低氧誘導(dǎo)因子-1α的生物學(xué)功能及其在腎纖維化中作用的研究進(jìn)展

鄒開燕，王淑君，姚翠微

（廣東醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院，廣東 湛江 524000）

缺氧是臨床各種急慢性疾病的常見病理過程，可由缺血性損傷、炎癥、腫瘤等引起，其對(duì)機(jī)體的影響取決于缺氧組織、缺氧程度和持續(xù)時(shí)間。機(jī)體對(duì)缺氧或低氧做出的適應(yīng)性改變與缺氧誘導(dǎo)因子（HIF）家族密切相關(guān)，其可誘導(dǎo)大量基因的表達(dá)，幫助細(xì)胞適應(yīng)缺氧環(huán)境。

1 HIF 的結(jié)構(gòu)和分型

Wang 和Semenza 于1992 年對(duì)促紅細(xì)胞生成素（EPO）基因進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，在低氧條件下，一種因子可與EPO 基因結(jié)合并正向調(diào)控EPO 進(jìn)行高于正常值7倍的轉(zhuǎn)錄[1]。1995 年，該因子被命名為HIF-1，并確定其是由 HIF-α 和 HIF-β 亞基組合的異源二聚體。HIF屬于堿性- 螺旋- 環(huán)- 螺旋（bHLH）轉(zhuǎn)錄因子家族。其α 亞基的N 端是一個(gè)bHLH 區(qū)域，負(fù)責(zé)與靶向DNA結(jié)合調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄；接著是Per/Arnt/Sim （PAS）同源區(qū)域，與HIF-β 結(jié)合形成二聚體。PAS 區(qū)域后為氧依賴降解（ODD）區(qū)域，參與HIF-α 的降解，C 端是2 個(gè)反式激活結(jié)構(gòu)域（TAD）。HIF-β 亞基是組成性表達(dá)結(jié)構(gòu)，需聯(lián)合α 亞基發(fā)揮生理作用[2]。

根據(jù)α 亞基的不同，HIF 可分為HIF-1、HIF-2及HIF-3。HIF-1 是HIF 家族的重要成員，與氧感知及缺氧反應(yīng)密切相關(guān)，在組織細(xì)胞中廣泛表達(dá)。不同類型的腎臟細(xì)胞表達(dá)的HIF 亞型不同，HIF-1 主要在腎小管細(xì)胞中表達(dá)，HIF-2 主要在腎間質(zhì)細(xì)胞及內(nèi)皮細(xì)胞中表達(dá)[3]。HIF-3α 可抑制PAS 結(jié)構(gòu)域蛋白，缺氧時(shí)與HIF-1α 和HIF-2α 競(jìng)爭(zhēng)靶基因的轉(zhuǎn)錄元件對(duì)低氧基因表達(dá)起負(fù)性調(diào)控作用[4]。

2 HIF 的調(diào)控與功能

2.1 HIF 的調(diào)控

研究表明，細(xì)胞內(nèi)氧濃度是HIF 的主要調(diào)節(jié)因素。氧氣充足條件下，HIF-1α 脯氨酰殘基可通過依賴氧的脯氨酰羥化酶（PHDs）羥基與VHL 抑癌蛋白- 泛素連接酶復(fù)合物結(jié)合，進(jìn)而由泛素-蛋白酶體路徑快速降解。缺氧時(shí)，PHD 活性受抑制，胞質(zhì)的HIF-α 降解減少，易位至細(xì)胞核識(shí)別靶基因的低氧反應(yīng)元件（HRE）可激活下游數(shù)百種靶基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)[5]。除由PHD 觸發(fā)蛋白水解機(jī)制，氧依賴性加氧酶HIF 抑制因子（FIH）也在HIF-1 的失活中發(fā)揮關(guān)鍵作用。FIH 在氧氣充足條件下可使 HIF-1α 的天冬酰胺殘基羥基化，導(dǎo)致HIF-1α反式激活失活，從而抑制其轉(zhuǎn)錄活性[6]。非氧依賴途徑調(diào)控氧化應(yīng)激、高糖、炎癥等也可刺激HIF 的表達(dá)[7]。

2.2 HIF 的生理功能

HIF-1 作為高度特異性的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，其功能與下游靶基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)密切相關(guān)。目前已鑒定出HIF靶基因主要包括三大類，第一類與促進(jìn)紅細(xì)胞生成有關(guān)，如EPO 和與鐵代謝相關(guān)的轉(zhuǎn)鐵蛋白及其受體等；第二類與促進(jìn)血管生成與重塑有關(guān)，如血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（VEGF）、血小板衍生生長(zhǎng)因子（PDGF）和轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-α 等；第二類與調(diào)控細(xì)胞能量代謝、糖代謝的相關(guān)細(xì)胞酶的表達(dá)有關(guān)，如葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（GLUTs），可使細(xì)胞做出缺氧適應(yīng)性改變?nèi)绺咴貐^(qū)的高紅細(xì)胞血癥、缺氧心肌的血管生成及缺氧的糖酵解作用。此外，HIF在免疫炎癥、細(xì)胞凋亡及維持線粒體穩(wěn)態(tài)等方面也有重要作用[8]。

3 HIF 在腎臟纖維化中的作用

腎臟纖維化是多種慢性腎臟病的最常見病理特點(diǎn)之一。HIF-1 促使腎臟纖維化具有時(shí)間、濃度及細(xì)胞特異性，在單側(cè)輸尿管梗阻（UUO）小鼠中觀察到，HIF-1 依賴性的基因表達(dá)在前7 天逐漸上調(diào)，第14 天無上漲，提示HIF-1 在早期腎纖維化中起作用。低中度的HIF-1α 活化可減輕TIF，過度活化則促進(jìn)CKD 小鼠腎臟纖維化,說明HIF-1α 的濃度對(duì)纖維化有雙向調(diào)節(jié)作用[9]。HIF信號(hào)通路可能通過以下機(jī)制使腎臟進(jìn)行性纖維化。

3.1 調(diào)節(jié)腎上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化，促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)沉積

調(diào)節(jié)腎上皮- 間質(zhì)轉(zhuǎn)化（EMT）可使上皮細(xì)胞失去極性和細(xì)胞間連接，轉(zhuǎn)化為具有間質(zhì)表型細(xì)胞，表現(xiàn)為間質(zhì)標(biāo)志蛋白表達(dá)增加，如纖維連接蛋白、N 鈣黏蛋白、波形蛋白，上皮標(biāo)志蛋白表達(dá)降低，如E 鈣黏蛋白（E-cadherin）、α- 平滑肌肌動(dòng)蛋白（α-SMA）。用阿奇霉素誘導(dǎo)局灶節(jié)段性腎小球硬化（FSGS）的小鼠模型中，抑制HIF-1 表達(dá)可下調(diào)α-SMA 水平，改善小鼠的蛋白尿和腎小球硬化程度[10]。

3.2 調(diào)節(jié)促纖維化基因的表達(dá)

Kabei 等學(xué)者發(fā)現(xiàn)梗阻性腎病、糖尿病腎病、IgA腎病或高血壓腎病患者腎小管間質(zhì)中賴氨酸酰氧化酶2（LOXL2）表達(dá)明顯增加，可促進(jìn)上皮細(xì)胞去分化，介導(dǎo)EMT，進(jìn)而加劇腎纖維化。在缺氧環(huán)境中，HIF-1α可誘導(dǎo)Bmil 轉(zhuǎn)錄激活，Bmi1 蛋白升高水平與腎小管間質(zhì)纖維化程度密切相關(guān)，表明 Bmi1 在腎臟疾病中發(fā)揮促纖維化作用，其機(jī)制與Bmil 對(duì)腎上皮-間質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化有促進(jìn)作用相關(guān)。此外，Twist、Snail、Slug、Zeb 也受HIF-1 調(diào)節(jié)，與腎纖維化相關(guān)[11]。

3.3 激活腎纖維化的關(guān)鍵信號(hào)通路

TGF-β/Smad 通 路、P13K/AKT 通 路、Wnt/β-catenin通路在腎纖維化中起重要作用。HIF-1α 能與這些通路相互作用。

3.3.1 TGF-β /Smad3 信號(hào)通路轉(zhuǎn)化 生長(zhǎng)因子-β（TGF-β）是腎臟纖維化的主要因素，作為組織修復(fù)的正向調(diào)節(jié)劑分布于腎臟所有細(xì)胞類型中，但主要分布于腎小管及腎小球細(xì)胞。低氧情況下，HIF-1α 可刺激腎近曲小管上皮細(xì)胞釋放 TGF-β，TGF-β 依賴Smads3誘導(dǎo)腎小管上皮細(xì)胞分化為成纖維細(xì)胞，促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化（EMT），并產(chǎn)生大量細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）[12]。與Samd3 相反，Smad7 是TGF-β/Smad 信號(hào)通路的負(fù)向調(diào)節(jié)劑，其可競(jìng)爭(zhēng)TGF-β 的結(jié)合位點(diǎn)[13]。Smad4 的選擇性缺失也可顯著減少UUO 模型的腎纖維化。值得注意的是，纖維化動(dòng)物模型中，抑制 TGF-β 降低 ECM的同時(shí)也使免疫細(xì)胞紊亂，小鼠罹患自身免疫性疾病風(fēng)險(xiǎn)增加、炎癥加劇[14]。把控對(duì)TGF-β 通路的抑制程度以減少不良效應(yīng)值得探究。

3.3.2 PI3K / AKT 信號(hào)通路 磷脂酰肌醇3（P13K）是細(xì)胞內(nèi)重要的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子，激活后可進(jìn)一步引起蛋白激酶B（AKT）活化。AKT 與P13K 同為絲氨酸/ 蘇氨酸蛋白激酶，活化后通過磷酸化激活或抑制下游靶蛋白表達(dá)，共同調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、凋亡、自噬及血管生成等。梗死的心肌組織中Bmi1 表達(dá)明顯升高，可增強(qiáng)P13K 表達(dá)，提高AKT 磷酸化水平，促使心臟成纖維細(xì)胞增殖和遷徙，促進(jìn)纖維化[15]。HIF-1α 可以直接誘導(dǎo)Bmi1 表達(dá)，但Bmi1 并不能直接激活 PI3K/AKT 通路，而是通過抑制磷酸酶及緊張素同源物（PTEN）對(duì)PI3K/AKT 通路進(jìn)行負(fù)向調(diào)節(jié)。缺氧條件下，用 PI3K 抑制劑（LY294002）處理腎小管上皮細(xì)胞導(dǎo)致 AKT 磷酸化以及 HIF-1α 水平均降低，抑制內(nèi)源性Bmi-1 轉(zhuǎn)錄表達(dá)可逆轉(zhuǎn)缺氧誘導(dǎo)的EMT[16]，提示HIF-1α 與P13K/AKT 信號(hào)通路存在相互作用。

3.3.3 Wnt/β-catenin 信號(hào)通路 Wnt/β-catenin 通路是經(jīng)典的Wnt 信號(hào)通路，主要由Wnt 家族蛋白（Wnt）、結(jié)直腸腺瘤性息肉蛋白（APC）、β 連環(huán)蛋白（β-catenin）、卷曲蛋白（Frizzled）組成，細(xì)胞內(nèi)蛋白β-catenin 是此通路的關(guān)鍵介質(zhì)[17]。HIF-1 與β-catenin 存在共表達(dá)現(xiàn)象，HIF-1 異常激活時(shí)，家族性APC 磷酸化增強(qiáng)，對(duì)β-catenin 進(jìn)行降解的復(fù)合物失活，β-catenin 得以積聚，從胞質(zhì)進(jìn)入胞核，刺激多種纖維化相關(guān)靶基因的轉(zhuǎn)錄、激活炎癥細(xì)胞和肌成纖維細(xì)胞增殖[18]。抑制HIF-1的活性，使Wnt/catenin 信號(hào)通路受阻，有助于減少EMT 的發(fā)生，從而改善腎纖維化。

3.4 調(diào)節(jié)促纖維化的酶與細(xì)胞因子表達(dá)

沉默信息調(diào)節(jié)因子2 相關(guān)酶1（SIRT1）屬于Ⅲ類組蛋白去乙酰化酶（HDAC），作為一種去乙?；?，在細(xì)胞代謝、氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)、增殖分化方面起關(guān)鍵作用。STIR1 可使HIF-1 的賴氨酸殘基去乙?；种破渑cp300/CBP 相互作用可減輕小鼠腎纖維化[19]。小鼠模型證實(shí)，SIRT1 失活可使HIF-1α 乙?；潭仍黾?、活性增強(qiáng)，腎纖維化程度加重。反之，激活SIRT1 則可觀察到糖尿病模型小鼠的腎小球系膜纖維化顯著減輕。結(jié)締組織生長(zhǎng)因子（CTGF）可介導(dǎo)成纖維細(xì)胞的DNA合成，加速膠原沉積，促進(jìn)新生血管的形成，從而促進(jìn)組織纖維化。HIF-1α 能直接作用于CTGF 增強(qiáng)子，使CTGFmRNA 轉(zhuǎn)錄增加，從而參與腎間質(zhì)纖維化的發(fā)生發(fā)展[20]。

3.5 調(diào)節(jié)外泌體分泌

Liu 等[21]發(fā)現(xiàn)抑制腎外泌體分泌可改善單側(cè)輸尿管梗阻、缺血再灌注損傷模型的腎纖維化。外泌體攜帶的微小RNA（miRNA）可通過多種信號(hào)通路刺激成纖維細(xì)胞的增殖分化、間充質(zhì)轉(zhuǎn)化及誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，加重腎臟損害。腎小管來源的外泌體miR-21 可使成纖維細(xì)胞明顯激活，其可能機(jī)制是通過PTEN/Akt 通路途徑刺激成纖維細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)的產(chǎn)生，抑制miR-21 可上調(diào)PENT 并抑制p-Akt，體外低氧刺激HIF-1 及轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β 可見外泌體分泌增加[22]。針對(duì)外泌體的分泌有望為抗腎纖維化治療提供新靶點(diǎn)。

4 HIF 信號(hào)途徑在腎臟疾病治療中的應(yīng)用

4.1 HIF 與腎性貧血

慢性腎臟病性貧血是慢性腎臟病的突出表現(xiàn)之一，目前臨床上主要應(yīng)用紅細(xì)胞生成刺激劑（ESAs）治療腎性貧血。長(zhǎng)期高劑量ESAs 可導(dǎo)致終末期腎臟病患者不良心血管事件發(fā)生率的明顯升高[23]。羅沙司他（FG-4592）是全球首個(gè)口服即可生物利用的低氧誘導(dǎo)因子脯氨酰羥化酶抑制劑。此藥可通過抑制HIF-a 亞基的降解，穩(wěn)定HIF 介導(dǎo)的EPO 轉(zhuǎn)錄而促進(jìn)紅細(xì)胞的生成，并可抑制鐵調(diào)素的表達(dá)，促進(jìn)鐵吸收，改善患者的貧血[24]。臨床研究表明，服用羅沙司他可顯著提高患者的血紅蛋白水平[25]，這為廣大腎性貧血患者提供了全新的治療手段。

4.2 HIF 與癌癥治療

HIF-1 和HIF-2 在癌組織中過表達(dá)，與多種原發(fā)或繼發(fā)惡性腫瘤的生長(zhǎng)、侵襲轉(zhuǎn)移及放化療抵抗有關(guān)，其作用機(jī)制可能與HIF 增加腫瘤組織中的微血管生成、癌細(xì)胞對(duì)缺氧微環(huán)境適應(yīng)等有關(guān)。HIF-2 對(duì)腎透明細(xì)胞癌生長(zhǎng)有促進(jìn)作用[26]。最新研發(fā)的HIF-2 抑制劑如PT-2977 已進(jìn)入臨床研究階段，對(duì)晚期腎透明細(xì)胞癌有療效，且患者耐受性良好[27]。因此，HIF 因可能作為癌癥診斷及治療的作用靶點(diǎn)而引發(fā)廣泛關(guān)注。

5 展望

HIF-1α 介導(dǎo)的靶基因表達(dá)及細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)在腎臟纖維化中發(fā)揮重要作用，具有促進(jìn)腎上皮- 間質(zhì)轉(zhuǎn)化、調(diào)節(jié)促纖維化基因轉(zhuǎn)錄、誘導(dǎo)細(xì)胞因子生成等多重作用，可參與急性腎衰竭、多種慢性腎臟病、腎透明細(xì)胞癌的發(fā)生發(fā)展。然而，迄今為止臨床上缺乏專門針對(duì)腎纖維化本身的有效治療。對(duì)HIF-1α 介導(dǎo)的相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄及信號(hào)通路進(jìn)行靶向調(diào)控或阻斷，為急慢性腎臟病患者提供了新的治療方向和潛在靶點(diǎn)。