HIF與腎細(xì)胞癌關(guān)系的研究進(jìn)展

夏旺寧，王超奇

（1.內(nèi)蒙古民族大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028000 ；2.永州市中心醫(yī)院，湖南 永州 425000 ；3.內(nèi)蒙古民族大學(xué)附屬醫(yī)院，內(nèi)蒙古 通遼 028000）

氧是生物生長(zhǎng)和發(fā)育的重要元素之一，與細(xì)胞的代謝及生理過(guò)程息息相關(guān)。缺氧時(shí)在細(xì)胞水平發(fā)生的一系列代償適應(yīng)性反應(yīng)多是通過(guò)基因水平的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)的，目前已知缺氧可誘導(dǎo)上百種基因的表達(dá)，并且刺激生成厭氧代謝酶，這是細(xì)胞在缺氧狀態(tài)下生存的原因，這些基因統(tǒng)稱為缺氧相關(guān)基因[1]。缺氧誘導(dǎo)因子（hypoxia-inducible factor，HIF）是調(diào)控相關(guān)基因表達(dá)的重要轉(zhuǎn)錄因子之一。缺氧是誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞生成的常見(jiàn)因素之一，削弱甚至阻礙了癌癥的治療如化療、放療和免疫治療等的療效，因此了解細(xì)胞缺氧的機(jī)制對(duì)于醫(yī)學(xué)的發(fā)展非常重要[2]。腎細(xì)胞癌（renal cell carcinoma，RCC）是泌尿系統(tǒng)中一種發(fā)病率較高的惡性腫瘤，通常分為乳頭狀腎癌、透明細(xì)胞性腎癌、集合管系統(tǒng)腎癌、嫌色細(xì)胞腎癌和其他類(lèi)型腎癌，其中以透明細(xì)胞腎癌（clear cell RCC，ccRCC）最為常見(jiàn)。全球每年大約有43 萬(wàn)人被診斷出RCC，其中約有18萬(wàn)人因此病而死亡[3]。近幾年來(lái)，腎癌的發(fā)病率不斷增高。超過(guò)60% 的患者經(jīng)手術(shù)治療預(yù)后良好，但仍有一部分患者在就診時(shí)就已進(jìn)展為晚期RCC，這些患者只有通過(guò)綜合治療才能改善預(yù)后，因而與RCC 有關(guān)的靶向治療及靶向基因的研究逐漸成為熱點(diǎn)。已有研究發(fā)現(xiàn)，Von Hippel-Lindau（VHL）基因以及HIF與RCC 的發(fā)生發(fā)展有關(guān)。本文重點(diǎn)就HIF 與RCC 關(guān)系的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 HIF 的結(jié)構(gòu)與功能

1991 年，Semenza 等[4]在缺氧環(huán)境下發(fā)現(xiàn)一種蛋白質(zhì)復(fù)合物能與特定DNA 片段結(jié)合，并能夠隨著氧氣濃度的變化做出相應(yīng)的改變，他們將這種特定的DNA 片 段 稱 為“Hypoxia response element，HRE”，稱這種復(fù)合物為“Hypoxia-inducible factors，HIF”（缺氧誘導(dǎo)因子），從而開(kāi)啟了氧感知領(lǐng)域的研究。緊接著在1995 年，Semenza 團(tuán)隊(duì)對(duì)HIF 進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，并純化解析了該轉(zhuǎn)錄因子蛋白復(fù)合體，他們發(fā)現(xiàn)HIF 是由兩種不同的蛋白組成，分別為轉(zhuǎn)錄因子HIF-1α 和ARNT。隨后科學(xué)家們很快找到了HIF-1α 和VHL 蛋白的聯(lián)系。HIF 由兩個(gè)基本的螺旋-環(huán)-螺旋（bHLH）蛋白組成。目前的研究表明，HIF 主要包含三種不同的HIF-α 因子 ，即HIF-1α、HIF-2α、HIF-3α，以及兩種HIF-β 因子：HIF-1β 和HIF-2β，不同的因子具有不同的功能活性和特異性[5]。HIF-1α 和HIF-2α 兩者都有NTAD 和CTAD兩個(gè)結(jié)構(gòu)域來(lái)轉(zhuǎn)錄激活，當(dāng)與DNA 結(jié)合時(shí)可激活轉(zhuǎn)錄。但有反式激活能力的HIF-α 蛋白異構(gòu)體可被HIF-3α 競(jìng)爭(zhēng)性抑制[6]，因?yàn)槠浣?jīng)過(guò)較多的mRNA 剪接，所以無(wú)反式激活結(jié)構(gòu)域。

HIF 發(fā)揮功能與VHL 基因有一定關(guān)聯(lián)。2001年，Kaelin 團(tuán)隊(duì)和Ratcliffe 團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在正常的氧濃度下，HIF-1α 的兩個(gè)特定位點(diǎn)上會(huì)被添上羥基（脯氨酰羥化），這一改變使得VHL 能夠識(shí)別并結(jié)合HIF-1α ；在沒(méi)有氧氣狀態(tài)下，HIF-1α 不會(huì)與VHL 結(jié)合，而是直接進(jìn)入細(xì)胞核，并與一些特定的基因組結(jié)合，從而激活、調(diào)節(jié)體內(nèi)多種基因的功能，促進(jìn)氧氣的供應(yīng)與運(yùn)輸[7-8]。VHL 基因的起始密碼子可以編碼多功能蛋白pVHL，這種蛋白與ccRCC 的發(fā)生發(fā)展相關(guān)，同時(shí)pVHL 蛋白和elongin B、elongin C、Cul2Rbx1 也是泛素化連接酶復(fù)合物底物的識(shí)別亞基[9]。在有氧情況下，pVHL 結(jié)構(gòu)域識(shí)別并結(jié)合被脯氨酰羥化酶（PHD）羥化的HIF-α 亞單位和脯氨酰殘基，并通過(guò)pVHL-HIFα 功能區(qū)與E3 泛素連接酶復(fù)合物，將多聚泛素化尾共價(jià)到HIF-α 亞單位上，以便于被26S 蛋白酶體識(shí)別并降解與pVHL 結(jié)構(gòu)域結(jié)合的HIF-α 亞單位[10]。當(dāng)然殘留的天冬酰胺酰羥化酶1（FIH-1）也可以使HIF-α 羥基化，從而降低CTAD 活性。這種天冬酰胺酰羥基化反應(yīng)需要分子內(nèi)有氧環(huán)境，這點(diǎn)與脯氨酰羥化酶引起的羥基化反應(yīng)類(lèi)似[11]，但是FIH-1 在缺氧情況下也能有一定活性使HIF-α 穩(wěn)定，從而調(diào)節(jié)缺氧反應(yīng)[12]。通常細(xì)胞只有在缺氧時(shí)HIF 才升高，而當(dāng)pVHL 異常時(shí)，細(xì)胞在任何環(huán)境中都有高水平的HIF。HIF-α 與pVHL 蛋白在缺氧或細(xì)胞中pVHL 蛋白缺失的情況下發(fā)生分離，與HIF-β 亞基二聚化并轉(zhuǎn)錄激活100 ～200 個(gè)基因，當(dāng)中包含部分適應(yīng)低氧環(huán)境的基因。在缺氧條件下，PHD 和FIH 兩者的氧酶活性減弱，HIF-α 變得穩(wěn)定并易位到細(xì)胞核中，與ARNT 二聚化，并結(jié)合缺氧反應(yīng)元件（HREs）激活細(xì)胞特異性以適應(yīng)缺氧[13]。另外也有研究顯示，其他某些癌基因的激活變異、抑癌基因的失活變異，也可以使HIF-α 的表達(dá)或其活性升高[14]。

2 HIF 與RCC 的關(guān)系

目前已明確缺氧與腫瘤有一定的聯(lián)系。RCC 的患病率與VHL 等位基因不同有關(guān)，也與蛋白質(zhì)的損害程度、HIF 的調(diào)節(jié)規(guī)律有相關(guān)性[15]。不同的VHL基因型，對(duì)HIF 傳導(dǎo)途徑具有不同的影響。RCC 的典型特征之一是高頻VHL 失活，尤其ccRCC 的高頻VHL 失活率更是達(dá)90% 以上，VHL 蛋白失活會(huì)影響HIF-α 的降解途徑，造成HIF-α 在有氧時(shí)聚集[16]，這也是RCC 發(fā)生的主要原因。有研究表明，HIF-1α 和HIF-2α 與RCC 的發(fā)生率呈正相關(guān)，認(rèn)為HIF-1α 和HIF-2α 均促進(jìn)了RCC 的發(fā)生，因此可以通過(guò)觀察血清HIF-1α、HIF-2α 水平的高低篩查RCC[17]。盡管RCC 的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)與HIF-α 失調(diào)的相關(guān)性不是絕對(duì)的，但HIF 途徑在RCC 的發(fā)病機(jī)制中仍是重要和必需的。HIF-α 不同類(lèi)型在ccRCC 中具有不同的作用。有研究表明，具有HIF-2α 表達(dá)的癌癥與更大的腫瘤體積相關(guān)，含有HIF-1α 基因的14號(hào)染色體區(qū)域的缺失是RCC 的共同特征[18-19]。HIF-1α 的缺失直接導(dǎo)致蛋白表達(dá)異常，這種14q 的缺失常常提示RCC 患者的預(yù)后欠佳。通過(guò)對(duì)VHL 缺失的ccRCC 患者進(jìn)行研究得知，許多患者表達(dá)HIF-2α但并不表達(dá)HIF-1α，而在去除了HIF-2α 缺失型VHL 的細(xì)胞系后，仍可以像恢復(fù)了pVHL 蛋白的功能一樣在裸鼠身上形成腫瘤。相反，表達(dá)過(guò)多的HIF-2α 而非HIF-1α，可以掩蓋pVHL 蛋白的抑癌作用[20]。HIF-2α 可通過(guò)影響組蛋白修飾而參與RCC的發(fā)生[21]，降低細(xì)胞中HIF-2α 的含量可明顯抑制RCC 的發(fā)展，因此靶向HIF-2α 被看作是RCC 治療的重要策略[22]。

3 HIF 與RCC 的治療

HIF 與RCC 關(guān)系密切，通過(guò)選擇能抑制HIF 或HIF 靶基因作用的藥物，可以為RCC 的治療找到新的方法。目前已有一些HIF 抑制劑進(jìn)入了臨床研究階段，如伊維莫司和坦西莫司治療已轉(zhuǎn)移的RCC 效果顯著。針對(duì)低氧性腫瘤細(xì)胞及HIF 的治療策略主要包括使用低氧激活前藥、抑制HIF 二聚體形成、抑制HIF 的mRNA 或蛋白表達(dá)、抑制其DNA 結(jié)合能力和轉(zhuǎn)錄活性等。目前HIF 抑制劑的靶向目標(biāo)大多為HIF-1α 及HIF-2α 亞型[23]。HIF 的兩個(gè)亞型經(jīng)充分研究，發(fā)現(xiàn)其主要功能是調(diào)節(jié)葡萄糖代謝和血管生成。腫瘤血管生成由血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（VEGF）調(diào)控為主，而VEGF 由HIF-1 和HIF-2 調(diào)節(jié)。HIF 還可調(diào)節(jié)像葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和乳酸脫氫酶等參與糖酵解級(jí)聯(lián)反應(yīng)的基因。此外，HIF 也可調(diào)節(jié)參與其他抗癌療法的相關(guān)基因，如放療、化療及免疫治療等[24-25]。

3.1 HIF-2α 與RCC 的治療

以往，HIF-2α 被認(rèn)為是無(wú)法制成藥物的。然而，基于HIF-2α/HIF-1β 異二聚體形成過(guò)程中PAS-B結(jié)構(gòu)域的特征，進(jìn)一步根據(jù)HIF-2α 的PAS-B 與抑制劑的多重相關(guān)因素如選擇特異性、結(jié)合能力、口服吸收效果等，從而確定PT2385 和PT2977 兩種化合物作為抑制劑。與前者相比，后者的藥代動(dòng)力學(xué)和體內(nèi)生物利用率均更佳，這是因?yàn)镻T2385 是體外實(shí)驗(yàn)用抑制劑，而PT2977 作為臨床藥物使用。體外實(shí)驗(yàn)表明，PT2385 和PT2977 可高效抑制HIF-2α/HIF-β 異二聚體形成及DNA 結(jié)合活性，最終實(shí)現(xiàn)抑制HIF-2α 靶基因表達(dá)的目的；兩種抑制劑的作用效果還具有較強(qiáng)的選擇性，盡管HIF-1α 和HIF-2α 蛋白序列具有高度同源性，但二者在PAS-B 結(jié)構(gòu)方面存在一定的差別，因此PT2385/PT2977 只抑制HIF-2α 與HIF-1β 結(jié)合，并降低HIF-2α 靶基因的表達(dá)，但不影響HIF-1α 的生理功能[26]。HIF-2α 驅(qū)動(dòng)ccRCC 和藥物抑制反應(yīng)的基因產(chǎn)物VEGF 是RCC 治療的基石，HIF-2α 在RCC 中似乎是異質(zhì)性的。此外，在臨床前模型中，p53 通路突變可導(dǎo)致對(duì)HIF-2α 的抗性，這就證實(shí)了預(yù)測(cè)性生物標(biāo)志物需要優(yōu)化使用HIF-2α 拮抗劑的臨床研究[27]。

3.2 HIF-1α 與RCC 的治療

前面已述，缺氧條件下HIF-1α 可在腎癌細(xì)胞中高度表達(dá)，因此對(duì)HIF-1α 及其介導(dǎo)的相關(guān)蛋白進(jìn)行靶向藥物研究是腫瘤治療新的研究方向。HIF-1α途徑相關(guān)蛋白較多，且這些蛋白有著不同的功能，如VEGF 能促進(jìn)血管生成，與代謝相關(guān)的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體1（GLUT1），維持酸堿平衡的碳酸酐酶Ⅸ（CA Ⅸ），維持細(xì)胞生長(zhǎng)的胰島素生長(zhǎng)因子1（IGF1），都是分子靶向藥物開(kāi)發(fā)的重要靶點(diǎn)[28]。調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng)與增殖的一個(gè)關(guān)鍵通路是哺乳動(dòng)物雷帕霉素蛋白信號(hào)通路mTOR（mammalian target of rapamycin），此外細(xì)胞能量代謝的重要通路是以mTOR 為中心的PI3K/AKT/mTOR 信號(hào)通路，并且mTOR 通過(guò)多種作用途徑影響和調(diào)節(jié)HIF-1α 及其下游基因的表達(dá)，以調(diào)節(jié)HIF-1α 上游信號(hào)通路。因此，mTOR 抑制劑在低氧腫瘤的治療中被廣泛關(guān)注，如有顯著抗腫瘤效果的雷帕霉素類(lèi)化合物[28-30]。由于缺氧調(diào)節(jié)關(guān)鍵因子HIF-1α 的抑制與抗腫瘤活性之間關(guān)聯(lián)甚少，因此以HIF-1α 為直接作用靶點(diǎn)的分子靶向藥物相對(duì)較少。此外，一些HIF-1α 的選擇性抑制劑并沒(méi)有表現(xiàn)出對(duì)低氧腫瘤細(xì)胞的選擇性作用。基于HIF-1α 的作用機(jī)制與抗腫瘤效果之間的關(guān)系尚未清楚，故對(duì)HIF-1α 的靶向治療仍需要大量研究。

4 小結(jié)及展望

目前RCC 的一線治療方案對(duì)70% 的個(gè)體可以產(chǎn)生作用，但最終多數(shù)個(gè)體病情進(jìn)展[31]。研究表明，具有HIF-1 和HIF-2 高度表達(dá)的腫瘤患者治療效果及預(yù)后很差，HIF 能作為腫瘤治療反應(yīng)評(píng)估的生物標(biāo)志物[17]。雖然目前以HIF-2α 為靶點(diǎn)的藥物在腫瘤治療方面取得了不錯(cuò)的進(jìn)展，但HIF 與腫瘤放化療、免疫治療和靶向藥物治療抵抗仍然是面臨的難題。晚期或轉(zhuǎn)移性RCC 患者的5 年生存率僅為8%，且RCC對(duì)放化療不敏感，因此靶向治療和免疫治療成為手術(shù)后輔助治療或無(wú)法手術(shù)患者的首選治療策略[32]。多種藥物目前處于臨床研究階段，實(shí)際應(yīng)用面臨許多挑戰(zhàn)，一方面僅有較少患者能對(duì)這些藥物產(chǎn)生完全反應(yīng)，另一方面治療過(guò)程中出現(xiàn)的藥物抵抗和耐藥性使得腫瘤患者的病情進(jìn)一步加重，因此需要研發(fā)更多、更好的RCC 治療藥物。相信未來(lái)隨著對(duì)HIF 研究的逐步深入，相關(guān)藥物的出現(xiàn)將給RCC 的治療帶來(lái)新的希望。