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。
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