缺氧誘導(dǎo)因子1α 在心肌缺血再灌注損傷中作用的研究進(jìn)展

盧紫君，黃照河

心血管疾?。╟ardiovascular disease，CVD）占中國城鄉(xiāng)居民死亡原因的首位，目前其死亡率仍呈上升趨勢［1］，其中心肌梗死（myocardial infarction，MI）是關(guān)鍵的致死因素，且85%的MI患者被明確是由動(dòng)脈粥樣硬化斑塊破裂引起的［2］。目前，通過藥物溶栓、經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療（percutaneous coronary intervention，PCI）和冠狀動(dòng)脈旁路移植術(shù)使阻塞的血管再通（再灌注治療）被認(rèn)為是MI最有效的治療策略，然而，盡管再灌注治療可及時(shí)恢復(fù)血流，改善缺氧環(huán)境，從而挽救受損的心肌細(xì)胞，但其本身也可能引起進(jìn)一步的病理反應(yīng)，從而加劇心肌組織損傷，即心肌缺血再灌注損傷（myocardial ischemia reperfusion injury，MIRI）［3］。研究顯示，MIRI的發(fā)生與氧化應(yīng)激、活性氧（reactive oxygen species，ROS）堆積、鈣超載、免疫反應(yīng)［4］及ATP生成障礙［5］等多種病理機(jī)制密切相關(guān)。缺氧誘導(dǎo)因子（hypoxiainducible factor，HIF）-1α作為一種廣泛存在的轉(zhuǎn)錄因子，在介導(dǎo)細(xì)胞對(duì)缺氧環(huán)境的適應(yīng)性反應(yīng)中發(fā)揮著獨(dú)特作用，其在低氧條件下被激活，一方面可活化多種參與調(diào)節(jié)細(xì)胞氧化還原狀態(tài)的靶基因以減少ROS的生成，另一方面可調(diào)控線粒體特異性基因的表達(dá)量以適應(yīng)缺氧環(huán)境并改善線粒體功能［6］，從而在預(yù)防MIRI及保護(hù)心臟功能方面起重要作用，因而HIF-1α可能是缺氧損傷后心臟重塑的潛在治療靶點(diǎn)之一?；诖吮尘埃疚闹饕榻B了HIF-1α的發(fā)現(xiàn)過程、結(jié)構(gòu)與生物學(xué)效應(yīng)及其在MIRI中的作用機(jī)制，并總結(jié)了基于HIF-1α治療MIRI的研究現(xiàn)狀，以期為MIRI的診治提供新思路和理論依據(jù)。

1 HIF-1α的發(fā)現(xiàn)過程、結(jié)構(gòu)與生物學(xué)效應(yīng)

1.1 HIF-1α的發(fā)現(xiàn)過程 HIF-1最早是由SEMENZA等［7］在促紅細(xì)胞生成素基因中發(fā)現(xiàn)的，其是氧傳感途徑中的一個(gè)重要因素，該發(fā)現(xiàn)使人們對(duì)低氧調(diào)控基因有了初步認(rèn)識(shí)。該團(tuán)隊(duì)在隨后的研究中提出，哺乳動(dòng)物可通過基因表達(dá)量的變化而感知氧濃度并對(duì)缺氧做出反應(yīng)，而HIF-1在氧張力的調(diào)節(jié)中起關(guān)鍵作用［8］。HUANG等［9］的研究進(jìn)一步提出，HIF-1的激活主要依賴缺氧誘導(dǎo)的HIF-1α的穩(wěn)定性，缺氧通過消除氧依賴降解（oxygen-dependent degradation，ODD）結(jié)構(gòu)域來穩(wěn)定HIF-1α，從而激活HIF-1信號(hào)通路。此后，HIF-1α促進(jìn)細(xì)胞適應(yīng)缺氧環(huán)境的作用機(jī)制被廣泛研究，而HIF-1α誘導(dǎo)血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的表達(dá)、介導(dǎo)缺氧信號(hào)通路的作用也逐漸被人們發(fā)現(xiàn)［10］。

1.2 HIF-1α的結(jié)構(gòu)與生物學(xué)效應(yīng) HIF-1實(shí)質(zhì)上是由細(xì)胞質(zhì)中對(duì)氧敏感的α亞基和維持細(xì)胞核形態(tài)的β亞基〔即芳香烴受體核轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（arylhydrocarbon receptor nuclear translocator，ARNT）〕組成的異源二聚體。HIF-1α亞基主要起感知氧張力的作用，其穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)錄活性均受到氧濃度的調(diào)節(jié)，而β亞基則不受缺氧影響。HIF-1α亞基是含有PAS結(jié)構(gòu)域的堿性-螺旋-環(huán)-螺旋蛋白，這使得其能夠與DNA結(jié)合并在缺氧環(huán)境中與ARNT異質(zhì)二聚化，從而進(jìn)一步活化VEGF。此外，HIF-1α包含兩個(gè)轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域，即N端轉(zhuǎn)錄激活域（N-transactivation domain，N-TAD）和C端轉(zhuǎn)錄激活域（C-transactivation domain，C-TAD），這是激活缺氧誘導(dǎo)基因轉(zhuǎn)錄所必需的，且HIF-1α在正常氧濃度時(shí)受脯氨酰殘基的羥基化調(diào)節(jié)［11］。HIF-1α蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性、亞細(xì)胞定位和轉(zhuǎn)錄活性均受細(xì)胞內(nèi)氧合水平的影響。在氧含量充足的細(xì)胞中，含氧依賴性脯氨酰羥化酶結(jié)構(gòu)域（prolyl hydroxylase domain，PHD）的蛋白質(zhì)會(huì)將HIF-1α的ODD結(jié)構(gòu)域的兩個(gè)脯氨酸位點(diǎn)（Pro402和Pro564）羥基化［12］，這些羥基化后的HIF-1α可被腫瘤抑制蛋白馮·希佩爾-林道（von Hippel-Lindau，VHL）識(shí)別并與之結(jié)合而發(fā)生泛素化，從而形成E3泛素連接酶復(fù)合體，而后通過氧依賴的泛素-蛋白酶體途徑降解；在缺氧條件下，羥化反應(yīng)被抑制，HIF-1α不斷積聚，從而調(diào)控細(xì)胞增殖，其亦可與HIF-1β形成異二聚體，并進(jìn)一步與缺氧反應(yīng)元件（hypoxia responsive elements，HRE）結(jié)合［13］，從而激活數(shù)百個(gè)靶基因（包括涉及氧化應(yīng)激［14］、紅細(xì)胞生成、血管生成、糖酵解、線粒體代謝的基因［15］）的轉(zhuǎn)錄，而這些基因的翻譯產(chǎn)物可將氧氣向缺氧組織輸送，從而使細(xì)胞代謝適應(yīng)缺氧環(huán)境。

2 HIF-1α在MIRI中的作用機(jī)制

MIRI與鈣超載、氧自由基生成、免疫應(yīng)答、線粒體損傷、細(xì)胞凋亡和自噬以及血小板異常聚集等多種復(fù)雜的病理生理學(xué)特征有關(guān)［4］。其中，鈣超載和氧化應(yīng)激引起的線粒體功能障礙被認(rèn)為是導(dǎo)致MIRI的重要原因［16］，但其確切機(jī)制尚不明確。HIF-1α作為一種轉(zhuǎn)錄因子，可參與氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)、線粒體代謝等數(shù)百種相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄，研究指出，HIF-1α是多種藥物預(yù)防及改善MIRI的作用靶點(diǎn)［17］，其具體作用機(jī)制可能與以下幾方面有關(guān)。

2.1 促進(jìn)線粒體功能恢復(fù) 在MIRI發(fā)生的早期，心肌長時(shí)間缺血導(dǎo)致線粒體損傷，隨后導(dǎo)致ATP酶依賴的離子轉(zhuǎn)運(yùn)功能障礙，進(jìn)而引起ATP耗竭并誘導(dǎo)Ca2+生成、細(xì)胞腫脹和壞死等一系列事件。研究指出，在缺氧期間，細(xì)胞的適應(yīng)性反應(yīng)可激活HIF-1，從而誘導(dǎo)許多促進(jìn)血管生成、能量代謝和細(xì)胞存活的基因的表達(dá)，進(jìn)而通過激活促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞遷移、生長和分化的基因信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)來調(diào)節(jié)內(nèi)皮細(xì)胞的適應(yīng)性［18］。再灌注過程中，心肌細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度升高，引起胞質(zhì)及線粒體內(nèi)鈣超載，其中進(jìn)入線粒體的Ca2+進(jìn)一步與含磷酸的化合物結(jié)合，導(dǎo)致不溶性的磷酸鈣沉積，從而影響線粒體氧化磷酸化［19］。同時(shí)，低氧還會(huì)破壞線粒體電子傳導(dǎo)鏈（electron transport chain，ETC），引起ROS大量堆積，而ROS和Ca2+濃度的增加可促使線粒體內(nèi)膜的滲透性轉(zhuǎn)導(dǎo)孔（permeability transition pores，PTP）開放，使得線粒體的膜滲透性發(fā)生變化。此外，PTP的開放還會(huì)使線粒體內(nèi)的Ca2+和ROS含量再次增加，從而導(dǎo)致線粒體內(nèi)蛋白和脂質(zhì)過度氧化［20］，抑制線粒體呼吸功能并活化凋亡蛋白酶，進(jìn)而啟動(dòng)細(xì)胞凋亡程序。目前，調(diào)控缺血再灌注后的線粒體穩(wěn)態(tài)，已被認(rèn)為是一種有效的心肌保護(hù)策略［19］。研究發(fā)現(xiàn)，缺氧情況下HIF-1α表達(dá)增加可有效減輕MIRI，這種保護(hù)作用是通過介導(dǎo)七氟醚調(diào)節(jié)線粒體呼吸鏈能量生成，進(jìn)而改善線粒體呼吸功能實(shí)現(xiàn)的［21］。線粒體自噬作為一種選擇性的細(xì)胞自噬，在多種CVD中發(fā)揮著重要作用，且對(duì)于維持心血管穩(wěn)態(tài)尤為重要［22］。Bcl-2家族成員Bcl-2/腺病毒E1B 19-kDa相互作用蛋白3（Bcl-2/adenovirus E1B 19-kDa interacting protein 3，BNIP3）是一種線粒體外膜蛋白，已被證實(shí)參與線粒體自噬過程，而HIF-1α可以上調(diào)BNIP3的表達(dá)，從而增強(qiáng)心肌細(xì)胞中線粒體自噬能力，促進(jìn)線粒體功能恢復(fù)，進(jìn)而減輕缺血性損傷［23］。王雪梅等［24］通過建立糖尿病心肌細(xì)胞缺血再灌注損傷模型發(fā)現(xiàn)，激活HIF-1α可促進(jìn)線粒體能量代謝，減輕心肌細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷和減少心肌細(xì)胞凋亡。上述研究提示，HIF-1α可能通過直接或間接地促進(jìn)線粒體功能恢復(fù)來減輕MIRI。

2.2 提高心肌細(xì)胞抗氧化能力 MIRI發(fā)生過程中，ROS堆積被認(rèn)為是導(dǎo)致心肌細(xì)胞損傷的重要因素，線粒體由于缺血缺氧損傷會(huì)釋放大量ROS，導(dǎo)致膜脂質(zhì)過氧化，進(jìn)而破壞細(xì)胞膜的屏障功能；而脂質(zhì)、DNA和蛋白質(zhì)的過度氧化可導(dǎo)致心肌細(xì)胞損傷加重，最終致使心肌細(xì)胞凋亡［25］。因此，清除細(xì)胞中過量的ROS，緩解氧化應(yīng)激，可以提高心肌細(xì)胞的生存能力、減輕MIRI［26］。而HIF-1α可減少缺血再灌注后心肌細(xì)胞中ROS的產(chǎn)生和心肌細(xì)胞凋亡，進(jìn)而減輕MIRI［26］。MI發(fā)生后，心臟成纖維細(xì)胞中的HIF-1α可通過核因子-紅細(xì)胞因子2（nuclear factor-erythroid factor 2，Nrf2）途徑提高成纖維細(xì)胞的抗氧化能力，從而保護(hù)心臟免受由ROS積聚引起的損傷［27］。此外，一些中草藥研究也發(fā)現(xiàn)了HIF-1α可提高心肌細(xì)胞抗氧化能力，如在缺血再灌注模型小鼠中，二氫丹參酮I預(yù)處理可通過穩(wěn)定HIF-1α來清除氧自由基，減少ROS的生成，維持細(xì)胞內(nèi)氧化還原平衡，從而保護(hù)心肌免受缺血再灌注損傷［28］；LIU等［29］研究發(fā)現(xiàn)，接受三七總皂苷干預(yù)的缺血再灌注心肌細(xì)胞模型的HIF-1α明顯升高，且三七總皂苷可抑制心肌損傷標(biāo)志物——乳酸脫氫酶（lactate dehydrogenase，LDH）、丙二醛（malonaldehyde，MDA）、ROS的生成，并指出三七總皂苷通過減少ROS以及干預(yù)HIF-1α/叉頭框家族蛋白O3a（forkhead box protein O3a，F(xiàn)oxO3a）靶點(diǎn)來減輕MIRI；另一種天然產(chǎn)物積雪草酸可通過激活蛋白激酶B（protein kinase B，Akt）/糖原合成酶激酶（glycogen synthase kinase，GSK）-3β通路而促進(jìn)HIF-1α表達(dá)，從而抑制ROS過度產(chǎn)生，同時(shí)調(diào)節(jié)缺血再灌注損傷細(xì)胞的Ca2+含量，減輕鈣超載，進(jìn)而發(fā)揮心肌保護(hù)作用［30］。綜上，HIF-1α被激活后可抑制ROS堆積，提高心肌細(xì)胞抗氧化能力，進(jìn)而減輕MIRI。

2.3 介導(dǎo)心臟保護(hù)信號(hào)通路 自HIF-1α靶基因首次被報(bào)道以來，研究者已經(jīng)鑒定出數(shù)百個(gè)HIF-1α信號(hào)通路的下游靶點(diǎn)，這揭示了HIF-1α信號(hào)通路的復(fù)雜性和重要性［31］。ZHU等［32］早期研究發(fā)現(xiàn)，BNIP3通過HIF-1α介導(dǎo)的缺氧信號(hào)通路增強(qiáng)心肌組織中線粒體的自噬能力，從而減輕MIRI。ZHANG等［33］研究進(jìn)一步證實(shí)，在MIRI大鼠心肌細(xì)胞中，HIF-1α表達(dá)水平升高，其通過激活HIF-1α/BNIP3信號(hào)通路而抑制心肌細(xì)胞凋亡，進(jìn)而減輕MIRI。YANG等［34］研究證明，七氟醚預(yù)處理可以通過激活HIF-1α/C-X-C趨化因子受體4（C-X-C motif chemokine receptor 4，CXCR4）/VEGF信號(hào)通路來提高VEGF表達(dá)水平，而VEGF與血管生成密切相關(guān)，且促進(jìn)血管生成可以有效改善組織缺氧，從而減輕MIRI。另一項(xiàng)研究亦指出，香草醛和己酮可可堿通過調(diào)節(jié)Akt/HIF-1α/VEGF信號(hào)通路而發(fā)揮心臟保護(hù)作用［35］。神經(jīng)標(biāo)志物泛素羧基末端水解酶L1（ubiquitin carboxy-terminal hydrolase L1，UCHL1）被證實(shí)可抑制缺血再灌注后的心肌纖維化，進(jìn)而保護(hù)心臟功能，這是通過激活HIF-1α信號(hào)通路并穩(wěn)定HIF-1α實(shí)現(xiàn)的［36］。此外，黃芪甲苷也被證實(shí)可通過促進(jìn)Janus激酶2（Janus kinase 2，JAK2）/轉(zhuǎn)錄激活因子3（signal transducer and activator of transcription 3，STAT3）的磷酸化來升高HIF-1α水平，進(jìn)而保護(hù)心肌細(xì)胞免受缺血再灌注損傷［37］。綜上，HIF-1可介導(dǎo)心臟保護(hù)信號(hào)通路，進(jìn)而減輕MIRI，且調(diào)控HIF-1α表達(dá)在MIRI的治療中存在巨大潛力。

3 基于HIF-1α治療MIRI的研究現(xiàn)狀

目前，針對(duì)HIF-1α的藥物研究還停留在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)水平，缺乏循證證據(jù)和基礎(chǔ)研究成果向臨床應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。SU等［38］通過構(gòu)建MIRI模型小鼠，驗(yàn)證了miR-432和HIF-1α之間的靶標(biāo)關(guān)系，指出miR-432過表達(dá)可誘導(dǎo)HIF-1α激活，從而啟動(dòng)β-catenin/HIF-1α信號(hào)通路以及增強(qiáng)NRF2介導(dǎo)的抗氧化應(yīng)激反應(yīng)，進(jìn)而保護(hù)心肌免受缺血再灌注損傷。此外，許多中草藥成分如三七皂苷Ft1、積雪草酸、黃芪甲苷、紫杉醇、曲克蘆丁［39］、柴胡三參［40］和酸棗葉總黃酮［41］等均可通過調(diào)控HIF-1α表達(dá)來激活與心臟保護(hù)相關(guān)的靶基因，進(jìn)而預(yù)防MIRI。陳興華等［42］研究發(fā)現(xiàn)，落新婦苷通過激活HIF-1α/BNIP3信號(hào)通路來增強(qiáng)線粒體的自噬能力，從而縮小MI面積，減輕MIRI。阿瑞匹坦可減輕大鼠MIRI，同時(shí)提高HIF-1α、Akt水平，其心肌保護(hù)作用可能是通過激活PI3K/Akt/GSK-3β信號(hào)通路和HIF-1α信號(hào)通路實(shí)現(xiàn)的［43］。以上研究均是以HIF-1α為靶點(diǎn)來探尋MIRI新的治療策略，然而僅停留在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段，MIRI臨床藥物的開發(fā)與應(yīng)用仍有待進(jìn)一步深入研究。

4 小結(jié)與展望

MIRI是MI再灌注治療后引起心肌細(xì)胞凋亡的一種并發(fā)癥，可嚴(yán)重影響MI患者的預(yù)后及生存率，其潛在機(jī)制被廣泛研究。HIF-1α作為一種在機(jī)體內(nèi)普遍存在的轉(zhuǎn)錄因子，可與數(shù)千個(gè)靶基因結(jié)合，從而對(duì)機(jī)體產(chǎn)生特殊的調(diào)控效應(yīng)，其可以通過促進(jìn)線粒體功能恢復(fù)、提高心肌細(xì)胞抗氧化能力、介導(dǎo)心臟保護(hù)信號(hào)通路而減輕MIRI。但目前關(guān)于HIF-1α的研究多停留在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段，未來需要進(jìn)一步探索其在心臟炎癥、氧化應(yīng)激以及線粒體損傷中的具體作用及其機(jī)制，以期達(dá)到降低MIRI發(fā)生率及改善患者預(yù)后的目的，從而為MIRI的臨床診療提供參考。

作者貢獻(xiàn)：盧紫君進(jìn)行文章的構(gòu)思與設(shè)計(jì)、文獻(xiàn)/資料收集與整理，撰寫論文；黃照河進(jìn)行文章的可行性分析，負(fù)責(zé)文章的質(zhì)量控制及審校，對(duì)文章整體負(fù)責(zé)、監(jiān)督管理；盧紫君、黃照河進(jìn)行論文的修訂。

本文無利益沖突。