低氧誘導(dǎo)因子1α在消化道腫瘤中作用的研究進(jìn)展

朱梓維，楊彪

（1. 沈陽醫(yī)學(xué)院2018級臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)本科生，遼寧 沈陽 110034；2. 沈陽醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院病原生物學(xué)教研室）

氧是哺乳動物進(jìn)行新陳代謝等正常生理功能時所必需的物質(zhì)，在細(xì)胞能量產(chǎn)生過程中及許多酶的輔助因子和底物反應(yīng)中至關(guān)重要［1］。細(xì)胞內(nèi)的總氧分壓小于40 mmHg 時，細(xì)胞即為低氧狀態(tài)［2］。在腫瘤微環(huán)境中，由于血液供應(yīng)不足，不能在常氧狀態(tài)下支持腫瘤細(xì)胞的快速生長，因此低氧狀態(tài)在腫瘤發(fā)展進(jìn)程中是一直存在的現(xiàn)象，同時，在癌癥的休眠、代謝及發(fā)生發(fā)展中，缺氧環(huán)境的作用也不容忽視。腫瘤的發(fā)生與生長與多種機(jī)制有關(guān)，如糖酵解的代謝、血管生成及其他生物學(xué)作用，而在缺氧環(huán)境中產(chǎn)生的低氧誘導(dǎo)因子（hypoxia inducible factor，HIF）則對這些機(jī)制的相應(yīng)基因表達(dá)進(jìn)行調(diào)控［3］。本文就HIF-1α在消化道腫瘤發(fā)生、發(fā)展中作用的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 HIF-1可以誘導(dǎo)腫瘤發(fā)生過程中相關(guān)因子的表達(dá)

在腫瘤發(fā)生過程中，腫瘤細(xì)胞會進(jìn)行細(xì)胞外基質(zhì)重構(gòu)、血管生成、細(xì)胞遷移、上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化（EMT）、耐藥性的形成及腫瘤干細(xì)胞的篩選與維持［4］，而實現(xiàn)這些功能的前提是上調(diào)表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子HIF-1。大量的研究證明，在腫瘤細(xì)胞內(nèi)的低氧環(huán)境，HIF-1可以調(diào)節(jié)多種基因表達(dá)，而這些被調(diào)控的基因在多種腫瘤的發(fā)生發(fā)展中起著重要的調(diào)控作用［5-8］。

1.1 血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF） VEGF 是一種具有高度特異性的促血管內(nèi)皮細(xì)胞生長因子，具有促進(jìn)血管通透性增加、血管內(nèi)皮細(xì)胞遷移、增殖等作用，在大多數(shù)腫瘤中高度表達(dá)，且與腫瘤的浸潤、轉(zhuǎn)移、復(fù)發(fā)相關(guān)［9］。VEGF可以通過動員缺氧部位的血管細(xì)胞、促進(jìn)血管生成細(xì)胞進(jìn)入循環(huán)［10］，在機(jī)體的血管生成與重塑中有著重要意義［11］。缺氧部位因為新生的血管而增加了血供，使缺氧有所緩解，不過這也間接促進(jìn)了腫瘤的發(fā)展［12］。路璐等［13］對HIF-1α和VEGF的表達(dá)對非小細(xì)胞肺癌（non-small cell lung cancer，NSCLC）術(shù)后的臨床和預(yù)后等進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)HIF-1α 和VEGF 雙陽性表達(dá)與TNM分期及5年生存率顯著相關(guān)，同時也進(jìn)一步驗證了在NSCLC中，在缺氧環(huán)境下，HIF-1α可以誘導(dǎo)VEGF 的表達(dá)，其在腫瘤的發(fā)生、發(fā)展中有著重要意義。

1.2 促紅細(xì)胞生成素（erythropoietin，EPO） 組織缺氧時會刺激腎臟產(chǎn)生EPO，是紅細(xì)胞產(chǎn)生的主要激活物［14］。當(dāng)機(jī)體發(fā)生貧血或局部組織缺氧時，HIF-1α 會結(jié)合EPO 的缺氧反應(yīng)元件，增加EPO 基因的轉(zhuǎn)錄［15］，使血紅蛋白的表達(dá)增加，從而改善低氧環(huán)境［16］。這一機(jī)制改善了腫瘤的缺氧微環(huán)境，利于其發(fā)展與遷移。另外，有研究發(fā)現(xiàn)，HIF家族成員也是缺氧反應(yīng)途徑的負(fù)向調(diào)節(jié)激活物，可以直接調(diào)節(jié)EPO的表達(dá)［17］。

1.3 葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1（glucose transporter 1，Glut1） Glut1 是葡萄糖溶質(zhì)載體2A 家族的一員，負(fù)責(zé)細(xì)胞內(nèi)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)及代謝的調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞即使在有氧條件下也會采取糖酵解的方式供能，通過此途徑獲得少量ATP，因此腫瘤細(xì)胞需要通過高表達(dá)Glut1來加速糖代謝過程，為自身的相關(guān)生命活動提供足夠的能量。HIF-1α 的高表達(dá)促進(jìn)Glut1在腫瘤細(xì)胞中的表達(dá)增強(qiáng)，使得腫瘤細(xì)胞的代謝加速，從而為腫瘤細(xì)胞的增殖、侵襲、遷移等多種活動提供了足夠的ATP［18］。Yan等［19］通過實驗發(fā)現(xiàn)，胃癌細(xì)胞增殖的速度以及葡萄糖利用率的提高與HIF-1α和Glut1的表達(dá)程度有關(guān)。也有證據(jù)表明，Glut1的表達(dá)程度與胃癌的預(yù)后有關(guān)［20-21］。因此Glut1的表達(dá)程度在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中起著重要作用。

1.4 糖酵解相關(guān)酶 HIF-1α 在糖酵解的調(diào)節(jié)過程中起著必不可少的作用［22］。在腫瘤細(xì)胞內(nèi)，代謝水平降低，即使在氧氣充足的環(huán)境中，也會傾向于無氧糖酵解途徑，這種代謝途徑的改變使檸檬酸鹽的生成減少，從而削弱了乙酰輔酶A 的合成，在脂肪代謝中，HIF-1 通過PGC-1β 途徑抑制中鏈和長鏈?；o酶A 脫氫酶，從而抑制脂肪酸β-氧化，進(jìn)而減少乙酰輔酶A 的生成［23］。這些過程，有助于維持蛋白質(zhì)的脫乙酰化，因此更加利于無氧糖酵解途徑，促進(jìn)了腫瘤增殖［24］。此外，HIF-1α 提高了丙酮酸脫氫酶激酶1（PDK1）的表達(dá)，使丙酮酸脫氫酶失活，通過抑制丙酮酸向乙酰輔酶A 的轉(zhuǎn)化過程來促進(jìn)無氧糖酵解［25］。同時研究發(fā)現(xiàn)，Warburg 效應(yīng)還會提高細(xì)胞內(nèi)pH 值，使其趨向堿性，這有利于腫瘤細(xì)胞的無氧糖酵解，加速細(xì)胞的增殖；也可增加細(xì)胞對于缺氧、凋亡等過程的抵抗力［26］。因此，HIF-1 通過調(diào)節(jié)細(xì)胞的糖酵解相關(guān)酶的表達(dá)，促進(jìn)糖酵解，從而對腫瘤細(xì)胞的增殖和侵襲產(chǎn)生影響。

2 HIF-1α與消化系統(tǒng)腫瘤

2.1 胃癌 胃癌的患病率持續(xù)增高，對胃癌的治療方法也在不斷深入。研究發(fā)現(xiàn)，ATP 酶ATAD2在胃癌中過表達(dá)，且其表達(dá)程度與HIF-1α 的水平密切相關(guān)［27］。研究表明，在低氧環(huán)境中，HIF-1α通過與ATAD2 的啟動子結(jié)合，調(diào)控其表達(dá)水平，過表達(dá)ATAD2則有利于胃癌的增殖和侵襲［27］。曹輝瓊等［28］通過比較正常黏膜組織與胃癌組織中HIF-1α 與VEGF 水平，發(fā)現(xiàn)兩者表達(dá)呈正相關(guān)，促進(jìn)胃癌組織中的血管生成，加速腫瘤進(jìn)展。Ding等［29］研究發(fā)現(xiàn)，HIF-1α水平升高會上調(diào)趨化因子受體4（CXCR4）的表達(dá)，HIF-1α/CXCR4 信號通路介導(dǎo)的膠原三股螺旋重復(fù)蛋白1（CTHRC1）會促進(jìn)細(xì)胞的生長與遷移。因此在胃癌中，HIF-1α 的表達(dá)與胃癌細(xì)胞的遷移和侵襲密切相關(guān)。

2.2 肝細(xì)胞癌（hepatic cell carcinoma，HCC） 近年來，HCC 的發(fā)病率和死亡率不斷增加，對人類的健康造成了很大的威脅。與缺氧有關(guān)的EMT是腫瘤進(jìn)展的關(guān)鍵因素。Zhang 等［30］進(jìn)行了缺氧對EMT 的誘導(dǎo)以及腫瘤細(xì)胞遷移和侵襲能力影響的研究，發(fā)現(xiàn)在HCC 細(xì)胞中HIF-1α 的表達(dá)水平升高，而低氧穩(wěn)定的HIF-1α?xí)龠M(jìn)HCC細(xì)胞中蝸牛家族轉(zhuǎn)錄抑制因子1（SNAI1）的表達(dá)，繼而促進(jìn)EMT，增強(qiáng)HCC 細(xì)胞的遷移和侵襲能力。Huang等［31］對HCC 組織中的HIF-1α 和COX-2 蛋白表達(dá)進(jìn)行研究，當(dāng)缺氧微環(huán)境加劇，導(dǎo)致HCC 中的HIF-1α蛋白高表達(dá)，而HIF-1α?xí)^續(xù)促使HCC細(xì)胞中的環(huán)氧化酶2（COX-2）蛋白高水平表達(dá)并促進(jìn)EMT進(jìn)程，從而適應(yīng)組織內(nèi)的缺氧微環(huán)境，這會增強(qiáng)HCC 的侵襲和轉(zhuǎn)移能力，可能會不利于HCC 患者的預(yù)后。Wang 等［32］的研究顯示，賴氨酸氧化酶-2（LOXL2）作為催化細(xì)胞外基質(zhì)中膠原蛋白和彈性蛋白共價交聯(lián)的物質(zhì)，是HIF-1α 在促進(jìn)EMT途徑中所必需的中介，而EMT途徑的增加會導(dǎo)致HCC 侵襲與遷移功能的促進(jìn)，這不利于HCC 患者的預(yù)后。因此在HCC 中，HIF-1α 對于HCC的疾病進(jìn)展以及預(yù)后都起到了重要的作用。

2.3 胰腺癌 胰腺癌是一種預(yù)后極差的癌癥，預(yù)后差與其本身的生物學(xué)特性以及對放化療的抗性是密切相關(guān)的。腫瘤缺氧微環(huán)境中，HIF-1α 的高水平表達(dá)對腫瘤的形成起到重要作用。李暉等［33］對HIF-1α 在胰腺癌組織中的表達(dá)情況進(jìn)行了研究，結(jié)果表明HIF-1α 在胰腺癌組織中的表達(dá)水平要比正常的胰腺組織高，其在激素的生物合成，VEGF的正向調(diào)節(jié)，缺氧的應(yīng)答，以及調(diào)節(jié)腫瘤發(fā)展的通路中起重要作用。

在胰腺癌組織的生長過程中，鈣離子起著非常重要作用，而基質(zhì)相互作用蛋白分子1（STIM1）是一種鈣離子傳感器，可以調(diào)控多種鈣離子通道的關(guān)鍵分子，從而在腫瘤的發(fā)展、侵襲、轉(zhuǎn)移中發(fā)揮關(guān)鍵性作用。胡金萌［34］研究發(fā)現(xiàn)，HIF-1α 與STIM1 表達(dá)呈正相關(guān)，STIM1 在分化較差的腫瘤組織中，呈現(xiàn)明顯的高水平表達(dá)，且通過了一系列體外實驗證實HIF-1α 調(diào)控STIM1高水平表達(dá)會增強(qiáng)胰腺癌的侵襲和轉(zhuǎn)移能力，對患者的預(yù)后不良影響較大。

徐陽［35］通過實驗發(fā)現(xiàn)，胰腺癌細(xì)胞中的缺氧微環(huán)境使HIF-1α 的表達(dá)水平升高，在其調(diào)控作用下小鼠雙尾C蛋白（BICC1）在胰腺癌組織中的表達(dá)水平也升高，進(jìn)而引起E 盒結(jié)合鋅指蛋白1（ZEB1）的表達(dá)增加，其在胰腺癌細(xì)胞形態(tài)、功能的維持中發(fā)揮重要作用，而ZEB1也是目前已知的對腫瘤轉(zhuǎn)移影響較大的因子，因此，HIF-1α 通過調(diào)控BICC1 來增強(qiáng)了腫瘤細(xì)胞的侵襲和轉(zhuǎn)移能力，不利于胰腺癌患者的預(yù)后。

2.4 結(jié)直腸癌 近年來，隨著人們生活習(xí)慣及飲食結(jié)構(gòu)的改變，我國結(jié)直腸癌的發(fā)病率和死亡率不斷增加，該病在早期往往沒有典型癥狀，患者不易察覺，一旦發(fā)現(xiàn)基本已經(jīng)是中晚期，而惡性腫瘤的重要特征就是缺氧微環(huán)境，在缺氧環(huán)境下HIF-1α 起到了重要的作用，與腫瘤的生長情況以及侵襲能力密切相關(guān)。

劉文等［36］探究了HIF-1α與結(jié)直腸癌侵襲轉(zhuǎn)移的關(guān)系，結(jié)果表明在低氧狀態(tài)下HIF-1α 轉(zhuǎn)錄活性明顯增高，其可能通過結(jié)合并激活轉(zhuǎn)錄因子Ncoa1來調(diào)控CXCR4的表達(dá)，進(jìn)而增加結(jié)直腸癌細(xì)胞侵襲以及遷移的能力。王立春等［37］進(jìn)行了結(jié)直腸癌中VEGF 的影響因素的研究，結(jié)果顯示結(jié)直腸癌中的VEGF 表達(dá)與HIF-1α 的高表達(dá)有關(guān)，且會對患者不良的預(yù)后表現(xiàn)產(chǎn)生一定的影響。

谷氨酰胺代謝是是腫瘤代謝重編程中必不可少的過程，在腫瘤細(xì)胞中谷氨酰胺代謝非?；钴S，谷氨酰胺酶1（GLUS1）是調(diào)節(jié)其代謝的限速酶，因此袁媛［38］通過檢測GLUS1 和HIF-1α 在結(jié)直腸癌組織以及正常組織中的表達(dá)情況，分析二者與腫瘤發(fā)展的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在人的結(jié)直腸癌組織中GLUS1和HIF-1α的表達(dá)均顯著高于癌旁腸黏膜組織，并且兩者的表達(dá)在腫瘤組織中呈正相關(guān)，二者的高表達(dá)與淋巴結(jié)的轉(zhuǎn)移以及結(jié)直腸癌腫瘤的TNM分期相關(guān)，這可能提示GLUS1 和HIF-1α 在結(jié)直腸癌的進(jìn)展中有一定的協(xié)同作用，可能會對腫瘤細(xì)胞的發(fā)展分化及侵襲有促進(jìn)作用，不利于患者的預(yù)后。因此，HIF-1α 在結(jié)直腸癌中參與了多種腫瘤相關(guān)途徑的調(diào)節(jié)，促進(jìn)了腫瘤的發(fā)生發(fā)展以及侵襲遷移過程，導(dǎo)致了患者的不良預(yù)后。

3 小結(jié)與展望

流行病學(xué)研究顯示，在全球惡性腫瘤的發(fā)病率中，胃癌、肝癌、胰腺癌和結(jié)直腸癌的發(fā)病率和死亡率都位于前列，嚴(yán)重地危害著人們的生命健康。在這些腫瘤的發(fā)生發(fā)展中，由于缺氧微環(huán)境的存在，直接導(dǎo)致了HIF-1α 的過表達(dá)。因此，HIF-1α 的表達(dá)水平可以作為消化道腫瘤早期檢測以及預(yù)后檢查的一項重要指標(biāo)。另一方面，HIF-1α的高水平表達(dá)會調(diào)控其下游的靶基因表達(dá)，實現(xiàn)腫瘤的代謝方式以及相關(guān)功能基因的重編程，從而增加腫瘤侵襲和遷移的能力。因此，對HIF-1α的研究有可能會為消化道腫瘤的治療手段帶來新的前景。