HIF-1介導(dǎo)的自噬在心臟疾病中的研究進展

張劉杰，李 靜，吳 博*

(1.哈爾濱醫(yī)科大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院 病理生理學(xué)教研室,黑龍江 哈爾濱 150086；2.哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院 老年病科，黑龍江 哈爾濱 150081)

心血管疾病(cardiovascular disease)嚴(yán)重威脅人類健康，當(dāng)今中國心血管疾病發(fā)病率快速增加，且往往導(dǎo)致猝死或心力衰竭。自噬與心臟疾病關(guān)系密切，適度自噬對缺血心肌具有保護作用，而自噬過強則參與缺血再灌注損傷的發(fā)生[1]。缺血缺氧狀態(tài)下，心肌自噬的調(diào)控機制尚不清楚。低氧誘導(dǎo)因子1(hypoxia-inducible factor 1，HIF-1)參與心肌自噬調(diào)控[2]。HIF-1作為機體重要的轉(zhuǎn)錄因子，通過調(diào)控靶基因表達(dá)維持機體供氧和需氧平衡，保持所有細(xì)胞的氧穩(wěn)態(tài)[3]。本文簡要綜述在心臟疾病中有關(guān)HIF-1對自噬的調(diào)節(jié)作用。

1 HIF-1概述

HIF是由α亞基(HIF-α)和β亞基(HIF-β)構(gòu)成的異源二聚體，包括HIF-1α、HIF-2α和HIF-3α 3種亞型，其中對于HIF-1α的研究最清楚[3]。HIF-1α是HIF-1的功能亞基，其蛋白表達(dá)受機體氧含量的精確調(diào)節(jié)，它決定HIF-1的轉(zhuǎn)錄活性[3]。

HIF-1蛋白水平的高低決定于細(xì)胞所處環(huán)境的氧含量。生理狀態(tài)下，HIF-1α蛋白水平極低[4]。但在低氧狀態(tài)下，由于羥化過程受到抑制，HIF-1α無法降解，HIF-1α快速積累于胞質(zhì)內(nèi)，通過募集其他相關(guān)輔助蛋白形成復(fù)合體后，HIF-1α最終轉(zhuǎn)入細(xì)胞核，與靶基因DNA的低氧反應(yīng)元件(hypoxia res-ponse element,HRE)相結(jié)合，完成對靶基因轉(zhuǎn)錄的激活[4]。

HIF-1下游靶基因眾多，包括編碼調(diào)控紅細(xì)胞增值的促紅細(xì)胞生成素(erythropoietin，EPO)和編碼調(diào)控血管生成的血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)，兩者均與心血管系統(tǒng)功能密切相關(guān)[4]。

2 自噬及其調(diào)節(jié)

自噬是一種進化過程中高度保守的生物現(xiàn)象，是細(xì)胞清除受損大分子和細(xì)胞器的主要途徑。自噬包括3種類型，即巨自噬(macroautophagy)、微自噬(microautophagy)和分子伴侶介導(dǎo)自噬(chaperone-mediated autophagy)[5]。自噬通過清除被降解蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)，不但調(diào)節(jié)機體基礎(chǔ)代謝，而且與心血管疾病、神經(jīng)退行性病變、腫瘤、衰老和糖尿病等密切相關(guān)[5]。自噬對機體發(fā)揮保護或損傷作用，取決于自噬發(fā)生程度及細(xì)胞所處的特定條件[5]。自噬的發(fā)生受營養(yǎng)缺乏、氧化應(yīng)激及線粒體功能異常等諸多因素調(diào)節(jié)[5]。

自噬的調(diào)節(jié)主要依賴于哺乳動物雷帕霉素靶蛋白mTOR (mammalian target of rapamycin)途徑，mTOR屬于磷酸肌醇激酶3相關(guān)激酶家族，是PI3K/Akt的下游底物，是機體整合營養(yǎng)狀況與細(xì)胞增殖的主要調(diào)節(jié)信號。營養(yǎng)缺乏等刺激因素通過調(diào)節(jié)PI3K/AKT/mTOR 通路，募集自噬相關(guān)基因(autophagy associated gene,ATG)家族蛋白完成自噬泡的形成[6]。細(xì)胞饑餓時ATP/AMP 比值的變化通過激活5-AMP-activated protein kinase(AMPK)抑制mTOR，繼而影響自噬[7]。通過ATG家族蛋白的作用，自噬泡延伸形成自噬小體，最終與溶酶體融合，降解目標(biāo)內(nèi)容物[7]。

3 HIF-1介導(dǎo)的自噬與心臟疾病

3.1 自噬與心臟疾病

心肌自噬水平與心血管疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。缺血-再灌注(ischemia-reperfusion，I/R)損傷是研究自噬對缺血性心臟病影響的重要模型。在小鼠I/R損傷模型中，缺血通過AMPK/mTOR途徑激活自噬，增強的自噬在缺血過程中發(fā)揮保護作用；再灌注過程中自噬由Beclin1調(diào)控，且不依賴于AMPK，再灌注時過度的自噬導(dǎo)致細(xì)胞損傷[1，8-9]。同樣，在I/R損傷模型中，絲裂原活化蛋白激酶磷酸酶(DUSP1)通過下調(diào)再灌注自噬水平保護心肌，與野生型小鼠相比，DUSP1轉(zhuǎn)基因小鼠心肌損傷較輕，DUSP1在I/R損傷過程中通過JNK通路抑制BNIP3磷酸化水平和線粒體自噬[10]。在缺血后適應(yīng)過程中，天然化合物小檗胺(berbamine)通過激活PI3K/AKT信號通路下調(diào)再灌注早期心肌細(xì)胞自噬水平，改善I/R損傷后的心臟功能[11]。此外，沖擊波治療通過AMPK/mTOR 通路增強低氧狀態(tài)下大鼠心肌細(xì)胞系H9c2自噬，發(fā)揮細(xì)胞保護作用[12]。綜上所述，心肌自噬水平與心肌損傷程度關(guān)系密切，適度增加缺血心肌自噬，降低再灌注心肌自噬，是缺血性心臟病治療的新方向。

3.2 HIF-1調(diào)節(jié)自噬的機制

HIF-1下游靶基因BNIP3參與心血管系統(tǒng)中HIF-1對自噬的調(diào)節(jié)[13]。Bcl-2/adenovirus E1B 19-kDa interacting protein 3(BNIP3)是Bcl-2家族成員，它主要存在于線粒體外膜，其N末端位于胞質(zhì)側(cè)，C末端位于線粒體內(nèi)，是低氧心肌細(xì)胞中明顯上調(diào)的基因之一[14]。BNIP3基因啟動區(qū)包含低氧反應(yīng)元件HRE，故低氧狀態(tài)下BNIP3蛋白表達(dá)受HIF-1調(diào)控。低氧狀態(tài)下HIF-1上調(diào)誘導(dǎo)BNIP3蛋白表達(dá)增加，BNIP3破壞Bcl-2/Bcl-XL和Beclin1之間的結(jié)合，導(dǎo)致Beclin1大量釋放，繼而誘發(fā)自噬[15]。BNIP3可通過促進自噬小體形成而提高自噬[16]。

3.3 HIF-1介導(dǎo)的自噬與心臟病和慢性缺氧的關(guān)系

3.3.1 HIF-1介導(dǎo)的自噬與缺血性心臟?。篐IF-1參與調(diào)節(jié)缺血心肌自噬。在大鼠冠狀動脈結(jié)扎復(fù)制的I/R損傷模型中，I/R誘導(dǎo)HIF-1α和下游靶基因BNIP3蛋白水平升高，伴有自噬標(biāo)志蛋白水平升高[2，17]。在無氧與無糖培養(yǎng)的類心肌細(xì)胞H9c2中，利用siRNA敲減HIF-1α或BNIP3蛋白水平導(dǎo)致自噬水平降低，相反，過表達(dá)HIF-1α或BNIP3能夠提高自噬[2，7]。提示在缺血缺氧的過程中，上調(diào)的HIF-1蛋白及靶基因表達(dá)產(chǎn)物BNIP3蛋白可促進心肌自噬。

缺血缺氧狀態(tài)下機體內(nèi)源性調(diào)節(jié)因素的變化可以通過HIF-1影響心肌自噬。有關(guān)降脂藥前蛋白轉(zhuǎn)化酶枯草溶菌素9型(proprotein convertase subtilisin/kexin type 9，PCSK9)的研究表明，在小鼠心肌缺血時，內(nèi)源性PCSK9表達(dá)增高并伴有自噬增強，而利用siRNA敲減心肌細(xì)胞HIF-1α蛋白導(dǎo)致缺氧狀態(tài)下PCSK9表達(dá)減少及自噬水平降低，說明PCSK9對缺血心肌自噬的調(diào)節(jié)與HIF-1相關(guān)[18]。一項有關(guān)雌激素對心血管保護作用的研究顯示，過表達(dá)雌激素受體(ERβ)的H9c2細(xì)胞經(jīng)過缺氧處理后，HIF-1α、BNIP3和LC3-Ⅱ蛋白表達(dá)均減少，伴有凋亡降低，說明ERβ對缺氧心肌的保護作用與其影響HIF-1α及自噬有關(guān)[19]。

藥物可以通過調(diào)節(jié)HIF-1蛋白水平，干預(yù)缺血心肌自噬程度。中藥三七總皂苷上調(diào)HIF-1α、BNIP3和自噬標(biāo)志蛋白的表達(dá)，該藥物通過上調(diào)HIF-1α介導(dǎo)自噬增強，從而發(fā)揮心肌保護作用[20]。缺血后適應(yīng)能夠改善I/R時心肌損傷程度，而在缺血后適應(yīng)過程中麻醉藥七氟醚的應(yīng)用，能夠進一步減輕心肌損傷，七氟醚的心肌保護作用與其上調(diào)HIF-1α引發(fā)自噬增強有關(guān)[21]。

上述研究證明，缺血或缺氧時心肌自噬程度的增強與HIF-1α及其靶基因表達(dá)產(chǎn)物BNIP3蛋白上調(diào)密切相關(guān)。

3.3.2 HIF-1介導(dǎo)的自噬與心力衰竭和慢性缺氧：有關(guān)HIF-1α與壓力負(fù)荷過度所致心力衰竭關(guān)系的研究顯示，缺乏HIF-1α可加速心力衰竭進展。條件性敲除心肌細(xì)胞HIF-1α，一方面導(dǎo)致HIF-1α靶基因VEGF表達(dá)減少，另一方面引起自噬水平過低，上述兩方面原因加速代償肥大的心肌組織的缺血進程[4]。相反，熱休克轉(zhuǎn)錄因子1通過上調(diào)HIF-1α蛋白表達(dá)，增強心肌自噬水平，延緩心力衰竭進展[22]。

低氧(10% O2)提高心肌HIF-1α和Beclin-1蛋白表達(dá)，增強的自噬抑制心肌凋亡；而高氧(30% O2)條件下自噬程度降低，導(dǎo)致心肌損傷增重[23]。孕期生活于海拔3 000 m高原的孕羊，回到平原地區(qū)分娩幼仔，乳羊心臟HIF-1α、LC3B-Ⅱ蛋白水平和 LC3B-Ⅱ/LC3B-I比值均升高[24]。綜上，在慢性低氧導(dǎo)致的心肌損害中，HIF-1α蛋白水平的增高引起心肌自噬增強。

綜上所述，自噬與心臟疾病關(guān)系密切，缺血低氧時轉(zhuǎn)錄因子HIF-1α的上調(diào)促進心肌自噬，HIF-1α靶基因表達(dá)產(chǎn)物BNIP3蛋白參與此調(diào)節(jié)過程。

4 問題與展望

自噬與心臟疾病緊密關(guān)聯(lián)?，F(xiàn)有研究表明，HIF-1調(diào)節(jié)心血管系統(tǒng)細(xì)胞自噬，HIF-1靶基因表達(dá)產(chǎn)物BNIP3蛋白參與此調(diào)節(jié)過程。除HIF-1外，其他因素如轉(zhuǎn)錄因子FoxO3a同樣上調(diào)BNIP3蛋白表達(dá)和自噬水平，所以心肌自噬過程中BNIP3蛋白表達(dá)的變化是否僅與HIF-1有關(guān)，尚不明確。HIF-1靶基因表達(dá)產(chǎn)物BNIP3調(diào)節(jié)自噬的機制也不清楚。進一步研究，有助于揭示HIF-1對心肌自噬的調(diào)控機制，為心臟疾病的防治提供新思路。