HIF-1与肿瘤乏氧及其治疗中应用的研究进展

【关键词】 肿瘤乏氧　HIF-1

　　近年来，肿瘤乏氧问题日趋引起人们的重视。众所周知，绝大部分实体肿瘤微环境内存在乏氧现象，而在这种乏氧微环境下，肿瘤细胞会激活一系列相关分子信号传导途径。正是这些分子信号传导途径的激活导致肿瘤细胞在适应乏氧微环境的同时，也增强了肿瘤自身的侵袭性和对放化疗的抗拒性，致使疗效下降［1］。因而，这些信号传导途径中的相关分子及放射增敏也成了肿瘤乏氧研究中的热点。其中，乏氧诱导因子-1（hypoxia inducible factor ，HIF-1) 受到更多的重视。

　　1 HIF-1与乏氧应答机制
　
　　HIF-1是Semenza等1992年发现的，因首先发现于乏氧上调促红细胞生成素(erythropoietin , EPO)基因转录而得名。现已知道，HIF-1可被多种胞外刺激活化， 上调影响细胞存活、生长、分化及凋亡的基因表达, 具有重要的生理和病理作用。目前认为，HIF-1活化是细胞乏氧应答的关键环节，受胞浆多种蛋白质精细调控，HIF-1与这些蛋白质构成细胞内乏氧应答系统。
　　
　　1.1 HIF-1的结构功能特点 　　

　　HIF-1 属于bHLH-PAS ( basic Helix-Loop-Helix-Per/ARNT/AhR/Sim) 转录因子家族成员，由α 亚基、β亚基以异源二聚体形式组成。HIF-1α分子由氨基端的转录因子DNA 结合结构域(DNA-binding domain，DBD)、羧基端的两个相对独立的反式激活结构域(transactivation domain，TAD)及中间的氧依赖降解结构域(oxygen-dependent degradation domain，ODD) 组成。研究表明，在HIF-1的2个亚基中，β亚基呈组成性表达，对氧无反应。HIF-1α是受乏氧调节的亚基，调节主要发生在翻译后水平，在某些细胞中也发生在mRNA水平［2］。同时，HIF-1α的表达水平随着微环境氧浓度的改变而改变。目前认为在轻中度乏氧(氧分压为0.5%～2.0%) 时，HIF-1α蛋白表达明显升高；在氧分压0.5%时, 表达最高；重度乏氧( 氧分压＜0.5%) 时表达反而下降。已有研究表明，轻中度乏氧对肿瘤分次放射治疗疗效的影响明显超过重度乏氧，这是因为重度乏氧的肿瘤细胞自发性死亡的可能性较大。因此，在HIF-1分子中与肿瘤放疗疗效有关的主要是HIF-1α表达情况［3］。

　　1.2 HIF-1α的表达调控 　　

　　常氧状态下，HIF-1α的降解发生在转录后水平，即氧依赖降解区（oxygendependent degradation domain，ODD）的多肽序列内的保守性脯氨酸残基被羟化，而后von Hippel Lindau（VHL）肿瘤抑制蛋白pVHL识别羟化的脯氨酸残基，并对HIF-1α进行识别和降解。在缺氧时，HIF-1α的活化是通过对转录激活区（Transactivation domain，TAD）内保守性天冬酰氨羟化过程的抑制实现的。丝裂原活化蛋白酶（mitogen-activated protein kinase ，MAPK)通过作用于P300/CBP来激活HIF-1α，也是HIF-1α活化所必需的［4］。HIF-1α自身活性调节是乏氧应答基因表达调控的中心环节。 调控主要发生在两条信号途径:PI-3K/Akt依赖的HIF-1α蛋白稳定性调控；MEK/MAPK介导的HIF-1α反式激活功能调控。这两个信号传导途径分别独立又协调地调控着HIF-1α的转录活性。

　　(1)PI-3K/Akt路径：　　

　　在乏氧条件下，活化的PI-3K使胞内信使分子磷脂酰肌醇（phosphatidylinositol ， PtdIns)。 PtdIns (4)P、PtdIns (4，5)P2分别转变为PtdIns(3)P、PtdIns(3，4)P2 、PtdIns (3,4,5)P3。PI-3K的p85亚基接受上游活化的受体信号起调节作用，p110亚基具有激酶活性行使催化作用。 PI-3K不仅具有脂激酶活性, 是胞内重要的PtdIns信号调节分子, 而且p110α、p110γ具有蛋白激酶活性。前者的蛋白激酶活性催化其接头链p85 磷酸化，并降低它的脂激酶活性, 而后者的蛋白激酶活性可激活MAPK途径, 从而将两条信号途径联系起来。PI-3K活化继发于细胞因子诱导的Ras分子活化和一些信号分子的磷酸化。活化受体的胞浆区或者与之相关底物构象发生变化, 带动PI-3K向膜靠近, 使PI-3K 作用于膜上磷脂, 产生第二信使,进而激活下游蛋白丝/苏氨酸激酶，包括PKB/Akt、p70S6K、PKC及PKC 相关激酶, 传导细胞生长、抗凋亡信号。FRAP通过磷酸化和灭活其结合蛋白4E-BP1来解除eIF-4E的阻遏,FRAP也能激活p70S6K。 随后激活40S核糖体小亚基中蛋白6S。激活eIF-4E和p70S6K的结果是导致从HIF-1αmRNA翻译蛋白的增加［5］。

　　(2)MEK/MAPK路径：　　

　　此路径并不是必须在低氧条件下进行的，而是与细胞类型相关。如在成纤维细胞MAPK的活性可被MEK的抑制剂PD098059所阻断而低氧诱导的HIF-1α活性不受影响，相反在HT42和Rat-1成纤维细胞用同样抑制剂PD098059处理，在常氧和低氧条件下HIF-1α转录活性均有中等程度的下降［6］。关于这条路径对HIF-1α的表达调控具体过程，目前研究仍尚欠明确。　　

　　（３）HIF-1α的其他调控：　　

　　一氧化碳（CO）和NO。最近的研究发现，常氧下NO减少HIF-1α的降解，是通过抑制脯氨酸羟化酶（prolyl hydroxylases, PHDs)活性来实现的［7］。缺氧下，NO对HIF-1α的诱导与抑制HIF-1α羟化、泛素化和抑制降解无关，而是通过PI-3K或MAPK信号通路来实现的［8］。　　

　　另外，内皮生长因子、胰岛素、胰岛素样生长因子-2(IGF-2)、血管紧张素、血小板衍生生长因子等，可在非乏氧条件下影响HIF-1α的活性［9］。

　　1.3 HIF-1α的靶点 　　

　　HIF-1作为转录因子，被激活后可调节下游多种基因。目前，HIF-1的目的基因被确定的已有100余种，其中有四类目的基因的蛋白产物与肿瘤关系密切，包括与血管生成相关的因子，葡萄糖转运与糖酵解酶，与肿瘤侵袭和转移相关的因子及与肿瘤增殖和凋亡相关的蛋白［10］。　　（１）HIF-1α的表达与血管生成：　　

　　功能获得及功能缺失的研究均表明，HIF-1α可调控促血管生成因子angiopoietin-1、angiopoietin-2、胎盘生长因子（placental growth factor, PLGF）、血小板源生长因子B（platelet-derived growth factor B, PDGF-B）及血管上皮生长因子（vascular endothelial growth factor, VEGF）的产生［11］。Skinner等亦研究发现VEGF的转录活性是由HIF-1α、HDM2 和p70S6K1在PI-3K/AKT信号中调节的, HIF-1α的表达通过活化PI-3K/AKT信号通路在转录水平介导VEGF蛋白的表达,而HDM2和p70S6K1是AKT下游的两个生长因子，能增强VEGF的转录活性和HIF-1α的表达［12］。　　

　　（２）HIF-1α的表达与葡萄糖转运及糖酵解酶：　　

　　HIF-1的目的基因中包含有许多与葡萄糖代谢和糖酵解相关的酶，它调控着葡萄糖转运蛋白GLUT1、GLUT3及糖酵解酶HK1、HK3、PFKL、ALDA、ALDC、GAPDH、PGK1、PGM、ENO1、PKM、LDHA等［13］。缺氧状态下，肿瘤细胞通过HIF-1上调这些酶的表达，使细胞适应缺氧状态，即Warburg效应。　　

　　（３）HIF-1α的表达与肿瘤的侵袭和转移：　　

　　HIF-1α可作用于多个环节促进肿瘤转移：①细胞运动方面：如肝细胞生长因子(HGF)的受体c-Met在乏氧时增加，能促进细胞活动性并通过与肝细胞生长因子结合而增加细胞的侵袭性［14］；②基质降解方面：肿瘤细胞侵袭转移能力与其产生或诱导基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases, MMPs）的能力密切相关，HIF-1α可引起MMPs的表达增加，进而促进恶性肿瘤的转移［15］；③细胞粘附方面: HIF-1α可通过对肿瘤细胞粘附分子表达的影响而促进肿瘤转移，研究表明HIF-1α表达增加可导致上皮型钙粘素( E-cadherin， E-cad)与β链接素(β-catenin，β-cat)表达下降，E-cad/β-cat复合体的破坏可使细胞-细胞、细胞-基质间的粘附性降低，最终导致细胞的分离和移动而转移［16］；④血管生成方面：乏氧能引起VEGF表达的上调，在肿瘤发生早期向血管生成型转变过程中，HIF-1α介导了VEGF的上调；⑤细胞凋亡方面: HIF-1α上调凋亡，抑制因子Bcl-2，抑制凋亡，从而增强肿瘤转移力；⑥HIF-1α亦可上调凋亡抑制因子p21，从而抑制凋亡使肿瘤恶性程度增加易于转移。（４）HIF-1α的表达与肿瘤增殖和凋亡：　　
　　
　　研究表明，HIF-1α能延缓细胞进入S期，阻止细胞周期中G1/S期的转换，这主要通过诱导p21和p27的升高来实现的。p21和p27是细胞周期素依赖激酶抑制因子，可抑制细胞周期素-细胞周期素依赖激酶复合物的激酶活性，使一些细胞增殖所需的蛋白磷酸化受阻，抑制细胞中G1期向S期的转换，使细胞停滞在G1期［17］。从而也导致了肿瘤细胞对放射敏感性的下降。　　

　　同时，在缺氧状态下，肿瘤细胞有许多逃避HIF-1α诱导细胞凋亡的机制。如：缺氧可以通过非HIF-1α途径激活凋亡抑制基因IAP-2，从而促进肿瘤细胞的存活，或缺氧使得肿瘤选择性增殖那些对缺氧诱导凋亡抵抗作用更强的细胞株［18］。

　　2 HIF-1α在肿瘤治疗中的应用
　　
　　由于在肿瘤乏氧应答过程中，HIF-1α的表达、转录、调节作用处于中心地位，故通过调节HIF-1α的活性来治疗肿瘤乏氧问题就可能成为一种有力的治疗手段。

在HIF-1α转录水平，实行靶向基因治疗。目前该治疗方法有反义RNA、核酶RNA、RNA 干扰(RNA interference , RNAi)，它们均在mRNA水平下调HIF-1α的表达，同化疗、放疗联合应用时表现出协同作用。如刘春玲等［１９］研究发现HIF-1α反义寡核苷酸转染hep-2细胞株能够降低HIF-1α蛋白表达，提高低氧环境下人喉鳞状细胞癌hep-2细胞株对放疗的敏感性。

在HIF-1α表达调控水平，目前已有多种药物作用不同的环节干扰其合成、稳定性及活性，从而阻断其生物作用，有的和化疗、放疗联合应用时表现出协同效应。信号传导通路抑制剂如酪氨酸激酶抑制剂Herceptin、Iressa 、Herbimycin；PKC 抑制剂calphostin C；PI-3K 抑制剂wortmannin、LY294002；MAPK 抑制剂PD98059；FRAP/mTOR 抑制剂rapamyein 等分子靶向药物能够抑制HIF-1α的合成。

　　在HIF-1α靶位点水平，如2-methyoxyoestradiol(2-ME2)，来源于雌二醇，具有抗血管生成活性,在转录后水平抑制HIF-1α，阻止肿瘤细胞HIF-1α靶基因的表达［20］。又如YC-1，在培养的肿瘤细胞中已证实YC-1抑制HIF-1α蛋白的稳定性及下游靶基因的转录活性。应用YC-1治疗肿瘤可发现肿瘤生长延迟及HIF-1α蛋白的缺失，提示YC-1的作用靶点是抑制肿瘤中的HIF-1α［21］。
　　
　　综上所述，恶性肿瘤内存在乏氧细胞能明显增加肿瘤对放射治疗的抗拒性和肿瘤的侵袭性，而HIF-1α活化是细胞乏氧应答的关键环节，是治疗肿瘤乏氧的关键所在，深入了解HIF-1α调节机制有助于开拓新的肿瘤治疗思路。

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