缺氧誘導(dǎo)因子-1α和幽門螺桿菌在胃癌中的研究進(jìn)展△

李文茜，王學(xué)紅，朱思雨，劉曙

1青海大學(xué)研究生院，西寧 810016

2青海大學(xué)附屬醫(yī)院消化內(nèi)科，西寧 810000

胃癌是一種起源于胃黏膜上皮細(xì)胞的惡性腫瘤，其惡性程度高、異質(zhì)性強(qiáng)、預(yù)后較差[1]，發(fā)病率和病死率在惡性腫瘤中均居前列，對(duì)人類的健康和生命安全產(chǎn)生巨大的威脅[2]。腫瘤快速和不受控制的增殖限制了氧氣的供應(yīng)，因此血液供應(yīng)不足或缺氧是幾乎所有實(shí)體瘤的典型微環(huán)境特征[3-4]。研究報(bào)道證明，缺氧在腫瘤形成過程中具有重要作用[5]。缺氧產(chǎn)生瘤內(nèi)氧梯度，有助于腫瘤的可塑性和異質(zhì)性，并促進(jìn)更具侵襲性和轉(zhuǎn)移性的表型[6]，在這個(gè)過程中，一個(gè)關(guān)鍵的標(biāo)志就是缺氧誘導(dǎo)因子-1α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）的表達(dá)增加，HIF-1α在因缺氧而觸發(fā)的細(xì)胞機(jī)制中發(fā)揮著核心作用，是目前發(fā)現(xiàn)的唯一一個(gè)在缺氧狀態(tài)下可以發(fā)揮活性的核轉(zhuǎn)錄因子，是專一調(diào)節(jié)氧穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵性介質(zhì)[7]。幽門螺桿菌（Helicobacter pylori，Hp）是一種革蘭陰性微需氧細(xì)菌[8]，與胃炎、消化性潰瘍和胃癌等多種胃病的發(fā)展有關(guān)[8]，Hp也被世界衛(wèi)生組織（WHO）列為胃癌的最高警示級(jí)別的Ⅰ類致癌物。本綜述簡(jiǎn)要總結(jié)了Hp感染與HIF-1α之間的相關(guān)性，以及兩者的相互作用對(duì)胃癌產(chǎn)生所起的關(guān)鍵作用，為進(jìn)一步研究提供幫助。

1 Hp與胃癌

Hp感染被廣泛認(rèn)為會(huì)增加患胃癌的風(fēng)險(xiǎn)，其可以獨(dú)特地在惡劣的胃環(huán)境中存在數(shù)十年，會(huì)破壞胃黏膜并改變胃激素釋放模式，從而影響胃生理[9-10]。Hp通過利用各種毒力因子，靶向不同的細(xì)胞蛋白來調(diào)節(jié)宿主的炎癥反應(yīng)，同樣會(huì)改變胃微生物群的組成[11]和許多信號(hào)通路，導(dǎo)致了有利于細(xì)胞增殖和凋亡的矛盾反應(yīng)，這些改變可能會(huì)增加患胃癌的風(fēng)險(xiǎn)，并且是造成大約90%的腸型胃癌的原因[12]。WHO在1994年根據(jù)觀察性研究將Hp歸類為胃癌Ⅰ類致癌物[13]。2000年，一項(xiàng)研究顯示了Hp治療對(duì)蒙古沙鼠胃癌的預(yù)防作用，根除Hp的沙鼠再患?xì)埼赴┑母怕蚀蟠蠼档蚚14]。在大多數(shù)國家，Hp的患病率仍然很高，在北歐和北美，約1/3的成年人有Hp感染，而在南歐和東歐、南美和亞洲，Hp的患病率通常高于50%[15]。在Hp感染檢測(cè)結(jié)果呈陽性的患者中，與不進(jìn)行治療相比，加用Hp根除治療可降低十二指腸潰瘍或胃潰瘍的發(fā)病率。盧光榮等[16]的研究結(jié)果表明，輕、中度胃黏膜腸上皮化生（intestinal metaplasia，IM）患者根除Hp后IM程度較未根除Hp患者輕。Choi等[17]研究證實(shí)，接受過Hp根除的早期胃癌患者的異時(shí)性胃癌發(fā)生率較低，證明如果發(fā)現(xiàn)Hp感染，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行根除。研究表明，Hp能夠通過細(xì)菌毒力因素、宿主因素和環(huán)境因素之間的復(fù)雜作用對(duì)胃黏膜細(xì)胞形成致癌影響，但該過程所涉及的確切機(jī)制仍不清楚。HIF-1α存在于所有細(xì)胞中，其在腫瘤領(lǐng)域的研究較為成熟。也有研究表明，胃上皮Hp感染通過介導(dǎo)HIF-1α的穩(wěn)定性，誘導(dǎo)細(xì)胞增殖，抑制細(xì)胞凋亡，并最終有胃上皮的致癌作用[18]。

2 HIF-1α與胃癌

2.1 HIF-1α的基本結(jié)構(gòu)和功能

Semenza和Wang[19]于1992年發(fā)現(xiàn)HIF-1，HIF-1是一種異二聚體，由PAS家族的兩個(gè)基本螺旋-環(huán)-螺旋蛋白組成：一個(gè)氧敏感的α亞基和一個(gè)組成型表達(dá)的β亞基，是可介導(dǎo)病理性和生理性低氧性反應(yīng)的關(guān)鍵性轉(zhuǎn)錄因子[20]，其靶基因涉及眾多病理生理機(jī)制[21]。唯一決定HIF-1活性的氧調(diào)節(jié)亞基是HIF-1α。脯氨酸羥化酶（prolyl hydroxylase，PHD）是在哺乳動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)的HIF保存的羥化酶，具有3種亞型：PHD1、PHD2和PHD3，作為HIF-1α氧傳感器的調(diào)節(jié)劑參與HIF-1α的降解。

在常氧時(shí)，亞基中的保守脯氨酸殘基通過氧氣依賴性PHDS羥基化，α亞基水平受到泛素依賴性蛋白酶體的調(diào)節(jié)，很快通過蛋白酶降解[6]，因此幾乎檢測(cè)不到其表達(dá)[22]；而低氧時(shí)，HIF-1α可避免被PHD羥基化，其α亞基的降解被阻斷，而被強(qiáng)烈誘導(dǎo)表達(dá)[23]，并與HIF-1β結(jié)合形成有活性的HIF-1，從而啟動(dòng)50多種下游基因，如環(huán)氧化酶-2（cyclooxygenase-2，COX-2）、促紅細(xì)胞生成素（erythropoietin，EPO）、p53、血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）等的轉(zhuǎn)錄，使血管生成增多，細(xì)胞無氧代謝增加，使得腫瘤細(xì)胞在缺氧環(huán)境下可以繼續(xù)存活和增殖[24]。

2.2 HIF-1α與胃癌的關(guān)系

HIF-1α參與了多種疾病的發(fā)生與發(fā)展，包括對(duì)腫瘤缺氧基因表達(dá)的調(diào)節(jié)和參與缺氧相關(guān)的信號(hào)通路。張國福[25]對(duì)肝細(xì)胞肝癌（hepatocellular carcinoma，HCC）患者手術(shù)前后血清中HIF-1α進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)肝動(dòng)脈栓塞術(shù)（transcatheter arterial embolization，TAE）治療后的HCC患者短期預(yù)后可通過血清HIF-1α的表達(dá)來評(píng)估，術(shù)后患者血清HIF-1α水平會(huì)增高，而升高較少的患者有較理想的腫瘤緩解狀況。在胃癌這種缺氧環(huán)境下，HIF-1α的表達(dá)增加會(huì)促進(jìn)腫瘤血管生成[26]、調(diào)節(jié)下游轉(zhuǎn)錄因子并作為激活劑促進(jìn)miRNA-421在胃癌細(xì)胞中高表達(dá)，從而抑制細(xì)胞凋亡[27]。高國安和高超[28]研究發(fā)現(xiàn)，HIF-1α蛋白在胃癌組織中的陽性率高于癌旁組織，且HIF-1α的表達(dá)與患者的臨床特征相關(guān)，高表達(dá)HIF-1α的胃癌患者預(yù)后不良。

有研究表明，Hp感染可以從多方面誘導(dǎo)HIF-1α的表達(dá)增加，而高表達(dá)的HIF-1α也會(huì)增強(qiáng)Hp的感染力[29]。HIF-1α在感染Hp期間的宿主防御系統(tǒng)中參與增強(qiáng)caspase 1活化和白細(xì)胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）釋放，以進(jìn)一步加強(qiáng)Hp的感染力，這在胃癌發(fā)生發(fā)展中尤為重要，在降低胃癌發(fā)病率、殘胃癌復(fù)發(fā)率和延長腫瘤患者生存期方面均可提供指導(dǎo)和幫助。本文從幾個(gè)方面敘述Hp如何誘導(dǎo)HIF-1α的表達(dá)。

3 Hp和HIF-1α的相互作用

3.1 Hp對(duì)HIF-1α的影響

缺氧會(huì)導(dǎo)致PHD活性下降，降解減少，從而導(dǎo)致HIF-1α蛋白增加，促進(jìn)與多種細(xì)胞反應(yīng)相關(guān)的基因表達(dá)，包括糖酵解代謝增加、血管生成、細(xì)胞存活和上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化，這些都對(duì)腫瘤進(jìn)展很重要[30]，因此，HIF-1α的激活被認(rèn)為是胃癌進(jìn)展的關(guān)鍵步驟。大多數(shù)人感染Hp都沒有明顯的臨床癥狀，但均顯示慢性炎癥，由于免疫細(xì)胞在炎癥部位浸潤過程中對(duì)氧氣的需求增加，導(dǎo)致各種表現(xiàn)出炎癥的組織會(huì)出現(xiàn)局部缺氧[31]。有研究表明，Hp感染期間會(huì)使組織缺氧，并促進(jìn)HIF-1α的激活。張艷杰和李彥冬[32]通過對(duì)胃癌手術(shù)患者行13C呼氣試驗(yàn)，并采用免疫組化法檢測(cè)HIF-1α表達(dá)情況，結(jié)果顯示，Hp陽性的胃癌患者胃癌組織中HIF-1α呈高表達(dá)狀態(tài)，陰性患者呈低表達(dá)狀態(tài)。Hp感染可以誘導(dǎo)HIF-1α的表達(dá)，因此控制Hp可以達(dá)到預(yù)防及治療胃癌的目的。

除缺氧外，HIF-1α還可以通過不依賴缺氧的機(jī)制誘導(dǎo)，這些機(jī)制包括酪氨酸激酶受體和下游磷脂酰肌醇-3-羥激酶（phosphatidylinositol 3-hydroxy kinase，PI3K）/蛋白激酶 B（protein kinase B，PKB，又稱AKT）/雷帕霉素靶蛋白（mechanistic target of rapamycin kinase，MTOR）通路的激活，以及活性氧（reactive oxygen species，ROS）的產(chǎn)生。也有研究表明，Hp感染不僅通過信號(hào)通路，還可通過尿素酶、毒力因子等的產(chǎn)生來誘導(dǎo)HIF-1α表達(dá)[33]。

3.1.1 信號(hào)通路 在胃上皮細(xì)胞中，Hp感染改變了許多信號(hào)通路，導(dǎo)致了有利于增殖和凋亡的相互矛盾的反應(yīng)。關(guān)于與Hp誘導(dǎo)的細(xì)胞周期進(jìn)程相關(guān)的信號(hào)通路，PI3K/AKT通路受到了相當(dāng)多的關(guān)注[34]。Canales等[35]通過細(xì)胞學(xué)方法，在Hp感染前后的胃癌細(xì)胞系A(chǔ)GS中分別放入PI3K抑制劑、AKT抑制劑和MTOR抑制劑，并用蛋白質(zhì)印跡法測(cè)定HIF-1α的表達(dá)量，結(jié)果顯示，加入PI3K抑制劑后完全消除了對(duì)HIF-1α的誘導(dǎo)；而使用AKT抑制劑并不有效，證明Hp感染導(dǎo)致PI3K激活的刺激通過AKT和MTOR的下游激活增加HIF-1α蛋白水平，Hp誘導(dǎo)的PI3K/AKT激活是短暫的，在感染后相對(duì)較早發(fā)生，并且遵循與HIF-1α誘導(dǎo)相似的動(dòng)力學(xué)[36]。也有研究結(jié)果表明，Hp感染的胃細(xì)胞促進(jìn)了對(duì)PI3K/MTOR有依賴性的HIF-1α的誘導(dǎo)，使HIF-1α易位至細(xì)胞核，發(fā)揮其作為轉(zhuǎn)錄因子的作用[37]。在感染的情況下，該途徑的激活與通過誘導(dǎo)β-連環(huán)蛋白/轉(zhuǎn)錄因子淋巴樣增強(qiáng)因子結(jié)合因子（lymphoid enhancer binding factor，LEF）依賴性轉(zhuǎn)錄、細(xì)胞存活和細(xì)胞遷移以及通過MTOR激活增強(qiáng)蛋白質(zhì)合成有關(guān)[38]。

3.1.2 ROS 機(jī)體內(nèi)含氧并且性質(zhì)活潑的物質(zhì)被統(tǒng)稱為ROS，缺氧伴隨著ROS的增加[39]。有研究表明，Hp感染通過Hp本身或NADPH產(chǎn)生過多的ROS[40]，并上調(diào)人胃上皮細(xì)胞AGS和GES-1中HIF-1α的表達(dá)[41]，尤其是胃上皮的Hp感染和ROS介導(dǎo)的HIF-1α穩(wěn)定被認(rèn)為可誘導(dǎo)細(xì)胞增殖、抑制細(xì)胞凋亡并最終有利于胃上皮的癌變。ROS介導(dǎo)HIF-1α的轉(zhuǎn)錄和翻譯調(diào)控，最近的假說表明，ROS通過誘導(dǎo)PI3K/AKT和細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）磷酸化在缺氧條件下增加HIF-1α的轉(zhuǎn)錄[42]。研究表明，低氧條件導(dǎo)致ROS的產(chǎn)生和HIF-1α的穩(wěn)定，尤其是線粒體復(fù)合物Ⅲ產(chǎn)生的ROS負(fù)責(zé)在缺氧期間穩(wěn)定HIF-1α。研究表明，ROS介導(dǎo)PHD抑制和常氧條件下HIF-1α的穩(wěn)定[43]。ROS和HIF-1α信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)長期以來被認(rèn)為與許多疾病的病理學(xué)有關(guān)，包括腫瘤、炎癥性疾病和缺血性損傷。

3.1.3 基因蛋白 Hp感染人體后會(huì)產(chǎn)生多種毒力因子，細(xì)胞毒素相關(guān)蛋白A（cytotoxin associated gene product A，CagA）及空泡細(xì)胞A（vacuolating cytotoxin A，VacA）是目前研究最多且致病力較強(qiáng)的兩種毒力因子，其與慢性胃炎和胃癌的發(fā)生密切相關(guān)。高毒性菌株表達(dá)致癌蛋白CagA，會(huì)使炎癥反應(yīng)加劇，并且在幾種動(dòng)物模型中都與促進(jìn)腫瘤形成有關(guān)。Sirtuins蛋白家族SIRT3（recombinant Sirtuin 3，SIRT3）被稱為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+）依賴性脫乙酰酶，線粒體SIRT3通過抑制HIF-1α的表達(dá)成為腫瘤抑制因子。CagA+Hp感染還通過下調(diào)SIRT3的活性增加HIF-1α的表達(dá)，類似于胃上皮細(xì)胞的缺氧狀態(tài)。相反，SIRT3的過表達(dá)則抑制了HIF-1α蛋白的穩(wěn)定性，并減弱了缺氧條件下HIF-1α轉(zhuǎn)錄活性的增加[44]。此外，在過表達(dá)SIRT3的胃上皮細(xì)胞中，CagA+Hp減弱了HIF-1α的穩(wěn)定性及轉(zhuǎn)錄活性，缺乏CagA+的特定菌株無法誘導(dǎo)HIF-1α是因?yàn)镃agA的缺乏導(dǎo)致脲酶活性降低，這還需要繼續(xù)研究?？傊?，這些發(fā)現(xiàn)為SIRT3在CagA+Hp介導(dǎo)的胃癌發(fā)生中的潛在作用以及通過抑制HIF-1α預(yù)防腫瘤的可能靶點(diǎn)提供了有價(jià)值的見解。

3.1.4 尿素酶 胃腔的低pH值是細(xì)菌生長的主要限制因素，為了克服這一點(diǎn)，Hp表達(dá)高水平的尿素酶，這種酶催化尿素水解產(chǎn)生氨，從而緩沖細(xì)菌的細(xì)胞質(zhì)和直接環(huán)境。Hp尿素酶對(duì)感染的重要性已在動(dòng)物模型中得到證實(shí)，表明缺乏該酶的突變菌株無法持續(xù)定植于胃黏膜。Valenzuela等[33-34]的研究中采用的CagA突變菌株存在一些導(dǎo)致尿素酶蛋白和活性降低的額外缺陷，這使得該特定菌株無法誘導(dǎo)HIF-1α，表明Hp尿素酶負(fù)責(zé)胃細(xì)胞中的HIF-1α誘導(dǎo)。也有研究表明Hp尿素酶作為配體可以通過胃細(xì)胞中的Toll樣受體2（Toll-like receptor 2，TLR2）信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)誘導(dǎo)HIF-1α活化，從而確定了Hp尿素酶的非酶作用[37]。

3.2 HIF-1α對(duì)Hp的影響

有研究表明，HIF-1α在Hp介導(dǎo)的胃炎中具有保護(hù)作用，Hp感染期間會(huì)使組織缺氧，并促進(jìn)HIF-1α的激活。同樣，當(dāng)缺氧時(shí)，HIF-1α的產(chǎn)生也會(huì)加強(qiáng)Hp的感染吞噬作用[29]。Abass等[45]的研究假設(shè)Hp誘導(dǎo)的炎癥小體激活可能受氧氣條件的影響，在該研究的小鼠感染模型中，IL-1β的產(chǎn)生也受到HIF-1α抑制劑的影響，表明HIF-1α在感染Hp期間的宿主防御系統(tǒng)中參與增強(qiáng)caspase 1活化和IL-1β釋放，以進(jìn)一步加強(qiáng)Hp的感染力。

在之前的研究中，IL-1β和IL-18的上調(diào)在人類免疫細(xì)胞和動(dòng)物模型的胃組織中得到證實(shí)，進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)缺氧條件下Hp吞噬作用升高可能是NOD樣受體熱蛋白結(jié)構(gòu)域相關(guān)蛋白3（NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3，NLRP3）激活增強(qiáng)的原因，通過激活NLRP3炎癥小體產(chǎn)生的IL-1β升高會(huì)引發(fā)炎癥反應(yīng)，例如中性粒細(xì)胞浸潤并減少胃酸分泌，從而幫助細(xì)菌定植并長期存活[46]。也有實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在感染前用HIF-1α抑制劑處理巨噬細(xì)胞可顯著降低缺氧條件下巨噬細(xì)胞吞噬Hp的速率，其原因可能與HIF-1α介導(dǎo)的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)參與Hp吞噬作用上游的觸發(fā)狀態(tài)有關(guān)[47]，并且還需要進(jìn)一步的研究來探索Hp感染期間在缺氧條件下增強(qiáng)細(xì)胞因子產(chǎn)生和吞噬作用的其他機(jī)制。HIF-1α在不同海拔地區(qū)的差異性很大，高海拔地區(qū)典型的環(huán)境表現(xiàn)是低氧和低壓，而其正是導(dǎo)致疾病發(fā)生的根本原因，低氧環(huán)境下，HIF-1α被激活[48]。來自青海省的一份對(duì)于Hp的研究表明，果洛地區(qū)患者抗Hp抗體陽性表達(dá)率顯著低于西寧和格爾木地區(qū)患者，不同海拔地區(qū)胃癌患者抗Hp抗體陽性表達(dá)率不同[49]。也有一份來自西藏自治區(qū)的研究證明，定居高海拔地區(qū)的藏族居民Hp感染陽性率比移居居民高，這可能與高原缺氧居住環(huán)境相關(guān)[50]。但是Hp的感染率及感染強(qiáng)度是否與HIF-1α相關(guān)還需要更多的研究證明。

4 小結(jié)與展望

本綜述總結(jié)了胃癌中Hp和HIF-1α之間的相互作用，Hp感染通過氧氣、信號(hào)通路、炎癥因子、毒力因子、尿素酶和其他如髓細(xì)胞白血病因子-1（myeloid cell leukemia-1，Mcl-1）、VEGF和Lon蛋白酶等的表達(dá)介導(dǎo)HIF-1α蛋白表達(dá)[51]。HIF-1α的增加通過NLRP3炎癥小體和IL-1β的激活增強(qiáng)又加強(qiáng)了Hp的感染力。這些研究表明，Hp的缺氧或非缺氧途徑激活HIF-1α表達(dá)以及缺氧條件下HIF-1α的增加使得Hp更難被根除，這些都可能是加速胃癌發(fā)生的主要原因。本文依據(jù)近些年來有關(guān)胃癌和Hp的研究報(bào)道，從Hp和HIF-1α相互影響的角度深入探討了胃癌發(fā)展的分子機(jī)制。胃癌雖然是由多因素引起且形態(tài)異質(zhì)的腫瘤，但Hp感染占主要因素，使其成為靶向療法的靶點(diǎn)，從而可以為制訂最佳治療方案提供借鑒。