缺氧誘導(dǎo)因子-1α在高原低氧腦損傷中的研究進(jìn)展*

陳敬威 楊 藝 魏艷娜 孫 娟 趙秀麗△

（青海大學(xué)，1 研究生院，2 附屬醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，西寧 810016）

高原低氧環(huán)境對(duì)機(jī)體的影響是廣泛的，高原具有低氧、低氣壓、寒冷、干燥等環(huán)境特點(diǎn)，進(jìn)入高原后，機(jī)體會(huì)發(fā)生急性缺氧反應(yīng)，處于缺氧應(yīng)激狀態(tài)，引起一系列臟器功能、代謝、內(nèi)分泌等方面的代償性調(diào)節(jié)，當(dāng)機(jī)體對(duì)低氧環(huán)境的適應(yīng)能力不全或失調(diào)時(shí)，會(huì)引發(fā)一系列高原疾病[1]。近年越來(lái)越多的平原居民前往高海拔地區(qū)工作、旅游，急進(jìn)高原發(fā)生腦損傷的風(fēng)險(xiǎn)明顯增加。因此，高原低氧腦損傷為目前的研究熱點(diǎn)之一。

急進(jìn)高原者，數(shù)分鐘內(nèi)腦血流降低，隨后腦血流迅速增加，且l～2 d后達(dá)到高峰，此后隨著缺氧時(shí)間的延長(zhǎng)，腦血流量逐漸下降，并接近于平原水平[2]。急性高原低氧導(dǎo)致腦血管擴(kuò)張、腦血流增加、顱內(nèi)壓升高、腦組織無(wú)氧代謝加強(qiáng)、ATP生成減少，進(jìn)而導(dǎo)致血腦屏障（blood brain barrier，BBB）破壞、腦水腫發(fā)生。缺氧誘導(dǎo)因子-1（hypoxia inducible factor-1，HIF-1）α在高原低氧腦損傷的機(jī)制中發(fā)揮著重要的作用。在低氧條件下HIF-1α誘導(dǎo)多種因子表達(dá)，引起B(yǎng)BB破壞、腦水腫形成，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡、細(xì)胞自噬、炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激等，從而引起低氧腦損傷。激活的HIF-1α也可促進(jìn)紅細(xì)胞生成、血管生成、糖代謝及轉(zhuǎn)運(yùn)等，在低氧時(shí)起到一定神經(jīng)保護(hù)作用。

1 HIF-1α在高原低氧腦損傷中的相關(guān)作用機(jī)制

1.1 HIF-1α

HIF-1是1988年Goldberg等[3]在促紅細(xì)胞生成素（erythropoietin，EPO）基因的相關(guān)調(diào)節(jié)研究中發(fā)現(xiàn)，是一種氧敏感的轉(zhuǎn)錄激活因子，其與下游靶基因結(jié)合后，誘導(dǎo)特定基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)。HIF-1是一種異源二聚體，由氧調(diào)節(jié)亞基HIF-1α（120 kD）和結(jié)構(gòu)性亞基HIF-1β（91～94 kD）2個(gè)亞單位組成。在常氧條件下，HIF-1α通過(guò)泛素-蛋白酶途徑降解；此外，HIF-1抑制因子（factor inhibiting HIF-1，F(xiàn)IH-1）將HIF-1α的COOH末端激活域（COOH-terminal activation domain，CAD）羥基化，抑制了HIF-1α與轉(zhuǎn)錄激活輔助因子（CBP/p300）的結(jié)合，從而抑制了其轉(zhuǎn)錄活性[4]。而低氧條件阻斷了HIF-1α的上述過(guò)程，使得細(xì)胞核內(nèi)HIF-1α與HIF-1β結(jié)合，構(gòu)成HIF-1，并作用于多種缺氧反應(yīng)元件（hypoxia response elements，HRE），誘導(dǎo)靶基因的表達(dá)、參與調(diào)控下游因子。

1.2 HIF-1α與血腦屏障破壞、腦水腫

缺氧是導(dǎo)致BBB滲透性破壞和腦水腫形成的重要因素。BBB是血液與腦組織間的一種特殊屏障，其最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)是內(nèi)皮細(xì)胞間的連接，內(nèi)皮細(xì)胞間的連接包括緊密連接（tight junctions，TJs）、黏附連接（adherent junctions，AJs）和縫隙連接（gap junctions，GJs）；其中TJs是BBB的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，由跨膜蛋白、胞質(zhì)附著蛋白和細(xì)胞骨架蛋白共同組成?？缒さ鞍装ㄩ]合蛋白（claudins）、咬合蛋白（occludin）、連接黏附分子（junctional adhesive molecule，JAM）；胞質(zhì)附著蛋白由帶狀閉合蛋白（zonular occludens，ZO）構(gòu)成，包括ZO-1、ZO-2和ZO-3[5]。

血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的增強(qiáng)子上存在HIF-1α的結(jié)合位點(diǎn)，缺氧時(shí)在細(xì)胞核內(nèi)HIF-1α與HIF-1β結(jié)合成HIF-1，HIF-1與VEGF基因增強(qiáng)子結(jié)合促進(jìn)VEGF轉(zhuǎn)錄和表達(dá)[6]。有研究表明，缺氧誘導(dǎo)HIF-1α積累和VEGF的產(chǎn)生是缺氧導(dǎo)致BBB內(nèi)皮細(xì)胞通透性增加和ZO-1破壞的部分原因，VEGF通過(guò)在轉(zhuǎn)錄水平上抑制ZO-1 mRNA的表達(dá)，導(dǎo)致BBB滲透性改變[7]。有文獻(xiàn)報(bào)道，VEGF能促進(jìn)ZO-1和occludin的酪氨酸磷酸化，導(dǎo)致TJs破壞，進(jìn)而使得BBB通透性增加[8]。Engelhardt等[9]報(bào)道，在缺氧和常氧HIF-1α激活時(shí)，ZO-1和claudin-5從細(xì)胞膜上移位，進(jìn)而導(dǎo)致TJs破壞。VEGF激活內(nèi)皮細(xì)胞胞質(zhì)內(nèi)的囊泡-液泡細(xì)胞器途徑，在BBB破壞過(guò)程中起到了一定的作用[10]。

另有研究表明，HIF-1α可通過(guò)激活 MMP-9破壞基底膜及ZO-1、occludin，導(dǎo)致BBB通透性增加，同時(shí)增加水通道蛋白-4（aquaporin-4，AQP-4）的表達(dá)，從而導(dǎo)致BBB破壞及腦水腫形成[11]。

輕中度缺氧暴露時(shí)，VEGF的上調(diào)可增強(qiáng)低氧區(qū)域周圍細(xì)胞的存活，在重度和持續(xù)缺氧暴露時(shí)，VEGF迅速大量增加，引起血管通透性增加和血管重塑，從而導(dǎo)致BBB破壞[12]。高原低氧腦損傷也同樣存在腦缺血缺氧損傷相關(guān)表現(xiàn)。Zhang等[12]在大鼠腦缺血模型中顯示，在腦局部缺血2～6 h時(shí)，VEGF表達(dá)上調(diào)加重了BBB滲透性和腦水腫形成。另有研究證明：通過(guò)3-（5'-羥甲基-2'-呋喃基）-1-芐基吲唑[3-（5'-hydroxymethyl-2'-furyl）-1-benzylindazole，YC-1]抑制HIF-1α的積累和VEGF的產(chǎn)生，可以保護(hù)BBB免受缺氧引起的損傷[13]。

低氧暴露損害腦組織的完整性，破壞神經(jīng)元的功能。雖然在缺氧和缺血條件下血腦屏障功能的變化已經(jīng)被證實(shí)，但到目前為止，HIF-1α通路的激活與腦內(nèi)皮細(xì)胞屏障功能之間的關(guān)系尚待進(jìn)一步研究。

1.3 HIF-1α與細(xì)胞凋亡

Chen等[14]研究表明，低氧時(shí)HIF-1α直接與p53泛素連接酶結(jié)合，阻斷p53轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)而促進(jìn)凋亡。有研究表明，大鼠短暫局灶性缺血后紋狀體和皮質(zhì)神經(jīng)元中，HIF-1α通過(guò)增加Bcl2/腺病毒E1B相互作用蛋白（recombinant Bcl2/adenovirus E1B interacting protein 3，BNIP3）的表達(dá)，誘導(dǎo)神經(jīng)元凋亡[15]。相反通過(guò)抑制HIF-1α的表達(dá)，抑制BNIP3途徑所致神經(jīng)元凋亡，發(fā)揮缺血缺氧腦組織的保護(hù)作用[16]。在大鼠高原低氧腦損傷模型中，低氧顯著誘導(dǎo)HIF-1α、凋亡蛋白酶激活因子-1（apoptotic protease-activating factor-1，APAF-1）、半胱天冬酶-3（caspase-3）、活化caspase-3、Bax等蛋白和細(xì)胞色素c（cytochrome c，Cyto-c）的表達(dá)，促進(jìn)細(xì)胞凋亡，進(jìn)而導(dǎo)致腦損傷的發(fā)生[17]。

微小核糖核酸-210（microRNA-210，miR-210）是缺氧時(shí)由HIF-1α誘導(dǎo)的具有缺氧敏感性的miRNA之一，為調(diào)節(jié)缺氧反應(yīng)的重要因子。miR-210過(guò)表達(dá)，可抑制細(xì)胞色素c氧化酶組裝蛋白（cytochrome c oxidase assembly protein，COX10）的表達(dá)[18]。HIF-1α蛋白表達(dá)增加誘導(dǎo)miR-210過(guò)表達(dá)，從而抑制COX10的表達(dá)，影響線粒體的能量代謝過(guò)程[19]，線粒體電子傳遞通路被終止，凋亡通路被啟動(dòng)，導(dǎo)致caspase級(jí)聯(lián)反應(yīng)和凋亡。

在缺血性神經(jīng)元死亡的過(guò)程中，Notch-1和HIF-1α協(xié)同促進(jìn)缺血性卒中神經(jīng)元死亡[20]；在大鼠腦缺血再灌注損傷研究表明，可以通過(guò)敲除miR-34a從而激活Notch-1/HIF-1α信號(hào)通路，減輕腦組織損傷和神經(jīng)元凋亡[21]。

1.4 HIF-1α與自噬

中度缺氧條件下，HIF-1通過(guò)誘導(dǎo)BH3-only蛋白（BCL2 homolog 3r domain only proteins，BH3-only proteins）中的BNIP3蛋白表達(dá)，破壞beclin-1與B細(xì)胞淋巴瘤-2（B-cell lymphoma-2，Bcl-2）之間的相互抑制作用，從而促進(jìn)自噬[22]，同時(shí)缺氧后上調(diào)的HIF-1α誘導(dǎo)BNIP3和BNIP3L（BNIP3-like）激活自噬。另有文獻(xiàn)報(bào)道，2-甲氧基雌二醇通過(guò)抑制HIF-1α進(jìn)而下調(diào)BNIP3表達(dá)，從而減輕全腦缺血后自噬通路的激活，進(jìn)而發(fā)揮腦保護(hù)作用[23]。缺氧可上調(diào)小鼠腦組織小膠質(zhì)細(xì)胞HIF-1α蛋白的表達(dá)，進(jìn)而誘導(dǎo)beclin-1的表達(dá)，激活自噬通路，發(fā)揮腦保護(hù)作用[24]。Gong等[25]在大鼠腦缺血/再灌注模型研究中顯示，模型組動(dòng)物通過(guò)哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）通路，增加HIF-1α的表達(dá)，進(jìn)而誘導(dǎo)大鼠皮質(zhì)神經(jīng)元線粒體自噬的激活。

1.5 HIF-1α與炎癥

HIF-1α與核轉(zhuǎn)錄因子-κB（nuclear factor-κB，NF-κB）之間可能存在相互調(diào)控機(jī)制。相關(guān)研究證明，HIF-1α基因的啟動(dòng)子上有NF-κB的結(jié)合位點(diǎn)，NF-κB是HIF-1α表達(dá)的直接調(diào)節(jié)者[26]；而且在低氧條件下，NF-κB亞基也可移位到細(xì)胞核，并與HIF-1α啟動(dòng)子結(jié)合位點(diǎn)相互作用，從而增加HIF-1α的表達(dá)；缺氧還可以誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞自分泌腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α），進(jìn)而通過(guò)NF-κB激活HIF通路，促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生VEGF導(dǎo)致血管生成[27]；有研究報(bào)道稱，HIF-1α可通過(guò)抑制NF-κB的活性調(diào)控炎癥反應(yīng)，保護(hù)機(jī)體免受炎癥反應(yīng)的損害[28]；NF-κB通過(guò)直接競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合HRE編碼基因上的p300來(lái)阻斷HIF-1α對(duì)HRE編碼基因的反式激活[29]。在急性低壓缺氧誘導(dǎo)大鼠腦損傷研究表明，通過(guò)阻斷NF-κB和HIF-1α信號(hào)通路，可抑制下游促炎細(xì)胞因子（IL-1β、IL-6、TNF-α和VEGF）的表達(dá)[30]。

1.6 HIF-1α與氧化應(yīng)激

大鼠腦缺血再灌注損傷模型研究中表明，自由基清除劑依達(dá)拉奉通過(guò)抑制活性氧（reactive oxygen species，ROS）、HIF-1α的產(chǎn)生，可減輕缺血后腦損傷[31]。在小鼠腦組織中的研究顯示，通過(guò)抑制線粒體電子傳遞鏈，從而抑制HIF-1的表達(dá)[32]。在低氧條件下，線粒體復(fù)合體Ⅲ產(chǎn)生的ROS起到穩(wěn)定HIF-1α的作用，從而增加缺氧HIF-1α的積累，若破壞ROS的產(chǎn)生，則HIF-1α的穩(wěn)定性減弱。研究表明復(fù)合物Ⅲ的Qo位點(diǎn)是缺氧時(shí)ROS產(chǎn)生的主要位點(diǎn)，若抑制Qo位點(diǎn)，則HIF-1α的穩(wěn)定性降低。研究表明，線粒體ROS的增加可能通過(guò)阻止HIF-1α的羥基化，從而穩(wěn)定HIF-1α[33]。在缺氧條件下ROS可能沒(méi)有或是沒(méi)有直接參與HIF-1α的穩(wěn)定，超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）中的SOD1和SOD2過(guò)表達(dá)并沒(méi)有阻止缺氧時(shí)HIF-1α的穩(wěn)定，這表明線粒體ROS不是缺氧下HIF-1α穩(wěn)定所直接需要的[34]。低劑量外源性H2O2增加HIF-1α蛋白表達(dá)來(lái)保護(hù)初級(jí)皮質(zhì)神經(jīng)元免受缺血的影響[35]，短期缺氧缺糖和H2O2誘導(dǎo)預(yù)處理可能提供了神經(jīng)保護(hù)，外源性H2O2可通過(guò)抑制FIH，來(lái)穩(wěn)定HIF-1α[36]。

研究顯示，ROS可能通過(guò)細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶（extracellular regulated protein kinases，ERK）和磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）/V-akt鼠胸腺瘤病毒癌基因同源物（V-akt murine thymoma viral oncogene homolog，AKT）對(duì)HIF-1α的轉(zhuǎn)錄和翻譯進(jìn)行調(diào)控。在缺氧條件下，ROS通過(guò)誘導(dǎo)ERK和PI3K/AKT磷酸化，導(dǎo)致HIF-1α的轉(zhuǎn)錄增加；抑制miR-210可降低HIF-1α蛋白水平，miR-210可能通過(guò)抑制線粒體復(fù)合體Ⅱ調(diào)控HIF-1α的表達(dá)[37，38]。miR-210可能參與ROS介導(dǎo)的HIF-1α調(diào)控；此外，ROS也可通過(guò)AKT和ERK通路對(duì)miR-210進(jìn)行調(diào)控[39]。

2 HIF-1α與神經(jīng)保護(hù)

在低氧條件下HIF-1α觸發(fā)多種基因的表達(dá)，這些基因啟動(dòng)缺血缺氧損傷后的紅細(xì)胞生成、血管生成、糖代謝及轉(zhuǎn)運(yùn)、細(xì)胞存活等，激活的HIF-1α可在腦缺血缺氧時(shí)起到保護(hù)作用。

EPO促進(jìn)紅細(xì)胞生成，提高攜氧能力。體內(nèi)外研究表明，缺氧條件下HIF-1α通過(guò)誘導(dǎo)EPO生成，抑制腦缺血缺氧組織細(xì)胞凋亡和促進(jìn)缺血耐受[40]。HIF-1α通過(guò)上調(diào)大鼠腦缺血再灌注損傷后EPO的表達(dá)，抑制缺血后神經(jīng)元中活化的caspase-3，減輕神經(jīng)元凋亡[41]。

VEGF在促進(jìn)血管生成、改變血管及血腦屏障通透性方面起重要作用。在腦缺血缺氧期，HIF-1α可誘導(dǎo)VEGF促進(jìn)血管生成來(lái)增加氧氣輸送。Zhang等[12]在大鼠腦缺血模型中顯示，在腦局部缺血2～28 d時(shí)，VEGF的上調(diào)主要發(fā)生在缺血周邊帶，VEGF與其受體結(jié)合調(diào)節(jié)新生血管重建。體內(nèi)外研究結(jié)果表明，通過(guò)激活HIF-1α/VEGF途徑，對(duì)局灶性腦缺血大鼠血管結(jié)構(gòu)有保護(hù)作用，并促進(jìn)血管生成[42]。亞硝基谷氨酰胺硫酮通過(guò)HIF-1α/VEGF途徑，促進(jìn)大鼠實(shí)驗(yàn)性卒中后血管生成、神經(jīng)修復(fù)和功能恢復(fù)[43]。

缺氧激活HIF-1α，通過(guò)增加葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)和糖酵解，促進(jìn)缺血缺氧組織中的神經(jīng)細(xì)胞存活。對(duì)大鼠腦局灶性缺血研究顯示，缺血7.5～24 h，觀察到HIF-1α誘導(dǎo)GLUT-1、糖酵解酶表達(dá)增加，通過(guò)增加葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)和糖酵解促進(jìn)缺氧缺血半暗帶的組織存活[44]。在大鼠腦組織低壓低氧后適應(yīng)研究表明，HIF-1α通過(guò)調(diào)節(jié)磷酸戊糖途徑，導(dǎo)致NADPH穩(wěn)定和谷胱甘肽水平升高，從而起到神經(jīng)保護(hù)作用[45]。

血紅素加氧酶-1（heme oxygenase-1，HO-1）將血紅素轉(zhuǎn)化為膽紅素、CO和鐵。膽紅素已被證明可以保護(hù)細(xì)胞免受氧化損傷，CO引起血管舒張、抑制血小板聚集、抑制炎癥反應(yīng)，從而保護(hù)細(xì)胞免受損傷。研究表明HIF-1α通過(guò)上調(diào)HO-1，抗氧化應(yīng)激、抑制炎癥、促進(jìn)血管生成，促進(jìn)細(xì)胞存活[46]。將大鼠暴露于低壓低氧（7 619 m）環(huán)境中，鈷通過(guò)誘導(dǎo)HIF-1α高表達(dá)，維持較高的HO-1水平，降低缺氧誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激，提供有效的神經(jīng)保護(hù)[47]。3 展望

HIF-1α作為細(xì)胞適應(yīng)低氧環(huán)境的關(guān)鍵性誘導(dǎo)因子，在缺氧缺血腦損傷發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮著雙重作用。在低氧條件下，許多因素參與HIF-1α調(diào)節(jié)，HIF-1α通過(guò)激活靶基因誘導(dǎo)多種蛋白的表達(dá)，HIF-1α與許多因子之間存在相互調(diào)節(jié)，與各信號(hào)通路相互影響，發(fā)揮重要的協(xié)同或拮抗作用，其中誘導(dǎo)或抑制因素、作用靶點(diǎn)及通路中是否還涉及其他相關(guān)因子尚不完全清楚，有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明。缺氧的程度、缺氧缺血的持續(xù)時(shí)間及其在不同類型細(xì)胞中的表達(dá)，可能是影響其兩面性的重要因素。HIF-1α在低氧誘導(dǎo)大腦的血腦屏障破壞、腦水腫、神經(jīng)元凋亡、炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激等多方面發(fā)揮著促進(jìn)或抑制作用。在今后的研究中，可將HIF-1α作為神經(jīng)保護(hù)治療的有效靶點(diǎn)，通過(guò)應(yīng)用HIF-1α的抑制劑、激活劑，進(jìn)行缺氧預(yù)處理或針對(duì)特定的細(xì)胞類型和細(xì)胞靶點(diǎn)，調(diào)控HIF-1α促進(jìn)神經(jīng)保護(hù)和抑制細(xì)胞凋亡作用。但在不同的缺氧時(shí)程及不同的信號(hào)通路中，如何給予不同的干預(yù)仍是個(gè)難題。