HIF-1α的非氧依赖调控通路及其在肿瘤中的作用

王金良，孔佩艳



HIF-1α的非氧依赖调控通路及其在肿瘤中的作用

王金良，孔佩艳

400037 重庆，第三军医大学新桥医院血液科

低氧诱导因子-1（hypoxia-inducible factor-1，HIF-1）是 1992 年由 Semenza 和 Wang[1]发现的一种氧依赖转录激活因子，其调控的下游基因涉及血管生成、红细胞生成、能量代谢、细胞凋亡和增殖等多方面，在机体的生理、病理反应中至关重要。后续的研究发现 HIF-1α 可受氧依赖及非氧依赖通路调控，而非氧依赖的调控通路在调控 HIF-1α 对肿瘤的作用机制中可能具有更重要的作用。现将近年来 HIF-1α 的非氧依赖调控通路在肿瘤发生、发展中的研究进展做一综述。

1 HIF-1 概述

HIF-1 是存在于哺乳动物和人体内的一种转录因子，主要由 HIF-1α 和HIF-1β 两个亚基组成。HIF-1β 在组织中呈内在性表达，而 HIF-1α 蛋白受氧浓度及生长因子等调控，在常氧状态下通过泛素化作用被蛋白酶快速降解，在胞浆中几乎检测不到，但在低氧或生长因子刺激时进入细胞核中与 HIF-1β 结合，调控多种下游基因的转录与表达。

HIF-1α 最初是从其与人促红细胞生成素（EPO）的作用中发现的。研究表明 HIF-1α 能与人促红细胞生成素基因的 3’ 增强子序列结合，促进其转录；并且该因子对多种低氧反应性基因的转录都有调控作用，并可能参与对低氧反应的其他信号转导过程。目前已知受 HIF-1 调控的基因有 60 余种，如：血管内皮生长因子、促红细胞生成素、乳酸脱氢酶、血小板衍生生长因子-β 等。

近年，已有研究表明 HIF-1α 在肝癌、乳腺癌、脑肿瘤、结肠癌、早期宫颈癌、膀胱肿瘤、鳞状细胞癌等多种肿瘤组织中有过度表达并调节其细胞生物学行为，并与这些肿瘤的分级、血管生成、转移等密切相关。通过对 HIF-1α 与恶性肿瘤细胞生物学特性之间的关系研究，发现其表达的调控可能存在氧依赖和非氧依赖两种基本的调控通路，且非氧依赖的调控通路可能发挥更多样的调节作用。

2 氧依赖和非氧依赖调控通路及其作用

氧浓度变化以及生长因子水平等可通过氧依赖和非氧依赖调控通路激活相关信号从而上调 HIF-1α 表达。氧依赖通路主要是指 VHL（von Hippel-Lindau）肿瘤抑制蛋白途径，而非氧依赖途径包括：丝裂原活化的蛋白激酶途径（MAPK）、磷脂酰基醇-3（PI3K）途径以及 RACK1 途径。目前研究证明，HIF-1α 蛋白的合成受非氧依赖途径如 MAPK 和 PI3K 途径的调控；HIF-1α 蛋白的降解受非氧依赖的 RACK1 蛋白途径和氧依赖的 VHL 途径的调控[2]。

需要指出的是，低氧诱导的 HIF-1α 上调，一方面是氧依赖途径介导的降解减少，另一方面是非氧依赖途径诱导的合成增加，其中非氧依赖途径发挥更为重要的作用。目前研究表明，氧依赖通路主要调控氧浓度变化所诱导的 HIF-1α 降解，而非氧依赖通路不仅可以调控氧浓度变化及生长因子诱导的 HIF-1α 的生成，而且还调控 HIF-1α 的降解。

3 HIF-1α的非氧依赖调控通路及在肿瘤中的作用

非氧依赖途径是目前研究较为深入的途径，参与 HIF-1α 促血管生成、促造血、调控肿瘤基因以及药物应用靶点等一系列生命活动。

3.1 PI3K/Akt 途径

Akt 基因是一个丝/苏氨酸蛋白激酶，又被称为蛋白激酶 B（protein kinase B，PKB）。PI3K（phosphatidylinositol-3 kinase）由调节亚基 p85 和催化亚基 p110 构成。Ser473 和（或）Thr308 位点的磷酸化是 Akt 激活的必要条件，而 Akt 激活是其发挥促细胞生存功能的重要前提[3]。当 Akt 活化后，可以磷酸化其下游的许多底物，从而发挥其生物学特性。其具体通路为：细胞因子 + G 蛋白偶联受体→ PI3K → Akt → mTOR（mammalian target of rapamycin）→ HIF-1α。PI3K/Akt 途径可以稳定调节 HIF-1α，从而参与肿瘤血管生成、调控肿瘤基因以及抗肿瘤药物途径等。

在肿瘤细胞中，很多生长因子能诱导 HIF-1α 蛋白的表达，并能影响 HIF-1α 的 DNA 的结合活性。这些因子包括：表皮生长因子（EGF）、成纤维细胞生长因子 2、胰岛素、胰岛素样生长因子 1、2 等。研究发现，乳腺癌细胞中 HIF-1α 和血管内皮生长因子（VEGF）的高表达，是由胰岛素样生长因子 1 通过 PI3K 途径介导的，并且可以被山豆根碱抑制[4]。在乳腺癌细胞中，碱性纤维母细胞生成因子（bFGF）诱导 HIF-1α 的活化从而促进血管生成，此过程是通过 PI3K/Akt 途径来实现的[5]。人类T 细胞亲淋巴病毒I型（human T-cell leukaemia virus type 1）是成人T 细胞白血病的病因之一，研究发现HTLV-1 Tax 能够激活PI3K/Akt 途径，从而上调HIF-1α 以及VEGF 的表达[6]。由此可见，HIF-1α 介导的肿瘤血管生成可能受其上游 PI3K/Akt 途径调节。

在肿瘤基因方面，HER2neu 的高表达与乳腺癌患者的不良预后密切相关，在 NIH-3T3 细胞以及 MCF-7 乳腺癌细胞中，HER2neu 受体的酪氨酸激酶活性诱导 HIF-1α 蛋白的表达，而且可以被 PI3K 途径抑制剂（wortmannin、LY294002、rapamycin）阻断；值得注意的是，heregulin（一种神经调节蛋白）作用于乳腺癌 MCF-7 细胞引起的 HIF-1α 蛋白诱导表达是蛋白生成增加的结果而不是因为降解减少[7]。另外，PTEN 基因是一种肿瘤抑制基因，该基因编码的一种磷酸酶可使PI3K 去磷酸化，从而一定程度上抑制 PI3K/Akt 途径。PTEN 基因功能丧失与胶质瘤和前列腺癌的血管生成和肿瘤进展有关。PTEN 可通过抑制 PI3K/Akt 途径，下调前列腺癌细胞中 HIF-1α 的表达[8]。

此外，一些抗肿瘤药物的作用途径也涉及到此信号通路。福达拉滨通过下调HIF-1α 蛋白来降低 VEGF 的表达，此过程需要 PI3K/Akt 途径的参与[9]。冈田酸（okadaic acid）可通过 Akt 途径激活 HIF-1 从而上调 VEGF 的表达，促进新生血管形成[10]。中药肺岩宁方下调裸鼠人肺腺癌细胞移植瘤中磷酸化Akt 和HIF-1α 蛋白表达，由此推测可能是通过抑制Akt 途径下调HIF-1α 蛋白的表达[11]。目前国内关于中药和肿瘤HIF-1α 关系的研究较多，但具体作用途径及机制还有待进一步发掘和研究。

3.2 MAPK 途径

丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，MAPK 包括细胞外信号调控的蛋白激酶（extracellular signal-regulated protein kinase，ERK）、Jun N 端激酶/应激活化的蛋白激酶（Jun N-terminal kinase/stress- activated protein kinase，JNK/SAPK）和p38MAPK。其可以被多种细胞外信号激活，处于胞浆信号转导通路的终末位置，活化后转位到核内，作用于核内转录因子，调节基因表达[12]。其具体通路为：细胞因子 + G 蛋白偶联受体→ MEK（MAPK激酶）→ ERK→ HIF-1α。MAPK 途径可以激活 HIF-1α，参与肿瘤血管生成、促造血及黑色素形成等。

在血管生成方面，卡波西肉瘤相关疱疹病毒编码的自发活性G 蛋白偶联受体，通过增强 HIF-1α 反式激活域（transactivation domain）功能刺激血管内皮生长因子的基因转录，这一通路可被 MEK1 的抑制剂（PD098059）和p38抑制剂（SKF86002）阻断[13]。低氧培养的人肝癌细胞 Hep3B 中，HIF-1α 反式激活域功能可被 PD098059 抑制，并可被 SKF86002 一定程度上抑制[14]。研究表明，H-RAS 诱导血管内皮生长因子表达是通过 PI3K 通路还是 MAPK 通路取决于具体的细胞类型[15]。但是，MAPK 活化 HIF-1α 的特异性与刺激物类型还是与细胞类型有关，目前尚无定论[16]。Trisciuoglio 等[17]发现，bcl-2 通过 MAPK 途径诱导上调黑色素瘤细胞的 HIF-1α 和 VEGF 的表达，从而促进血管生成，而 PI3K 途径也发挥了重要的作用。研究发现，干细胞因子（SCF/c-Kit）可以通过 PI3K/Akt 途径和 MAPK途径诱导 HIF-1α 的积聚，从而发挥促造血以及促黑色素形成等作用[18]。值得注意的是，在红白血病 K562 细胞中，低氧通过 MAPK 途径激活 HIF-1α，而后者可以发挥促存活和促凋亡的双重作用[19]。此外，Mylonis 等[20]发现，MAPK 的 Ser-641/643 位点磷酸化能够促进 HIF-1α 的核转运以及转录活性，这表明 MAPK 在 HIF-1α 的蛋白转运和转录活性的调控方面可能比 PI3K/Akt 途径发挥更独特的作用。

MAPK 信号转导通路作为一个功能多样、反应灵敏的信号转导系统，在细胞生命活动中不可或缺。MAPK 途径对 HIF-1α 具有反式激活功能，并可能调控 HIF-1α 的核转运以及转录活性，但此途径具有一定的特异性，并且在一些细胞中和 PI3K/Akt 途径共同发挥作用。

3.3 RACK1 蛋白途径

RACK1 蛋白途径是近期才被人们认知的 HIF-1α 的非氧依赖降解途径，主要参与热休克蛋白 90 以及环孢素作用机制等，其在肿瘤发生发展中的作用还有待进一步研究。首先，众所周知，热休克蛋白 90（HSP90）可以和 HIF-1α 结合，研究证明：在 VHL 缺乏的细胞中，HSP90 的抑制剂能够抑制肿瘤的生长以及 HIF-1α 的蛋白酶体降解[21]。在 HSP90 被抑制的情况下，RACK1 蛋白竞争 HSP90 和 HIF-1α 结合的 PAS-A 结构域，以实现 HIF-1α 的降解。因此，在 VHL 途径缺乏的情况下，HSP90 的抑制剂介导的 HIF-1α 的降解是依赖 RACK1 蛋白途径的[22]。另外，研究发现，环孢素能够抑制钙调磷蛋白磷酸酶（calcineurin），因此后者催化亚基和 RACK1 蛋白的结合也随之减少，从而降低 HIF-1α 的降解[23]。

4 结语

HIF-1 广泛参与机体的缺氧应答，HIF-1α 的活化促进肿瘤的发生、发展。HIF-1 自身活性的调控在很大程度上决定了肿瘤细胞对氧分压变化及细胞因子应答的敏感性和准确性，而非氧依赖途径在其中发挥了重要作用。Alam 等[24]发现，FSH 可以诱导 HIF-1 活化，从而上调 VEGF 等靶蛋白的表达，此过程不仅依赖 PI3K/Akt 途径，而且可以被 ERK 抑制剂 PD9805 所抑制，但后者的途径中的分子并不是 ERK1/2 或 5。因此 HIF-1α 的转导通路还有很多是未知的。尽管目前有大量研究支持 PI3K/Akt、MAPK 和 RACK1 途径是调控肿瘤 HIF-1α 表达和活性的三条重要非氧依赖途径，但仍然有许多未知和有争议的问题亟待解决。为了更加透彻的理解 HIF-1α 非氧依赖调控通路作用，今后的研究应关注以下几个方面：①除了上述经典途径以外，是否还存在着其他一些通路；② RACK1 蛋白途径的进一步研究；③目前大多数研究主要关注于肿瘤细胞的研究，而对于其“土壤”基质细胞的研究还不多；④实体肿瘤的研究较多，而像血液系统肿瘤的调控通路研究还相对较少。随着 HIF-1α 调控通路研究的不断深入，可能为肿瘤的治疗提供新的靶点。

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全军医学科研“十一五”面上项目（06-MB238）

孔佩艳，Email：peiyankong@yahoo.com.cn

2009-10-27

10.3969/cmba.j.issn.1673-713X.2010.02.010