低氧誘導(dǎo)因子-1在結(jié)直腸癌中的研究進(jìn)展

徐 君 朱陵君 張 倩

結(jié)直腸癌是人類最常見的惡性腫瘤之一，每年新確診病例有136萬(wàn)，大約70萬(wàn)死于結(jié)直腸癌，其發(fā)生率和病死率位居世界第3位和第4位[1]。在過(guò)去的幾十年中，隨著診療技術(shù)的發(fā)展和靶向藥物的出現(xiàn)，很多國(guó)家的結(jié)直腸癌生存率都有所提高，尤其是在一些高收入國(guó)家，如在美國(guó)、澳大利亞、加拿大及一些歐洲國(guó)家的結(jié)直腸癌5年生存率已經(jīng)達(dá)到了65%以上，但在一些低收入國(guó)家尚未達(dá)到50%，嚴(yán)重威脅著人類的生命健康[2, 3]。

缺氧是實(shí)體腫瘤生長(zhǎng)的普遍微環(huán)境[4]。腫瘤組織迅速生長(zhǎng)、腫瘤內(nèi)部血流灌注不足及腫瘤患者的身體狀態(tài)的改變是造成腫瘤缺氧的主要原因，缺氧在腫瘤血管生成、腫瘤細(xì)胞侵襲轉(zhuǎn)移和腫瘤細(xì)胞的代謝等多個(gè)生物學(xué)行為中起重要作用，缺氧的適應(yīng)是導(dǎo)致腫瘤進(jìn)展、治療敏感度下降、不良臨床預(yù)后的主要驅(qū)動(dòng)力，嚴(yán)重的缺氧可激活腫瘤生長(zhǎng)因子, 造成腫瘤對(duì)化學(xué)治療和放射治療的耐受，可作為總生存時(shí)間和無(wú)病生存期的預(yù)測(cè)因子[5]。腫瘤細(xì)胞為適應(yīng)缺氧微環(huán)境，通過(guò)激活腫瘤細(xì)胞內(nèi)的一系列調(diào)控因子進(jìn)而改變腫瘤的生物學(xué)行為，而低氧誘導(dǎo)因子(hypoxia inducing factor，HIF)是腫瘤細(xì)胞應(yīng)對(duì)低氧狀態(tài)的最主要調(diào)控分子，分別包括HIF-1、HIF-2及HIF-3 3個(gè)成員，其中HIF-1表達(dá)最為廣泛。近幾年研究證明低氧誘導(dǎo)因子-1與結(jié)直腸癌的發(fā)生、發(fā)展、侵襲轉(zhuǎn)移及預(yù)后密切相關(guān)。本文就HIF-1的生物學(xué)特征及其在結(jié)直腸癌中的研究進(jìn)展做一綜述。

一、HIF-1結(jié)構(gòu)

HIF-1是腫瘤細(xì)胞應(yīng)對(duì)低氧狀態(tài)的一種轉(zhuǎn)錄因子，是由α亞基和β亞基組成的異源二聚體，HIF-1α亞基為細(xì)胞內(nèi)氧含量調(diào)控的功能性亞基，僅在缺氧細(xì)胞的核內(nèi)存在，β亞基為細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)定表達(dá)結(jié)構(gòu)性亞基并起著結(jié)構(gòu)性作用，在正常細(xì)胞和缺氧細(xì)胞中均有組成性表達(dá)。在缺氧條件下，HIF-1α可與HIF-1β亞基聚合形成異二聚體調(diào)節(jié)多種基因的轉(zhuǎn)錄，通過(guò)促進(jìn)血管生成、細(xì)胞增殖、侵襲轉(zhuǎn)移等途徑促進(jìn)腫瘤的發(fā)展[6]。

二、HIF-1表達(dá)水平的調(diào)控

在常氧條件下，HIF-1α上的脯氨酸殘基被脯氨羥基化酶 (prolyl hydroxylase domain，PHD) 羥基化后與希佩爾-林道蛋白(product of von hippel-lindau gene，pVHL)結(jié)合，隨后被泛素-蛋白酶水解復(fù)合體降解，因而細(xì)胞中基本檢測(cè)不到HIF-1α亞基的表達(dá)。PHDs是在哺乳動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)的HIF脯基羥化酶，包括PHD1、PHD2、PHD3 3種亞型，作為調(diào)節(jié)HIF-1α的氧氣傳感器參與HIF-1α的降解過(guò)程，脯氨羥基化酶的活性除了受氧水平的調(diào)控，鐵、2-酮戊二酸和抗壞血酸也參與其調(diào)控，其中PHD2作為主要的限速酶使HIF-1α在缺氧環(huán)境中保持穩(wěn)定的低水平狀態(tài)，其活性主要受細(xì)胞內(nèi)氧濃度控制[7]。在缺氧條件下，PHD 的活性被抑制，pVHL無(wú)法與HIF-1α的脯氨酸殘基結(jié)合，HIF-1α的泛素化和降解被抑制，在細(xì)胞核內(nèi)與HIF-1β亞基聚合形成異二聚體調(diào)節(jié)多種靶基因的轉(zhuǎn)錄。除了pVHL途徑，一些信號(hào)蛋白如SUMO-1、RSUME、RACK1、Hsp90也調(diào)節(jié)HIF-1α的表達(dá)水平[8]。

三、HIF-1轉(zhuǎn)錄活性的調(diào)控

在缺氧條件下，HIF-1α可以逃避泛素連接酶E3的特異性識(shí)別，從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核，HIF-1α的核質(zhì)穿梭通過(guò)經(jīng)典的核運(yùn)輸受體輸入蛋白α/β調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)錄活性，輸入蛋白α/β直接與HIF-1α的C-末端區(qū)核定位信號(hào)(NLS)相互作用，相反的，N-末端區(qū)核定位信號(hào)并無(wú)此作用[9]。在有絲分裂原活化蛋白激酶的作用(MAPK)途徑中HIF-1α可以直接被磷酸化，在細(xì)胞核內(nèi)聚集，自由的與HIF-1β亞基聚合形成異二聚體，HIF-1的C-TAD與轉(zhuǎn)錄輔因子P300/CBP相互作用，與靶基因啟動(dòng)區(qū)內(nèi)的缺氧反應(yīng)元件(HERs)結(jié)合，促進(jìn)HIF-1α的轉(zhuǎn)錄活性。在常氧環(huán)境下，HIF-1內(nèi)的Asn803殘基被HIF-1抑制因子天冬酰胺羥化酶(FIH-1)羥化，阻斷HIF-1與P300/CBP結(jié)合，導(dǎo)致HIF-1介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)錄停止，而在缺氧條件下，HIF-1的活性直接被抑制，使HIF-1與P300/CBP相結(jié)合啟動(dòng)靶基因的轉(zhuǎn)錄。由此可知，調(diào)節(jié)HIF-1的活性主要包括兩條氧依賴的羥基化途徑：脯氨酸羥基化途徑和天冬酰胺羥基化途徑，體外實(shí)驗(yàn)研究證明脯氨酸羥基化途徑調(diào)控HIF-1蛋白比天冬酰胺羥基化更敏感[10]。

四、HIF-1對(duì)靶基因的調(diào)控

HIF-1通過(guò)調(diào)節(jié)多種靶基因的轉(zhuǎn)錄參與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展，包括腫瘤血管的生成、葡萄糖的代謝、細(xì)胞增殖侵襲和細(xì)胞的凋亡等過(guò)程[11]。新生血管的生成是腫瘤生長(zhǎng)、侵襲和轉(zhuǎn)移的必要條件，缺氧條件下，血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)是HIF-1調(diào)節(jié)腫瘤血管生成的重要靶基因。缺氧環(huán)境使HIF-1α與VEGF的啟動(dòng)子區(qū)域相結(jié)合, 增強(qiáng)VEGF對(duì)缺氧的反應(yīng)性并激活VEGF的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)新生血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖遷移和滲透[12]。HIF-1介導(dǎo)的血管生成是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，VEGF是調(diào)節(jié)腫瘤血管生成的一個(gè)關(guān)鍵因子，其他的一些細(xì)胞因子如一氧化氮合酶(NOS)、內(nèi)皮素-1(ET-1)、基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1(SDF-1)、血管生成素2(ANGPT2)、血小板衍生的生長(zhǎng)因子(PDGF)和瘦素等在腫瘤血管生成中也扮演著重要角色[13]。最近的研究開始關(guān)注在缺氧微環(huán)境中腫瘤能量代謝的改變，其中轉(zhuǎn)錄因子對(duì)糖代謝基因的調(diào)控是腫瘤能量代謝的重要機(jī)制，在缺氧微環(huán)境中，腫瘤細(xì)胞通過(guò)高速率的糖酵解為快速增殖的腫瘤細(xì)胞供給能力，增加腫瘤的惡性潛能[14]。HIF-1是促進(jìn)糖酵解的主要轉(zhuǎn)錄因子，HIF-1可激活糖酵解途徑中各種酶(GLUT1、HK、LDHA)的表達(dá)，使腫瘤細(xì)胞在缺氧環(huán)境中通過(guò)無(wú)氧糖酵解促進(jìn)葡萄糖糖轉(zhuǎn)化成乳酸，滿足腫瘤細(xì)胞的能量需要[15]。缺氧可誘導(dǎo)生長(zhǎng)因子如胰島素樣生長(zhǎng)因子-2(IGF-2)、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(TGF)、 C-MYC 和分化抑制劑-2(ID2)等基因的表達(dá)促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖，也可通過(guò)上調(diào)P53、BNIP3、caspase-3等基因的表達(dá)誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡，所以HIF-1對(duì)缺氧環(huán)境中的腫瘤細(xì)胞的調(diào)節(jié)具有雙重作用。HIF-1α主要通過(guò)調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞相關(guān)轉(zhuǎn)移因子包括基質(zhì)金屬蛋白酶2 (MMP2)、纖維連接蛋白1(FN1)、自分泌運(yùn)動(dòng)因子(AMF)、C-MET和角蛋白14(KRT14)等基因的轉(zhuǎn)錄及表達(dá)介導(dǎo)腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移[16]。

五、HIF-1與結(jié)直腸癌的發(fā)生、發(fā)展及治療

1.HIF-1與結(jié)直腸癌的發(fā)生、發(fā)展：很多研究證明HIF-1通過(guò)直接或間接調(diào)節(jié)結(jié)直腸癌細(xì)胞的增殖、凋亡、侵襲轉(zhuǎn)移、血管生成等生物學(xué)行為促進(jìn)腫瘤的發(fā)生、發(fā)展。細(xì)胞暴露于缺氧環(huán)境下導(dǎo)致蛋白合成減少進(jìn)而限制了細(xì)胞凋亡和擴(kuò)散，持續(xù)的缺氧會(huì)改變細(xì)胞的周期和相對(duì)靜止期的細(xì)胞數(shù)量，而HIF-1α激活細(xì)胞周期依賴抑制因子P27Kip1和P21Cip1導(dǎo)致細(xì)胞周期阻滯在G1、S期[17]。在正常和腫瘤組織中，缺氧微環(huán)境都可以誘導(dǎo)細(xì)胞的凋亡，在缺氧環(huán)境下P53水平升高可激活凋亡的下游感受器APAF1 和caspase-9，缺氧也可以激活P53相關(guān)的凋亡通路，包括Bcl-2家族的相關(guān)基因，導(dǎo)致細(xì)胞的死亡[18]。缺氧使基因發(fā)生突變進(jìn)而影響基因的穩(wěn)定性，通過(guò)促進(jìn)腫瘤干細(xì)胞的穩(wěn)定和演變從而調(diào)控細(xì)胞的分化，長(zhǎng)時(shí)間的遺傳和遺傳表型的改變賦予腫瘤細(xì)胞自我更新的能力進(jìn)而發(fā)展成惡性腫瘤細(xì)胞[19]。

賴氨酰氧化酶(LOX)控制腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移性生長(zhǎng)和播散，是HIF-1促進(jìn)腫瘤進(jìn)展的關(guān)鍵基因，HIF-1α可與LOX啟動(dòng)子中低氧反應(yīng)元件的結(jié)合，從而上調(diào)LOX的表達(dá)，同時(shí)，有研究表明LOX可正向調(diào)節(jié)HIF-1α的表達(dá)，是缺氧后上調(diào)HIF-1α表達(dá)的關(guān)鍵成分[20]。根據(jù)這一研究結(jié)果，筆者可以推測(cè)同時(shí)以LOX和低氧誘導(dǎo)因子為靶點(diǎn)的靶向藥物可改善腫瘤治療效果。Zheng等[21]的體內(nèi)外研究證明HIF-1通過(guò)誘導(dǎo)下調(diào)同源結(jié)構(gòu)域蛋白CDX2的表達(dá)水平促進(jìn)結(jié)直腸癌的惡性進(jìn)展，與結(jié)直腸癌的組織分化、病理分期及淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移有關(guān)，而且發(fā)現(xiàn)Snail也參與HIF-1誘導(dǎo)的CDX2表達(dá)衰減這一過(guò)程，說(shuō)明在結(jié)直腸腺癌中，缺氧通過(guò)Snail滅活CDX2的表達(dá)進(jìn)而促進(jìn)腫瘤的發(fā)展，但是Snail是如何調(diào)節(jié) CDX2的具體調(diào)節(jié)機(jī)制尚不明確，需要開展更多的研究進(jìn)一步闡明，未來(lái)HIF-1α-Snail-CDX2通路可能成為結(jié)直腸癌靶向治療的新靶點(diǎn)。內(nèi)皮細(xì)胞特異分子-1(endocan，ESM-1)是結(jié)直腸癌的潛在血清標(biāo)志物，KIM等發(fā)現(xiàn)在結(jié)直腸癌組織患者中，ESM-1的表達(dá)水平受HIF-1α的調(diào)節(jié)，通過(guò)免疫組織化學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)ESM-1的表達(dá)水平與結(jié)直腸癌的腫瘤直徑、浸潤(rùn)深度、淋巴結(jié)狀態(tài)、遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移和Dukes分期相關(guān)，影響著結(jié)直腸癌的復(fù)發(fā)和生存時(shí)間，是結(jié)直腸癌患者的一個(gè)獨(dú)立預(yù)后因素[22]。15-脂加氧酶1(15-LOX-1)表達(dá)于人的多種組織細(xì)胞中，是催化不飽和脂肪酸代謝的關(guān)鍵酶之一，在結(jié)直腸癌和很多腫瘤中其表達(dá)水平下降，作為抑癌基因抑制多種腫瘤的形成，但是關(guān)于其在腫瘤轉(zhuǎn)移中的作用研究結(jié)果并不一致，Wu等[23]發(fā)現(xiàn)在結(jié)腸癌細(xì)胞株中，過(guò)表達(dá)15-LOX-1可以抑制結(jié)腸癌細(xì)胞生長(zhǎng)、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)的表達(dá)、腫瘤血管生成、腫瘤細(xì)胞遷移和侵襲等生物學(xué)過(guò)程，在缺氧條件可通過(guò)降低HIF-1α的穩(wěn)定性，促進(jìn)其凋亡從而降低HIF-1α的表達(dá)，說(shuō)明15-LOX-1可以通過(guò)HIF-1α抑制缺氧誘導(dǎo)的腫瘤轉(zhuǎn)移，該研究表明15-LOX-1不僅可以作為結(jié)直腸癌靶向治療的新靶點(diǎn)，還可作為結(jié)直腸癌遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移的標(biāo)志物。但也有研究表明在腸癌細(xì)胞中過(guò)表達(dá)15-LOX-1可抑制細(xì)胞的遷移、侵襲及轉(zhuǎn)移，需要更多的研究進(jìn)行探討[24]。

2.HIF-1與結(jié)直腸癌的治療：很多研究已經(jīng)證明HIF-1的激活在結(jié)直腸癌發(fā)生、發(fā)展起到關(guān)鍵作用，因此阻斷HIF途徑及抑制HIF-1表達(dá)為結(jié)直腸癌的治療新策略。研究發(fā)現(xiàn)許多藥物通過(guò)抑制mRNA的轉(zhuǎn)錄、下調(diào)蛋白質(zhì)的合成、干擾HIF-1穩(wěn)定性、抑制亞基的聚合、干擾HIF-1-DNA的結(jié)合、減弱HIF-1的轉(zhuǎn)錄活性等機(jī)制直接或間接抑制HIF-1的活性或表達(dá)，進(jìn)而來(lái)治療結(jié)直腸癌[25]。Kizaka等[26]在體內(nèi)研究中發(fā)現(xiàn)，控制腫瘤中HIF的活性或阻斷HIF的通路，腫瘤的生長(zhǎng)受到顯著的抑制，同時(shí)可增加腫瘤對(duì)化療藥物的敏感度。在小鼠神經(jīng)母細(xì)胞異種移植瘤模型中的研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)低劑量的拓?fù)涮婵狄种艸IF-1α的轉(zhuǎn)錄活性，可以明顯增強(qiáng)貝伐珠單抗的抗血管生成治療效果[27]。Kyunghee等發(fā)現(xiàn)，在結(jié)腸癌細(xì)胞株中，抑制HIF-1和HIF-2的表達(dá)都可以提高舒尼替尼的治療效果，在小鼠異種移植瘤模型中，HIF-1α和HIF-2α的表達(dá)被抑制后，50%的小鼠獲得完全緩解。

缺氧微環(huán)境在促進(jìn)抗癌藥物產(chǎn)生耐藥性方面起著關(guān)鍵作用，低氧誘導(dǎo)因子-1(HIF-1)是腫瘤治療過(guò)程中產(chǎn)生多重耐藥基因(MDR1)的一種生物標(biāo)志物，可促進(jìn)P-糖蛋白的表達(dá)，P-糖蛋白是與化學(xué)治療(以下簡(jiǎn)稱化療)耐藥密切相關(guān)的一種跨膜蛋白。研究發(fā)現(xiàn)缺氧使很多腫瘤細(xì)胞在增殖過(guò)程中停滯于G1期，繼而對(duì)化療藥物的敏感度降低，其機(jī)制可能為缺氧環(huán)境下腫瘤細(xì)胞內(nèi)拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ的表達(dá)被抑制，腫瘤細(xì)胞會(huì)對(duì)以拓?fù)洚悩?gòu)酶代謝為機(jī)制的化療藥物產(chǎn)生耐藥性。HIF-1通過(guò)調(diào)節(jié)代謝過(guò)程中的一些關(guān)鍵酶參與腫瘤細(xì)胞耐藥性的產(chǎn)生，前期研究發(fā)現(xiàn)體內(nèi)的乳酸含量與腫瘤患者的預(yù)后負(fù)相關(guān)，這表明從線粒體氧化呼吸到細(xì)胞糖酵解的關(guān)鍵酶可增加化療藥物的耐藥性[28]。丙酮酸脫氫酶激酶(PDK)是糖酵解和氧化磷酸化的關(guān)鍵酶，在腫瘤細(xì)胞的增殖、侵襲轉(zhuǎn)移及凋亡等過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用，與腫瘤患者的化療耐藥性的產(chǎn)生密切相關(guān)，研究表明PDK3的表達(dá)受HIF-1的調(diào)控，在缺氧條件下HIF-1的表達(dá)上升，繼而上調(diào)PDK的表達(dá)，與缺氧誘導(dǎo)的耐藥性增加相關(guān)，可以解釋高表達(dá)PDK3的患者化療失敗的原因。HIF-1對(duì)PDK3的調(diào)控作用提示可以通過(guò)抑制HIF-1下調(diào)PDK3的表達(dá)，自上游抑制PDK3的表達(dá)，從而減少缺氧而產(chǎn)生的耐藥性。

貝伐單抗是NCCN指南推薦的用于晚期結(jié)直腸癌的抗血管生成靶向藥物，聯(lián)合FOLFOX、FOLFIRI方案可取得良好效果，貝伐單抗主要與內(nèi)源性VEGF-A競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合其受體，阻斷其活性從而抑制下游血管生成過(guò)程，進(jìn)而發(fā)揮抗腫瘤作用。有研究顯示VEGF是HIF-1α的下游靶基因，在缺氧情況下上調(diào)的HIF-1α誘導(dǎo)VEGF基因的表達(dá)，促進(jìn)血管的形成，進(jìn)而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)及轉(zhuǎn)移。此種關(guān)系為將來(lái)研究針對(duì)HIF-1α的靶向藥物提供理論基礎(chǔ)。

3.HIF-1與結(jié)直腸癌的預(yù)后：在過(guò)去的幾十年，隨著診療技術(shù)的發(fā)展和靶向藥物的出現(xiàn)，結(jié)直腸癌的生存率有了一定的提高，但是發(fā)生轉(zhuǎn)移的晚期結(jié)直腸癌患者的預(yù)后仍然很差。很多研究發(fā)現(xiàn)HIF-1的異常表達(dá)與結(jié)直腸癌的發(fā)展、預(yù)后密切相關(guān)。一項(xiàng)包含731例結(jié)腸癌患者的病例對(duì)照研究發(fā)現(xiàn)，HIF-1的表達(dá)水平與結(jié)直腸癌的病死率密切相關(guān)，說(shuō)明HIF-1是結(jié)直腸癌的獨(dú)立預(yù)后因子。Mariko等發(fā)現(xiàn)HIF-1的表達(dá)水平影響術(shù)前行新輔助化療的局部晚期直腸癌患者的總生存率及無(wú)復(fù)發(fā)生存率，HIF-1表達(dá)陽(yáng)性和陰性的直腸癌患者的3年無(wú)復(fù)發(fā)生存率分別為47.6%和82.8%，3年總生存率分別為60.6%和85.2%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。在肝轉(zhuǎn)移的結(jié)直腸癌患者中，肝轉(zhuǎn)移灶中HIF-1α和VEGF的表達(dá)水平都明顯高于原發(fā)灶，HIF-1α的過(guò)表達(dá)是結(jié)腸癌肝轉(zhuǎn)移術(shù)后復(fù)發(fā)的獨(dú)立預(yù)后因子，說(shuō)明HIF-1α是結(jié)直腸癌肝轉(zhuǎn)移患者的潛在治療靶點(diǎn)。Kevin等認(rèn)為P21蛋白活化激酶(PAK1)通過(guò)上調(diào)HIF-1α的表達(dá)間接影響結(jié)直腸癌的生存時(shí)間。以上研究證明，高水平的HIF-1是結(jié)直腸癌患者的不良預(yù)后因子，HIF-1可作為預(yù)測(cè)結(jié)直腸癌患者預(yù)后的新型生物標(biāo)志物。

六、展 望

總的來(lái)說(shuō)，HIF-1在結(jié)直腸癌的細(xì)胞增殖、侵襲轉(zhuǎn)移、血管生成、放療、化療耐受性及預(yù)后方面起著重要作用，為早期診斷和預(yù)后判斷提供了新的依據(jù)，也為結(jié)直腸癌的治療提供了一種新的靶點(diǎn)。HIF-1通路中的一些小分子抑制劑可以抑制腫瘤的形成，而且與其他治療方式聯(lián)合可以提高腫瘤的治療效果，但是這些小分子抑制劑具有一定的局限性，比如不良反應(yīng)，特異性相對(duì)較低，抗腫瘤效果不明顯以及缺乏臨床療效評(píng)估。因此，深入探索如何阻斷HIF信號(hào)通路，開發(fā)以HIF為靶點(diǎn)的抗腫瘤藥物，確定對(duì)HIF抑制劑敏感的細(xì)胞類型尋找新的治療策略、提高癌癥治療效果至關(guān)重要。