低氧誘導(dǎo)因子在腫瘤中的表達(dá)

李鑫，王凱宇，姜洋，安彩艷

（1.內(nèi)蒙古大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010021；2.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院臨床醫(yī)學(xué)研究中心，內(nèi)蒙古呼和浩特 010050）

低氧誘導(dǎo)因子（HIFs）是一種調(diào)控與氧有關(guān)的轉(zhuǎn)錄激活因子，在系統(tǒng)和細(xì)胞水平的穩(wěn)態(tài)變化中起著中心調(diào)控作用，目前已發(fā)現(xiàn)HIF1、HIF2和HIF3。腫瘤細(xì)胞因其快速增殖、能量供應(yīng)不足，導(dǎo)致缺氧微環(huán)境的產(chǎn)生，腫瘤中的缺氧可促進(jìn)血管生成異常、去毛細(xì)胞增生和炎癥。腫瘤細(xì)胞還能促進(jìn)選擇具有更惡性表型的癌癥細(xì)胞，促進(jìn)腫瘤進(jìn)展和轉(zhuǎn)移，從而作為疾病結(jié)局的指標(biāo)。低氧腫瘤細(xì)胞也對(duì)放療和大多數(shù)化療有抵抗作用。腫瘤除了腫瘤細(xì)胞外，還包括間質(zhì)細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)（ECM），它們也受到低氧環(huán)境的影響[1]。越來越多的研究強(qiáng)調(diào)了腫瘤微環(huán)境在調(diào)控腫瘤進(jìn)展和擴(kuò)散方面的重要性[2]，腫瘤細(xì)胞可通過啟動(dòng)一系列低氧適應(yīng)性反應(yīng)來調(diào)節(jié)和適應(yīng)缺氧環(huán)境。許多研究已經(jīng)確定了HIFs在各種癌細(xì)胞中的高表達(dá)，并且發(fā)現(xiàn)它與腫瘤的生物學(xué)行為密切相關(guān)。HIFs在腫瘤起始、代謝適應(yīng)缺氧、凋亡抵抗、腫瘤干細(xì)胞生長(zhǎng)、炎性細(xì)胞招募、血管生成和轉(zhuǎn)移等方面有重要的作用[1,3]，使其更有利于生存，從而促進(jìn)了腫瘤的發(fā)展，導(dǎo)致了缺氧和惡性進(jìn)展的惡性循環(huán)。本文對(duì)低氧誘導(dǎo)因子以及其參與腫瘤的血管生成、代謝、增殖等過程進(jìn)行了闡述。

1 HIFs的發(fā)現(xiàn)

HIF-1α是HIF轉(zhuǎn)錄因子家族的第一個(gè)成員，1992年Semenza和Wang通過其作為促紅細(xì)胞生成素的轉(zhuǎn)錄激活物而發(fā)現(xiàn)[4]，隨后發(fā)現(xiàn)它控制著整個(gè)身體的細(xì)胞內(nèi)缺氧反應(yīng)。HIF-1α普遍存在于人和哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)，在常氧條件下（21%O2）也有表達(dá)，但合成的HIF-1α蛋白很快降解，只有在缺氧條件下才可穩(wěn)定表達(dá)。HIF-1α之后又發(fā)現(xiàn)了HIF-2α，稱為內(nèi)皮pas域蛋白1（EPAS1），它與HIF-1β亞基結(jié)合形成HIF-2異二聚體[5]。雖然HIF-1α和HIF-2α有著高度的序列相似性和類似的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)[6-7]，但與HIF-1α的普遍存在相反，HIF-2α只在特定的細(xì)胞類型和腫瘤類型中表達(dá)，并介導(dǎo)不同的信號(hào)通路，具有相反的功能[8]。HIF-3α是HIF的最新成員，與其他兩個(gè)同系物相比，人們對(duì)HIF-3α知之甚少。然而一些最近的研究表明，HIF-3α有多個(gè)變體[9]。HIF-3存在一個(gè)剪接變異體，被稱為抑制PAS（Inhibitory PAS，IPAS），主要表達(dá)于小腦的浦肯野細(xì)胞和角膜上皮中。這對(duì)維持角膜中的無血管表型至關(guān)重要[10]。IPAS不具有內(nèi)源性轉(zhuǎn)錄活性，但它也可以和HIF-let氨基末端區(qū)域作用，從而阻止其DNA結(jié)合，發(fā)揮HIF-let負(fù)性調(diào)控子的作用。但也有數(shù)據(jù)表明，HIF-3在某些情況下也可以作為轉(zhuǎn)錄激活劑[11]。

2 HIF的結(jié)構(gòu)與作用機(jī)理

HIFs是由α亞基（HIF-1α、HIF-2α、HIF-3α）和β亞基（HIF-1β、HIF-2β、HIF-3β）組成的異二聚體。α亞基是HIF DNA結(jié)合和轉(zhuǎn)錄活性的主要決定因素，受到缺氧信號(hào)的調(diào)節(jié)。三個(gè)α亞基都包含氧依賴性降解區(qū)域（Oxygen-dependent degradation domain，ODD）和N端反式激活結(jié)構(gòu)域（N-transactivation Domain，N-TAD），HIF-1α 和 HIF-2α也包含一個(gè)C端反式激活結(jié)構(gòu)域（C-transactivation Domain，C-TAD）[12]。β亞基也叫芳香烴受體核轉(zhuǎn)運(yùn)子（Aryl hydrocarbon re-eptor nuclear translocator，ARNT），在細(xì)胞核中表達(dá)，活動(dòng)不受缺氧的影響[13-14]。這兩個(gè)亞基同屬于螺旋-環(huán)-螺旋（basic-he-lix-loop-helix-Per/Amt/Sim,bHLH-PAS）蛋白家族[15]。

目前，對(duì)HIF1α與HIF2α的作用機(jī)理研究的比較廣泛，在常氧條件下，HIF-1α亞基進(jìn)行C-TAD的天冬氨酸殘基羥基化，降低了其轉(zhuǎn)錄活性[16]；或者在ODD的多肽序列內(nèi)的保守性脯氨酸殘基被脯氨酰羥化酶結(jié)構(gòu)域（Prolyl hydroxylase domain，PHD）蛋白發(fā)生氧依賴的脯氨酰羥化[17]，并通過腫瘤抑制蛋白（Von Hippel-Lindau，pVHL）介導(dǎo)的泛素-蛋白酶體通路降解[18]。因此，HIF-1α持續(xù)表達(dá)并快速降解，維持在一個(gè)很低的水平之內(nèi)。然而在低氧條件下，脯氨酰羥化和蛋白酶體降解被抑制，導(dǎo)致HIF-1α的穩(wěn)定和積累，HIF-1α亞基被轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核中，與HIF-1β相結(jié)合，HIF復(fù)合物與氧調(diào)節(jié)基因啟動(dòng)子區(qū)域的缺氧反應(yīng)元件（HRE）結(jié)合，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)錄激活，進(jìn)而激活大量下游靶基因。這些靶基因都參與了腫瘤細(xì)胞對(duì)缺氧條件的適應(yīng)，并通過誘導(dǎo)血管生成、局部浸潤(rùn)和轉(zhuǎn)移傳播等方式促進(jìn)腫瘤的發(fā)展[19]。

3 HIFs對(duì)腫瘤細(xì)胞的作用與影響

低氧腫瘤微環(huán)境是許多實(shí)體瘤組織的關(guān)鍵特征[20]。大多數(shù)實(shí)體腫瘤如正常的組織一樣，需要定期供應(yīng)氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)，以及消除細(xì)胞代謝廢物的過程。但隨著腫瘤的不斷擴(kuò)大，宿主血管供應(yīng)不足，于是腫瘤發(fā)展自己的功能性血管供應(yīng)。但新形成的腫瘤血管不僅紊亂，而且還伴隨許多結(jié)構(gòu)和功能異常[21]，因此，它仍然無法滿足腫瘤生長(zhǎng)的所有需求（尺寸為2～3mm），于是在腫瘤內(nèi)部形成了一種以缺氧為主的惡性微環(huán)境，雖然缺氧對(duì)腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)有一定的影響，但一系列抗低氧蛋白的誘導(dǎo)能夠保護(hù)細(xì)胞免受侵害，HIFs是協(xié)調(diào)這種保護(hù)作用最主要的轉(zhuǎn)錄因子[22]。HIFs通過減少氧氣消耗和增加氧氣供應(yīng)來調(diào)控許多幫助細(xì)胞適應(yīng)缺氧條件的基因的表達(dá)。一般來說，這包括刺激血管生成基因以增加流向缺氧區(qū)域的血管流量[23]，將能量代謝轉(zhuǎn)化為需要較少氧的糖酵解途徑和擾亂細(xì)胞周期使其細(xì)胞增殖不受控制等。HIFs可以上調(diào)各種下游靶基因表達(dá)以及蛋白質(zhì)的生物合成，如紅細(xì)胞生成、糖酵解、EMT、轉(zhuǎn)移、血管生成和治療抵抗[24-28]，這不僅提高了腫瘤的生存潛力，而且還能增加它們的侵襲性和轉(zhuǎn)移性[29]，其介導(dǎo)的信號(hào)通路如圖1所示。

圖1 缺氧條件HIF調(diào)控基因的信號(hào)通路

3.1 HIFs對(duì)腫瘤血管生成與轉(zhuǎn)移的影響

氧是正常組織中必不可少的營養(yǎng)物質(zhì)，也是促進(jìn)腫瘤擴(kuò)散轉(zhuǎn)移的重要因素。在缺氧微環(huán)境中，由于缺氧誘導(dǎo)因子高表達(dá)，導(dǎo)致血管生長(zhǎng)因子（Vascular growth factor，VGF）上調(diào)，進(jìn)而引起血管生成的一系列過程[30-31]。血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（Vascular endothelial growth factor，VEGF）是最重要的血管生成因子,許多研究表明，VEGF在促進(jìn)骨、肺、腎、腦、血管內(nèi)皮細(xì)胞、腫瘤和其他組織的增殖、遷移和趨化反應(yīng)方面起著重要作用[32-36]。VEGF在正常組織中表達(dá)非常低或缺失，但在許多惡性腫瘤如卵巢癌、乳腺癌、胃癌、膀胱癌中表達(dá)較多[37]。VEGF的表達(dá)水平與晚期腫瘤分級(jí)、惡性腫瘤及腫瘤組織血管發(fā)生呈正相關(guān)[38]。腫瘤細(xì)胞表達(dá)高水平的VEGF和VEGF受體2（VEGFR2）誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細(xì)胞的生長(zhǎng)，內(nèi)皮細(xì)胞的增殖和新血管的形成[39]。除了VEGF外，其他血管生成相關(guān)的基因產(chǎn)物和受體也受HIF-1的調(diào)控。胰島素樣生長(zhǎng)因子1（Insulin-like growth factor，IGF1）能夠通過激活HIF-1α/VEGF信號(hào)通路促進(jìn)腫瘤血管生成，最近研究表明，IGF1/IGF1R激活ERK1/2和AKT信號(hào)進(jìn)而激活HIF-1α/GPER/VEGF轉(zhuǎn)導(dǎo)通路誘導(dǎo)乳腺腫瘤血管生成[40]。G蛋白雌激素受體（G protein estrogen receptor，GPER）是新發(fā)現(xiàn)的HIF-1α靶基因，在缺氧乳腺腫瘤微環(huán)境參與調(diào)節(jié)VEGF[41-42]。還有研究表明，HIF-1α能通過NF-κB通路促進(jìn)肝癌細(xì)胞的遷移和入侵[43]，并且HIF-1α還可以上調(diào)上皮間充質(zhì)過渡相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子（EMT-TFs）,并對(duì)抗 p53[44-45]。因此，HIF-1不僅通過VEGF誘導(dǎo)介導(dǎo)血管生成，加速細(xì)胞的擴(kuò)散與侵襲，以及癌細(xì)胞向轉(zhuǎn)移表型的轉(zhuǎn)移[3]，而且通過更復(fù)雜的機(jī)制影響腫瘤的發(fā)展。

3.2 HIFs對(duì)腫瘤代謝過程的影響

為了促進(jìn)合成代謝過程，腫瘤細(xì)胞消耗的葡萄糖比正常細(xì)胞要多得多，并且主要通過糖酵解代謝，甚至在富氧條件下，代謝表型通常為有氧糖酵解或Warburg效應(yīng)[46]。在正常分化的哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，葡萄糖通過糖酵解、線粒體三羧酸（TCA、Krebs）循環(huán)和氧化磷酸化（OXPHOS）的方式分解為CO2。然而在腫瘤細(xì)胞中，因?yàn)榫€粒體氧化大大減少，葡萄糖主要是由糖酵解作用被消化吸收，只有大約5%的葡萄糖通量進(jìn)入線粒體，通過TCA循環(huán)和OXPHOS氧化。HIF-1介導(dǎo)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（GLUT1、GLUT3）和糖酵解酶（ALDOA、ENO1、GAPDH、HK1、HK2、PFKL、PGK1、PKM2和 LDHA）的基因表達(dá)，提高糖酵解速率，并且產(chǎn)生大量的乳酸,酸化癌細(xì)胞的微環(huán)境，更加促進(jìn)了癌細(xì)胞的增殖、侵襲和遷移等能力[47-48]。HIF-1還通過增加丙酮酸脫氫酶激酶1（PDK1）的表達(dá)，抑制線粒體氧化代謝[49]。在某些細(xì)胞類型中，HIF-1還可以介導(dǎo)戊糖磷酸途徑（PPP）的轉(zhuǎn)肽酶（TKT、TKTL2）的表達(dá)[50]。通過信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，中間代謝與癌癥生物學(xué)之間的聯(lián)系變得越來越明顯[51-53]。HIFs積極調(diào)控一系列糖酵解等細(xì)胞代謝有關(guān)的基因，有利于腫瘤細(xì)胞適應(yīng)低氧應(yīng)激。

3.3 HIFs對(duì)腫瘤細(xì)胞增殖的影響

有研究表明，多種癌細(xì)胞系在缺氧情況下，細(xì)胞周期阻滯，細(xì)胞增殖受到抑制[54-55]。然而，某些癌細(xì)胞在缺氧的情況下仍然可以維持細(xì)胞增殖[56]。HIF-1增強(qiáng)了細(xì)胞分裂周期蛋白6（Cell division cycle protein 6，Cdc6）和微小染色體維持蛋白（Minichromosome maintenance protein，MCM） 之間的物理相互作用,但減少了對(duì)激活細(xì)胞分裂周期蛋白7（Cell division cycle protein 7，Cdc7）和下游蛋白的招募，最終導(dǎo)致了DNA復(fù)制的減少，細(xì)胞周期阻滯。這些結(jié)果表明，HIF-1α通過對(duì)DNA復(fù)制機(jī)制的直接（負(fù)）效應(yīng)，抑制細(xì)胞周期的進(jìn)展。但MCM除了具有解旋酶的作用，多個(gè)MCM蛋白還可以與HIF-1α結(jié)合并抑制HIF-1α活性[57]。MCM7直接與HIF-1α和VHL泛素連接酶復(fù)合物的組成部分結(jié)合，從而提高HIF-1的氧依賴降解。從而提供了一種機(jī)制,通過這種增殖信號(hào)，HIF-1α和MCM蛋白質(zhì)之間相互敵對(duì)的平衡，可以覆蓋缺氧對(duì)細(xì)胞周期的影響[58]。還有一種解釋是Myc（原癌基因）和HIF-1α之間存在一定的平衡，在決定細(xì)胞周期對(duì)缺氧的敏感性方面起作用。在高水平的Myc和HIF-1α的癌細(xì)胞中，這兩個(gè)因素共同促進(jìn)了編碼糖酵解酶的靶基因的轉(zhuǎn)錄激活[59]。因此，通過中和HIF-1α對(duì)細(xì)胞周期的影響，同時(shí)促進(jìn)HIF-1α介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄，從而促進(jìn)腫瘤的生長(zhǎng)。

4 討論

缺氧是實(shí)體腫瘤的共同特征，與癌癥進(jìn)展有關(guān)。低氧反應(yīng)的主要調(diào)控因子是HIFs，它通過基因激活引導(dǎo)細(xì)胞適應(yīng)缺氧。癌癥的進(jìn)展不僅受癌細(xì)胞本身的調(diào)控，也受由細(xì)胞和細(xì)胞外成分組成的整個(gè)腫瘤微環(huán)境的調(diào)控[60]。低氧誘導(dǎo)因子（HIFs）介導(dǎo)自適應(yīng)對(duì)缺氧的生理反應(yīng)。在人類癌癥中，可以使用O2電極測(cè)量，瘤內(nèi)缺氧是常見的，并與增加的死亡風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)。腫瘤細(xì)胞的特征是細(xì)胞增殖異常，而在實(shí)體瘤內(nèi)形成的血管通常結(jié)構(gòu)和功能異常，導(dǎo)致嚴(yán)重的缺氧[61]。在體內(nèi)所遇到的各種環(huán)境壓力往往會(huì)影響特定的遺傳調(diào)控因子以促進(jìn)細(xì)胞的存活。在缺氧條件下，當(dāng)O2的可用性降低時(shí)，癌癥細(xì)胞會(huì)激活HIFs誘導(dǎo)下有信號(hào)通路調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝，但這種失調(diào)的機(jī)制和后果，從一個(gè)癌癥到另一個(gè)，甚至從癌細(xì)胞到另一個(gè)癌癥細(xì)胞都有很大的不同。在一些癌細(xì)胞中，O2仍然控制著細(xì)胞增殖的速率，而其他的細(xì)胞即使在嚴(yán)重的缺氧條件下仍會(huì)繼續(xù)分裂，單個(gè)癌細(xì)胞的代謝反映了特定基因改變的存在，這可能會(huì)改變O2獨(dú)立的人體內(nèi)的代謝，以及在腫瘤微環(huán)境中O2的空間和時(shí)間的異質(zhì)性。提高HIF-1α水平也能增加癌癥死亡率的風(fēng)險(xiǎn)，包括膀胱、大腦、乳腺癌、結(jié)腸癌、食道癌、頭部和頸部/口咽、肝、肺、胰腺、皮膚、胃癌、子宮以及在急性淋巴細(xì)胞和骨髓性白血病[62]。臨床數(shù)據(jù)表明在某些癌癥中，如腎透明細(xì)胞癌，HIF-2α超表達(dá)而HIF-1α經(jīng)常基因缺失不表達(dá)[63]。在結(jié)腸癌中，HIF-1α超表達(dá)而HIF-2α不表達(dá)[64]。很明顯，HIF轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控是一種復(fù)雜的方式，并受到除氧以外的許多因素的控制。

腫瘤干細(xì)胞在腫瘤的發(fā)生和發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用[65]。目前，癌癥研究的一個(gè)主要焦點(diǎn)是在腫瘤發(fā)生和治療過程中，腫瘤干細(xì)胞的作用。這些細(xì)胞占活腫瘤細(xì)胞總數(shù)的1%～25%[66]，它具有自我更新和分化的雙重特性，但它們被認(rèn)為是必須完全消除以獲得腫瘤控制的細(xì)胞，缺氧和癌癥干細(xì)胞之間可能存在聯(lián)系[67]。缺氧可通過缺氧誘導(dǎo)因子的上調(diào)，使腫瘤干細(xì)胞產(chǎn)生和維持。有研究表示，缺氧時(shí)激活HIF-1誘導(dǎo)癌癥干細(xì)胞樣細(xì)胞，或介導(dǎo)乳腺癌細(xì)胞與間充質(zhì)干細(xì)胞之間的旁分泌信號(hào)傳導(dǎo)，促進(jìn)轉(zhuǎn)移[68-69]。