低氧誘導(dǎo)因子調(diào)控腎透明細(xì)胞癌進(jìn)程的分子機(jī)制研究進(jìn)展

陳延萍 吳果 馬孟丹 楊育賓 陳巍

最新癌癥統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全球范圍內(nèi)腎癌新增病例約43 萬(wàn)例，死亡人數(shù)達(dá)到17.9 萬(wàn)人［1］，其中美國(guó)2021年男性及女性腎癌新增病例均位于全部癌種新增病例的前十，且分別占總新增病例數(shù)的5%、3%［2］。近年來(lái)我國(guó)腎癌發(fā)病率及死亡率逐年攀升［3］，給我國(guó)醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，腎癌逐漸成為我國(guó)泌尿腫瘤領(lǐng)域亟待解決的重要難題。腎透明細(xì)胞癌（Clear cell renal cell carcinoma，ccRCC）是腎細(xì)胞癌最常見的病理類型，約占所有腎細(xì)胞癌的80%［4］。ccRCC 微環(huán)境中普遍存在低氧現(xiàn)象［5］，而低氧誘導(dǎo)因子（hypoxia inducible factor，HIF）則是這一現(xiàn)象的主要誘因，HIF 基因?qū)cRCC 的增殖、分化、血管生成、能量代謝以及腫瘤耐藥發(fā)生、患者預(yù)后等具有調(diào)控作用［6-8］。因此綜述HIF基因在ccRCC 中的作用具有重要的科學(xué)價(jià)值，或可為臨床治療提供理論基礎(chǔ)。

1 ccRCC 的發(fā)展現(xiàn)狀

ccRCC 常發(fā)生于雙側(cè)腎臟，伴有囊腔結(jié)構(gòu)，影像學(xué)顯示鈣化陰影且胞漿透明，內(nèi)含豐富的毛細(xì)血管網(wǎng)［9］。作為一種預(yù)后相對(duì)較差的腎惡性腫瘤，ccRCC 的預(yù)后受多因素影響，包括腫瘤大小、壞死程度以及TNM 分級(jí)等［10-11］。研究ccRCC 發(fā)病機(jī)理以及預(yù)后影響因素不僅有助于尋求更有效的方法提高ccRCC 患者的存活率，還可以建立并完善ccRCC 的預(yù)后分析系統(tǒng)，對(duì)臨床治療具有重要的指導(dǎo)意義。

因ccRCC 普遍具有轉(zhuǎn)移性和異質(zhì)性，臨床上常用的根除性腎切除術(shù)、保留腎單位手術(shù)以及下腔靜脈栓治療等方案治療效果不佳。HIF基因可作為治療ccRCC 的有效靶點(diǎn)，目前靶向HIF基因的藥物在臨床應(yīng)用中取得較好的治療效果。因此，不斷深入挖掘HIF相關(guān)調(diào)控基因及靶向藥物并解析其作用機(jī)制對(duì)ccRCC 的臨床診療意義重大。

2 HIF 基因

HIF 編碼的蛋白包括HIF-1、HIF-2 及HIF-3，三者均含α 亞基和β 亞基構(gòu)成的二聚體結(jié)構(gòu)，α 亞基是依賴于細(xì)胞內(nèi)氧氣濃度水平的主要調(diào)節(jié)亞基，β 亞基則是組成性結(jié)構(gòu)，在α 亞基未被泛素化的情況下與其結(jié)合形成二聚體并移入細(xì)胞核內(nèi)發(fā)揮轉(zhuǎn)錄激活作用。

轉(zhuǎn)錄組學(xué)及蛋白質(zhì)組學(xué)分析表明，HIF-1α 與HIF-2α 是ccRCC 腫瘤細(xì)胞適應(yīng)低氧環(huán)境的重要作用因子，對(duì)ccRCC 的發(fā)生發(fā)展具有調(diào)控作用。轉(zhuǎn)錄后水平的研究數(shù)據(jù)表明，HIF-1α 主要調(diào)控糖酵解過(guò)程，而HIF-2α 調(diào)控脂蛋白代謝、核糖體發(fā)生以及相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄激活等［12］。部分研究者認(rèn)為14 號(hào)染色體上（Von Hippel-Lindau，VHL）雙等位基因失活時(shí)，HIF-1α 在ccRCC 中發(fā)揮抑癌功能，而HIF-2α 發(fā)揮促癌作用［6］，但也有研究證明在原發(fā)性ccRCC 小鼠異種移植瘤模型中HIF-1α對(duì)腫瘤形成是必要的，因此HIF-1α 對(duì)ccRCC 的調(diào)控作用及機(jī)理有待進(jìn)一步驗(yàn)證。關(guān)于HIF-3α 作用機(jī)制的研究較少，其在ccRCC 中的轉(zhuǎn)錄激活活性尚未被證實(shí)，HIF-3α 通過(guò)與HIF-1β 的競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合調(diào)控HIF-1α 和HIF-2α 的功能，常被認(rèn)作低氧誘導(dǎo)基因表達(dá)的負(fù)調(diào)節(jié)劑。

3 HIF 在ccRCC 中的具體調(diào)控機(jī)制

3.1 轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控

目前關(guān)于HIF基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控機(jī)制主要包括：HIFα-VHL 氧敏感信號(hào)通路、調(diào)控腫瘤新生血管生成的血管生長(zhǎng)因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）信號(hào)通路、轉(zhuǎn)化誘導(dǎo)因子（transforming growth factor-β，TGF-β）信號(hào)通路以及絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信號(hào)通路和哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）信號(hào)通路。HIF基因通過(guò)以上信號(hào)通路參與調(diào)節(jié)ccRCC細(xì)胞增殖、血管形成、糖酵解等生物學(xué)行為。

3.1.1 HIFα-VHL 氧敏感信號(hào)通路

VHL基因功能喪失和低氧誘導(dǎo)因子HIF 不受抑制的激活是ccRCC 發(fā)生和發(fā)展的主要誘因，VHL基因的突變或失活作為ccRCC 發(fā)生的早期事件導(dǎo)致HIF 的積聚而激活下游基因的異常表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)ccRCC 的發(fā)生和發(fā)展。在細(xì)胞內(nèi)不同氧水平下，HIF 參與細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路的調(diào)控主要依賴其α 亞基與VHL基因編碼產(chǎn)物（product of the VHL gene，pVHL）結(jié)合活性來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而形成HIF-α-VHLPHD 軸來(lái)實(shí)現(xiàn)其對(duì)ccRCC 的調(diào)控作用。見圖1。

圖1 不同氧水平下HIFα-VHL 氧敏感信號(hào)通路的調(diào)控機(jī)制Figure 1 The regulation mechanism of HIFα-VHL oxygen sensitive signaling pathways at different oxygen levels

常氧的條件下，pVHL 識(shí)別并結(jié)合脯氨酸羥基化酶（prolyl hydroxylase，PHD）作用后羥基化的HIF-α，并使其被進(jìn)一步泛素化降解［13］。此外，與氧水平無(wú)關(guān)的VHL 雙等位基因失活所介導(dǎo)的HIF-1α與HIF-2α 突變誘導(dǎo)的穩(wěn)定作用使其能夠與HIF-1β 結(jié)合并定位于核，從而使低氧反應(yīng)途徑的下游基因轉(zhuǎn)錄激活，出現(xiàn)“假性低氧”，這種假性低氧會(huì)促進(jìn)誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞的增殖以及血管生成因子的表達(dá)以及代謝重編程等［14］。低氧時(shí)，PHD 失活導(dǎo)致HIF-α 的穩(wěn)定，使其不被pVHL 識(shí)別降解而與HIF-β 結(jié)合形成二聚體轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核結(jié)合低氧反應(yīng)元件，進(jìn)而激活下游基因轉(zhuǎn)錄。HIF 結(jié)合位點(diǎn)的遺傳變異可調(diào)節(jié)HIF-VHL 軸的致癌轉(zhuǎn)錄輸出，在該軸中HIF-1α 和HIF-2α 調(diào)節(jié)下游基因的轉(zhuǎn)錄活性，從而介導(dǎo)腫瘤細(xì)胞對(duì)低氧水平的適應(yīng)性［15］。

3.1.2 VEGF 信號(hào)通路

腫瘤組織內(nèi)部高度血管化是ccRCC的顯著特征，血管新生被認(rèn)為是ccRCC發(fā)生、發(fā)展和臨床治療中的重大挑戰(zhàn)。VEGF是刺激血管生成的重要細(xì)胞外信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白，與非轉(zhuǎn)移性腎癌相比，轉(zhuǎn)移性ccRCC 中VEGF、VEGFR2 的mRNA 及蛋白表達(dá)水平均升高［16］。HIF的α、β亞基結(jié)合形成的二聚體可通過(guò)HRE定向作用于血管生長(zhǎng)因子受體（vascular endothelial growth facto receptor，VEGFR）、血小板衍生生長(zhǎng)因子（platelet derived growth factor，PDGF）、TGF-α 結(jié)合到其相應(yīng)的下游受體上，進(jìn)而調(diào)控血管生成［17］。

3.1.3 TGF-β 信號(hào)通路

TGF-β 信號(hào)通路相關(guān)蛋白表達(dá)水平與ccRCC的患者的臨床病理參數(shù)以及預(yù)后緊密相關(guān)，而HIF-1α、HIF-2α 在經(jīng)典以及非經(jīng)典的TGF-β 信號(hào)通路中均發(fā)揮調(diào)控作用。具體概括為：在ccRCC早期低氧狀態(tài)中，HIF-1α 的上調(diào)可激活TGF-β/Smad 通路致使低氧誘導(dǎo)的TGF-β 信號(hào)通路下游效應(yīng)因子Smad3 上調(diào)，從而抑制腫瘤的發(fā)生發(fā)展進(jìn)程、減緩腫瘤細(xì)胞氧敏感通路的低氧反應(yīng)［18］；常氧時(shí)，HIF-1α 以及HIF-2α 的上游驅(qū)動(dòng)因子促進(jìn)TGF-β 信號(hào)通路下游上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化基因（epithelial mesenchymal transition，EMT）相關(guān)靶基因的表達(dá)進(jìn)而調(diào)控ccRCC 的發(fā)展進(jìn)程。此外，在VHL基因失活的ccRCC 中，HIF-1α 異常激活并與間變型淋巴瘤激酶5（anaplastic lymphomakinase 5，ALK5）協(xié)同作用調(diào)控TGF-β 信號(hào)通路和低氧通路，進(jìn)而介導(dǎo)ccRCC 的不良預(yù)后以及遠(yuǎn)端轉(zhuǎn)移［19］。

3.1.4 MAPK 信號(hào)通路

HIF基因功能與MAPK 相關(guān)信號(hào)通路的磷酸化水平密切相關(guān)，MAPK 信號(hào)通路中的ERK1/2 及p38 能夠在體外磷酸化HIF-1α 從而能夠阻斷其報(bào)告基因的活性；HIF-1α 通過(guò)與TRIB3 啟動(dòng)子結(jié)合調(diào)控其表達(dá)水平，進(jìn)而影響MAPK 信號(hào)通路中p38蛋白、P44/42 以及SAPK/JNK 等的磷酸化水平［20］。ERK1/2 和ERK5 狀態(tài)與ccRCC 預(yù)后高度相關(guān)，其中ERK5 過(guò)表達(dá)的ccRCC 患者預(yù)后較差［21］。

3.1.5 mTOR 信號(hào)通路

mTOR 是一種289 kDa 的絲氨酸、蘇氨酸激酶，是腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)和增殖的調(diào)節(jié)劑。有關(guān)報(bào)導(dǎo)表明PI3K-AKT-mTOR 信號(hào)通路參與了ccRCC 的啟動(dòng)和發(fā)展，如Nayak 等［22］發(fā)現(xiàn)p22 沉默子通過(guò)PI3KAKT-mTOR 信號(hào)通路降低了HIF-2α 依賴的靶基因的表達(dá)并抑制腫瘤的生長(zhǎng)，認(rèn)為P22 可成為靶向mTOR 通路有效治療靶點(diǎn)；磷酸酶和張力蛋白同源物（phosphatase and tensin homologue deleted on chromosome ten，PTEN）是PI3K-AKT-mTOR 信號(hào)通路的關(guān)鍵級(jí)聯(lián)抑制因子，其缺失會(huì)導(dǎo)致該信號(hào)通路下游激活，影響ccRCC 患者的整體生存率。

3.1.6 其他信號(hào)通路

HIF基因除了參與多個(gè)信號(hào)通路的調(diào)控影響ccRCC 表型外，還可以與多個(gè)癌基因互作間接發(fā)揮作用，見圖2。喪失初級(jí)纖毛是ccRCC 的早期特征，HIF-1α 通過(guò)抑制β-catenin 轉(zhuǎn)錄活性降低極光激酶A（Aurora kinase A，AURKA）的表達(dá)水平，進(jìn)而縮短腎臟成纖維細(xì)胞的纖毛長(zhǎng)度［23］；在低氧條件下，HIF-1α 可抑制原癌基因MYC 活性，促進(jìn)ccRCC 腫瘤細(xì)胞在低氧條件下存活［24］；在VHL突變失活依賴的ccRCC 中，HIF-1α 與p53 的表達(dá)水平存在負(fù)反饋調(diào)控機(jī)制，pVHL 的穩(wěn)定性能夠增強(qiáng)p53 的抑癌活性［25］。

圖2 HIF 基因轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控信號(hào)通路Figure 2 HIF gene transcription level regulation signaling pathways

3.2 表觀遺傳學(xué)調(diào)控

表觀遺傳重編程是ccRCC 發(fā)生和發(fā)展過(guò)程中的重要事件，包含非編碼RNA（long non-coding RNA，lncRNA）和微小RNA（micro RNAs，miRNAs）參與的基因表達(dá)調(diào)控、DNA 甲基化以及組蛋白修飾等。隨著人類基因組計(jì)劃的完成以及單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)迅猛發(fā)展，更多的學(xué)者熱衷于ccRCC的表觀遺傳的研究，以期找到ccRCC 的治療新靶點(diǎn)。

3.2.1 長(zhǎng)鏈非編碼RNA

LncRNA 是一類堿基序列長(zhǎng)度大于200 nt 且不編碼蛋白質(zhì)的RNA，能夠在轉(zhuǎn)錄水平以及轉(zhuǎn)錄后水平參與基因表達(dá)調(diào)控、基因組印記、染色質(zhì)修飾等多種生物學(xué)進(jìn)程。

低氧條件下，lncRNA 通過(guò)調(diào)控氧感知受體以及激素受體的表達(dá)水平影響VHL基因失活對(duì)ccRCC 的調(diào)控作用。抑制雄激素受體的lncRNA（suppressing androgen receptor in renal cell carcinoma，lncRNA-SARCC）能夠通過(guò)物理結(jié)合雄激素去穩(wěn)定受體蛋白來(lái)抑制雄激素受體與HIF 基因共同信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途經(jīng)調(diào)控細(xì)胞的低氧周期。一種新型的lncRNA，即人腎細(xì)胞相關(guān)轉(zhuǎn)錄本1（metastatic renal cell carcinoma-associated transcript 1，MRCCAT1）通過(guò)招募多梳抑制復(fù)合體2（polycomb repressive complex 2，PRC2）到利鈉肽受體3（natriuretic peptide receptor 3，NPR3）啟動(dòng)子來(lái)抑制NPR3 的轉(zhuǎn)錄，進(jìn)而激活p38-MAPK 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑促進(jìn)ccRCC 的轉(zhuǎn)移［26］。

3.2.2 微小RNA

miRNAs 是具有調(diào)節(jié)功能的內(nèi)源性非編碼單鏈RNA，能夠靶向調(diào)節(jié)mRNA 的活性，近年來(lái)，miRNAs 的發(fā)現(xiàn)為癌癥的新型診斷和治療增添了新維度。報(bào)道顯示，與癌旁組織相比，ccRCC 組織中miR-155 表達(dá)水平顯著升高，且與HIFα-VHL基因表達(dá)水平呈正相關(guān)，認(rèn)為miR-155 可能通過(guò)HIFα-VHL 通路調(diào)控ccRCC 的發(fā)生和發(fā)展［27］；Neal等通過(guò)使用HIF-1α 和HIF-2α 特異性的siRNA 處理VHL基因缺失的細(xì)胞發(fā)現(xiàn)miR-155 表達(dá)水平明顯降低，該現(xiàn)象表明miRNA 的誘導(dǎo)主要是通過(guò)HIF 所介導(dǎo)的［28］，這可能為ccRCC 疾病的診療提供新的靶點(diǎn)。

3.2.3 DNA 甲基化

DNA 甲基化是腫瘤細(xì)胞中替代的互補(bǔ)機(jī)制，通過(guò)沉默抑癌基因表達(dá)誘導(dǎo)腫瘤發(fā)生和轉(zhuǎn)移。ccRCC 中包括HIF基因在內(nèi)的多個(gè)癌基因的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)存在高甲基化區(qū)域，甲基化程度顯著影響HIF基因的轉(zhuǎn)錄活性。這類基因沉默會(huì)干擾ccRCC 中低氧相關(guān)的信號(hào)通路，例如依賴VHL的DNA 超甲基化通過(guò)影響HRE 中CpG 位點(diǎn)二核苷酸的甲基化調(diào)節(jié)HIF 與HRE 的結(jié)合，從而影響HIF下游基因表達(dá)水平［29］。氮端甲基腺嘌呤（N6-methyladenosine，m6A）RNA 去甲基化酶的轉(zhuǎn)錄修飾子FTO 作為VHL 的合成性致死伙伴，可選擇性降低VHL 缺陷型、HIF 野生型以及HIF 缺陷型ccRCC 細(xì)胞存活率［30］。

4 結(jié)論與展望

低氧不僅影響由遺傳因素引發(fā)的惡性腫瘤的發(fā)生發(fā)展，長(zhǎng)期的低氧環(huán)境也會(huì)導(dǎo)致腎臟功能下降并誘發(fā)慢性腎臟疾病。總之，ccRCC 對(duì)低氧環(huán)境的適應(yīng)主要受HIF基因調(diào)控，HIF基因的轉(zhuǎn)錄激活在血管新生、能量代謝以及緩解ccRCC 細(xì)胞低氧損傷等方面有重要調(diào)控作用。隨著機(jī)體氧感知機(jī)制研究的不斷深入，HIF基因的調(diào)控機(jī)制成為ccRCC 病理作用研究的熱點(diǎn)，給ccRCC 的治療開辟了新途徑，還為進(jìn)一步挖掘針對(duì)低氧所致的不同類型腫瘤的治療提供借鑒。