白、血紅素氧化酶-1、血栓素合酶、內(nèi)皮素-1（ET-1）、尿激酶型的纖溶酶原活化素受體基因、腎上腺髓質(zhì)素、環(huán)氧合酶-2（COX）等[3]。HIF-1的生物學(xué)功能主要有:促進糖代謝和氧運輸、促進細胞分裂增殖和血管新生、促進鐵代謝和參與誘導(dǎo)細胞凋亡等[3]。

2　HIF-1作用通路和活性調(diào)節(jié)機制

2.1HIF-1作用通路

HIF-1α通過一個氧化還原反應(yīng)的信號通路來調(diào)節(jié)低氧活性，其調(diào)節(jié)機制涉及蛋白合成的增加、穩(wěn)定性的升高和蛋白質(zhì)降解的減少等。HIF-1α受到至少2條信號通路的調(diào)控:第 1條通路的激活信號包括腫瘤抑制基因的缺失、生長因子（如上皮生長因子）的變化、肽的原癌基因的突變等因素，激活肌醇磷酸3-激酶（PI3K）和（mTOR）依賴的信號通路，引起HIF-lα的增加。有研究報道: PI3K途徑必須在其他通路激活PI3K轉(zhuǎn)錄活性的共同作用下才能增加細胞核內(nèi)HIF-1的含量。HIF-lα蛋白的合成增加有利于PI3K/ Akt/FRAP通路的激活。第2條通路的激活信號為CoCI2和缺氧，包括抑制PHDs家族對HIF-lα的修飾。此外，HIF-lα被ET-I誘導(dǎo)激活后引起HIF-1的增多，從而激活HIF-1。

2.2HIF-1活性調(diào)節(jié)機制

細胞內(nèi)氧濃度是調(diào)節(jié)HIF-1的蛋白轉(zhuǎn)錄活性和穩(wěn)定性的主要因素，正常細胞內(nèi)HIF-1含量很少，在低氧條件下，其HIF-1含量顯著增加，這可能是因為在常氧條件下HIF-1迅速降解。HIF-1對細胞中氧濃度的變化比較敏感，在組織缺氧時可以迅速做出mRNA表達上的相應(yīng)變化。HIF-1α蛋白穩(wěn)定性受氧濃度調(diào)節(jié)的分子機制:常氧狀態(tài)時，HIF-1α在脯氨酰羥化酶-1，2，3的作用下羥基化了402和564位的脯氨酸殘基，林希病腫瘤因子（PVHL）與被羥化的HIF-1α結(jié)合，生成E3泛素-蛋白連接酶復(fù)合體，該復(fù)合體作用于HIF-1α的識別部位，才導(dǎo)致蛋白酶體降解HIF-1α。由于氧氣增多抑制脯氨酸羥化酶的活性，故整個反應(yīng)過程受氧濃度的影響較大。低氧時HIF-1α不能被羥化，因而不能與PVHL結(jié)合，從而使HIF-1α降解明顯減少[5]。氧濃度對HIF-1α轉(zhuǎn)錄活性的調(diào)控機理:常氧條件下，由于羥化酶作用于HIF-1α，其天門冬氨酸殘基被羥化，導(dǎo)致C-TAD與CBP、p300的結(jié)合被抑制，從而HIF-1α的轉(zhuǎn)錄活性也被抑制；低氧條件下，羥化酶活性被抑制，反饋性增強HIF-1α的轉(zhuǎn)錄活性。HIF-1α的反式活化結(jié)構(gòu)域（TAD）要激活轉(zhuǎn)錄，必須與轉(zhuǎn)錄共活化因子CBP、p300等相互作用才行。另外，鐵螯合劑和氯化鈷可使HIF-1α與PVHL分離，從而誘導(dǎo)HIF-1α的表達，增強HIF-1轉(zhuǎn)錄活化功能；胰島素、內(nèi)皮生長因子、IGF-1、IGF-2、血小板衍生生長因子、凝血酶及血管緊張肽等也能增強HIF-1轉(zhuǎn)錄活性。

HRG上的HIF-1低氧反應(yīng)元件:HRG在HIF-1上的結(jié)合位點大多數(shù)位于5'啟動子（如GLU、VEGF等），HIF-1介導(dǎo)低氧反應(yīng)是采用以HRG的低氧反應(yīng)元件的結(jié)合點與HIF-1相結(jié)合的方式。

3　HIF-1對低氧訓(xùn)練的調(diào)控

3.1HIF-1對低氧訓(xùn)練的調(diào)控概況

運動員抗缺氧的能力與有氧代謝能力關(guān)系密切。低氧誘導(dǎo)HIF-1表達升高。低氧訓(xùn)練通過合理控制低氧濃度和時間，利用缺氧刺激運動員，目的提高運動員的低氧適應(yīng)能力和運動成績。常用的低氧訓(xùn)練有:高原訓(xùn)練、模擬高原訓(xùn)練、高住低練和間歇性低氧訓(xùn)練等。有研究認為:急性低氧使HIF-1表達增加，是機體應(yīng)激所

致；慢性低氧引起的HIF-1表達升高幅度下降是機體適應(yīng)低氧的結(jié)果，可能是HRG的負反饋調(diào)節(jié)所致。隨著氧濃度的下降，特別當(dāng)氧濃度降到6%以下時，HIF-1提高增速。HIF-1對組織氧濃度的改變非常敏感。HIF-1α的表達在開始和結(jié)束都比較快，其半衰期在常氧下一般不超過5 min。HIF-1α的表達變化如此的迅速，據(jù)此對機體進行間歇性低氧或急性低氧刺激下以提高機體的低氧適應(yīng)提供了依據(jù)性[2]。

HIF-1是體內(nèi)感受氧濃度的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，下調(diào)相關(guān)低氧反應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄表達。低氧訓(xùn)練在基因水平上造成HIF-1mRNA上調(diào)，結(jié)果肌肉線粒體和毛細血管的密度增大，肌紅蛋白、VEGF和糖酵解水平升高，促進EPO水平的上升以及血液運輸氧能力的增加，有利于運動能力的提高。

3.2HIF-1對EPO及氧運輸?shù)挠绊?/p>

低氧訓(xùn)練使機體血清中的EPO濃度升高，介導(dǎo)EPO基因表達的關(guān)鍵因子是HIF-1。通過EPO的調(diào)控，HIF-1間接調(diào)節(jié)氧氣的運輸，對運動時機體的攜氧能力有很大影響。HIF-1與EPO結(jié)合，通過反式激活作用激活EPO基因的轉(zhuǎn)錄，造成血液中Hb濃度的上升。EPO生成后釋放入血，在骨髓中促使干細胞分化為原始紅細胞，加快原始紅細胞增殖和分化，使紅細胞快速成熟和Hb合成增加，加速骨髓內(nèi)的網(wǎng)織紅細胞和紅細胞釋放入血液，血液中氧含量上升。有研究認為HIF-1通過對靶基因的低氧反應(yīng)元件的作用來調(diào)控相關(guān)基因的表達，參與了紅細胞生成、缺血/缺氧后細胞凋亡和增殖等過程，引起細胞一系列缺氧反應(yīng)，從而保持機體氧濃度的穩(wěn)定[5]。

在低氧條件下，HIF-1的轉(zhuǎn)錄被激活，誘導(dǎo)EPO的基因轉(zhuǎn)錄表達增多從而提高了血紅蛋白在缺氧條件下的攜氧能力；HIF-1還通過誘導(dǎo)如誘導(dǎo)型一氧化氮合酶（iNOS）等擴血管因子的表達來提高組織運輸和利用氧的能力。

3.3HIF-1對VEGF的影響

VEGF 基因?qū)Φ脱醺杏X敏銳。低氧條件下，HIF-1誘導(dǎo)VEGF基因轉(zhuǎn)錄，促使組織毛細血管增生，這樣既改善了骨骼肌和心肌的氧氣和營養(yǎng)供應(yīng)，又提高了機體的有氧代謝能力[6]。VEGF具有很強的促進血管內(nèi)皮細胞分裂的功能，是血管生成的主要調(diào)節(jié)因子。低氧環(huán)境下毛細血管的增生，是機體的一種保護性反應(yīng)。VEGF是HIF-1的一個靶基因，低氧刺激后，HIF-1通過轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平的改變，促進VEGFmRNA的轉(zhuǎn)錄活化并提高其穩(wěn)定性，使VEGF受體FLK1/KDR的表達上調(diào)，最終增加毛細血管的新生。當(dāng)HIF-1的表達缺乏時，VEGF的mRNA水平明顯降低。

有研究指出，VEGFmRNA的表達與HIF-1αmRNA的表達在低氧時一致，表明在低氧刺激下HIF-1表達的上升能激活VEGF的轉(zhuǎn)錄并且提高VEGFmRNA的穩(wěn)定性。VEGF基因的表達上調(diào)并使血管的新生增加，有助于供給組織氧和營養(yǎng)，提高體能。

3.4HIF-1對糖代謝的影響

在低氧條件下，機體主要通過無氧糖酵解產(chǎn)生ATP供能的。在糖酵解過程中果糖磷酸激酶、甘油磷酸酸酶、丙酮酸激酶、乳酸脫氫酶、醛縮酶和醇酶等酶都受到HIF-1的影響，合成增多，加速糖酵解的進行，通過糖酵解供能以滿足機體對能量的需求。糖酵解供能使乳酸產(chǎn)生增加，致使細胞內(nèi)正常的PH值下降，而HIF-1的目的基因跨膜碳酸酐酶被激活，將二碳化合物和質(zhì)子轉(zhuǎn)化為CO2，調(diào)節(jié)pH值，產(chǎn)生的CO2由血液運送到肺部排出體外。

同時，在攝取葡萄糖過程中，HIF-1也激活調(diào)控葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白載體-1（GLU-1）和葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白載體-3（GLU-3）的基因表達。有研究報道，肺泡上皮細胞的GLUT-1在低氧誘導(dǎo)下活性明顯升高，且與氧氣濃度和低氧持續(xù)時間呈正相關(guān)。氧氣濃度越低，低氧持續(xù)時間越長，GLUT-1活性升高越顯著?；謴?fù)常氧后，GLUT-1活性迅速下降[7]。

在低氧條件下GLUT表達的增加和活性的增強，使糖代謝的速率維持在較高水平。通過HIF-1調(diào)節(jié)糖酵解，使運動員在缺氧條件下能量得到及時補充，提高其耐缺氧能力和運動能力。

4　結(jié)語

綜上所述，HIF-1對運動能力的影響是積極的。在低氧下運動，HIF-1提高了EPO、VEGF基因的表達并且加速了糖酵解的進行，提高了運動員的運動能力。低氧環(huán)境下，通過對運動員HIF-1變化的分析和對HIF-1相關(guān)基因表達影響的研究，探討低氧刺激下HIF-1的作用，為進一步揭示低氧訓(xùn)練提高運動成績的機理提供理論依據(jù)。

參考文獻

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作者簡介:①潘秀清（1973—），女，陜西咸陽人，碩士，講師，研究方向:運動低氧研究。

中圖分類號:G804.5

文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:2095-2813（2015）06（c）-0044-02