缺氧诱导因子(Hypoxia Inducible Factor, HIF)是一种可以对细胞内氧气浓度变化做出响应的转录因子。在缺氧条件下,缺氧诱导因子发挥转录调节活性,控制一系列代谢相关基因的表达,以帮助细胞和机体系统性地适应缺氧环境。缺氧诱导因子在许多生理和病理过程中扮演了重要角色,因此,其发现者格雷格·西门扎(Gregg L. Semenza)与其他两位科学家分享了2019年诺贝尔生理与医学奖。[1]
缺氧诱导因子存在于绝大多数有氧呼吸的后生动物中。不同生物中的HIF大致都可以分为两个亚基:α亚基和β亚基。β亚基又称芳香烃受体核转运子(aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator, ARNT),在细胞内稳定表达。α亚基在正常氧浓度下被降解,当细胞内氧气分压降低时,α亚基才能稳定存在,继而与β亚基结合后发挥转录因子活性。故而,HIF的活性主要受α亚基调控。[2]
在高等多细胞生物中,共有三种HIFα亚基,其中HIF-1α和HIF-2α与缺氧应激关系密切,被研究的也最多。[3]HIF-3α的结构和功能则尚不完全明确。[3]HIF-1α和HIF-2α与HIF-β(ARNT)类似,都属于碱性螺旋-环-螺旋蛋白(basic Helix-Loop-Helix, bHLH)家族中的PAS(Per-Arnt-Sim)亚科,且都包含以下几个结构域[2][3]:
bHLH结构域:负责与DNA结合
PAS结构域:负责形成二聚体
C-末端激活结构域(C-Terminal Activation Domain, CTAD):负责招募转录调节因子
N-末端激活结构域(N-Terminal Activation Domain, NTAD):可能与靶基因结合特异性有关
除此之外,HIF的α亚基还包含一段“氧气依赖性降解结构域”(Oxygen-dependent Degradation Domain,ODD)。
2015年,Wu等利用X射线晶体衍射解析了第一组HIF-α-ARNT复合物的三维结构,并解析了HIF复合物与缺氧反应元件(Hypoxia Response Element, HRE)的DNA结合后的三维结构。[3]通过该结构,研究人员发现HIF的α亚基和β亚基(ARNT)以一种非对称的方式形成二聚体,在与DNA结合时,HIF-α-ARNT复合物的构象发生变化,从而使bHLH结构域与HRE的DNA序列接触。[3][4]该结构还验证了几个癌症相关的HIF突变位点及其对HIF的影响。[3][4]通过对HIF-α-ARNT和小分子共结晶,他们还发现了几个潜在的药物分子结合位点,为调节HIF活性的药物开发提供了理论指导。[3][4]
在正常氧分压下,脯氨酸羟化酶(prolyl hydroxylase domain-containing protein, PHD)可以催化HIF-1α的ODD结构域中的两个脯氨酸与氧气反应,发生羟基化。HIF-1α羟基化后,可以被另一种叫做VHL的蛋白(von Hippel-Lindau tumour suppressor protein)识别。VHL具有泛素化连接酶(ubiquitin ligase)活性,识别HIF-1α之后会为其打上泛素(ubiquitin)的“分子标签”。被打上泛素标签的蛋白质会被转运到蛋白酶体(proteasome)降解掉。因此,在正常氧分压下,HIF-1α迅速被降解,其半衰期很短,几乎不能被检测到。[5][6]
由于氧气是脯氨酸羟化反应中的底物,在缺氧条件下,HIF-1α的脯氨酸不能被羟化,故而可以稳定存在。在细胞核输入蛋白(importin)的介导下,HIF-1α转运至细胞核中,并与那里的HIF-β结合,并招募其他转录调节因子如P300/CBP (CREB binding protein)形成活性复合体。该复合体继而与靶基因的缺氧反应元件(HRE)结合,从而激活一系列下游基因的转录。[6]
受HIF调控的下游基因包括促红细胞生成素(erythropoietin, EPO),血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF),控制糖酵解的基因等。[7]这些基因从不同角度提高机体对低氧环境的适应能力,例如EPO可以促进携氧的红细胞生成,VEGF可以促进血管生长,糖酵解可以解决缺氧环境下细胞的能量来源。可见,缺氧诱导因子处于缺氧调控信号通路的中心环节,起着牵一发而动全身的作用。
作为缺氧调控信号通路的中心环节,缺氧诱导因子在海洋哺乳动物的缺氧适应中有着重要作用。不同于鱼类,海洋哺乳动物(如海豹、海豚和鲸类)在水下活动时主要靠屏息潜水。这对海洋哺乳动物的缺氧耐受能力是一个很大的挑战。为了应对这一环境压力,海洋哺乳动物进化出了一系列机制。一方面,海洋哺乳动物的身体可以更多地储存氧气,另一方面,海洋哺乳动物可以更好地对缺氧/有氧的剧烈变化做出反应,调整代谢通路,从而避免缺氧带来的供能不足和有氧带来的氧化损伤。[8]
对HIF-1α的进化分析表明,在许多耐受缺氧环境的哺乳动物中,HIF-1α的氨基酸序列存在趋同进化的现象,这提示HIF-1α的进化参与了哺乳动物的缺氧适应。[9]不同于人体,在海豹体内的一些组织中,HIF-1α可以在常氧下稳定存在。[10]进一步研究表明,HIF-1α在海豹的肺部组织中表达最高,而在心肌组织中表达较低。[10][11]由于肺部面临着氧分压的剧烈变化,海豹肺部组织中的HIF-1α在常氧下稳定表达可以起到“预适应”的效果,从而避免了缺氧/有氧循环时的氧化损伤,而海豹肺部组织中被氧化蛋白含量较低也佐证了这一观点。[11]
对海豹HIF-1α的基因拷贝数和序列分析表明,海豹体内HIF-1α的稳定存在可能并非是由于HIF-1α基因本身发生突变导致的。[10][11]一种可能的机制是,海豹体内还原性的谷胱甘肽含量较高,从而阻止了HIF-1α在常氧下发生脯氨酸羟化反应。[12][13]
恶性肿瘤能摆脱机体控制无限增殖,在肿瘤细胞增殖过程中,往往处于缺氧微环境。近年来研究发现低氧可诱导癌细胞产生缺氧诱导因子。HIF在肿瘤适应缺氧环境、帮助肿瘤侵袭转移及对放化疗产生耐药性方面都起到重要作用。[14]
在HIF调控的下游基因里,有4类表达产物对肿瘤细胞适应缺氧微环境、侵袭、转移相关[14]:
血管、淋巴管生成相关基因:主要包括血管内皮生长因子(VEGF)、血管生成素样蛋白(ANGPTL)、淋巴管内皮生长因子(VEGF-C)等。这些基因在HIF活化下表达,促进肿瘤附近血管和淋巴管生成,缓解肿瘤细胞缺氧程度,促进癌细胞沿血管或淋巴管转移。
葡萄糖转运与糖酵解酶:包括乳酸脱氢酶A(LDHA)、丙酮酸脱氢酶激酶-1(PDK-1)等。这些酶表达上调促进肿瘤细胞进行无氧呼吸,缓解了缺氧微环境中的能量危机,帮助肿瘤细胞持续生长。
肿瘤增殖和凋亡相关蛋白:研究表明癌细胞中HIF可以上调“含Caspase招募域的凋亡抑制蛋白”(apoptosis repressor with caspase recruitment domain,ARC)表达。ARC可抑制p53等多种凋亡相关基因的活性,干扰内外源死亡途径,使肿瘤细胞存活,增强肿瘤细胞对放化疗的抵抗力。
促进上皮间质转化(epithelial mesenchymal transition,EMT)及细胞外基质降解相关因子:HIF诱导肿瘤细胞获得间叶源性表型特征,介导肿瘤细胞上皮间质转化。上皮间质转化是许多上皮系统肿瘤恶变的第一步。HIF还可促进基质金属蛋白酶(MMP)的表达,MMP协同降解细胞外基质(extracellular matrix,ECM),调控肿瘤细胞与ECM连接,在肿瘤侵袭转移中起到关键作用。
缺血性中风,又称脑梗塞,是中风里最常见的一种类型。[15]缺血性中风导致脑部缺血缺氧,由于成年人的神经细胞无法再生,故而往往产生永久性的后遗症。许多证据表明,在缺血性中风的过程中,缺氧诱导因子HIF-1α都会出现明显上调。[16]大部分研究认为,HIF-1α的上调是一种保护机制。这种保护机制主要通过以下几个方面实现[16][17]:
HIF-1α可提高促红细胞生成素(EPO)的表达,EPO被认为有神经保护作用
HIF-1α可提高血管生长因子(VEGF)的表达,VEGF可以促进新生血管生长,改善微循环,促进组织血液供应。
HIF-1α可阻止细胞凋亡相关通路,促进细胞存活。
然而,也有部分研究认为,HIF-1α的上调也可能在某些情况下产生不利影响。在一些中风损伤模型中,HIF-1α上调可导致p53表达上调,从而诱导细胞的延迟死亡。[16]另外,HIF-1α在小胶质细胞中可促进炎症相关因子的表达,这也会加剧中风后的细胞损伤。[17]总之,HIF-1α对神经系统的作用可能因中风缺血缺氧时间长短、以及不同类型的脑细胞而产生不同影响。[16][17]
冠心病的本质是冠状动脉粥样硬化导致的心肌缺血。与缺血性中风类似,HIF被普遍认为对缺血性心脏病有保护性作用。[18]HIF缺陷的实验小鼠对心肌梗塞的耐受能力更差。[18]HIF对缺血心肌的保护机制与对脑卒中后神经组织的保护机制类似,都涉及促进新生血管生成、改变代谢通路以促进细胞存活等。另外,HIF还可以激活产生腺苷的基因,而腺苷被认为与心肌缺血的预适应有关。[18]
缺氧诱导因子被认为在肺动脉高压的病理过程中有着重要作用。一系列主宰肺动脉平滑肌的缺氧改变的基因受HIF调控。在实验小鼠中,HIF-1α或HIF-2α基因缺失可以保护小鼠免于患上缺氧性肺动脉高压。这说明HIF对肺动脉高压的发生有促进作用。[18]
家族性红细胞增多症是具有遗传性的基因病,其特征表现为红细胞数增加。VHL、PHD2和HIF-2α的基因突变均可导致本病发生。[18]这主要因为促红细胞生成素(EPO)是受HIF调控的,而任何基因突变导致的HIF通路上调都会增加EPO的表达,从而导致过多的红细胞生成。基于以上原理,现在已经开发出基因检测用以诊断这种罕见的遗传病。[19]
由于HIF对恶性肿瘤的促进作用,抑制HIF通路是一种抗癌的潜在途径。许多现有的化疗药物(如拓扑替康、依维莫司)可以间接地抑制HIF的活性,虽然这可能并非其主要的抗癌机理。直接通过抑制HIF通路来实现化疗作用的分子目前尚处于临床实验阶段,其机理包括抑制HIF的mRNA合成、抑制HIF的α亚基和β亚基结合、抑制HIF与DNA结合等。[20][21]
在HIF-1α的降解过程的第一步,脯氨酸羟化酶(PHD)起到了关键的作用,故而,提高HIF通路可以通过抑制PHD得以实现。通过抑制PHD来提高HIF-1α活性,理论上可以对许多缺血性疾病起到治疗作用,这些疾病包括中风[22]、冠心病[23]、贫血等。目前,用于治疗慢性肾病导致的贫血的PHD抑制剂已进入临床III期研究。[24]
另外,有研究表明,在动物实验中,抑制PHD的活性可以大幅提高实验动物对无氧环境的耐受能力。[25]相比正常小鼠,运动训练对PHD2缺陷的小鼠效果更佳。[26]这意味着PHD抑制剂有潜力作为辅助药物,用以提高运动员(尤其是长跑、游泳、自由潜水等)在无氧条件下的表现。
^The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2019..Nobel Prize Official Website.
^Hypoxia Inducible Factor (HIF) transcription factor family expansion, diversification, divergence and selection in eukaryotes..NCBI.
^Oxygen Sensing by Metazoans: The Central Role of the HIF Hydroxylase Pathway..Molecular Cell.
^Hypoxia response becomes crystal clear..Nature.
^Press release: The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2019..Nobel prize official website.
^低氧诱导因子-1的调节。.Chinese Bulletin of Life Sciences.
^Targeted genes and interacting proteins of hypoxia inducible factor-1..NCBI.
^Natural Tolerance to Ischemia and Hypoxemia in Diving Mammals: A Review..Frontiers in Physiology.
^Evolutionary Genetics of Hypoxia and Cold Tolerance in Mammals..Journal of Molecular Evolution.
^Hypoxia-inducible factor 1 proteomics and diving adaptations in ringed seal..Free Radical Biology and Medicine.
^Hypoxia-Inducible Factor in Ringed Seal (Phoca hispida) Tissues..Free Radical Research.
^Glutathione protection against dive-associated ischemia/reperfusion in ringed seal tissues..Journal of Experimental Marine Biology and Ecology.
^Ischemia/Reperfusion in Diving Birds and Mammals: How They Avoid Oxidative Damage..Academia.edu.
^HIF-1表达在肿瘤生长及演进中的作用。.国际病理科学与临床杂志.
^Types of Stroke..American Stroke Association.
^Hypoxia Inducible Factor 1 as a Therapeutic Target in Ischemic Stroke..NCBI.
^Hypoxia Inducible Factor-1: Its Potential Role In Cerebral Ischemia..Cellular and Molecular Neurobiology.
^Hypoxia-Inducible Factors in Physiology and Medicine..Cell.
^红细胞增多症基因检测。.知乎专栏.
^Development of Inhibitors Targeting Hypoxia-Inducible Factor 1 and 2 for Cancer Therapy..NCBI.
^HIF Inhibitors: Status of Current Clinical Development..Current Oncology Reports.
^Hypoxia-Inducible Factor Prolyl Hydroxylase Inhibition: Robust New Target or Another Big Bust for Stroke Therapeutics?.Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism.
^Chronic Inhibition of Hypoxia-inducible Factor Prolyl 4-hydroxylase Improves Ventricular Performance, Remodeling, and Vascularity After Myocardial Infarction in the Rat..Journal of Cardiovascular Pharmacology.
^Discovery and Preclinical Characterization of GSK1278863 (Daprodustat), a Small Molecule Hypoxia Inducible Factor–Prolyl Hydroxylase Inhibitor for Anemia..Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics.
^Prolyl hydroxylase inhibitor treatment confers whole‐animal hypoxia tolerance..Acta Physiologica.
^Activation of the hypoxia‐inducible factor pathway induced by prolyl hydroxylase domain 2 deficiency enhances the effect of running training in mice..Acta Physiologica.
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