我國與國際的HIF研究※

范 明，朱玲玲

(軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院，北京 100850)

氧濃度變化的感知與機(jī)體調(diào)節(jié)機(jī)制一直是學(xué)術(shù)界關(guān)心的重大科學(xué)問題。上世紀(jì)二十年代前后，Louis Pasteur提出動物細(xì)胞中通過多種途徑利用氧氣實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換；Otto Heinrich Warburg(1931年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎獲得者)提出這種能量轉(zhuǎn)換可能影響組織細(xì)胞的增殖[1]；Corneille Heymans發(fā)現(xiàn)血氧濃度可通過頸動脈竇外周化學(xué)感受器調(diào)整呼吸頻率(1938年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎獲得者)。

在個世紀(jì)末，Semenza等發(fā)現(xiàn)了低氧誘導(dǎo)因子-1(hypoxia-inducible factor-1，HIF-1)是細(xì)胞感知低氧的關(guān)鍵因子，可啟動促紅細(xì)胞生成素(EPO)等多種低氧相關(guān)基因的表達(dá)以適應(yīng)氧濃度的變化[2，3]。Ratcliffe等發(fā)現(xiàn)VHL(von Hippel-Lindau)蛋白可通過氧依賴性的蛋白水解作用負(fù)調(diào)控HIF-1含量[4]。Kaelin等和Ratcliffe等同時發(fā)現(xiàn)常氧環(huán)境通過羥基化HIF-1α亞基上的脯氨酸，提供VHL識別信號進(jìn)而使HIF-1α通過蛋白酶體通路降解[5，6]。(圖1)

圖1 細(xì)胞如何感受氧濃度的變化(https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2019/press-release/)

這些工作在分子水平和基因調(diào)控水平上闡明了細(xì)胞感知和適應(yīng)氧氣變化的機(jī)理，不僅加深了對于氧濃度調(diào)節(jié)機(jī)制的認(rèn)識，也為應(yīng)對高原低氧損害和貧血、心腦缺血及癌癥等低氧相關(guān)疾病奠定了基礎(chǔ)。

1 低氧誘導(dǎo)因子家族

轉(zhuǎn)錄因子HIF-1是由HIF-1α和HIF-1β組成的異二聚體結(jié)構(gòu)。HIF-1β為組成型表達(dá)，含量相對穩(wěn)定。HIF-1α含量與細(xì)胞內(nèi)的氧水平呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，常氧下處于動態(tài)平衡。HIF-1α含量的調(diào)控涉及到翻譯后修飾。HIF-1α和氧依賴降解結(jié)構(gòu)域(ODD)可以調(diào)節(jié)HIF-1α的降解，它通過第402位和第564位脯氨酸殘基的羥基化調(diào)節(jié)HIF-1α與VHL的相互作用，而VHL能夠識別E3泛素化連接酶，導(dǎo)致HIF-1α在26s蛋白酶的作用下發(fā)生泛素化降解。低氧條件可抑制ODD結(jié)構(gòu)域脯氨酸的羥基化，阻止HIF-1α的泛素化降解，從而提高HIF-1α蛋白水平。胞漿內(nèi)積聚的HIF-1α移位入核與HIF-1β形成完整的HIF-1轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合物，并結(jié)合到靶基因啟動子區(qū)的低氧反應(yīng)元件(HRE)上調(diào)控相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)。

HIF家族中還包括HIF-2和HIF-3。HIF-2是1997年由Tian等[7]克隆和鑒定的。氧濃度同樣可以影響HIF-2α的穩(wěn)定性和亞細(xì)胞定位及轉(zhuǎn)錄效能。HIF-2α和HIF-1α共同調(diào)節(jié)的基因有血管內(nèi)皮生長因子和腎上腺髓質(zhì)素等基因。HIF-1α側(cè)重調(diào)節(jié)糖酵解相關(guān)酶類和凋亡相關(guān)基因BNIP-3等，而HIF-2α側(cè)重調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化生長因子α和促紅細(xì)胞生成素等。這些差異可能與兩者羧基端的不同有關(guān)[7，8]。對HIF-3的研究很少，有文章報道它是HIF-1α的靶基因，但是在低氧相關(guān)基因的表達(dá)中起負(fù)反饋作用[9]。

調(diào)控HIF家族降解的脯氨酰羥化酶結(jié)構(gòu)域蛋白(PHD)有3個成員：PHD1、PHD2和PHD3。PHD酶活性主要受O2含量的調(diào)控，F(xiàn)e2+、Co2+和α-酮戊二酸、維生素C等也有作用，提示HIF家族也可能受到其他環(huán)境因素變化的影響[10]。

目前認(rèn)為HIF家族的靶基因參與了細(xì)胞代謝、細(xì)胞凋亡、血管發(fā)育、離子代謝、神經(jīng)發(fā)育等生物學(xué)過程。在腫瘤、貧血、炎癥、心腦缺血、肺動脈高壓和胚胎發(fā)育及高原病等多個生理和病理生理過程中具有重要生物學(xué)意義。盡管在許多其他細(xì)胞內(nèi)過程中，如信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和氧依賴性生化反應(yīng)中也可“感知”氧含量，但HIF-PHD-pVHL軸在溝通外部氧濃度與細(xì)胞基因表達(dá)方面發(fā)揮核心和深遠(yuǎn)作用[11，12]。

2 中國低氧生理學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域

我國從上世紀(jì)五十年代就開始了對低氧生理學(xué)的研究，得到了大量相關(guān)數(shù)據(jù)，發(fā)表了一系列高水平論著。1975年，我國在世界上首次實現(xiàn)了在珠峰峰頂測繪人體心電圖。

2004年，國際高原醫(yī)學(xué)會對于爭論了百年之久的慢性高原病診斷標(biāo)準(zhǔn)問題達(dá)成了一致，采用了我國學(xué)者提出的“青海標(biāo)準(zhǔn)”。2010年我國學(xué)者在同一期《科學(xué)》上發(fā)表了兩篇論文，指出藏族在高原環(huán)境下較少罹患慢性高原紅細(xì)胞增多癥的遺傳學(xué)基礎(chǔ)與HIFs調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵分子EPAS1和EGLN1的基因突變有關(guān)[13，14]。

我國的高原低氧研究，已經(jīng)步入國際先進(jìn)行列，受到國際同行的高度關(guān)注。Semenza教授曾親赴青海、西藏考察，并與我國學(xué)者開展了合作，已經(jīng)開始發(fā)表文章[15，16]。今年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎的授予無疑會助推我國高原低氧研究。