缺氧誘導(dǎo)因子-1在心血管疾病中的作用機制研究進展

胡松青 池菊芳 郭航遠(yuǎn)

隨著全球人口老齡化加劇，心血管疾病發(fā)病率逐年增加，特別是對于70歲以上的老年人，冠心病占總死亡人數(shù)的40%以上，占過早死亡人數(shù)的85%以上，心血管疾病在世界范圍內(nèi)是主要的死亡原因。缺氧誘導(dǎo)因子-1（hypoxia-inducible factor-1,HIF-1）是轉(zhuǎn)錄因子HIF家族的一員，被廣泛認(rèn)為是治療多種疾病的關(guān)鍵，包括癌癥、哮喘等[1]。HIF-1也參與了心血管疾病的發(fā)展，本文就HIF-1在心血管疾病中的作用機制研究進展作一綜述。

1 HIF-1概述

HIF-1是對缺氧條件作出反應(yīng)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，該轉(zhuǎn)錄因子是由兩個亞基組成的異源二聚體：非氧敏感性的HIF-1β和氧敏感性的HIF-1α[2]。HIF-1β可以與多種蛋白質(zhì)結(jié)合，從而形成異源二聚體。HIF-1α是缺氧信號通路的主要調(diào)節(jié)因子，在心血管疾病中的作用較普遍。生理狀態(tài)下，HIF-1α被脯氨酸羥化酶（prolyl hydroxylase domain,PHD）羥化，進而被Von Hippel-Lindau泛素連接酶系統(tǒng)識別而降解[3]。缺氧狀態(tài)下，PHD的抑制促使HIF-1α蛋白穩(wěn)定而不被降解，HIF-1α轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核中與HIF-1β形成異源二聚體，并與基因組缺氧反應(yīng)元件（hypoxia responsive element,HRE）結(jié)合影響靶基因轉(zhuǎn)錄[1]。HIF-1α調(diào)控的靶基因包括血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor,VEGF）編碼基因、促紅細(xì)胞生成素編碼基因、葡萄糖轉(zhuǎn)運體編碼基因等，在細(xì)胞缺氧、氧化應(yīng)激以及炎癥中均發(fā)揮重要作用。一般認(rèn)為，在缺氧條件下HIF-1α可減少細(xì)胞耗氧量，減少活性氧（reactive oxygen species,ROS）的產(chǎn)生，改善心肌細(xì)胞群的供氧。

2 HIF在心血管疾病中的作用機制

2.1 血管內(nèi)皮損傷與功能障礙 內(nèi)皮細(xì)胞也稱為血管內(nèi)皮細(xì)胞，其在控制血管內(nèi)外物質(zhì)交換，維持血栓形成與溶解之間的平衡，以及調(diào)控血管生成與血管張力大小等方面發(fā)揮作用，血管內(nèi)皮損傷與許多心血管疾病的發(fā)生有著密切聯(lián)系。

HIF-1α在血管內(nèi)皮損傷中起作用。Yang等[4]采用缺氧誘導(dǎo)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（human umbilical vein endothelial cells,HUVECs）模擬缺氧誘導(dǎo)的血管內(nèi)皮損傷，發(fā)現(xiàn)缺氧狀態(tài)下的HUVECs中HIF-1α表達(dá)增加。進一步實驗證實該效應(yīng)是由于轉(zhuǎn)錄因子SP-1的表達(dá)上調(diào)導(dǎo)致HIF-1α的上游因子miR-135b表達(dá)下降所引起。該實驗第一次闡明了SP-1/miR-135b/HIF-1α軸在缺氧誘導(dǎo)的血管內(nèi)皮損傷中發(fā)揮作用。先前已有研究表明，Sirtuin1的激活可以通過降低HIF-1α的表達(dá)產(chǎn)生生物學(xué)作用[5]。值得一提的是，Liu等[6]在糖尿病模型中證實Sirtuin1的激活通過增加HIF-1α的表達(dá)來保護糖尿病心臟免受缺血再灌注損傷。上述不同效應(yīng)可能是由于Sirtuin1對于HIF-1α的作用存在組織及疾病特異性。

Sarkar等[7]的研究表明，HIF-1在心肌缺血預(yù)處理（ischemic preconditioning,IPC）的過程中發(fā)揮作用，與之相關(guān)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控被視為IPC誘導(dǎo)的心臟保護作用的主要機制。上述保護作用是由腺苷-A2BR信號通路介導(dǎo)的[8]。而先前已有研究表明，Gq-PKC信號通路可在常氧條件下誘導(dǎo)HIF-1α蛋白[9]。Hesse等[10]從心肌梗死（myocardial infarction,MI）大鼠模型的心臟表面分離出心外膜基質(zhì)細(xì)胞，在常氧條件下培養(yǎng)后證實腺苷是通過A2BR偶聯(lián)的Gq-PKC信號傳導(dǎo)來誘導(dǎo)HIF-1α蛋白?？梢?，腺苷-A2BR/Gq-PKC/HIF-1α軸是治療缺氧相關(guān)疾病的潛在作用靶點。

2.2 心肌纖維化 心肌纖維化是多種心血管疾病發(fā)展到一定階段的共同病理改變，其特征為成纖維細(xì)胞聚集和細(xì)胞外基質(zhì)過度沉積導(dǎo)致的心肌重構(gòu)、心功能受損以及心室僵硬度增加。

HIF-1α參與到心肌纖維化中，并在其中起著推動作用。Sui等[11]研究表明，HIF-1α可通過影響Smad信號分子協(xié)同增強轉(zhuǎn)化生長因子（transforming growth factor,TGF）-β1的心肌纖維化作用，抑制HIF-1α可顯著減輕心肌纖維化。Feng等[12]的實驗進一步揭示了HIF-1α與Smad信號分子在心臟纖維化中的聯(lián)系，過表達(dá)HIF-1α的心臟成纖維細(xì)胞（cardiac fibroblasts,CFs）中 Smad2、p-Smad2、Smad3和 p-Smad3蛋白表達(dá)增加，Smad7蛋白表達(dá)減少，而Smad4蛋白表達(dá)無顯著改變。當(dāng)用miR-122-5p模擬物處理過表達(dá)HIF-1α的CFs后，HIF-1α和Smad信號分子的表達(dá)水平發(fā)生逆轉(zhuǎn)，表明miR-122-5p可以抑制HIF-1α介導(dǎo)的Smad信號分子的表達(dá)。

有研究表明，HIF-1α對心臟纖維化有一定程度的保護作用。Sun等[13]通過給MI大鼠尾靜脈注射HIF-1α過表達(dá)的外泌體，觀察干預(yù)28 d后的心肌組織發(fā)現(xiàn)，相比注射普通外泌體組和PBS組，注射HIF-1α過表達(dá)的外泌體組左心室橫截面積中纖維化面積百分比和左心室內(nèi)膜纖維化長度均顯著減少。Janbandhu等[14]發(fā)現(xiàn)特異性敲除CFs中的HIF-1α基因會導(dǎo)致MI后CFs增殖增加，從而加重了MI后的纖維化程度，同樣證明HIF-1α在MI后的纖維化過程中起到一定保護作用。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，上述保護作用可能是CFs中的HIF-1α通過調(diào)節(jié)線粒體中的ROS，從而影響AKT/MAPK信號通路的表達(dá)，以阻礙CFs的增殖，使MI后成纖維細(xì)胞不會過度增殖導(dǎo)致纖維化。這為心臟的安全防護提供了新的藥物靶點和治療方向。

2.3 心肌肥厚 心肌肥厚是由多種病理性刺激因素引起的心肌細(xì)胞在長期壓力負(fù)荷下的一種適應(yīng)性反應(yīng)[15]，以維持心臟后負(fù)荷持續(xù)增加時的心臟收縮功能，其基本細(xì)胞形態(tài)學(xué)改變及病理改變?yōu)樾募〖?xì)胞肥大。

HIF-1α參與心肌肥厚過程，并起到促進作用，有報道表明SOX9參與其中，導(dǎo)致HIF-1的最終激活[16]。Yan等[17]研究發(fā)現(xiàn)，HIF-1α在心肌細(xì)胞中可由Siat7A誘導(dǎo)，并通過激活TAK1-NF-κB信號通路來加重血管緊張素Ⅱ（angiotensinⅡ,AngⅡ）誘導(dǎo)的大鼠心肌肥厚。在AngⅡ誘導(dǎo)的小鼠心肌肥厚模型中，Cbl蛋白作為一種重要的泛素蛋白連接酶，在肥厚心肌組織中呈高表達(dá)，進一步實驗證實Cbl蛋白促進了HIF-1α的表達(dá)并加重了AngⅡ誘導(dǎo)的心肌肥厚[18]。此外芹菜素被證實可抑制H9C2細(xì)胞中HIF-1α的表達(dá)，并改善由AngⅡ引起的心肌肥厚[19]。

Kumar等[20]證實，缺氧誘導(dǎo)有絲分裂因子（hypoxia-induced mitogenic factor,HIMF）在心肌肥厚中起重要作用，其分子機制涉及到HIF-1α。在乳鼠心肌細(xì)胞中，HIMF過表達(dá)能增加HIF-1α的表達(dá)，而抑制HIMF能抑制HIF-1α的上調(diào)。敲除HIF-1α能減弱HIMF導(dǎo)致的心肌細(xì)胞肥大從而抑制心肌肥厚，這或許能成為治療心肌肥厚的潛在靶點。上述研究表明，HIF-1α在心肌肥厚組織中的表達(dá)增加，可作為心肌肥厚的潛在標(biāo)志物，但HIF-1在心臟肥厚中的作用機制仍不明確。

2.4 心肌細(xì)胞凋亡 心肌細(xì)胞凋亡是細(xì)胞凋亡在心臟中的表現(xiàn)，因增殖能力有限，心肌細(xì)胞不能通過有效的細(xì)胞增殖來擴增，所以心肌細(xì)胞的異常凋亡可導(dǎo)致心臟疾病。一般認(rèn)為，缺氧會導(dǎo)致HIF-1誘導(dǎo)血管生成基因，促進血管生成，從而減輕缺氧對組織的損傷。Naito等[21]的研究表明HIF-1通過下調(diào)Hsp70相互作用蛋白的羧基末端，導(dǎo)致p53積累進而引起心肌細(xì)胞凋亡。而p53可以與HIF-1結(jié)合并抑制其活性[22]。也就是說，HIF-1既可以通過血管生成途徑起到一定程度的保護作用，又可以通過p53途徑促進細(xì)胞凋亡，而p53的積累卻從源頭上抑制HIF-1。這種p53的負(fù)反饋作用在腫瘤中能一定程度抑制腫瘤新生血管，并且通過p53介導(dǎo)的腫瘤細(xì)胞凋亡來抑制腫瘤生長。但在心臟中，會使缺氧情況惡化。在細(xì)胞實驗中，當(dāng)細(xì)胞暴露于低氧環(huán)境24 h，HIF-1α將促進心室肌細(xì)胞的凋亡。因此需要更多的實驗來探索HIF-1對心肌細(xì)胞起保護作用的條件，以更好地應(yīng)用于臨床。此外Yang等[23]還證實過表達(dá)HIF-1可以保護CFs免受凋亡，同時伴有Bax下調(diào)和Bcl-2上調(diào)。

2.5 自噬 自噬是一種由溶酶體介導(dǎo)的降解途徑，可消除受損的蛋白質(zhì)和細(xì)胞器，參與多種生理過程。越來越多的研究表明，缺氧/缺血會導(dǎo)致心臟自噬功能障礙，恢復(fù)受損的自噬通量可以減輕心肌因缺氧/缺血受損的程度[24]。因此，恢復(fù)自噬功能是治療缺氧/缺血性損傷的一種有前景的治療方法。以往的研究表明，HIF-1α/BNIP3信號通路在腫瘤和腎臟細(xì)胞中誘導(dǎo)自噬。最近在心臟缺血再灌注模型中的研究表明，缺氧/缺血條件促進HIF-1α表達(dá)，HIF-1α/BNIP3信號通路在缺氧誘導(dǎo)的自噬中發(fā)揮重要作用[25]。Li等[26]用Co-Cl2處理H9C2細(xì)胞在體外構(gòu)建缺氧模型，證實柚皮苷通過激活HIF-1α/BNIP3信號通路增加自噬通量，從而保護H9C2細(xì)胞免受CoCl2誘導(dǎo)的損傷。

2.6 血管生成 血管生成即新生毛細(xì)血管分支的發(fā)展，是缺氧的典型結(jié)果，新生毛細(xì)血管的形成增加了氧氣向缺氧細(xì)胞的運輸。HIF-1在血管生成中具有重要價值，因為它控制關(guān)鍵血管生成因子的產(chǎn)生，例如VEGF、成纖維細(xì)胞生長因子-2和TGF[27]。這些血管生成因子與內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞上的受體結(jié)合可激活血管生成與重塑。

HIF-1是VEGF的轉(zhuǎn)錄激活劑，對啟動低氧的早期細(xì)胞反應(yīng)至關(guān)重要。HIF-1α/VEGF通路參與心肌重塑和梗死周圍血管形成。上調(diào)HIF-1α/VEGF通路可以防止MI區(qū)域的擴大，并提高MI邊緣區(qū)心肌細(xì)胞的存活率[28]。Wang等[29]發(fā)現(xiàn)胃泌素通過 HIF-1α/VEGF途徑促進血管生成，從而改善MI后的心臟功能，這可能為MI提供一種替代治療方法。類似的，Sun等[30]的研究表明，HIF-1α過表達(dá)的外泌體可以逆轉(zhuǎn)缺氧引起的HUVECs遷移功能和增殖再生能力的下降。同時，HIF-1α過表達(dá)的外泌體通過促進新血管生成和抑制大鼠MI模型中的心肌纖維化來保持心臟功能。此外，在應(yīng)用HIF-1α過表達(dá)的外泌體后，體外和體內(nèi)促血管生成因子的mRNA和蛋白質(zhì)表達(dá)水平均升高。有研究表明，在糖尿病模型中HIF-1α的過表達(dá)可以恢復(fù)VEGF水平并保護糖尿病心臟的血管生成[31]。血管生成是生理學(xué)和病理生理學(xué)的基本過程，在心血管系統(tǒng)疾病特別是缺血性心臟?。╥schemic heart disease,IHD）中起到至關(guān)重要的作用。治療性血管生成有望成為IHD的新型治療手段，蛋白質(zhì)、基因、細(xì)胞和外泌體/微泡等療法能否應(yīng)用在治療性血管生成中值得進一步研究[32]。而HIF在治療性血管生成中扮演的角色以及其作用機制同樣值得探究。

2.7 鈣穩(wěn)態(tài) HIF-1α通過調(diào)節(jié)鈣穩(wěn)態(tài)介導(dǎo)HIMF誘導(dǎo)的心肌肥大，該作用可能與CaN/NFAT通路和絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase,MAPK）通路的激活相關(guān)[20]。血管鈣化可使慢性疾病復(fù)雜化，缺氧和無機磷酸鹽升高能通過HIF-1引起血管平滑肌細(xì)胞鈣化[33]。骨形成蛋白-4可作用于HIF-1的下游，通過上調(diào)經(jīng)典瞬時受體電位通道（transient receptor potential canonical,TRPC）1和TRPC6，從而降低肺動脈平滑肌細(xì)胞（pulmonary arterial smooth muscle cells,PASMCs）的胞內(nèi)鈣離子濃度，并誘導(dǎo)慢性缺氧性肺動脈高壓[34]。PASMCs內(nèi)鈣離子濃度升高需要ROS信號，尤其是超氧陰離子和H2O2[35]。抑制RhoA/ROCK信號通路可以通過依賴HIF-1α的TRPC1/4/6抑制來緩解缺氧性肺動脈高壓[36-37]。而TRPC5介導(dǎo)HIF-1α在細(xì)胞核內(nèi)聚集，刺激VEGF轉(zhuǎn)錄，從而促進血管生成[38]。在缺乏細(xì)胞外鈣離子和電壓依賴性鈣通道抑制劑硝苯地平的情況下，缺氧引起的鈣離子濃度升高效應(yīng)減弱。有趣的是，HIF-1依賴的內(nèi)皮素導(dǎo)致電壓門控K+（Kv）通道活性降低，隨后鈣離子濃度升高[39]。綜上所述，HIF-1可通過調(diào)節(jié)鈣通道，影響細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)，在心血管疾病特別是肺動脈高壓的發(fā)展中發(fā)揮作用。

3 展望

缺氧在心血管疾病發(fā)生中十分普遍，HIF-1作為缺氧的作用靶點，廣泛參與了動脈粥樣硬化、高血壓、先天性心臟病、心肌病等心血管疾病的進展。本文提及了一些HIF-1在心血管疾病中的已知作用機制：血管內(nèi)皮損傷與功能障礙、心肌纖維化、心肌肥厚、心肌細(xì)胞凋亡、自噬、血管生成，以期能對包括心血管疾病在內(nèi)的缺氧相關(guān)性疾病的研究與臨床治療提供新的思路。