低氧诱导因子与肾小球疾病的研究进展

彭素英，甘林望，唐 亮，曹 灵

(1泸州医学院附属医院，四川泸州 646000;2重庆市涪陵区涪陵中心医院)

肾小球疾病分为原发性和继发性，其发病机制主要有免疫炎症反应、非免疫机制(高脂血症、氧化应激和肾小球内高血压、高灌注、高滤过等)参与，引起肾脏局部微血管损伤，组织缺血缺氧，进而引起或加重肾脏损害。低氧诱导因子(HIF)是缺氧条件下的重要转录因子，其在低氧状态下降解减少，含量明显增加，并通过调控一系列靶基因对肾脏组织产生生物学效应。现就HIF的生物学特点及其在肾小球疾病中的作用作一综述。

1 HIF的分子结构、功能及表达调控

1.1 HIF的结构 HIF是由a亚基和β亚基组成的异二聚体转录因子，属于bHLH-PAS(basic helix loop helix-Per/ARNT/SIM)家族。目前发现HIF的a亚基有3种异构体存在(即 HIF-1a、HIF-2a、HIF-3a)，分别将含有上述不同 a亚基的 HIF命名为HIF1、HIF2、HIF3，每个成员都含有共同的 β 亚基，且均以aβ二聚体的形式发挥功能。a亚基为功能性亚基，受细胞内氧浓度的调节，由bHLH和PAS结构域、氧依赖降解结构域及两个转录激活结构域(N-TAD和C-TAD)组成。bHLH和PAS结构域是HIF异二聚化结合DNA的关键性结构域。a亚基的两个TAD序列间的区域为抑制结构域，抑制TAD的转录活性。β亚基在细胞内呈构成性表达，由bHLH、PAS及TAD3个结构域组成，对氧浓度不敏感。HIF-2a与HIF-1a表现为独特的交错结构，能识别相同的DNA结合区。HIF-3a结构域与HIF-1a、HIF-2a相似，但缺少HIF-1a、HIF-2a的C-TAD。

1.2 HIF的功能 HIF本身无生物学活性，但可通过与缺氧反应元件结合，调控糖酵解酶、促红细胞生成素(EPO)、血管内皮生长因子(VEGF)、结缔组织生长因子(CTGF)、转化生长因子(TGF)、血红素加氧酶-1等下游基因表达，参与能量代谢、血管舒缩、血管生成、细胞凋亡和增殖等病理生理过程，使机体产生一系列适应低氧的反应。HIF-1a和HIF-2a虽有相似的结构域，但各自具有独特的生物学效应。HIF-1a主要调控生长和代谢相关基因的表达，HIF-2a主要调控与血管生成和增殖相关的基因，部分基因则同时受两者的调控［1，2］。HIF-3a 与 HIF-1a、HIF-2a在结构上有较大的差异，功能上也明显不同。Hara等［3］认为HIF-3a可能作为负调节因子，抑制HIF-1、HIF-2介导的基因表达。

1.3 HIF的表达调控 HIF是低氧时重要的转录因子，其转录活性主要依赖于a亚基的表达和稳定。不同 a亚基表达位置不同，HIF-1a呈全身性表达［1］;而 HIF-2a主要在薄壁组织和间质细胞中表达［2］;关于HIF-3a的表达模式，目前研究较少，有报道显示在心脏、胎盘、肺和肌肉等组织中表达［4］。a亚基为功能亚基，其蛋白表达量和转录活性主要由细胞内氧浓度调节。常氧下，a亚基极易降解，半衰期不足5 min;但低氧时，a亚基大量积聚，其表达量的调节主要发生在四个水平:mRNA的表达水平、蛋白表达水平、核定位水平和转录激活。目前，对HIF-1a蛋白水平调节的相关研究较多，证实在常氧状态下HIF-1a主要通过以下途径调节其蛋白稳定性和转录活性:①脯氨酰羟化酶对HIF-1a的第402位和第564位脯氨酸残基进行氧依赖性羟基化，从而促进pVHL-泛素-蛋白酶复合体与HIF-1a结合，引起HIF-la泛素化，导致其降解。②天冬氨酸羟基酶(FIH)使HIF-1a的C-TAD的一个天冬氨酸残基羟基化，从而阻止C-TAD与转录辅激活因子(如p300和它的同源旁系物CBP)的反应，进一步抑制HIF-1a的转录激活功能。低氧时，PHD和FIH的活性被抑制，HIF-1a无法被降解，导致细胞内蛋白水平增加，并在其C末端的核定位信号帮助下转入细胞核与HIF-1β结合形成有活性的二聚体，然后与CBP/p300结合开始转录。PHD和FIH不仅具有氧依赖性，还有铁依赖性，铁离子螯合剂去铁胺能抑制两者活性，提高HIF-1a蛋白稳定性及转录活性。此外，有人认为低氧时类泛素化也可促使HIF-1a与pVHL的β亚基结合，后通过泛素蛋白酶体途径而降解，而SENP-l可通过去类泛素化增加HIF-1a的稳定性。甚至，还有人认为细胞密度和葡萄糖浓度与 HIF 的表达有关［5］。

2 HIF与肾小球疾病

2.1 肾小球疾病及其缺氧机制 肾小球疾病大多存在低氧表现。如免疫炎症反应导致的免疫复合物在血管内皮下沉积的肾小球疾病存在缺血缺氧;高血压性肾损害时，其早期即可出现肾小球毛细血管皱缩及肾小管上皮细胞空泡样变性等缺血性改变;黄贤珍等［7］采用链脲佐菌素制作糖尿病肾病大鼠模型，发现其HIF-1a和HO-l表达量上调，且8周时达高峰，提示其肾组织存在低氧情况;此外，在单侧肾切除和反复注射抗系膜Thyl抗体导致的进行性肾小球肾炎模型的早期阶段，也有低氧表现且管周毛细血管血流减少。

肾脏组织缺氧可能存在多种机制:①肾小球内炎性细胞浸润减少氧的弥散，以及免疫复合物沉积导致毛细血管网减少。②肾小球内高压、高灌注、高滤过等血流动力学改变，引起肾脏毛细血管承受的压力负荷增加，导致或加重肾脏硬化。③氧化应激引起的线粒体呼吸链解偶联导致能量耗损增加。④高血脂通过受体或受体后机制在肾小球内聚集，促进肾脏内的动脉粥样硬化及对肾脏细胞产生直接毒性，或氧自由基通过引起细胞因子和化学因子的局部增多，刺激肾小球系膜细胞、小管间质细胞和基质成分的表达，抑制细胞外基质的降解，促进肾小球硬化［6］，导致管周毛细血管血流阻滞。⑤血管作用物质平衡紊乱引起管周毛细血管血流减少。⑥受损肾小球滤过的大量血浆成分刺激肾小管上皮细胞不断内吞、吸收和降解，导致小管上皮细胞耗氧增多。此外，肾小球疾病存在贫血时也可引起氧供降低进而导致肾组织缺氧。

2.2 HIF在肾小球疾病中的作用 HIF为至今发现的在低氧状态下唯一具有特异活性的转录因子，其不同亚型在肾脏组织分布不同，HIF-1a主要分布在肾小管上皮细胞，HIF-2a主要分布在肾小球和间质细胞［7］。低氧时HIF含量明显增加，并通过下游靶基因产生生物学效应。

HIF在肾小球疾病中犹如一把双刃剑，一方面改善血液循环、促进细胞代谢，增强细胞对缺氧环境的适应能力，对肾脏起保护作用;另一方面可通过改变CTGF及TGF、诱导细胞凋亡等加重肾功能损害。HIF通过多种机制对肾小球疾病产生以下积极作用。①通过激活EPO、VEGF等基因促血管生成，保护管周毛细血管网，减少肾小管上皮细胞凋亡和间质纤维化。Ohtomo等［8］在用氯化钴治疗2型糖尿病肾病伴高血压的大鼠实验中发现，氯化钴可通过上调HIF-1a和HIF-2a的表达，从而增加HIF下游靶基因(EPO、VEGF)的表达，减轻糖基化及氧化应激，进而对肾脏起保护作用。在残余肾大鼠模型中证实给予小剂量EPO有保护管周毛细血管网，减轻小管间质纤维化的作用，而足量EPO则能募集内皮前体细胞，促进血管生成。苯那普利通过上调5/6肾切除大鼠肾组织HIF-1a的表达，刺激小管间质VEGF的表达，从而促进小管间质微血管的保留来保护肾脏。也有人通过小分子RNA干扰技术沉默HIF-1a的实验，从反面证明 HIF-1a可通过上调VEGF的表达对缺氧状态下的肾小管上皮细胞产生保护作用［9］。②激活HO-l，催化血红素产生一氧化碳，舒张血管，增加血流量，改善缺氧，减轻炎症反应，减少细胞凋亡。③缺氧时有氧氧化受阻，无氧代谢增强。HIF可诱导糖酵解酶的合成，促进糖酵解，满足机体能量代谢，但目前其具体机制不清楚，有待进一步研究。HIF对肾脏组织产生正面影响的同时，也可通过激活下游靶基因促进肾脏功能损害。有研究表明，狼疮性肾炎(LN)患者的尿HIF-1a升高水平与其组织学慢性改变和肾功能变化有关，表明HIF-1a可能导致LN组织学及肾功能的慢性改变。血管紧张素Ⅱ可通过下调PHD的表达减少肾小管上皮细胞中HIF-1a的降解，从而上调HIF-1a及基质金属蛋白酶组织抑制剂-1的表达参与肾间质 纤 维 化 (RIF)［10］。 Schietke 等［7］通 过 制 作pVHL-/-基因敲除小鼠的实验，发现HIF-2a在肾小管细胞过度表达导致RIF、肾功能受损及肾囊肿形成。在低氧时，HIF-1a可通过直接上调钾一氯协同转运子1启动子引起肾小管间质的损害，也可通过TGF-β1途径增加CTGF的表达启动RIF，并与CTGF相互作用促使纤维化进行性发展，泼尼松则通过抑制HIF-1a减少CTGF、纤维连接蛋白在肾小管间质的表达而延缓RIF［11］，缬沙坦也可通过干预HIF-1a的表达改善肾小管间质的损害［12］。

3 展望

在肾小球疾病的发生发展过程中，免疫炎症反应和高脂血症、氧化应激等参与肾组织缺血缺氧，刺激HIF的表达。HIF通过诱导下游靶基因的表达改善组织缺血缺氧，同时促进组织的纤维化，减少管周血流量，加重组织缺氧，形成恶性循环。目前关于高脂血症、氧化应激与HIF在肾小球疾病发生发展中作用及其相互关系方面的研究尚少，有待深入研究。

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