低氧誘導因子HIF-1α與高血壓關(guān)系的研究進展*

魏建行，李利華

(大理大學第一附屬醫(yī)院老年病科，云南 大理 671000)

高血壓不僅與高鹽飲食、吸煙、肥胖、遺傳以及種族等有關(guān)，還與居住的地理環(huán)境密切相關(guān)。高海拔地區(qū)獨特的地理位置以及氣候特點(低氣壓、低氧、低溫、紫外照射強等)，是導致高海拔地區(qū)人群的高血壓發(fā)病率高于平原地區(qū)以及降壓療效不及平原地區(qū)的重要因素之一[1]。此外，因為自然選擇而導致的高鹽攝入可能也是導致高海拔地區(qū)高血壓發(fā)病的重要因素。HIF-1α是和缺氧相關(guān)的重要因子之一，在低氧濃度環(huán)境中容易被激活，進而激活其靶基因。低氧環(huán)境下HIF1-α基因的表達顯著增加，可以調(diào)控細胞的生長、增殖、遷移和凋亡等過程[2]，導致與血液粘稠度[3，4]和血管內(nèi)皮功能調(diào)節(jié)有關(guān)的基因異常表達[5]，上述過程可能與高血壓的發(fā)生發(fā)展有關(guān)。本綜述旨在總結(jié)HIF-1α及其信號通路與血壓調(diào)節(jié)的關(guān)系。

1 低氧誘導因子HIF-1α的結(jié)構(gòu)及調(diào)節(jié)

1.1 低氧誘導因子HIF-1α的結(jié)構(gòu)

缺氧可導致細胞代謝紊亂甚至細胞死亡。在缺氧應(yīng)激中，機體形成了復雜的反應(yīng)機制，其中缺氧誘導因子-1(Hypoxia inducible factor-1，HIF-1)及其信號通路起重要作用[6]。HIF是1992年Semenza等[6]發(fā)現(xiàn)的一種特殊蛋白，是由調(diào)節(jié)亞基α(HIF-1α、HIF-2α或HIF-3α中的一個)和構(gòu)造亞基β(HIF-β，也稱為ARNT)組成的異二聚體[7]。調(diào)節(jié)亞基α為功能和活性亞基，在不同氧濃度的影響下，使特異性脯氨酰羥化酶發(fā)揮作用，調(diào)節(jié)HIF-1的活性；β亞基是結(jié)構(gòu)亞基，穩(wěn)定存在于胞漿或核質(zhì)中，不受氧濃度的調(diào)節(jié)[8]。HIF-1α遍布于哺乳動物的細胞中，是現(xiàn)在已知缺氧狀態(tài)下僅有的發(fā)揮活性的轉(zhuǎn)錄因子，在多條信號通路中發(fā)揮作用，是介導缺氧信號的轉(zhuǎn)導中樞。HIF-1α是螺旋-環(huán)-螺旋蛋白家族中的重要成員，是HIF-1在細胞質(zhì)中的活性亞基，是低氧應(yīng)激反應(yīng)的關(guān)鍵因子[9]。其N端為含有bHLH的基本結(jié)構(gòu)，是與DNA結(jié)合的必需結(jié)構(gòu)。下游脯氨酸-絲氨酸-蘇氨酸(Pro/Ser/Thr)的特殊結(jié)構(gòu)參與異二聚體的形成及其與靶基因的結(jié)合[7]。HIF-1α的C末端含有三個結(jié)構(gòu)域，一個是反式激活結(jié)構(gòu)域-C(轉(zhuǎn)錄調(diào)控)，一個是反式激活結(jié)構(gòu)域-N(轉(zhuǎn)錄激活)，還有一個是氧依賴降解結(jié)構(gòu)域(含Pro/Ser/Thr)，能夠通過泛素化途徑降解HIF-1α[10]。C末端還具有核定位信號功能，協(xié)助HIF-1α蛋白和核孔蛋白結(jié)合到細胞核中。N末端激活區(qū)使HIF-1α與HIF-1β結(jié)合形成異二聚體HIF-1，并結(jié)合到缺氧反應(yīng)的順式作用元件進行轉(zhuǎn)錄。α亞基與脯氨酰羥化酶PHD1(也稱EGLN2)、PHD2(也稱EGLN1)和PHD3(也稱EGLN3)共同構(gòu)成氧依賴性降解結(jié)構(gòu)域[11]。其降解主要取決于脯氨酸羥化酶(PHD)對α亞基中脯氨酸殘基的羥基化，通過pVHL與泛素連接酶形成復合物并進行降解。在正常氧含量條件下，HIF-1α介導的泛素-蛋白酶體通路迅速抑制，檢測不到HIF-1α的表達；在缺氧條件下(<5%)，通過降低泛素化和羥基化水平，抑制HIF-1α的降解，而羥基化、乙?；?、磷酸化等對HIF-1α蛋白表達有增強作用[12]。

1.2 低氧誘導因子HIF-1α的調(diào)節(jié)

低氧誘導因子HIF-1α的調(diào)節(jié)主要包括PHDs調(diào)節(jié)、pVHL調(diào)節(jié)、泛素連接酶和蛋白酶體以及轉(zhuǎn)錄后修飾調(diào)節(jié)等方式，其中PHDs可通過氧依賴性和非氧依賴性機制調(diào)節(jié)HIF-1α的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)錄活性。低氧環(huán)境下，一方面，α亞基持續(xù)轉(zhuǎn)錄翻譯，另一方面HIF-1α隨時被降解。在正常氧濃度情況下，α亞基羥基化后，HIF-1α降解至極低水平。脯氨酰羥化酶(PHDs)是一類非血紅素鐵依賴性雙加氧酶，具有激發(fā)HIF-1α羥基化的作用[13]。PHDs是調(diào)節(jié)HIF-1α的關(guān)鍵酶。PHDs家族包括PHD1、PHD2、PHD3、PHD4、PHD5和PDH6，目前對于PHD1、PHD2、PHD3研究較多。PHD1主要分布于細胞核內(nèi)，而PHD2和PHD3主要位于細胞漿，其結(jié)構(gòu)亞基C-末端具有高度相似性。PHD2 N-末端具有的鋅指結(jié)構(gòu)，為HIF-1α的穩(wěn)態(tài)水平調(diào)節(jié)的關(guān)鍵感器[11]。PHD1和PHD2可以使HIF-1α的脯氨酸亞基(pro-564或 pro-402)羥基化，羥基化的HIF-1α可與抗腫瘤蛋白泛素連接酶復合物(pVHL-E3)結(jié)合。pVHL是抑癌基因VHL(von Hippel-Lindau)的表達產(chǎn)物，是一種靶向低氧誘導因子α(HIF-1α)的泛素連接酶[14]。pVHL通過與HIF-1α和HIF-2α的相互作用，在調(diào)節(jié)動物氧穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用。pVHL是一種以α亞基為靶位，進行蛋白酶體水解的多組分泛素連接酶的識別組分。pVHL與延長因子C/B結(jié)合并相互作用，形成多組分泛素連接酶復合物(VCB)，并結(jié)合到羥基化的HIF-1α上，導致其泛素化并通過泛素-蛋白酶體途徑降解[14]。在pVHL中存在兩個分別與延伸因子C和HIF-1α結(jié)合的亞結(jié)構(gòu)域(α和β)。染色體中間消除分析顯示pVHL與氧依賴性HIF-1α降解結(jié)構(gòu)域(ODD)相互作用[15]。泛素蛋白通過泛素激活酶(E1s)、泛素結(jié)合酶(E2s)和泛素連接酶(E3s)的協(xié)同機制附著于它們的靶點。泛素蛋白和底物蛋白之間形成異肽鍵，隨后泛素蛋白可進一步連接到附加的泛素蛋白上，導致聚泛素化。例如通過K48連接的泛素蛋白鏈可以使底物蛋白進行蛋白酶靶向降解，其降解調(diào)控包括脯氨酰羥基化酶的抑制，VHL介導的多泛素化和HIF-1α蛋白酶體降解[16]。最近的研究表明，在缺氧環(huán)境中，SUMO化修飾能夠增強HIF-1α的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)錄活性[17]。

2 與HIF-1α相關(guān)的信號通路及其靶基因調(diào)控

2.1 與HIF-1α相關(guān)的信號通路

在缺氧環(huán)境中，PI3K/Akt/HIF-1α信號通路在PI3K激活并在與Akt下游結(jié)合中發(fā)揮重要作用，可使Akt磷酸化的同時增加HIF-1α活性。HIF-1α活性增強，下游靶基因轉(zhuǎn)錄進一步啟動，促進細胞增殖以及降低細胞凋亡數(shù)量[18]。低氧可抑制脯氨酸羥化酶活性，從而使得HIF-1α水平增高。SENP1/HIF-1α信號通路是其重要的調(diào)節(jié)途徑，能促進缺氧條件下HIF-1α的SUMO修飾，提高其穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)錄活性[19]，并激活下游靶基因的表達。低氧能夠刺激ERK磷酸化，ERK是細胞外信號調(diào)節(jié)激酶，屬絲裂原活化蛋白激酶MAPK蛋白家族，起促進細胞增殖及抗凋亡作用。激活MAPK/HIF-1α信號通路，能夠促進ERK磷酸化，從而提高HIF-1α的表達量[20]。最新研究認為，HIF-1α相關(guān)的信號通路可能與pVHL和熱休克蛋白90(Hsp90)、環(huán)氧合酶-2(COX-2)等有關(guān)。pVHL的表達導致HIF-1α和血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)的表達降低，抑制血管生成。Hsp90相關(guān)的信號通路在肝癌、胰腺癌和乳腺癌等腫瘤發(fā)病中起重要作用[21]。在低氧條件下，Hsp90與HIF-1α的bHLH-PAS結(jié)構(gòu)域結(jié)合，激活HIF-1α的表達，調(diào)控下游靶基因進而促進腫瘤細胞生長。在缺氧條件下，HIF-1α可大量表達，與COX-2啟動子上的缺氧反應(yīng)元件結(jié)合，促進COX-2的表達，而該通路在腫瘤細胞增殖、血管生成和抗凋亡等方面發(fā)揮著重要作用[22]。

2.2 HIF-1α信號通路的靶基因調(diào)控

在低氧時，細胞內(nèi)HIF-1α的穩(wěn)定表達，有助于調(diào)節(jié)其下游靶基因的轉(zhuǎn)錄和表達。HIF-1α的靶基因有40多種，其中EPO、VEGF、AM和腎上腺素能受體等基因與血壓調(diào)節(jié)最為密切。在低氧環(huán)境中，HIF-1α激活VEGF、AM基因的表達；HIF-1α還能激活EPO基因的表達，增加紅細胞生成量，提高紅細胞攜氧能力。高海拔地區(qū)人群HIF-1α的水平相對較高，可能會導致某些靶基因異常表達，增加血粘度，降低血管壁的彈性，促使動脈硬化的發(fā)生，導致高血壓發(fā)病風險增加。

3 HIF-1α與高血壓的關(guān)系

3.1 低氧與血壓調(diào)節(jié)的可能機制

目前低氧引起高血壓的機制并未完全闡明，目前主要集中在交感神經(jīng)激活及氧化應(yīng)激方面。

長期低氧可使交感神經(jīng)激活，兒茶酚胺分泌增加，壓力感受器及化學感受器的敏感性增強，而上述過程均受腦干孤束核的控制。研究表明，低氧刺激信號通過外周化學感受器傳達腦干孤束核，整合后傳遞至延髓室旁核以及延髓腹外側(cè)，以增加交感神經(jīng)節(jié)前神經(jīng)的電活動[23]。交感神經(jīng)電活動的增強進一步刺激腎臟，致外周血管緊張素Ⅱ釋放增加。長期慢性低氧還可以刺激下丘腦-垂體-腎上腺軸，導致外周皮質(zhì)醇含量增加，繼而提高交感神經(jīng)的興奮性(具體機制尚不清楚)[23]。因此，長期慢性缺氧時，交感神經(jīng)在中樞及外周神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)控下活性明顯增加，同時伴隨著血管結(jié)構(gòu)的改變，使血壓持續(xù)增高[24]。

長期慢性缺氧增加活性氧ROS的產(chǎn)生并清除一氧化氮，導致血管舒張功能受損，血管舒張受損可導致血壓升高。研究表明，超氧化物歧化酶模擬物(Tempol)可預防低氧誘導的血漿內(nèi)皮素ET-1水平和血壓的升高[25]。缺氧已被證實可在心肌細胞和內(nèi)皮細胞中誘導內(nèi)皮素ET-1轉(zhuǎn)錄[24]。長期服用內(nèi)皮素受體阻斷劑，可預防并治療由慢性低氧導致的血壓增高。此外，活性氧ROS還可通過增加血管緊張素原的合成，促進腎素-血管緊張素系統(tǒng)(RAS)的激活。血管緊張素II因活性氧的增加導致ET-1的表達上調(diào)?？傊?，交感神經(jīng)過度激活以及氧化應(yīng)激機制在長期低氧導致血壓升高過程中起重要作用。

3.2 HIF-1α參與血壓調(diào)節(jié)的可能機制

與HIF信號通路相關(guān)的多個基因和血管的收縮、舒張密切相關(guān)。研究者觀察到楚瓦什紅細胞增多癥(Chuvash polycythemia)患者與對照者相比其血壓水平較低[26]，提示與HIF相關(guān)的基因可能和血壓調(diào)節(jié)有關(guān)。一氧化氮是重要的血管舒張因子。最近的研究發(fā)現(xiàn)，HIF-1α和HIF-2α可以通過調(diào)節(jié)NO的平衡進而影響血壓水平[27]。在巨噬細胞，Th1細胞因子誘導的HIF-1α可增加一氧化氮合成酶2(NOS2)的合成，進而增加NO合成[28]；而Th2細胞因子可間接通過精氨酸酶1降低左旋精氨酸水平，從而減少NO合成[27]。反過來，NO也可影響HIF-1α。在正常氧合下，NO能增加HIF-1α的穩(wěn)定性[29]；在缺氧時，在不同細胞中則可增加[30]或抑制HIF-1α的活性[31]。此外，HIF-1α和HIF-2α之間的平衡是頸動脈體和腎髓質(zhì)對氧感受以及心肺功能穩(wěn)定的前提條件[32]。慢性間歇性缺氧可以打破上述平衡，進而通過促進氧化應(yīng)激而損傷化學感受反射，致高血壓的發(fā)生[33]。

腎臟水鹽代謝在血壓調(diào)節(jié)、高血壓發(fā)病，尤其是鹽敏感性高血壓的發(fā)病中起重要作用。在高鹽攝入下，HIF-1α能夠激活血紅素氧合酶1(HO-1)、環(huán)氧化酶2(COX-2)和一氧化氮合成酶(NOS)等抗高血壓基因的表達，促進尿鈉排泄。然而，在鹽敏感性高血壓動物模型中，HIF-1α對上述基因的調(diào)控作用則消失。Zhu等[34]通過PHD2 shRNA抑制PHD2的表達，發(fā)現(xiàn)HIF-1α表達增加，HO-1和COX-2的表達也增加，壓力利鈉作用增強，在急性鹽水負荷和慢性高鹽誘導下尿鈉排泄均增加，從而使鹽敏感性高血壓得以緩解。Li等[35]利用誘騙寡核苷酸技術(shù)(decoy oligodeoxynucleotides，ODNs)抑制HIF-1α在單側(cè)腎切除大鼠腎髓質(zhì)中的結(jié)合活性，從而下調(diào)NOS、HO-1等HIF-1α靶基因的轉(zhuǎn)錄，誘導壓力性鈉通道復位，降低因腎臟灌注壓增加導致的髓質(zhì)血流增加，進一步導致鈉潴留，誘導鹽敏感性高血壓的發(fā)生；而HIF-1α不被抑制的大鼠則血壓無變化。值得注意的是，在沒有高鹽刺激時，即使抑制HIF-1α下游的基因有轉(zhuǎn)錄也不會導致高血壓[36]。因此，HIF-1介導的信號通路可能通過調(diào)節(jié)腎臟髓質(zhì)功能和水鹽電解質(zhì)平衡參與血壓調(diào)節(jié)[35]，通過干預PHD2和/或HIF-1α的表達治療鹽敏感性高血壓。然而，長期過度激活HIF-1α也并非好事，可導致腎臟慢性缺血/缺氧損傷，通過shRNA降低HIF-1α的表達可緩解腎臟的損傷[37]。此外，內(nèi)皮HIF-1α的表達增加也可加重腎小球的損傷進而促進高血壓腎損害的發(fā)生[38]。另外，目前一些小樣本的臨床研究發(fā)現(xiàn)，PHD抑制劑BAY 85-3934有降壓作用，藥效與依那普利相當，且不伴有腎素原水平的增加[39]。其他一些臨床試驗正在進行之中，這些試驗結(jié)果將對了解PHD抑制劑在血壓調(diào)節(jié)中的作用提供幫助[36]。

3.3 高海拔地區(qū)血壓調(diào)節(jié)的特點及與HIF-1α的關(guān)系

高海拔地區(qū)居民的血壓與環(huán)境因素和遺傳因素有關(guān)。該地區(qū)居民具有長期居住高海拔地區(qū)、相對隔離、高鹽攝入等特點，是研究人類低氧環(huán)境下血壓變化機制的較好對象。高海拔地區(qū)血壓的調(diào)節(jié)機制非常復雜，與停留時間長短和缺氧的嚴重程度等多種因素相關(guān)。在進入高海拔地區(qū)的較短時間內(nèi)，缺氧可通過刺激一氧化氮合成促進紅細胞中三磷酸腺苷釋放，同時通過HIF-1介導其他機制共同促使血管擴張，對抗由化學感受器激活而誘導的交感神經(jīng)系統(tǒng)激活，以暫時維持血壓穩(wěn)定。隨著在高海拔地區(qū)停留時間的延長，交感神經(jīng)系統(tǒng)激活在血壓調(diào)節(jié)中起主要作用。持續(xù)缺氧是交感神經(jīng)系統(tǒng)激活的主要原因。有研究發(fā)現(xiàn)，在高海拔地區(qū)居民心率偏快，血漿去甲腎上腺素水平明顯升高，而腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)活性卻降低[40，41]。交感神經(jīng)系統(tǒng)激活可增加心肌收縮力，加快心率，增加外周血管阻力。此外，長期缺氧還可導致繼發(fā)性紅細胞增多，血粘度增加，致外周血管阻力增加，使血壓尤其是舒張壓升高[41]。也有研究提示高海拔暴露導致ET-1分泌增加、大動脈彈性減弱和脈搏波傳導速度增加等可能也與血壓升高有關(guān)。當在高海拔地區(qū)居住較長一段時間后，肺通氣和肺換氣基本適應(yīng)低氣壓、低氧環(huán)境，紅細胞比容逐漸升高，血氧濃度也逐漸升高，上述提及的升高血壓機制將部分被抑制致血壓水平逐漸下降。然而，大多數(shù)人的血壓仍持續(xù)偏高。

3.4 缺氧對降壓藥物可能存在的影響

高海拔地區(qū)居民舒張期高血壓患者較多，合并紅細胞增多比例較高，他們中的多數(shù)人鹽攝入較多[42]。因此，高海拔地區(qū)和高原地區(qū)的高血壓防治策略應(yīng)不同于平原地區(qū)，特別是合并紅細胞明顯增多的高血壓患者，應(yīng)采取個體化的降壓治療。高海拔地區(qū)鈉鹽攝入較多可能是人類遺傳進化的結(jié)果，因為缺氧引起的繼發(fā)性紅細胞增多可使血液粘稠，易致血栓，保持適量的鈉鹽攝入可通過水鈉潴留在一定程度上降低血粘度，降低血栓形成的風險。然而，缺氧和高鹽攝入可能存在顯著交互作用，通過HIF-1α介導的機制參與高血壓的發(fā)病。因此，避免攝鹽過多對于預防和治療高海拔人群的高血壓可能至關(guān)重要。

目前僅有極少數(shù)研究評估了不同種類降壓藥物在高海拔地區(qū)的降壓療效。部分研究顯示β受體阻斷劑以及鈣通道阻滯劑對高海拔地區(qū)高血壓患者或急進高海拔地區(qū)的高血壓患者具有較好的療效[42]，而血管緊張素受體拮抗劑和血管緊張素酶抑制劑的降壓療效較弱，可能與隨著海拔升高，缺氧加重，RAAS活性被抑制有關(guān)[43， 44]。對于那些攝鹽較多的鹽敏感性高血壓患者，利尿劑通過利鈉有助于血壓控制，但也應(yīng)該考慮到利尿?qū)е卵赫扯仍龈咧卵L險增加。

4 結(jié)論及展望

缺氧導致的HIF-1α信號通路激活可能通過影響交感神經(jīng)系統(tǒng)和RAAS系統(tǒng)活性、合成NO和利鈉等機制參與血壓的調(diào)節(jié)。缺氧和高鹽攝入可能存在交互作用，致鹽敏感性高血壓。不同種類降壓藥物在高海拔地區(qū)療效差異較大，不同于平原地區(qū)。進一步開展高海拔地區(qū)甚至高原地區(qū)不同種類降壓藥物之間的療效比較以及對血栓相關(guān)事件的影響研究，將可能提高這些地區(qū)的高血壓防治水平。在上述基礎(chǔ)上挖掘針對HIF-1α或下游的PHD的新型藥物，通過穩(wěn)定HIF-1α或抑制PHD的表達，進而調(diào)節(jié)血壓，可能為高海拔地區(qū)的高血壓防治提供新的靶點。