HIF-1相關(guān)信號通路及其在自身免疫性疾病中作用①

滑雅娜 魯芙愛 王永福

(包頭醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院風(fēng)濕免疫科，包頭醫(yī)學(xué)院風(fēng)濕免疫研究所,包頭 014010)

1 HIF-1的結(jié)構(gòu)、表達調(diào)控及生物學(xué)特性

1.1HIF-1的結(jié)構(gòu) HIF-1(Hypoxia inducible factor-1，HIF-1)即缺氧誘導(dǎo)因子-1，是由Semenza等[1]在1992年研究促紅細胞生成素基因表達的影響因素時，在缺氧誘導(dǎo)的細胞核提取物中發(fā)現(xiàn)的一類與缺氧應(yīng)激相關(guān)的轉(zhuǎn)錄活性因子。HIF-1是由對氧敏感的HIF-1α亞基和組成型表達的HIF-1β亞基共同構(gòu)成，兩個亞基的相對分子量分別為120 kD和91～94 kD，且這兩個亞基都含有基本的螺旋-環(huán)-螺旋(basic Helix-Loop-Helix，b HLH)和PAS (Per-Arnt-Sim)結(jié)構(gòu)域，此結(jié)構(gòu)域是兩亞基和DNA結(jié)合所必需的結(jié)構(gòu)，屬bHLH-PAS超家族[2]。其中，HIF-1α存在于細胞質(zhì)中，其蛋白表達受缺氧信號的調(diào)控，是應(yīng)答缺氧應(yīng)激的關(guān)鍵因子。也有研究發(fā)現(xiàn)在缺氧條件下，Northern blot檢測顯示，HIF-1α mRNA廣泛分布于機體組織中[3]。HIF-1β也稱為芳烴轉(zhuǎn)運蛋白，能穩(wěn)定存在于胞漿或核質(zhì)中，起結(jié)構(gòu)性作用，其表達不受氧濃度影響而能穩(wěn)定表達，并可與多種不同的bHLH-PAS蛋白異源二聚化[4]。

1.2HIF-1的表達調(diào)控 HIF-1的轉(zhuǎn)錄活性的強弱主要取決于HIF-1α的水平，而HIF-1α的蛋白穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)錄活性的程度則主要受細胞內(nèi)氧濃度高低的影響。當機體處于正常氧分壓狀態(tài)時，HIF-1α可被氧依賴的脯氨酸羥化酶(Proline hydroxylase,PHDs)羥基化，由于半衰期很短，不足5 min，故極易被泛素-蛋白水解酶途徑降解，故而HIF-1α表達水平極低[5]。相反，當機體缺氧時，PDHs活性受到抑制，使得HIF-1α能大量聚集于胞質(zhì)內(nèi)而不被降解消耗。同時，低氧也可使HIF-1α的mRNA及蛋白表達上調(diào)，并增強HIF-1α的DNA結(jié)合活性。此時大量聚集的HIF-1α進入細胞核并與HIF-1β相結(jié)合，形成活化且可抗蛋白酶水解的穩(wěn)定型異源二聚體HIF-1[6]?；罨腍IF-1再進一步結(jié)合并激活特定的缺氧易感基因的缺氧反應(yīng)元件(Hypoxia response element,HRE)并啟動其轉(zhuǎn)錄，繼而調(diào)控下游靶基因的表達，介導(dǎo)細胞缺氧適應(yīng)性反應(yīng)[7]。因此，靶向抑制蛋白水解酶復(fù)合體或減弱泛素依賴酶活性均可阻斷該過程。

1.3HIF-1的生物學(xué)特性 當機體發(fā)生缺氧相關(guān)的反應(yīng)時，體內(nèi)會形成以HIF-1為核心，聯(lián)合其上下游基因及產(chǎn)物組成復(fù)雜的缺氧調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。通過直接或間接參與某些信號通路，調(diào)控相應(yīng)靶基因的表達及調(diào)節(jié)細胞凋亡、細胞周期等途徑，使缺氧的細胞及組織能保持氧穩(wěn)定及耐受低氧狀態(tài)。據(jù)報道，HIF-1所調(diào)控的靶基因近百種，涉及眾多方面，如缺氧代償性反應(yīng)、免疫反應(yīng)、新生血管的生成調(diào)節(jié)、細胞外基質(zhì)纖維化、轉(zhuǎn)錄調(diào)控、物質(zhì)運輸、能量代謝等，以增加組織的缺氧耐受力，使機體更好地適應(yīng)低氧環(huán)境[8]，因此HIF-1有著潛在的臨床應(yīng)用價值。

2 HIF-1相關(guān)的重要缺氧應(yīng)激信號通路

眾所周知，缺氧對機體和細胞來說是種極其敏感的刺激。細胞通過氧感受器和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路特異地調(diào)節(jié)某些基因或蛋白的表達，從而形成了復(fù)雜的氧化應(yīng)激反應(yīng)體系，以維持自身內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定狀態(tài)[9]。HIF-1是至今發(fā)現(xiàn)的唯一一個缺氧狀態(tài)下能特異性發(fā)揮活性的轉(zhuǎn)錄因子，在機體進行低氧調(diào)節(jié)時起著不可忽視的作用。近些年來，HIF-1介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控低氧方面的研究日益受到關(guān)注。HIF-1廣泛參與多條細胞信號通路，是介導(dǎo)缺氧信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)中樞[10]。其主要機理為低氧可增加HIF-1α的穩(wěn)定性，并可促進HIF-1與HRE的結(jié)合，從而誘導(dǎo)低氧敏感型靶基因激活，進一步促使細胞對缺氧做出反應(yīng)。此外，HIF-1通路和其他信號通路間也存在交叉調(diào)節(jié)，這樣就形成了HIF-1介導(dǎo)的細胞低氧應(yīng)答通路的特異性和多樣性[11]。

2.1PI-3K/Akt/HIF-1通路 磷脂酰激醇3-激酶(Phosphatidylinositol-3 kinase，PI-3K)信號通路主要與細胞增殖及凋亡有關(guān)。Chen等[12]研究發(fā)現(xiàn)缺氧狀態(tài)下，PI-3K可被激活并與下游的Akt結(jié)合，使Akt發(fā)生磷酸化。磷酸化的Akt可增強HIF-1α的活性，從而啟動HIF-1相關(guān)的靶基因轉(zhuǎn)錄，最終使細胞增殖能力增強而細胞凋亡受到抑制。由于糖酵解過程中的某些轉(zhuǎn)運體及相關(guān)的酶可能是該通路下游的作用位點，所以該途徑的發(fā)生與細胞的糖酵解過程存在一定的關(guān)系[13]。另外，有研究發(fā)現(xiàn)，在生理狀態(tài)下，亞砷酸鹽可通過激活PI-3K/Akt，使HIF-1α蛋白表達上調(diào)，進一步增加HIF-1的轉(zhuǎn)錄活性[14]。這些發(fā)現(xiàn)表明HIF-1與PI-3K/Akt信號通路間存在密切關(guān)系，而這在感染、免疫等疾病的治療中有潛在的研究價值。

2.2MAPK/HIF-1信號通路 絲裂原活化蛋白激酶(Mitogen-activated protein kinase，MAPK)具有促進細胞增殖、抗凋亡的作用，細胞外信號調(diào)節(jié)激酶(Extracellular regulated kinase，ERK)屬于MAPK蛋白家族[15]。Huang等[16]研究發(fā)現(xiàn)缺氧刺激下，細胞內(nèi)的ERK可發(fā)生磷酸化(p-ERK)，此時檢測到細胞內(nèi)HIF-1的表達水平也顯著升高。體外及體內(nèi)實驗中均有研究證實，活化的MEK1/ERK可使HIF-1α磷酸化，進而影響HIF-1轉(zhuǎn)錄活性[17]。另外，還有研究認為PI-3K/Akt和MAPK信號通路可以協(xié)同調(diào)節(jié)HIF-1的表達[18]。因而可推斷MAPK信號通路可通過調(diào)控HIF-1的表達而在某些疾病中發(fā)揮作用，但其具體機制仍需進一步研究。

2.3HIF-1相關(guān)的其他信號通路 除了上述信號通路外，研究發(fā)現(xiàn)HIF-1介導(dǎo)的缺氧適應(yīng)性信號通路與NF-κB相關(guān)的炎癥信號通路間也存在一定的相關(guān)性。有文獻證實炎癥刺激因子等可通過調(diào)節(jié)NF-κB依賴的炎癥信號通路來增強HIF-1基因及蛋白水平的表達[19]。Jiang等[20]在研究慢性阻塞性肺病(Chronic obstructive pulmonary diseases，COPD)的發(fā)病機制時發(fā)現(xiàn)，HIF-1通過激活NF-κB信號通路加速COPD的進展。還有研究發(fā)現(xiàn)腎透明癌細胞中的希佩爾林道病腫瘤抑制蛋白(protein von Hippel-Lindau,pVHL)表達增強，導(dǎo)致HIF-1α和血管內(nèi)皮生長因子(Vascular endothelial growth factor，VEGF)的表達減少，最終抑制癌細胞增殖、轉(zhuǎn)移及血管再生[21]。Liu等[22]則發(fā)現(xiàn)熱休克蛋白90(Heat shock proteins 90，Hsp90)在低氧狀態(tài)下能與HIF-1α的bHLH-PAS 結(jié)構(gòu)域結(jié)合，激活HIF-1α的表達，而阻止HIF-1α被泛素化降解，進而調(diào)節(jié)其下游靶基因。

此外，還有研究發(fā)現(xiàn)，細胞生命活動相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子Myc及Notch信號通路與HIF-1之間在機體的低氧反應(yīng)也存在相互作用。機體缺氧時，HIF-1α激活并阻礙Myc靶基因的表達，負性調(diào)控細胞周期及DNA修復(fù)相關(guān)的基因表達，從而影響細胞的生長[23]。而研究中發(fā)現(xiàn)活化的HIF-1可誘導(dǎo)Notch的靶基因Hey1和Hey2表達，而當Hey1和Hey2表達到一定程度時，可反過來抑制HIF-1的表達，這種負反饋回路使機體避免發(fā)生缺氧損傷[24]。上述結(jié)果表明HIF-1通路和其他信號通路在低氧調(diào)節(jié)過程也存在相互調(diào)節(jié)作用。

3 與HIF-1相關(guān)的自身免疫病

3.1HIF-1與類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎 類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎(Rheumatoid arthritis，RA)是一種以持續(xù)而對稱性滑膜炎癥、關(guān)節(jié)畸形和骨質(zhì)破壞以及全身其他系統(tǒng)受累為特征的慢性炎性疾病[25]。RA作為自身免疫性疾病中最常見的一種，其病因復(fù)雜多樣，發(fā)病機制目前尚未完全闡明。近年來許多研究均發(fā)現(xiàn)HIF-1在RA發(fā)病中發(fā)揮一定的作用。Hu等[26]在研究RA患者滑膜成纖維細胞(Rheumatoid arthritis synoviol fibroblasts，RASFs)與T/B細胞間的相互作用時發(fā)現(xiàn)，RA患者的關(guān)節(jié)炎癥有明顯的低氧性表現(xiàn)，而且檢測到RA患者的RASFs中HIF-1α的表達較對照組上調(diào)。HIF-1使RASFs與T/B細胞之間存在持續(xù)相互作用，以誘導(dǎo)炎性細胞因子和自身抗體產(chǎn)生，從而加劇RA的發(fā)展。這與其在前期研究時發(fā)現(xiàn)HIF-1過表達后能夠促進RASFs介導(dǎo)的炎性Th1和Th17細胞的生成，從而激發(fā)TLR誘導(dǎo)RA炎癥發(fā)生的結(jié)論相一致[27]。同樣，Hu等[28]研究也發(fā)現(xiàn)HIF-1在RA患者的RASFs中表達增加，可能是HIF-1通過增強了IL-8、IL-33、MMP和VEGF在RASFs中的表達，加劇炎癥、軟骨破壞及血管生成而參與RA的發(fā)病。因而針對HIF-1進行靶向治療的研究，可為克服RA持續(xù)性發(fā)展提供新的策略。

3.2HIF-1與系統(tǒng)性紅斑狼瘡 系統(tǒng)性紅斑狼瘡(Systemic lupus erythematosus，SLE)是以機體不明原因反復(fù)產(chǎn)生多種復(fù)雜的自身抗體、補體系統(tǒng)激活以及免疫復(fù)合物沉積為主要特征的慢性多系統(tǒng)受累的一類AID[29]。而且長期使用糖皮質(zhì)激素和免疫抑制劑治療SLE可引起嚴重的副作用，因而針對SLE發(fā)病機制的研究也相繼增加。一些研究發(fā)現(xiàn)HIF-1參與SLE的發(fā)病過程，如Elshikha等[30]在研究α-1抗胰蛋白酶對SLE患者的樹突細胞(Dendritic cell，DC)分化和功能的影響時發(fā)現(xiàn)，SLE患者體內(nèi)pDC可產(chǎn)生IFN-γ，IFN-γ不僅可使HIF-1α蛋白表達上調(diào)，而且還能促使HIF-1α進入細胞核，從而加速SLE的病情發(fā)展。此外，還有研究報道HIF-1可通過影響Th17和Treg細胞的比例，進而使兩者在功能上發(fā)生免疫失衡，從而誘導(dǎo)SLE的發(fā)病[31]。Feng等[32]在觀察SLE患者腎細胞中誘導(dǎo)增殖相關(guān)信號蛋白1的作用機理時發(fā)現(xiàn)，該蛋白表達上調(diào)并可下調(diào)HIF-1α mRNA的表達水平。從而推斷，該蛋白可能是通過調(diào)控HIF-1α的表達而使SLE患者的腎臟發(fā)生病理變化。這提示HIF-1α可能是SLE新的診斷標志物。Huang等[33]在探討SLE患者外周血單核細胞中miR-210的表達水平時發(fā)現(xiàn)，機體處于低氧條件時，miRNA-210通過調(diào)控HIF-1α的表達和Th17細胞的分化而破壞SLE患者的機體功能，這也提示HIF-1可能參與了SLE的病情發(fā)展。盡管目前基于HIF-1在SLE的治療方面的應(yīng)用尚少，但對SLE中HIF-1作用的深入研究將為開展以HIF-1為靶點的SLE治療奠定循證醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)。

3.3HIF-1與強直性脊柱炎 強直性脊柱炎(Ankylosing spondylitis，AS)是一種以侵犯中軸骨關(guān)節(jié)和韌帶附著處為主的關(guān)節(jié)性自身免疫類疾病[34]。其發(fā)病機制復(fù)雜且血清學(xué)檢查陰性，病理學(xué)以滑膜不同程度的增生、血管翳形成以及關(guān)節(jié)侵蝕為主要特點[35]。在AS的發(fā)病過程中，多種原因可導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)炎癥反應(yīng)，使得大量炎癥細胞生成及浸潤導(dǎo)致局部缺氧，進而促進血管新生。其中VEGF作為血管源性因子的一種，能刺激血管內(nèi)皮細胞產(chǎn)生蛋白酶及纖溶酶原催化劑，進而誘導(dǎo)新生血管的產(chǎn)生[36]。而Wang等[37]在研究他汀類藥物在腫瘤治療中的作用機理時發(fā)現(xiàn)，在VEGF基因上存在著能與HIF-1α相互作用的結(jié)合位點HRE。因而當機體缺氧時，VEGF可誘導(dǎo)活化的HIF-1α與其相結(jié)合形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物，啟動相應(yīng)靶基因的轉(zhuǎn)錄，同時HIF-1α也反過來增強VEGF基因的表達及其表達產(chǎn)物的穩(wěn)定性，從而構(gòu)成正反饋調(diào)節(jié)，不斷促進新生血管的形成。新生血管翳的不斷充填，可繼發(fā)產(chǎn)生肉芽組織，逐層破壞軟骨及骨組織，形成侵蝕性骨缺損而促進AS的發(fā)展。此外，多種細胞、炎癥因子如TNF、IL等在AS的病程中同樣發(fā)揮著重要作用[38]，而Lv等[39]在探索了缺氧對肺成纖維細胞的影響時發(fā)現(xiàn)，缺氧時HIF-1能促進上述因子表達進而加速肺纖維化的進程。這些結(jié)果均提示靶向抑制HIF-1α的活性，具有治療人類AS的潛力。

4 結(jié)語

綜上所述，HIF-1可能通過多種方式參與AID的發(fā)生和發(fā)展。然而，HIF-1在AID發(fā)病機制中的具體作用仍然不確定。因此，對HIF-1及其上下游的調(diào)節(jié)基因進行深入研究，必將為AID的病因?qū)W研究和防治提供新的思路。下一步將會對HIF-1的抑制劑在AID中的治療效果和機制進行探討性研究，相信會為AID的診斷和治療提供更有力的研究基礎(chǔ)和廣闊的臨床應(yīng)用前景。