浅论HIF.docx

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浅论HIF

浅论HIF

【摘要】缺氧诱导因子-1是由α亚基和β亚基组成的异二聚体转录因子，在肿瘤发生发展过程中起着重要的作用。

本文结合HIF-1的结构和功能特点，详细综述了HIF-1对肿瘤血管生成的主要调节机制，对以HIF-1为作用靶点的肿瘤临床治疗前景作了简要展望。

【关键词】HIF-1；肿瘤；调节机制；治疗靶点

现代研究认为，恶性肿瘤的显着特征是肿瘤细胞的大量增殖和转移。

其中，细胞大量增殖导致的组织缺氧是肿瘤的基本微环境，缺氧可以刺激肿瘤细胞一系列基因产物的表达诱导微血管生成，新生微血管不仅为肿瘤细胞带来营养成分，带走代谢产物，同时肿瘤细胞也可以通过新生的毛细血管发生转移。

近年的研究表明[1]，缺氧诱导因子-1可在基因水平上直接调控血管内皮生长因子的表达，并促进肿瘤生长。

本文就HIF-1与肿瘤的相关性研究作一简要综述。

1HIF-1的结构和功能

HIF-1最先由Semenza和Wang于1992年发现，将其作为被缺氧诱导的连接在EPO基因诱导元件上的一个核因子。

HIF-1是由α亚基和β亚基组成的异二聚体转录因子，由A、B、C、D四条链组成。

其中A、B链是DNA分子，均由14个碱基组成。

C链为β亚基，与已知的芳香烃受体核转位蛋白相同，其开放阅读框有2367bp和2322bp2种，分别编码789和774个氨基酸，分子量为80kD。

D链是α亚单位，人类HIF-1α基因定位于14q21-24，含有826个氨基酸，分子量为120kD，是HIF-1的调节和活性亚基。

HIF-1α和HIF-1β的共同特点：

N端具有基本螺旋-环-螺旋结构的碱性蛋白，其后紧随PAS区域，bHLH和PAS区域主要介导异源二聚体的形成，以及负责与DNA的缺氧反应元件结合，另外在C端具有一个或多个反式激活域，负责与转录起始复合物结合参与转录活化。

HIF-1α的C-TAD与N-TAD之间576～785位氨基酸序列为抑制结构域，能降低TAD的活性，在常氧细胞中该抑制明显。

另外，HIF-1α还包含两个核定位信号：

N-端核定位信号和C-端核定位信号，C-NLS在HIF-1α核定位方面发挥更为重要的作用。

HIF-1α常氧状态下极不稳定，半衰期小于5～10分钟，HuangLE等1998年发现，在HIF-1α401～603区域，有一个氧依赖降解区，其中一部分与N-TAD重合，负责HIF-1α的降解。

当环境氧的浓度超过5%时，通过激活泛素–蛋白酶体路径，作用于HIF-1α的ODD区，使其迅速降解。

如果截去ODD区，可以使HIF-1α在有氧状态下保持稳定，并且仍可与ARNT形成二聚体及与DNA结合，此时即使环境不缺氧，它也具有完整的转录活性。

HIF-1α羧基端含有PEST–样基序，因富含脯氨酸、谷氨酸、丝氨酸和苏氨酸，其主要作用是加速常氧下ODD介导的HIF-1α蛋白经泛素–蛋白酶复合体途径降解。

HIF-1的两个亚单位中，HIF-lβ与细胞的多种功能有关而不仅限于O2代谢，HIF-1α则仅与O2代谢有关。

HIF-1β在细胞中组成性表达，而α亚基是HIF-1的调节和活性亚基。

HIF-1α蛋白常氧状态下极不稳定，但能在缺氧条件下保持稳定，并且是组织缺氧的内在标志。

2HIF-1调节肿瘤血管生成的相关机制

大量的研究表明，在多数恶性肿瘤组织内，HIF-1都有一定程度的表达，然而，HIF-1在不同肿瘤中高表达的机制不尽相同，而这些不同的机制下诱导的HIF-1的表达参与了肿瘤的不同的恶性生物学行为。

Birnal等进一步研究发现HIF-1α的表达亦与肿瘤细胞的增殖、浸润及转移能力相关，其表达越高，预后越差。

大量新生血管形成及糖酵解增强是实质性恶性肿瘤的两个主要特征，正是这两个特征使得肿瘤细胞能够适应缺氧环境。

HIF-1下游基因既参与血管生成，又参与无氧糖酵解，因此，HIF-1在瘤细胞适应缺氧环境过程中起中心介导作用，是诱导肿瘤血管生成的核心分子。

HIF-1调节血管生成的主要机制可分为VEGF依赖途径和VEGF非依赖途径两类。

VEGF依赖途径

HIF-1通过诱导VEGF表达，特异地结合位于血管内皮细胞上的特异受体Flt-1和KDR，促进内皮细胞生长，增加血管通透性，进而促进血管生成。

VEGF是血管生长的主要因子，各种类型细胞中VEGF的表达随氧气浓度的降低而升高，如低氧培养的细胞VEGFmRNA水平和蛋白明显升高，恢复正常氧张力时则回降；坏死区周围肿瘤细胞的VEGFmRNA呈高度表达，说明局部低氧是肿瘤微环境内VEGF基因表达的主要诱因。

Maxwell等[10]在小鼠皮下种植HIF-1β突变的肝癌细胞，发现移植瘤生长缓慢，免疫组化示微血管密度显着减少，采用原位杂交技术发现VEGFmRNA表达近缺失。

Ravi等[11]发现经转染HIF-1α表达载体的HCT116结肠癌细胞，VEGF蛋白表达显着增加，异种移植瘤生长速度加快，血管化作用增强。

研究发现，HIF-1通过增强VEGF的转录活性与增加VEGF

mRNA稳定性两个方面调节VEGF的稳定表达[12]。

进一步研究表明，HIF-1对VEGF的调控首先在于其与HRE的结合，激活C-TAD，使之与p300/CBP环腺苷酸反应元件结合蛋白CH1的结合力增强，通过此核磷酸蛋白将转录信号传递给VEGF基因，促进VEGF的转录及表达[13]。

体外细胞培养表明，通过转基因手段强制表达HIF-1后，在低氧和正常氧分压条件下VEGF的表达均明显增加。

有研究表明，去除VEGF的增强子或诱导HIF-1结合位点序列内出现点突变则HIF-1对VEGF调控作用就不复存在，此时VEGFmRNA水平显着降低，即使在低氧

条件下，VEGFmRNA也未被诱导表达[14,15]。

另外，缺氧状态下VEGFmRNA5’非转录区存在内部核糖体插入位点，能保护VEGFmRNA进行蛋白质翻译[16]。

这些表明HIF-1在VEGFmRNA的稳定表达方面起到了一定作用。

另外，HIF-1可以上调VEGF受体Flt-1的转录，Flt-1的大量表达，加强了VEGF的生物学效应[17]。

最新研究还提示，VEGFmRNA的3’非转录区富含腺核苷酸-鸟核苷酸，缺氧时高表达的RNA结合蛋白HuR与富含AU的元件具有特别亲和力，HuR则可使VEGFmRNA在有氧状态下也不被降解，HuR表达与HIF-1密切相关[18]。

VEGF非依赖途径

VEGF非依赖途径主要是HIF-1通过促进其他因子表达或癌基因发生作用[19]。

体外细胞实验证实，HIF-1可诱导人内皮细胞环氧合酶-2的表达，而COX-2及其合成产物前列腺素等可通过除VEGF以外的碱性成纤维细胞生长因子、血小板源生长因子、表皮生长因子及胰岛素样生长因子等多种途径调节血管生成。

国内学者分别将合成的具有HIF-1特异结合位点的DNA片段红细胞生成素3’-增强子及HIF-1结合位点突变的DNA片段，经脂质体包裹转入鼠主动脉内皮细胞与肺微血管内皮细胞，应用RT-PCR对COX-2的表达进行半定量观察。

发现在缺氧时，主动脉和微血管内皮细胞COX-2的表达都有增加，但经转入EPO3’DNA片段的内皮细胞，缺氧对COX-2的诱导作用被显着减弱，转入将HIF-1结合位点突变的DNA片段则无此抑制作用。

据此推测缺氧诱导COX-2表达时，HIF-1在其信息传递中可能起着关键作用。

氯化钻是特异性的HIF-1诱导剂，在其作用下体外培养的人脐静脉内皮细胞COX-2mRNA水平显着提高，提示CoCl2可使COX-2基因转录明显增强，而向细胞导人EPO3’-增强子野生片段可阻断CoCl2诱导的COX-2转录，若导入点突变片段则无阻断作用。

进而推断COX-2基因序列中可能存在类似的HIF-1结合序列，HIF-1诱导COX-2基因表达增强可能主要通过HIF-1与该序列的结合实现，由于EPO3’-增强子片段对HIF-1竞争性结合抑制，导致被转入细胞对缺氧反应的减弱。

Naomoto等[20]的研究也证实了HIF-lα可能通过COX-2途径在多种肿瘤的血管生成中起重要作用。

但是缺氧条件下，HIF-1调节肿瘤血管生成还是以VEGF依赖途径为主。

3HIF-1与肿瘤治疗

肿瘤组织内的缺氧环境可以诱导HIF-1α的表达，继而诱导下游多种靶基因的转录和表达增强，尤其HIF-1α诱导VEGF表达途径，在促使肿瘤的微血管的生成，肿瘤细胞的生长代谢以及恶性转化过程中起到了重要的枢纽作用。

目前，HIF-1α在肿瘤治疗方面的研究大致可分为药物治疗和基因治疗两类。

接下来我们结合这两种研究思路，总结并展望一下以HIF-1为靶点的肿瘤治疗前景。

药物治疗

目前，正在研究的抑制HIF-1活性药物大体可分为两类：

①阻断相关信号转导通路；②小分子HIF-1活性抑制剂。

可溶性鸟苷酸环化酶抑制剂YC-1能够有效抑制HIF-1α表达，且能够抑制VEGF的表达，减弱血管化作用[21]。

热休克蛋白90抑制剂格尔德霉素，通过抑制热休克蛋白90与HIF-1α结合而使HIF-1α稳定性消失[22]。

苯甲酸类似物是一类新的HIF-1抑制剂，能够有效地抑制缺氧时人类肝癌Hep3B细胞中HIF-1α蛋白集聚和其靶基因的表达[23]。

雷帕霉素可通过下调HIF-1α和VEGFmRNA的水平而抑制肝癌的生长和转移[24]。

非甾体消炎药和缺氧性细胞毒素TX-402，亦可通过阻断或抑制HIF-1的表达来抑制血管生成。

在脑胶质细胞瘤中，一种新发现的小分子HIF-1α抑制剂103D5R[25]以及ras癌基因抑制剂[26]，可通过减少HIF-1α蛋白合成而抑制其下游靶基因的表达。

最新研究表明，组蛋白脱乙酰基酶抑制剂丁酸钠在低氧环境下，能够通过抑制HIF-1介导的血管生成抑制HT1080人纤维肉瘤细胞的生长[27]。

基因治疗

肿瘤的基因治疗的关键在于肿瘤特异性的载体的开发，通过其结合肿瘤特异性表位以实现基因治疗。

Ruan把自杀基因Bax反义RNA导入HRE的下游，在缺氧状态下转染了自杀基因质粒的细胞优先凋亡[28]。

另外可以通过利用反义RNA来抑制HIF-1的活性，利用RNA干扰配合放疗[29]。

反义HIF-1α可能通过阻断HIF-1α和survivin的表达而增强胰腺癌对化疗的敏感性[30]。

酪蛋白激酶2siRNA可通过升高p53蛋白水平降低缺氧时HIF-1活性[31]。

利用表达pshHIF-1α的质粒DNA转染Colon26和B16-BL6细胞，能在体外有效抑制HIF-1α的表达，且经门静脉注入pshHIF-1α至荷瘤鼠肝脏中，正常肝细胞和肿瘤细胞HIF-1α蛋白表达均降低，通过沉默正常和肿瘤细胞中HIF-1α表达，抑制肝转移瘤生长可成为新的治疗方法[32]。

参考文献

[1]DetwillerKY,FernandoNT,SegalNH,etal.Analysisofhypoxia-relatedgeneexpressioninsarcomasandeffectofhypoxiaonRNAinterferenceofvascularendothelialcellgrowthfactorA[J].CancerRes,2005,65（13）:

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