缺氧誘導(dǎo)因子-1α與心血管疾病的研究進(jìn)展

陳 斌 陶 敏 康品方 王洪巨

(蚌埠醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院心內(nèi)科，安徽 蚌埠 233000)

心肌細(xì)胞需要充足的血氧供應(yīng)才能維持心臟持續(xù)有效地舒縮做功。缺氧誘導(dǎo)因子(HIF)-1是一種普遍存在于哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)維持機(jī)體氧穩(wěn)態(tài)的主要調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子，通過調(diào)節(jié)血氧利用、葡萄糖代謝、血管生成、組織重塑等過程，在缺血性心臟病、心力衰竭等心臟病理生理中起關(guān)鍵作用。HIF-1由α和β兩個(gè)亞基組成，HIF-1α亞基受機(jī)體氧分壓影響，常氧條件下HIF-1α快速降解，缺氧條件下HIF-1α分解減少而大量表達(dá)，通過調(diào)節(jié)下游多種效應(yīng)分子轉(zhuǎn)錄和表達(dá)發(fā)揮各種生物學(xué)功能。本文綜述HIF-1α與心血管疾病的研究進(jìn)展。

1 HIF-1α

1.1HIF-1α的結(jié)構(gòu) HIF-1基因是由120 kD的α亞基和91～94 kD的β亞基兩個(gè)亞單位組成的一種異源二聚體〔1〕。HIF-1的β亞基定位于人1號染色體q21區(qū)，在細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)定表達(dá)而起結(jié)構(gòu)性作用。HIF-1α亞基位于人14號染色體，是HIF-1的活性亞基。HIF-1α蛋白有感受缺氧信號的C端反式激活結(jié)構(gòu)域和N端反式激活結(jié)構(gòu)域，這些結(jié)構(gòu)域是調(diào)節(jié)缺氧誘導(dǎo)蛋白穩(wěn)定、核定位、轉(zhuǎn)錄和激活的重要功能調(diào)節(jié)域，兩者中間還有一個(gè)富含脯氨酸-絲氨酸-蘇氨酸的氧依賴性降解結(jié)構(gòu)域。

1.2HIF-1α的表達(dá)和分解 人類HIF基因編碼HIF-1α多肽分子，HIF-1α表達(dá)水平取決于富含的GC啟動(dòng)子活化程度。在大多數(shù)細(xì)胞中，HIF-1α蛋白在常氧條件下僅有5～10 min半衰期，其脯氨酸殘基被脯氨酸羥化酶羥基化，隨后被von Hippel-Lindau因子識別并通過氧依賴性-泛素蛋白酶途徑降解，在細(xì)胞內(nèi)維持較低水平。但在缺氧條件下，脯氨酸羥化酶活性受到抑制，上述降解途徑被抑制，同時(shí)還通過抑制氧依賴性調(diào)節(jié)蛋白抑制因子HIF-1表達(dá)使HIF-1α轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)。HIF-1α和HIF-1β結(jié)合形成異源二聚體轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核，與靶基因啟動(dòng)子序列中的缺氧應(yīng)答元件結(jié)合調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡、血管生成、能量代謝等過程。

2 HIF-1α與細(xì)胞凋亡、自噬

細(xì)胞凋亡是心肌缺血/再灌注損傷發(fā)生機(jī)制中的重要環(huán)節(jié)之一，是一種基因控制的編程性死亡，組織缺氧時(shí)HIF-1α通過控制基因表達(dá)調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡〔2〕。細(xì)胞處于輕度缺氧狀態(tài)(1%～3%O2濃度)時(shí)HIF-1α發(fā)揮抑制凋亡作用保證心肌存活，但當(dāng)細(xì)胞處于長期重度缺氧(0%～0.5% O2濃度)時(shí)HIF-1α大量表達(dá)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡〔3〕而減少對周圍心肌細(xì)胞的損害。

細(xì)胞輕度缺氧時(shí)，HIF-1α上調(diào)糖皮質(zhì)激素調(diào)節(jié)蛋白激酶(SGK)1表達(dá)使處于缺氧微環(huán)境中的心肌梗死細(xì)胞免于凋亡，還可以協(xié)同磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)上調(diào)表達(dá)預(yù)防體內(nèi)外缺血再灌注誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡〔4〕。HIF-1α能通過增強(qiáng)丙酮酸脫氫酶激酶-1表達(dá)抑制三羧酸循環(huán)，調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝減少心肌氧耗，減少細(xì)胞凋亡；也可以通過抑制心肌細(xì)胞鈣內(nèi)流減少細(xì)胞凋亡。此外HIF-1α還可抑制含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(Caspase)蛋白表達(dá)而終止其級聯(lián)放大過程減少細(xì)胞凋亡發(fā)生〔5〕。細(xì)胞重度缺氧時(shí)，HIF-1α通過上調(diào)BNIP3、Bcl-2家族等促進(jìn)細(xì)胞凋亡，誘導(dǎo)促凋亡分子HGTD-P表達(dá)使線粒體PT孔增加，釋放細(xì)胞色素C和Capase-9誘發(fā)凋亡。也可以通過下調(diào)心肌細(xì)胞中p-Akt的表達(dá)誘發(fā)心肌細(xì)胞凋亡〔6〕。HIF-1α、Caspase-3、Bax表達(dá)上調(diào)協(xié)同作用促使內(nèi)皮細(xì)胞凋亡〔7〕。在高糖、缺氧情況下，HIF-1α和FoxO3a介導(dǎo)BNIP3表達(dá)誘導(dǎo)心肌細(xì)胞凋亡〔8〕。

自噬是一種高度保守的過程，通過該過程將細(xì)胞受損內(nèi)容物遞送至溶酶體進(jìn)行降解，并給細(xì)胞提供急需的能量。缺氧通過HIF-1α依賴性機(jī)制誘導(dǎo)心肌細(xì)胞自噬而導(dǎo)致心肌受損甚至壞死〔9〕，細(xì)胞缺氧時(shí)HIF-1α/BNIP3/Beclin-1通路激活，HIF-1α通過上調(diào)BNIP3、Beclin-1表達(dá)，使LC3-Ⅰ轉(zhuǎn)化為LC3-Ⅱ，誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生自噬〔10〕，促使心肌細(xì)胞死亡〔11〕。HIF-1還可以通過激活Bcl-2/BNIP3和BNIP3同源基因BNIP3L的表達(dá)誘導(dǎo)自噬發(fā)生〔12〕。而細(xì)胞缺氧時(shí)HIF-1/Akt/哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)/p70核糖體蛋白S6激酶(P70S6K)通路與自噬增強(qiáng)密切相關(guān)〔13〕。低氧環(huán)境下HIF-1α通過調(diào)控微管相關(guān)蛋白1輕鏈3-Ⅱ的表達(dá)激活細(xì)胞自噬〔14〕。Zhang等〔15〕研究證明抑制HIF-1α能抑制細(xì)胞自噬。但也有研究發(fā)現(xiàn) HIF-1α能通過抑制自噬來保護(hù)心臟間充質(zhì)細(xì)胞免受葡萄糖-氧剝奪引起的損傷〔16〕。因此HIF-1α對自噬是促進(jìn)還是抑制及其對細(xì)胞的作用尚需進(jìn)一步研究。

3 HIF-1α與糖脂代謝

全球39%的成年人超重，四分之一患有代謝綜合征，除受生活方式因素影響，包括HIF-1α在內(nèi)的基因表達(dá)也是導(dǎo)致代謝綜合征甚至冠心病發(fā)生的主要原因。HIF-1α是一種有效的代謝調(diào)控因子，其靶基因參與葡萄糖、脂質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)，可以降低血清膽固醇、改善脂蛋白組成、減少異位脂質(zhì)沉積、增加機(jī)體葡萄糖耐量和胰島素敏感性〔17〕。HIF-1α通過調(diào)節(jié)人源葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(Glut)-1和Glut-4 mRNA的表達(dá)增加組織對胰島素的敏感性，加速組織葡萄糖攝取和糖酵解過程，并通過抑制胰島素受體底物(Irs)2和脂肪細(xì)胞決定和分化因子(Srebp)1c mRNA轉(zhuǎn)錄減少肝臟脂質(zhì)合成。缺氧條件下HIF-1α還能使糖酵解途徑代替需氧的氧化過程，使缺氧組織獲得更多能量。HIF-1α增強(qiáng)胰島素敏感性機(jī)制還可能與3-羥基-3-甲基戊二酸單酰輔酶A還原酶(HMG-CoA)還原酶活性升高降低膽固醇生物合成有關(guān)〔18〕。

4 HIF-1α與缺血性心臟病

缺血性心臟病是全世界人口死亡的主要原因，狹窄的冠狀動(dòng)脈使心肌血液灌注不足而無法獲取充足的血氧及營養(yǎng)物質(zhì)。在缺氧情況下HIF-1α通過促進(jìn)糖酵解、減少線粒體氧化應(yīng)激、激活己糖激酶Ⅱ及抑制線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔開放等途徑使心臟免于急性心肌缺血再灌注損傷〔19〕。而慢性持續(xù)缺血缺氧時(shí)HIF-1α促進(jìn)冠狀動(dòng)脈側(cè)支循環(huán)的建立、缺血預(yù)適應(yīng)等方面具有重要意義〔20〕。

4.1HIF-1α與內(nèi)皮生長因子(VEGF) HIF-1α是氧平衡的主要調(diào)節(jié)劑，通過上調(diào)VEGF表達(dá)，促進(jìn)新生血管生成以建立重要的側(cè)支循環(huán)，在缺氧心肌中起組織重塑作用〔21〕。

細(xì)胞缺氧時(shí)HIF-1α穩(wěn)定表達(dá)，與細(xì)胞核內(nèi)的VEGF基因缺氧應(yīng)答元件結(jié)合，促進(jìn)側(cè)枝血管生成以改善心肌血供。干預(yù)實(shí)驗(yàn)已證明抑制HIF-1α的降解能促使VEGF表達(dá)上調(diào)，還能明顯提高紅細(xì)胞攜氧能力，減輕缺血組織損傷〔22〕。VEGF可能通過以下機(jī)制促進(jìn)血管生成：①促進(jìn)骨髓源性的內(nèi)皮前細(xì)胞聚集和活化；②產(chǎn)生血管基底膜分解所需要的蛋白酶及特定的整合素，促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞增殖和遷移；③提高微小血管的通透性，促使血漿大分子外滲沉積，形成營養(yǎng)新生內(nèi)皮細(xì)胞的微環(huán)境；④促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞的細(xì)胞分裂，促使內(nèi)皮細(xì)胞增殖及遠(yuǎn)處遷移效應(yīng)；⑤HIF-1α高表達(dá)還能通過抑制血小板反應(yīng)蛋白-2(血管生成抑制物)促進(jìn)血管生成〔23〕。

4.2HIF-1α與核苷酸代謝 HIF-1α通過調(diào)節(jié)核苷酸代謝增加心臟對缺氧的耐受〔24〕，在細(xì)胞缺血期間HIF-1α促使次黃嘌呤積累，為心肌供能物質(zhì)三磷酸腺苷(ATP)的合成提供原料，并且通過降低黃嘌呤氧化酶活性以減少活性氧(ROS)產(chǎn)生，減少心肌損害。缺氧預(yù)處理時(shí)HIF-1α依賴性CD39和CD73表達(dá)增多，使心肌細(xì)胞腺苷水平升高，改善心肌能量代謝同時(shí)還參與擴(kuò)張冠脈血管增加血流量，并激活A(yù)kt信號通道保護(hù)心臟〔25〕。HIF-1α調(diào)節(jié)編碼葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和糖酵解酶的基因轉(zhuǎn)錄，增加糖酵解過程使細(xì)胞在缺氧條件下維持較高ATP水平供能心肌。此外心肌代謝產(chǎn)生的肌酐增加缺氧心肌細(xì)胞中的ATP含量并通過HIF-1增強(qiáng)心肌對缺氧的適應(yīng)性反應(yīng)〔26〕。HIF-1α還能增加葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-1、磷酸甘油酸激酶-1等葡萄糖代謝基因表達(dá)，并升高磷酸/肌酸比增強(qiáng)糖酵解，改善細(xì)胞能量狀態(tài)〔27〕。

四肢暫缺血再灌注可以預(yù)防長時(shí)間冠狀動(dòng)脈閉塞和再灌注后的心臟損傷，而HIF-1α是這種遠(yuǎn)端缺血預(yù)處理所必需的，這與HIF-1α能促使誘導(dǎo)型NO合成酶高表達(dá)有關(guān)，增加的NO舒張冠脈血管改善心肌缺血〔28〕。但也有研究表明慢性缺氧患者血清HIF-1α可能是預(yù)測心臟損傷的生物標(biāo)志物〔29〕，急性心肌梗死組患者HIF-1α峰值水平與術(shù)后24小時(shí)心肌肌鈣蛋白(cTn)I峰值水平、心肌梗死面積呈正相關(guān)〔30〕，甚至有研究表明心肌缺血再灌注損傷是由升高的HIF-1α引起的〔31〕。

5 HIF-1α與心力衰竭

在心力衰竭中，HIF-1α對負(fù)荷過重引起的肥大心臟有保護(hù)作用，然而HIF-1α也在終末性心力衰竭中起致病作用，反映了HIF-1α在心力衰竭病理生理過程中起著復(fù)雜的作用〔25〕。

對急性失代償性心力衰竭患者的研究表明，HIF-1α水平與N端前腦鈉肽(NT-proBNP)水平呈正相關(guān)，與左心室射血分?jǐn)?shù)和收縮壓負(fù)相關(guān)，高HIF-1α顯著增加急性失代償性心力衰竭患者住院死亡率〔32〕。HIF-1α抑制肌質(zhì)網(wǎng)Ca-ATP酶2 mRNA的表達(dá)與心力衰竭的病理生理過程密切相關(guān)〔33〕。在慢性心力衰竭大鼠下丘腦室旁核內(nèi)HIF-1α表達(dá)增加，其通過上調(diào)室旁核的谷氨酸能N-甲基-D-天冬氨酸受體，使交感神經(jīng)興奮性增強(qiáng)，提示HIF-1α可能從神經(jīng)調(diào)節(jié)方面促進(jìn)慢性心力衰竭的持續(xù)進(jìn)展。

6 展 望

為維持心肌持續(xù)高效運(yùn)作，心肌需要通過各種途徑保證血氧供耗均衡。一旦調(diào)節(jié)失衡則導(dǎo)致包括心肌肥大、心力衰竭等在內(nèi)的嚴(yán)重心臟功能障礙。HIF-1α在組織氧合不足時(shí)即被活化，與機(jī)體的氧供調(diào)節(jié)密切相關(guān)〔34〕。已知HIF-1能干預(yù)超過200個(gè)基因的表達(dá)，調(diào)控心肌細(xì)胞的自噬和凋亡過程，其主要作用于血管內(nèi)皮細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞和巨噬細(xì)胞，通過介導(dǎo)VEGF、NO、ROS和血小板衍生因子(PDGF)等表達(dá)，在內(nèi)皮細(xì)胞功能恢復(fù)、血管生成、能量代謝中發(fā)揮重要作用，影響缺血性心臟病和心力衰竭等心臟疾病的發(fā)生發(fā)展。通過HIF-1α調(diào)節(jié)編碼血管生長和抗凋亡蛋白的基因，促進(jìn)血管生成增加心肌供血以保護(hù)心肌細(xì)胞，使缺血缺氧心肌功能得以保留，其相關(guān)研究特別是基因治療有廣闊前景。

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