缺氧诱导因子-1与肿瘤

 

景绍武(综述)/王雅棣*(审校)

(河北医科大学第四医院放疗科，河北  石家庄  050011)

 

【摘要】  缺氧诱导因子-1(hypoxia inducible factor-1, HIF-1)是调节氧稳态的核心转录因子，在肿瘤的血管形成、能量代谢、侵袭转移等方面起着关键作用。HIF-1活性主要由HIF-1α亚基决定，而后者的DNA结合活性和转录活性又受到严格调控。本文对近年来有关HIF-1在肿瘤发生发展中作用的研究进行综述。

【关键词】  缺氧；缺氧诱导因子-1； 肿瘤

 中图分类号：R730.231      文献标识码： A     文章编号： 1004-616X(2011)03-0235-04     doi: 10.3969/j.issn.1004-616x.2011.03.020

 

缺氧诱导因子-1α(hypoxia inducible factor -1 alpha， HIF-1α)最初是从缺氧诱导的Hep3B细胞核中发现的一种转录因子[1]。 已经证实，HIF-1可介导肿瘤细胞产生一系列的缺氧适应反应，同时又受到多种癌基因、抑癌基因的调控，与肿瘤的血管形成、能量代谢、侵袭转移等密切相关[2]。本文综合近年来对该基因与肿瘤发生、发展规律的研究进展做一综述。

 

1  HIF-1的基本结构

HIF-1是由120 kDa的α亚基和91～94 kDa的β亚基组成的一种异源二聚体。其中HIF-1α为氧调节蛋白，N-端具有基本的螺旋-套索-螺旋(basic helix-loop-helix， bHLH)区域和一个PAS(PER-ARNT-SIM)区域，这两个区域负责与HIF-1β形成异二聚体。C-端是反式激活区，包括两个反式激活域(transactivation domain， TAD)。这两个TAD之间为抑制结构域(inhibitory domain， ID)，能抑制该分子在正常氧条件下的反式激活。HIF-1β又称芳香烃受体核转运蛋白，为基础表达蛋白。

人的HIF-1α基因位于14号染色体(14q21～24)，HIF-1β基因则位于1号染色体(1q21)。HIF-1α是调节亚单位，决定HIF-1的活性，HIF-1β则与稳定HIF-1及其二聚化有关。HIF-1α主要存在于细胞核，而HIF-1β在细胞核和细胞质中均有表达[3]。以往多数研究认为在常氧下，HIF-1α由于受到泛素-蛋白酶体系统的作用被迅速降解[4]，而缺氧可抑制其降解，HIF-1α大量集聚并转移至细胞核，与HIF-1β结合形成有活性的HIF-1。但最近的研究发现即使在常氧环境中，HIF-1α在某些恶性肿瘤中也有表达[5]。激活的HIF-1再结合到靶基因的启动子或增强子的缺氧反应元件上，从而启动靶基因的表达[6]。

 

2  HIF-1的靶基因及其表达调控

2.1  HIF-1的靶基因

HIF-1可调控数十种基因，其过表达与肿瘤的组织学特征、恶性表型密切相关[7]。HIF-1的靶基因主要包括：①血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor， VEGF)编码基因：VEGF是肿瘤血管生成的最重要的刺激因子，在多种实体肿瘤中高表达[8]。有研究发现HIF-1α可促进VEGF高表达，其作用机制为HIF-1α可与一种特异的DNA低氧应答产物结合，促进VEGF mRNA的转录，并使其稳定性增加，从而促进新生血管形成[9]。②糖酵解酶编码基因：HIF-1α与肿瘤细胞的糖酵解途径密切相关[10]，使肿瘤细胞在相对缺氧状态下获得更多的能量供应，以维持存活、生长和分裂。HIF-1α可促使13种不同的糖酵解酶产生，可上调糖酵解过程中所需的醛缩酶、烯醇化酶、乳酸脱氢酶、磷酸果糖激酶-1和丙酮酸激酶等的表达[11]，涉及该通路的全过程。③E-钙粘蛋白及基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase， MMP)编码基因：E-钙粘蛋白是最重要的细胞间粘附分子之一[12]，MMP既可降解基膜和肿瘤基质，促进肿瘤侵袭转移，也可通过新生血管生成促进肿瘤生长和扩散[13]，有研究显示HIF-1α通过下调E-钙粘蛋白[14]、上调MMP表达[15]，促进肿瘤细胞的侵袭转移。④血红素加氧酶-1(heme oxygenase-1， HO-1)编码基因：缺氧时HIF-1α可诱导HO-1表达升高，HO-1继而催化产生CO。CO作为气体信号分子激活鸟苷酸环化酶，提高cGMP水平，使血管平滑肌松弛，抑制血小板凝聚，从而增加血流量和血管通透性，使缺氧组织得到充足的氧气供应。⑤诱导型NO合酶(inducible nitric oxide， iNOS)编码基因：HIF-1α可诱导iNOS合成，产生的NO作为血管舒张因子，可舒张血管、增加血流量和组织供氧。

2.2  HIF-1的表达调控

HIF-1的活性主要由HIF-1α亚基决定，而HIF-1α亚基的活性和表达又受到严格调控。这些调控因素主要有：①氧依赖的调节：HIF-1α在530～658位氨基酸残基部位形成一个氧依赖性降解区(oxygen dependent degradation domain，ODDD)。Maxwell等[16]证实林希病肿瘤因子 (product of Von Hippel-Lindau disease， pVHL)能直接与ODDD结合。pVHL具有E3泛素化蛋白酶活性，二者一旦结合，泛素化的HIF-1α可立即被降解。而pVHL与ODDD 区结合的首要条件是ODDD 区402和/或564位脯氨酸发生羟基化[17]。该过程是由脯氨酸羟基酶(proline hydroxylase， PHD)实现的。PHD也是由α、β亚基组成，其中α亚基具有脯氨酸羟化酶的活性，而缺氧时脯氨酸羟化酶失去活性，HIF-1α不能与pVHL结合，结果导致HIF-1α发生积聚。②金属离子置换：将Fe2＋置换成Co2＋或Ni2＋能够稳定HIF-1α，并增加HIF-1活性及其下游基因的表达。其机制涉及两方面：一方面Co2＋或Ni2＋可取代与血红蛋白结合的Fe2＋，使其处于去氧状态，从而模拟低氧环境。目前CoCl2已被广泛应用于细胞乏氧状态的模拟诱导，能在正常氧条件下抑制脯氨酸羟化酶的活性，从而抑制HIF-1α的降解[18]。另一方面Fe2＋也是PHD的辅助因子，与PHD的两个组氨酸残基和一个羧基化残基协调作用参与HIF-1α的降解。Co2＋将Fe2＋置换后可抑制该酶活性，从而导致HIF-1α降解减少而发生积聚。③NO：NO在正常氧条件下可增加HIF-1α  DNA的结合活性和转录活性[19]，而在缺氧状态下可抑制HIF-1α  DNA的活性及下游基因的表达[20]，说明细胞本身的氧状态影响NO的作用。而且诱导型NO合酶又受到HIF-1α的调节，可见NO参与的HIF-1α调节机制复杂，确切机制还有待进一步研究。④活性氧类(reactive oxygen species，ROS)：有研究显示低氧有利于ROS的产生。Bell等[21]发现缺氧环境增加ROS的生成，后者为HIF-1α的激活和稳定所必需，而ROS激活HIF-1α又有一个复杂的信号通路[22]。

此外，多种生长因子和细胞因子如纤维生长因子、胰岛素样生长因子、干扰素-β等可通过磷酸肌醇3-激酶(phosphoinositide3 - kinase，PI3K)/蛋白激酶B(AKT)和FRAP 信号途径参与HIF-1α的调节。

 

3  HIF-1与肿瘤

3.1  HIF-1与癌基因、抑癌基因

HIF-1α在肿瘤组织中表达增高，一方面与肿瘤组织增生过快造成局部组织缺氧有关，另一方面也与某些癌基因激活或抑癌基因失活有关。①p53：低氧诱导产生两种形式的HIF-1α，磷酸化HIF-1α和去磷酸化HIF-1α，前者倾向于与HIF-1β结合，形成异源二聚体；而去磷酸化HIF-1α则与p53关系密切，是同其结合的主要形式，在p53的稳定及诱导凋亡中发挥重要作用[23]。也有研究显示p53可使HIF-1α稳定性和活性下降[24]。②PTEN：该基因被认为是继p53之后另一个与肿瘤密切相关的抑癌基因。它通过PI3K/AKT信号传导途径负向调节HIF-1α，进而达到抑制VEGF表达的作用，因此PTEN的失活可加速肿瘤的进展[25]。③VHL：VHL是与林希病关系密切的抑癌基因，其产物pVHL为HIF-1α降解所必需。若VHL基因发生突变，pVHL不能形成或功能出现缺陷，可导致HIF-1α在正常氧分压下发生堆积。

3.2  HIF-1在肿瘤中的表达

HIF-1α是许多恶性肿瘤重要的生长调节因子[26]，与预后密切关联[27]。Talks等[28]采用免疫组化发现大多数恶性肿瘤细胞中均有HIF-1α的表达，且在肿瘤坏死明显的区域和肿瘤浸润的区域，HIF-1α表达明显增多，而肿瘤组织内的基质细胞和邻近的正常组织则未见HIF-1α表达，提示HIF-1α可预测肿瘤的侵袭转移。有学者[29]还采用RNA干扰技术证实HIF-1α可调控肿瘤侵袭因子如组织蛋白酶D、转化生长因子-α、MMP等的表达。此外，Lee等[30]检测了89例非小细胞肺癌患者的术后标本，发现66.7％的鳞癌标本有HIF-1α表达，而腺癌中只有20.5％表达，提示HIF-1α的表达还与肿瘤组织分型有关。BOS等[31]发现在乳腺高分化导管原位癌、低分化导管原位癌和浸润性导管癌中HIF-1α的阳性率分别为55％、75％、100％，提示HIF-1α表达与组织分化程度呈负相关。该研究还指出HIF-1α增高与肿瘤细胞的增殖状态、VEGF的表达和平均微血管密度(microvessel density， MVD)相关。Takahashi等[32]则分析了53例胃恶性间质瘤标本，指出HIF-1α表达阳性者其预后较差。与之相反，Volm等[33]研究认为肿瘤细胞HIF-1α阳性染色的患者，由于凋亡的增加，其预后要明显好于阴性者。

3.3  HIF-1在肿瘤治疗中的作用

HIF-1α在肿瘤的血管形成、能量代谢、侵袭转移方面发挥着重要作用，因此有望成为肿瘤治疗的新靶点。①通过抑制HIF-1来抑制血管生成：由于VEGF的编码基因是HIF-1α的靶基因之一，而VEGF是目前已知的作用最强的血管形成促进因子[34]，因此通过抑制HIF-1可抑制血管的生成。Buchler等[35]发现敲除HIF-1α基因或阻断HIF-1α转录可使肿瘤细胞无法生成VEGF，从而抑制肿瘤新生血管形成。Sun等[36]将HIF-1α的反义寡核苷酸转染胸腺淋巴瘤EL-4中发现，瘤组织中VEGF、MVD均明显下降，直径在0.1 cm以下肿瘤缩小甚至完全消失。②通过抑制HIF-1来增加凋亡： Zhang等[37]研究人舌鳞状细胞癌发现，用RNA干扰技术封闭HIF-1α表达后可引起肿瘤细胞凋亡增加，肿瘤生长变缓。③通过抑制HIF-1来辅助放化疗：众所周知，肿瘤缺氧的微环境是导致治疗效果差，产生放化疗耐受的重要原因，其机制与HIF-1α诱导DNA双链修复酶表达有关[38]，有研究证实将HIF-1α 基因沉默后，提高了口腔鳞癌对化疗药物的敏感性[39]。因此，通过抑制HIF-1α有望提高肿瘤放化疗的临床疗效。

 

4  结  语

缺氧是实质性肿瘤微环境的基本特征之一，而HIF-1是调节肿瘤细胞适应缺氧的核心转录因子，参与多种基因的转录调控和肿瘤细胞对缺氧的适应过程，促进细胞的增殖和恶性转化，与疗效及预后密切相关[40]。因此，随着研究的不断深入，以HIF-1为靶点的研究可望为恶性肿瘤的防治提供新的重要思路。

 

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收稿日期： 2010－08－16； 修订日期：2010－09－26

基金项目： 教育部留学回国人员科研启动基金(教外司留[2008]101号)，高等学校博士学科点专项科研基金(20091323110011)

作者简介： 景绍武(1982－　)，男，河北省元氏县人，博士研究生，研究方向：恶性肿瘤的综合治疗。E－mail: jsw20062132@163.com

*Correspondence to: WANG Ya-di，E-mail: wangyadi @hot mail.com

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