運(yùn)動(dòng)干預(yù)抗癌機(jī)制：HIF-1α信號(hào)通路調(diào)控作用的研究進(jìn)展

孔健達(dá)，穆玉晶，朱 磊

低氧誘導(dǎo)因子-1α(HIF-1α)是低氧誘導(dǎo)因子-1(HIF-1)的一個(gè)亞基，通過激活低氧敏感轉(zhuǎn)錄因子來實(shí)現(xiàn)細(xì)胞對(duì)缺氧的反應(yīng)，該因子在物種之間高度保守，并在身體內(nèi)的大多數(shù)組織中表達(dá)[1]。HIF-1α的靶標(biāo)基因可以增加氧的轉(zhuǎn)運(yùn)，如通過促紅細(xì)胞生成素介導(dǎo)的促紅細(xì)胞生成和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)誘導(dǎo)的血管生成，或通過增加葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體和糖酵解酶的表達(dá)來改善低氧可利用性下的組織功能[2]。腫瘤細(xì)胞經(jīng)常受低氧、營(yíng)養(yǎng)(葡萄糖和氨基酸)和因血管系統(tǒng)和血液供應(yīng)不足而導(dǎo)致的能量流失等影響[3],而這些應(yīng)激條件正是使腫瘤細(xì)胞增殖，觸發(fā)其惡性轉(zhuǎn)化機(jī)制，使其克服或逃避抗腫瘤免疫監(jiān)視，避免細(xì)胞衰老和凋亡的關(guān)鍵因素[4-5]，最終導(dǎo)致了腫瘤的發(fā)展、遺傳的不穩(wěn)定、化療和放射耐藥性的發(fā)展乃至不良的預(yù)后[6]。運(yùn)動(dòng)可以調(diào)控HIF-1的表達(dá)[7-8]，且一些高質(zhì)量的綜述總結(jié)了對(duì)高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)或暴露于低氧環(huán)境中所造成的壓力的分子反應(yīng)[9-10]，這種低氧狀態(tài)可以是生理水平上的如在胚胎發(fā)生期間就可以處在低氧環(huán)境中[11]。綜上所述，有研究表明可以通過運(yùn)動(dòng)來調(diào)控HIF-1的表達(dá)機(jī)制[7，8，12-15]且HIF-1表達(dá)水平高會(huì)促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖與生長(zhǎng)從而不利于癌癥的預(yù)后[16-20]。運(yùn)動(dòng)治療逐漸成為一種新型的癌癥治療方法[21-23]，雖然有部分文獻(xiàn)綜述了運(yùn)動(dòng)與癌癥的關(guān)系[24，25]，但就目前的研究和綜述來看，關(guān)于運(yùn)動(dòng)治療癌癥的生物信息通路尚未得到確定，故綜述HIF-1信號(hào)通路在運(yùn)動(dòng)抗癌中的作用機(jī)制極為必要。

本文通過綜述運(yùn)動(dòng)調(diào)控HIF-1α信號(hào)通路對(duì)腫瘤細(xì)胞增殖的影響，解釋運(yùn)動(dòng)調(diào)控HIF-1α信號(hào)通路而抑制腫瘤細(xì)胞的增殖與生長(zhǎng)來確定運(yùn)動(dòng)療法在癌癥中的相關(guān)作用機(jī)制，從新的視角為運(yùn)動(dòng)療法在癌癥患者中的應(yīng)用帶來新的認(rèn)識(shí)。

1 HIF-1α及其相關(guān)信號(hào)通路

低氧誘導(dǎo)因子-1α(HIF-1α)是低氧誘導(dǎo)因子-1(HIF-1)中氧不穩(wěn)定的α亞基，在低氧環(huán)境下，HIF-1α是堿性-螺旋-環(huán)-螺旋(PerAhr/ARNT-Sim，PAS)轉(zhuǎn)錄因子家族中的主要反應(yīng)物，因此其穩(wěn)定性會(huì)對(duì)ARNT產(chǎn)生顯著影響[26-29]。HIF-1α的結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)反激活域(TADs)[30]：n端(N-TAD)和c端(C-TAD)，并促使著與RNA聚合酶的功能的相互作用[31]，而TADs也是與輔助因子建立相互作用的部位，且該過程在HIF-1α轉(zhuǎn)錄活性中具有不可或缺的作用[32]，TADs亦是蛋白質(zhì)翻譯后修飾肽鏈的區(qū)域[33]。Gradin等發(fā)現(xiàn)在低氧介導(dǎo)HIF-1α激活后只有其蛋白水平增加而mRNA表達(dá)保持不變，于是該發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了氧濃度與蛋白質(zhì)翻譯和穩(wěn)定性之間的直接比例關(guān)系[34]。而Huang等則發(fā)現(xiàn)氧依賴性降解結(jié)構(gòu)域(ODD結(jié)構(gòu)域)是作為一個(gè)氧傳感器的位點(diǎn)與氧依賴性的產(chǎn)生相互作用[35]。

在眾多領(lǐng)域都有與HIF-1α相關(guān)的信號(hào)通路。如Kang等人發(fā)現(xiàn)HIF-1α調(diào)控PARIS過量表達(dá)重編程了葡萄糖代謝通路導(dǎo)致糖酵解蛋白的增加[36]，Wujak等發(fā)現(xiàn)HIF-1α與AK4調(diào)節(jié)原代人類PASMC的細(xì)胞增殖和能量代謝有關(guān)[37]，Tsui等則研究了低氧分子機(jī)制對(duì)PC-3和 LNCaP人前列腺癌細(xì)胞中mACON基因表達(dá)的影響[38]。另有部分研究發(fā)現(xiàn)HIF-1α相關(guān)信號(hào)通路亦可作用于癌癥[39-44]。

故可以發(fā)現(xiàn)，HIF-1α有著其獨(dú)特的性質(zhì)，且其相關(guān)通路作用于眾多領(lǐng)域，尤其在腫瘤細(xì)胞的靶點(diǎn)通路研究中發(fā)揮著不可或缺的作用。

2 HIF-1α在腫瘤細(xì)胞中的調(diào)控作用

2.1 HIF-1α與腫瘤細(xì)胞的擴(kuò)散轉(zhuǎn)移

HIF-1α功能性失活會(huì)抑制腫瘤細(xì)胞互相黏附，其中黏附分子可以促進(jìn)其與細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外環(huán)境的相互作用，并在癌癥的起始和進(jìn)展中發(fā)揮重要作用[39]。HIF-1α可直接參與β1整合素、α5β3和α5β5等重要黏附分子的調(diào)控和表達(dá)[40-42]。HIF-1α亦可以調(diào)控鈣黏附蛋白E，其可以上調(diào)Snail信號(hào)通路來抑制鈣黏附蛋白-E基因的表達(dá)[43]，亦可以通過調(diào)節(jié)TCF3、ZFHX1A和ZFHX1B來抑制鈣黏附蛋白E基因的表達(dá)[44]。HIF-1α可以調(diào)控β1整合素、α5β3、α5β5等直接促使腫瘤細(xì)胞黏附或調(diào)控Snail信號(hào)通路、TCF3、ZFHX1A和ZFHX1B等抑制鈣黏附蛋白-E基因表達(dá)間接達(dá)到腫瘤細(xì)胞黏附的目的。

2.2 HIF-1α與腫瘤細(xì)胞的增殖與生長(zhǎng)

腫瘤細(xì)胞具有無限增殖、破壞與細(xì)胞死亡相關(guān)信號(hào)通路和可導(dǎo)致生長(zhǎng)因子過度表達(dá)的信號(hào)等特性，這些特性能夠使腫瘤細(xì)胞快速適應(yīng)低氧環(huán)境及其他惡劣環(huán)境。Akakura等研究發(fā)現(xiàn)HIF-1α的組成型表達(dá)可通過激活厭氧代謝有助于腫瘤細(xì)胞在低氧環(huán)境和葡萄糖代謝中存活并增殖生長(zhǎng)[45]；Barak等的研究成果表明機(jī)體長(zhǎng)期處在低氧狀態(tài)會(huì)對(duì)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生刺激，并通過HIF-1α信號(hào)通路使腫瘤細(xì)胞達(dá)到增殖的效果[46]。早先Hasan等有研究表明黏附力下降后的細(xì)胞脫落可能使惡性腫瘤細(xì)胞在機(jī)體內(nèi)擺脫低氧狀態(tài)并形成新的腫瘤生長(zhǎng)點(diǎn)進(jìn)而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖[47]。另外，Potharaju等發(fā)現(xiàn)HIF-1α可以介導(dǎo)端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶(TERT)的表達(dá)，進(jìn)而促使了腫瘤細(xì)胞無限增殖這一特性[48]。因此，在低氧環(huán)境下通過刺激血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子轉(zhuǎn)錄、細(xì)胞黏附力下降、HIF-1α介導(dǎo)TERT表達(dá)實(shí)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞的增殖與生長(zhǎng)。HIF-1α與腫瘤細(xì)胞的增殖與生長(zhǎng)的關(guān)系圖如圖2所示。

2.3 HIF-1α與腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移及侵襲

有研究表明，低氧可以在各類實(shí)體腫瘤中通過HIF-1α激活其上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)[49,50]，而且HIF-1α還可以直接或間接調(diào)控TWIST、Snail、碳酸酐酶IX(CAIX)和GLUT-1等EMT的調(diào)控因子[51-54]，進(jìn)而激活EMT相關(guān)基因(波形蛋白、鈣黏附蛋白-E和鈣黏附蛋白-N)并加強(qiáng)EMT來促使腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移與侵襲[55]。HIF-1α亦可以調(diào)控基質(zhì)金屬蛋白酶MMP2[56]和MMP9[57]來促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移和侵襲。還有部分研究表明HIF-1α可通過尿激酶型血漿素原激活劑受體(uPAR)[58]和血漿素原激活劑抑制劑-1(PAI-1)[59]這兩個(gè)纖維蛋白溶解系統(tǒng)和轉(zhuǎn)移的主要成分來加快腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移和侵襲。Yang等的研究表明HIF-1α還可以直接調(diào)控TWIST作為轉(zhuǎn)錄因子來參與低氧介導(dǎo)的EMT和腫瘤轉(zhuǎn)移[51]。還有其他研究發(fā)現(xiàn)了HIF-1α直接調(diào)控腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移的重要的靶基因，包括Ishikawa等發(fā)現(xiàn)的CXC趨化因子受體-4(CXCR4)[60]、Pennacchietti等發(fā)現(xiàn)的原癌基因c-Met[59]和Li等發(fā)現(xiàn)的CC趨化因子受體7(CCR7)[61]。此外，Pan等[62]和O'Toole等[63]發(fā)現(xiàn)HIF-1α可以轉(zhuǎn)錄基質(zhì)衍生因子-1、角質(zhì)蛋白14(CK14)、角質(zhì)蛋白18(CK18)、角質(zhì)蛋白19(CK19)；Castillo等[64]發(fā)現(xiàn)HIF-1α可以轉(zhuǎn)錄窖蛋白-1(CAV1)進(jìn)而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移以及侵襲。綜上所述，HIF-1α通過調(diào)控或轉(zhuǎn)錄TWIST、Snail、IX(CAIX)、GLUT-1、MMP2、MMP9、uPAR、PAI-1、CXCR4、c-Met、CCR7、基質(zhì)衍生因子-1，CK14、CK18、CK19、CXCR4P和CAV1等可使腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移與侵襲速度加快。

2.4 HIF-1α與實(shí)體腫瘤血管生長(zhǎng)

HIF-1α所在胚胎的血管缺失與細(xì)胞死亡在空間上相關(guān)[65]，腫瘤亦不例外。為此，Nikitenko等發(fā)現(xiàn)HIF-1α可以通過激活VEGF、血管生成素1(ANGPT1)和血管生成素2(ANGPT2)、胎盤生長(zhǎng)因子(PGF)、降鈣素受體樣受體(CRLR)等生長(zhǎng)因子編碼基因來刺激血管生成反應(yīng)[66]，Kelly等則發(fā)現(xiàn)HIF-1α可以通過激活血小板源性生長(zhǎng)因子B(PDGFB)刺激腫瘤細(xì)胞的血管生成[67]。此外，Xu等發(fā)現(xiàn)HIF-1α通過SUMO-specifc蛋白酶1(SENP1)可催化形成一種較為穩(wěn)定的低氧狀態(tài)并可視為由SENP1介導(dǎo)的正反饋調(diào)節(jié)環(huán)路，而該反饋調(diào)節(jié)環(huán)路在血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子的生成中起到極為重要的作用，進(jìn)而使得血管內(nèi)皮細(xì)胞的血管生成[68]。

2.5 HIF-1α與細(xì)胞凋亡

在正常的組織細(xì)胞或腫瘤細(xì)胞中，氧含量不足可以直接觸發(fā)程序性細(xì)胞凋亡[69]，而在細(xì)胞凋亡的過程中會(huì)伴隨著DNA受損[70]。且Carmeliet等[71]發(fā)現(xiàn)，雖然HIF-1α的低水平表達(dá)能夠抑制低氧誘導(dǎo)的血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子的表達(dá)、ES衍生的腫瘤中大血管的形成并損害血管功能進(jìn)而使腫瘤內(nèi)出現(xiàn)缺氧微環(huán)境，但HIF-1α所在腫瘤的生長(zhǎng)速度由于低氧誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡減少和壓力誘導(dǎo)的增加而加快，這說明HIF-1α信號(hào)通路對(duì)細(xì)胞凋亡的直接作用是從相對(duì)細(xì)胞死亡到促進(jìn)細(xì)胞凋亡。而HIF-1α信號(hào)通路反應(yīng)的變化可能與以下因素有關(guān)：一，低氧程度和氧張力的變化[72]；二，低氧組織的初始能量水平[73]；三，被HIF-1α靶向激活并調(diào)控的相關(guān)蛋白(細(xì)胞周期蛋白D1、p21和p27等)[74]。

3 運(yùn)動(dòng)調(diào)控HIF-1α信號(hào)通路

運(yùn)動(dòng)可以調(diào)控腫瘤中的HIF-1α信號(hào)通路。運(yùn)動(dòng)后會(huì)使癌癥患者或腫瘤動(dòng)物模型中的HIF-1α表達(dá)會(huì)發(fā)生根本性變化，致使調(diào)控其相關(guān)信號(hào)通路進(jìn)而達(dá)到抑制腫瘤生長(zhǎng)的目的。而對(duì)于運(yùn)動(dòng)而言，無論是運(yùn)動(dòng)方式的不同還是運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的不同均可顯著下調(diào)腫瘤中HIF-1α的表達(dá)水平,故HIF-1α相關(guān)信號(hào)通路對(duì)運(yùn)動(dòng)干預(yù)抗癌過程有著重要的影響。運(yùn)動(dòng)調(diào)控腫瘤中的HIF-1α及其相關(guān)信號(hào)通路受不同運(yùn)動(dòng)方式、不同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度等的影響如表1所示。

3.1 不同運(yùn)動(dòng)方式調(diào)控腫瘤的HIF-1α信號(hào)通路

在目前的研究中，有氧運(yùn)動(dòng)和耐力運(yùn)動(dòng)可以調(diào)控腫瘤中的HIF-1α信號(hào)通路。在有氧運(yùn)動(dòng)調(diào)控腫瘤HIF-1α信號(hào)通路的研究中，Rafiei等通過16只雌性BALB/c乳腺癌小鼠的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有氧訓(xùn)練組顯著降低腫瘤中HIF-1α基因的表達(dá)[76]，Kopp等發(fā)現(xiàn)有氧運(yùn)動(dòng)能下調(diào)HIF-1α的mRNA[77]，Ahmadi-Kani等發(fā)現(xiàn)有氧運(yùn)動(dòng)能夠降低脂肪組織中脂肪墊的重量和 TNF-α、HIF-1α和VEGF-A的水平[80]，Jones等發(fā)現(xiàn)有氧運(yùn)動(dòng)能使腫瘤內(nèi)HIF-1α表達(dá)降低[82]，楊洪[83]等則發(fā)現(xiàn)有氧運(yùn)動(dòng)能使成功建立肺腺癌耐藥細(xì)胞系PC-9-GR裸鼠的HIF-1與ALDH1蛋白及CSCs百分比降低。而在耐力運(yùn)動(dòng)腫瘤中HIF-1α信號(hào)通路的研究中，Isanejad等[75]、Jones等[78]和Tanaka等[81]均發(fā)現(xiàn)耐力運(yùn)動(dòng)亦可以顯著下調(diào)HIF-1α并影響其相關(guān)信號(hào)通路。

3.2 不同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度調(diào)控腫瘤的HIF-1α信號(hào)通路

HIF-1α表達(dá)的變化具有強(qiáng)度依賴性。Kopp等[77]通過對(duì)比斑馬魚運(yùn)動(dòng)時(shí)的水中氧氣壓強(qiáng)(PO2)發(fā)現(xiàn)，在10kPa，PO2在9～15dpf之間時(shí)HIF-1α表達(dá)無明顯變化，但在PO2為5kPa且PO2在10、14和15dpf時(shí)HIF-1α的mRNA水平顯著升高。楊洪等[83]在對(duì)吉非替尼誘導(dǎo)的肺腺癌耐藥細(xì)胞系PC-9-GR裸鼠的實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，與吉非替尼單藥組相比，強(qiáng)度越高的有氧運(yùn)動(dòng)聯(lián)合吉非替尼組成瘤能力及抗凋亡能力越低，但隨著有氧運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度增加則各指標(biāo)包括HIF-1α變化更為顯著。

4 運(yùn)動(dòng)調(diào)控HIF-1α信號(hào)通路抗癌的作用機(jī)制

通過Lawler等[84]、Berzosa等[85]、Lambertucci等[86]、劉雨佳等[87]的研究可以發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)可以通過增強(qiáng)抗氧化酶的活性來產(chǎn)生抗氧化作用，如可增強(qiáng)骨骼肌中超氧化物歧化酶(SOD)[88-90]和谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)[91-93]的活性，進(jìn)而在肺[94]和隔膜[95]中誘導(dǎo)線粒體的超氧化物歧化酶Mn-SOD上調(diào)[96]。Bell等[97]研究發(fā)現(xiàn)，表達(dá)SirT3的短鏈RNA可在缺氧條件下增強(qiáng)HIF-1α的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)錄活性，且SirT3的過量表達(dá)則可以抑制低氧時(shí)HIF-1α的穩(wěn)定并抑制HIF-1α的轉(zhuǎn)錄活性，即SirT3可以通過其抑制ROS和HIF-1α的表達(dá)與轉(zhuǎn)錄來抑制腫瘤的生長(zhǎng)。

還有研究發(fā)現(xiàn)，低氧可以增加細(xì)胞色素P450的表達(dá)來促進(jìn)細(xì)胞對(duì)氧氣的利用，同時(shí)亦激活適應(yīng)性HIF-1α使其表達(dá)及其下游的基因表達(dá)信號(hào)，而有氧運(yùn)動(dòng)則使組織細(xì)胞的氧含量達(dá)到飽和狀態(tài)，故此時(shí)細(xì)胞色素P450的表達(dá)水平下降而改變HIF-1α相關(guān)信號(hào)通路及其靶標(biāo)基因從而達(dá)到抑制腫瘤生長(zhǎng)的目的[98]。Shalamzari等則發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)可以引起腫瘤組織中促炎癥細(xì)胞因子水平的降低，其機(jī)制為運(yùn)動(dòng)可以降低IL-6的表達(dá)水平，激活NF-κB、JNK、ERK和P38等信號(hào)通路進(jìn)而降低VEGF的產(chǎn)生，從而抑制HIF-1α信號(hào)通路作用并減少腫瘤內(nèi)的血管生成[99]。而Irwin等研究發(fā)現(xiàn)中等強(qiáng)度的有氧運(yùn)動(dòng)可以調(diào)控HIF-1α達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)使得IGF-I和IGFBP-3表達(dá)水平降低來提升癌癥患者的存活率[100]。

綜上所述，運(yùn)動(dòng)可以增強(qiáng)SOD、GPx和SirT3的表達(dá)，下調(diào)細(xì)胞色素P450表達(dá)，降低IL-6并激活NF-κB、JNK、ERK和P38等信號(hào)通路來降低VEGF，降低IGF-I和IGFBP-3表達(dá)等從而抑制HIF-1α相關(guān)通路的作用進(jìn)而抑制腫瘤生長(zhǎng)。但目前缺乏關(guān)于運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)HIF-1α相關(guān)通路在抑制腫瘤細(xì)胞的黏附、轉(zhuǎn)移及侵襲中調(diào)控的研究。

5 結(jié)語和展望

近年來，大眾對(duì)運(yùn)動(dòng)的理解和觀念已經(jīng)發(fā)生巨大轉(zhuǎn)變，其愈發(fā)認(rèn)可運(yùn)動(dòng)是良醫(yī)的說法。在癌癥的治療手段中，除放療、化療、內(nèi)分泌治療和靶向藥物治療之外，運(yùn)動(dòng)干預(yù)無疑亦成為一種相對(duì)更安全的治療手段。經(jīng)綜述大量研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)可以上調(diào)SOD、GPx和SirT3的表達(dá)，下調(diào)細(xì)胞色素P450表達(dá)，下調(diào)IL-6并激活NF-κB、JNK、ERK和P38等信號(hào)通路來降低VEGF，下調(diào)IGF-I和IGFBP-3表達(dá)等從而抑制HIF-1α相關(guān)通路的作用進(jìn)而抑制腫瘤生長(zhǎng)，從而防治癌癥。但目前的相關(guān)研究中主要聚焦在運(yùn)動(dòng)調(diào)控HIF-1α相關(guān)信號(hào)通路抑制腫瘤的增殖、生長(zhǎng)和血管生成的研究中，而需加強(qiáng)關(guān)于運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)HIF-1α相關(guān)信號(hào)通路在抑制腫瘤細(xì)胞的增殖與凋亡、轉(zhuǎn)移及侵襲中調(diào)控的研究，從而進(jìn)一步探究HIF-1α信號(hào)通路在運(yùn)動(dòng)干預(yù)抗癌中調(diào)控作用的其他機(jī)制。