缺氧誘導(dǎo)因子在胃癌中的作用及機(jī)制研究進(jìn)展

趙乙鍰,徐洪雨

【提要】 胃癌是全球第五大常見的癌癥，也是癌癥相關(guān)死亡的第二大主要原因，其病因和發(fā)病機(jī)制尚不明確。現(xiàn)階段認(rèn)為其與多種因素有關(guān)，其中缺氧誘導(dǎo)因子(HIFs)對胃癌的發(fā)展具有重要作用，特別是HIF-1α能夠通過一系列通路促進(jìn)胃癌的發(fā)展，同時遺傳因素、飲食及心理因素等都在疾病發(fā)生和發(fā)展中起著一定的作用。本文針對HIF-1α在胃癌細(xì)胞增殖、凋亡、轉(zhuǎn)移和治療中的作用及機(jī)制進(jìn)行綜述。

胃癌是起源于胃黏膜上皮的惡性腫瘤，其具有高發(fā)病率和高死亡率的特征。全球每年報告的新發(fā)胃癌病例近100萬例，發(fā)展中國家占全球病例的2/3，其中約42%發(fā)生在中國[1]。目前胃癌患者預(yù)后差主要?dú)w因于其早期無癥狀、診斷困難以及易發(fā)生侵襲和轉(zhuǎn)移的特點(diǎn)[2]。80%的胃癌患者確診時已為晚期，導(dǎo)致患者5年生存率較低[3]。因而，迫切需要闡明胃癌的發(fā)病機(jī)制及侵襲性，以改善其預(yù)后。然而，胃癌的病因和發(fā)病機(jī)制尚未完全被闡明，多種影響因素會影響胃癌的發(fā)生，例如幽門螺桿菌感染、遺傳因素、胃病史、生活習(xí)慣、飲食及心理因素等[4]。近年來，在胃癌細(xì)胞的增殖、侵襲、轉(zhuǎn)移過程的研究中發(fā)現(xiàn)，缺氧現(xiàn)象普遍存在，腫瘤細(xì)胞中的缺氧及缺氧適應(yīng)是由缺氧誘導(dǎo)因子(hypoxia inducible factor, HIFs)介導(dǎo)產(chǎn)生的[5]。HIFs是一種轉(zhuǎn)錄因子，在缺氧微環(huán)境中活性增強(qiáng)，近年來研究發(fā)現(xiàn)HIFs參與許多生物過程，例如腫瘤的發(fā)生、發(fā)展及預(yù)后[6]，因此HIFs有望成為胃癌治療的新型靶點(diǎn)。其中，HIF-1α作為HIFs家族中比較重要的一部分，由于其對于胃癌具有明顯地促進(jìn)作用，近年來被廣泛關(guān)注。因此，本文圍繞HIFs在胃癌發(fā)生、發(fā)展中的作用機(jī)制(增殖、細(xì)胞凋亡及轉(zhuǎn)移)及臨床應(yīng)用價值進(jìn)行論述，為胃癌的發(fā)病機(jī)制提供理論基礎(chǔ)，同時指明未來胃癌的研究方向。

1 HIFs的組成結(jié)構(gòu)及表達(dá)過程

HIFs是由α和β亞基組成的具有轉(zhuǎn)錄活性的異源二聚體，缺氧條件下廣泛存在于哺乳動物和人體內(nèi)，其中α亞基是低氧誘導(dǎo)因子的調(diào)節(jié)亞基，受氧氣濃度的嚴(yán)格調(diào)控，而β亞基呈持久表達(dá)狀態(tài)[7]。HIFs α亞單位的關(guān)鍵氧傳感器包括缺氧誘導(dǎo)因子脯氨酰4-羥化酶(PHD，包括PHD1、PHD2和PHD3)[8]。HIFs α亞單位又可以細(xì)分為HIF-1(HIF-1α)、HIF-2(HIF-2α)和HIF-3(HIF-3α)[9]，HIF-1α是主要的反應(yīng)蛋白，當(dāng)有氧氣存在時，PHD1、PHD2、PHD3(尤其是PHD2)和天冬酰胺基羥化酶(抑制HIF-1的因子)介導(dǎo)HIFs泛素化和蛋白酶體降解[10]。然而，在腫瘤微環(huán)境中，缺氧普遍存在，缺氧可以降低天冬酰胺基羥化酶和PHD的活性，進(jìn)一步使HIFs穩(wěn)定并積累[11]，HIFs通過與包含5′-(A/G)CGTG-3′識別序列的缺氧反應(yīng)元件(HRE)結(jié)合來驅(qū)動靶基因的表達(dá)，包括編碼RNA和非編碼RNA[12]，進(jìn)而促進(jìn)腫瘤的代謝、增殖、轉(zhuǎn)移和侵襲過程以及增強(qiáng)耐藥性等。

2 HIFs在胃癌發(fā)生發(fā)展中的作用機(jī)制

近年來，HIFs被越來越多的研究者重視，研究表明在缺氧條件下會導(dǎo)致HIFs的過表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)胃癌細(xì)胞增殖、轉(zhuǎn)移并抑制胃癌細(xì)胞凋亡，加速胃癌的發(fā)展[13-15]。

2.1 HIFs在胃癌細(xì)胞增殖中的作用機(jī)制

細(xì)胞增殖是腫瘤細(xì)胞的基本特征，先前的一項研究表明，在大多數(shù)癌細(xì)胞中有一種現(xiàn)象被稱為“沃伯格效應(yīng)”，這是指腫瘤細(xì)胞在缺氧條件下，可以通過增加糖酵解和乳酸發(fā)酵的速率來增殖[16]。最近的研究結(jié)果表明胃癌細(xì)胞增殖過程中HIF-1α與糖酵解關(guān)系密切：劉佳等[17]發(fā)現(xiàn)在胃癌細(xì)胞中存在一種新的環(huán)狀RNA——circ-MAT2B，通過分子海綿機(jī)制吸附MiR-515-5p，以降低MiR-515-5p對HIF-1α表達(dá)的抑制作用，且上調(diào)的HIF-1α能夠與circ-MAT2B啟動子結(jié)合，提高circ-MAT2B轉(zhuǎn)錄活性，從而在circ-MAT2B和HIF-1α之間形成正反饋環(huán)路，促進(jìn)胃癌細(xì)胞HIF-1α依賴的糖酵解，進(jìn)而促進(jìn)胃癌細(xì)胞增殖；Gan等[18]研究表明細(xì)胞外基質(zhì)蛋白1(ECM1)直接與整合素β4 (ITGB4)相互作用，激活I(lǐng)TGB4/黏著斑激酶(FAK)/糖原合酶激酶3β信號通路，進(jìn)一步誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子SOX2的表達(dá)，SOX2可以增強(qiáng)HIF-1α啟動子的活性以調(diào)節(jié)葡萄糖代謝，進(jìn)一步促進(jìn)胃癌細(xì)胞增殖。除此之外，白晨光等[19]證明了胃癌細(xì)胞中HIF-1α表達(dá)上調(diào)，且HIF-1α和糖酵解均作用于轉(zhuǎn)錄因子——Fox基因家族中的FoxM1，促進(jìn)胃癌細(xì)胞的增殖；張晶晶等[20]研究發(fā)現(xiàn)HIF-1α可以作用于PI3K/堿性磷酸酶通路促進(jìn)胃癌細(xì)胞增殖；趙佳宇等[21]發(fā)現(xiàn)在胃癌細(xì)胞中高表達(dá)的HIF-1α可以上調(diào)miR-17-5p，進(jìn)而下調(diào)程序性細(xì)胞死亡4(PDCD4)，PDCD4可以結(jié)合真核翻譯起始因子4A(EIF4A)的解旋酶活性并對其產(chǎn)生抑制作用，EIF4A是一種催化mRNA二級結(jié)構(gòu)解鏈的RNA解旋酶，通過這兩種機(jī)制的結(jié)合，PDCD4抑制特定mRNAs的翻譯進(jìn)而抑制胃癌細(xì)胞增殖，即HIF-1α可通過下調(diào)PDCD4來促進(jìn)胃癌的增殖；Huang等[22]實驗研究發(fā)現(xiàn)HIF-1α可以激活zeste同系物2的增強(qiáng)子(EZH2)，EZH2通過下調(diào)CXXC型鋅指蛋白4(CXXC4)的表達(dá)促進(jìn)胃癌發(fā)生中Wnt信號的激活，當(dāng)Wnt信號通路被激活時，分泌的胞外Wnt與跨膜受體(低密度脂蛋白受體)相關(guān)蛋白(LRP)5/6相互作用，形成一個復(fù)合物，引起LRP5/6胞內(nèi)片段磷酸化，進(jìn)一步阻斷β-連環(huán)蛋白磷酸化/降解，使游離的β-連環(huán)蛋白進(jìn)入細(xì)胞核，與基因TCF/LEF相互作用，啟動下游基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，實現(xiàn)腫瘤細(xì)胞持續(xù)增殖。

2.2 HIFs在胃癌細(xì)胞凋亡中的作用機(jī)制

凋亡抗性是癌細(xì)胞的常見特征，可作為胃癌惡性和化學(xué)抗性的促進(jìn)劑。近年來，研究發(fā)現(xiàn)HIF-1α與細(xì)胞凋亡關(guān)系密切。Guan等[23]研究發(fā)現(xiàn)抑制HIF-1α可以誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡進(jìn)而降低胃癌細(xì)胞的生長速度；Yan等[24]實驗證明HIF-1α的激動劑顯著抑制胃癌細(xì)胞的凋亡，并導(dǎo)致其對化學(xué)治療劑的敏感性降低。在細(xì)胞凋亡機(jī)制中含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(caspase)的激活起關(guān)鍵作用，它主要由兩個途徑誘導(dǎo)：線粒體介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡途徑和細(xì)胞外信號介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡途徑。近些年發(fā)現(xiàn)HIF-1α與caspase密切相關(guān)，Ge等[25]研究表明在胃癌細(xì)胞中上調(diào)HIF-1α可以上調(diào)miR-421，進(jìn)一步作用于下游caspase-3抑制細(xì)胞凋亡；Wu等[26]發(fā)現(xiàn)在缺氧微環(huán)境下胃癌細(xì)胞中miR-18a減低，使miR-18a對HIF-1α的抑制作用減弱，即HIF-1α活性增強(qiáng)，活性增強(qiáng)的HIF-1α進(jìn)一步抑制線粒體凋亡途徑進(jìn)而抑制細(xì)胞凋亡；除線粒體凋亡外，Liu等[27]研究發(fā)現(xiàn)HIF-1α還可以通過激活MEK/ERK途徑抑制細(xì)胞外信號介導(dǎo)的凋亡。

2.3 HIFs在胃癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移中的作用機(jī)制

Rohwer等[28]證實了HIF-1α缺乏的細(xì)胞在體外的遷移性、侵襲性和粘附性顯著降低，而過表達(dá)HIF-1α的胃癌細(xì)胞的遷移性、侵襲性和粘附性顯著升高，表明HIF-1α在局部侵襲和最終全身腫瘤擴(kuò)散中起著關(guān)鍵作用。研究者們進(jìn)一步對HIF-1α致胃癌轉(zhuǎn)移的相關(guān)機(jī)制進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)新生血管的生成和上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化等在其中起關(guān)鍵作用。

新生血管的生成是胃癌侵襲和轉(zhuǎn)移的重要因素，然而新生血管的形成過程中的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子是腫瘤細(xì)胞分泌的血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)，VEGF可以誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖，促進(jìn)新形成血管的內(nèi)皮細(xì)胞存活，增加血管通透性[29]。相關(guān)研究表明，HIFs通過上調(diào)VEGF來促進(jìn)胃癌組織血管生成進(jìn)而使腫瘤發(fā)生轉(zhuǎn)移[30]。王勇峰等[31]研究發(fā)現(xiàn)胃泌素17(G17)促進(jìn)HIF-1α的表達(dá)，進(jìn)而增強(qiáng)β-連環(huán)蛋白的核定位、轉(zhuǎn)錄因子TCF3和淋巴細(xì)胞增強(qiáng)結(jié)合因子1(LEF1)的激活，最終通過上調(diào)VEGF導(dǎo)致血管生成發(fā)生腫瘤轉(zhuǎn)移；Wang等[32]實驗表明線粒體鈣單向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(MCU)顯著增加了胃癌細(xì)胞線粒體膜電位(MMP)的水平，進(jìn)而促進(jìn)HIF-1α的表達(dá)，使VEGF上調(diào)，促進(jìn)了胃癌細(xì)胞的增殖和遷移；Yu等[33]證明了轉(zhuǎn)錄因子c-Jun通過結(jié)合HIF-1α的氧依賴性降解(ODD)結(jié)構(gòu)域發(fā)揮分子屏障功能，阻止其泛素化和降解，穩(wěn)定HIF-1α蛋白，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞的VEGF轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)，分泌增多，促進(jìn)血管生成，進(jìn)一步導(dǎo)致胃癌轉(zhuǎn)移。

上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)是胃癌侵襲和轉(zhuǎn)移的另一大重要因素，它是一個由多因素影響而產(chǎn)生的復(fù)雜生物學(xué)過程。該過程中的上皮細(xì)胞可以轉(zhuǎn)化為具有間充質(zhì)細(xì)胞。在EMT的過程中，細(xì)胞間黏附分子上皮型鈣黏附蛋白(E-cadherin)的表達(dá)量會降低或缺失，而作為間充質(zhì)細(xì)胞標(biāo)志分子的神經(jīng)型鈣黏附蛋白(N-cadherin)、波形蛋白(Vimentin)、β-連環(huán)蛋白(β-catenin)等表達(dá)量會升高，并且有研究表明這一過程導(dǎo)致周圍基質(zhì)的降解，從而導(dǎo)致侵襲和內(nèi)侵，并促進(jìn)遠(yuǎn)處癌細(xì)胞集落的重建[34]。已經(jīng)證實，缺氧是從最初的上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化到最終轉(zhuǎn)移形成的癌癥轉(zhuǎn)移過程的強(qiáng)大驅(qū)動力[35]。Ou等[13]研究發(fā)現(xiàn)在胃癌細(xì)胞中缺氧可以激活HIF-1α，HIF-1α進(jìn)一步降低了E-cadherin的表達(dá)及信號傳導(dǎo)進(jìn)而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移。近年研究發(fā)現(xiàn)幾種與EMT相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子，如Twist1、Notch、PDGF、Snail、TGF-β和ZB1等，它們的活性直接或間接受缺氧控制[36]，且其中HIF-1α起關(guān)鍵作用。鋅指轉(zhuǎn)錄因子(Snail)是E-cadherin的特異性抑制因子，通過促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的遷移和侵襲，在腫瘤的發(fā)展過程中起著至關(guān)重要的作用[37]，Yang等[38]研究發(fā)現(xiàn)HIF-1α通過上調(diào)Snail來介導(dǎo)E-cadherin表達(dá)的抑制進(jìn)而促進(jìn)胃癌的轉(zhuǎn)移。

除此之外，丁旭升等[39]發(fā)現(xiàn)位于人類染色體8q22.3上的CTHRC1基因，能夠編碼一種28 kDa的蛋白質(zhì)，在胃癌組織中表達(dá)上調(diào)，上調(diào)的CTHRC1增加了HIF-1α的基因和蛋白表達(dá)，HIF-1α促進(jìn)CXCR4的表達(dá)，最終有助于促進(jìn)細(xì)胞遷移和侵襲。

3 HIFs對胃癌治療的干預(yù)及應(yīng)對措施

缺氧會刺激腫瘤細(xì)胞增殖、抑制腫瘤細(xì)胞凋亡、促進(jìn)腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移等一系列適應(yīng)性反應(yīng)[40]。轉(zhuǎn)錄因子HIF-1α在這些過程中起著核心作用。缺氧條件下HIF-1α的表達(dá)顯著增加，提高了細(xì)胞的耐缺氧能力。因此，它也成為潛在的抗癌靶點(diǎn)[41]。此外，HIF-1α還參與了胃癌治療過程中的耐藥性，Zhao等[42]研究表明HIF-1α可能通過抑制miR-27a的表達(dá)而抑制多耐藥基因1(MDR1)的表達(dá)產(chǎn)物P-糖蛋白(P-gp)的生成和B淋巴細(xì)胞瘤-2基因(Bcl-2)的表達(dá)，進(jìn)而引起腫瘤細(xì)胞耐藥的發(fā)生，因此HIF-1α已成為治療胃癌的主要障礙。那么，如何抑制HIF-1α在胃癌中的表達(dá)成為亟待解決的問題。Cheng等[33]研究發(fā)現(xiàn)采用索拉非尼聯(lián)合5-氟尿嘧啶(5-FU)的化療方案后，胃癌組織中HIF-1α表達(dá)量明顯降低，患者術(shù)后5年生存率明顯提高；Fu等[43]研究證明在胃癌細(xì)胞中兒茶素(EGCG)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡呈劑量依賴性，EGCG可顯著抑制HIF-1α的表達(dá)，進(jìn)一步下調(diào)VEGF的表達(dá)，這為治療胃癌提供理論依據(jù)；Wakiyama K等[44]實驗證明一種HIF-1α抑制劑YC-1，可以抑制HIF-1α的表達(dá)進(jìn)一步促進(jìn)胃癌細(xì)胞凋亡，還發(fā)現(xiàn)葡萄糖和胰島素的聯(lián)合應(yīng)用(即GI療法)可以增強(qiáng)YC-1的促凋亡作用，YC-1 + GI能夠降低腫瘤中HIF-1α的表達(dá)和吡莫硝唑的積累，還可以增加腫瘤內(nèi)羥基脫氧鳥苷(8-OHdG)和細(xì)胞凋亡標(biāo)志物的含量水平。并發(fā)現(xiàn)低劑量YC-1 + GI是針對缺氧GC細(xì)胞的獨(dú)特療法，可強(qiáng)制激活胃癌細(xì)胞的氧化磷酸化，并且加速膜狀葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(GLUT1)的轉(zhuǎn)運(yùn)，提高了葡萄糖的攝取，并增加了乙酰輔酶A的含量水平，使胃癌細(xì)胞產(chǎn)生致命的活性氧(ROS)，進(jìn)而強(qiáng)烈抑制腫瘤的生長，這為腫瘤研究中抑制HIF-1α的藥物研究提供了理論基礎(chǔ)。

4 展望

通過介導(dǎo)胃癌的增殖、轉(zhuǎn)移、耐藥性和抑制癌細(xì)胞的凋亡，HIFs信號被認(rèn)為是胃癌進(jìn)展的促進(jìn)劑。盡管HIFs信號傳導(dǎo)在胃癌中取得了令人矚目的進(jìn)展，但實現(xiàn)HIFs抑制劑的系統(tǒng)臨床應(yīng)用仍面臨一些挑戰(zhàn)。首先，針對HIFs的藥物與常規(guī)化療藥物聯(lián)合的I期臨床試驗仍在進(jìn)行中；其次，對于HIFs靶向藥物的安全性和有效性，需要進(jìn)一步評估；最后，由于直接靶向HIFs的藥物范圍有限，因此還需要開發(fā)針對HIFs信號分子的新型藥物。預(yù)計將來會開發(fā)出具有HIFs信號抑制劑的新治療策略，從而改善胃癌的不良預(yù)后，延長胃癌患者的生存期。