缺氧诱导因子在心脏重构和心力衰竭中的作用

窦梦怡综述，秦富忠、李保审校

缺氧诱导因子在心脏重构和心力衰竭中的作用

窦梦怡综述，秦富忠、李保审校

缺氧诱导因子(HIF)是参与缺氧转录反应调控的主要转录因子。HIF-1在心血管生理和病理过程中起重要作用。HIF-1在生理或应激状态下对心肌细胞的大小，结构和功能起着保护作用。在急性心肌缺血、缺血预适应、缺血后适应、缺血-再灌注、急性心肌梗死和压力超负荷诱导心肌肥厚中，HIF-1增加起保护作用；而在慢性心力衰竭过程中、HIF-1增加起恶化作用。HIF-1对心肌的作用与不同疾病或疾病的不同阶段中HIF-1的激活程度、持续时间及靶基因有关。进一步阐明HIF-1在这些疾病过程中的细胞和分子机理将为缺血性心脏病和压力超负荷诱导的心肌重构和心力衰竭的防治提供新的途径。

缺氧诱导因子，心肌细胞自噬，心肌细胞凋亡，心肌重构，心力衰竭

近年来，心血管疾病已经成为主要威胁中老年生命健康的疾病之一。心力衰竭是一种复杂的临床症状群，是各种心脏病的终末阶段。心力衰竭患病率逐年升高，冠心病、高血压是心力衰竭两大主要病因。心室重构常继发于高血压、冠心病和心肌病等，在心力衰竭的发生发展过程中起十分重要的作用。然而，导致心肌重构的细胞和分子机制尚未完全阐明。研究表明，缺氧诱导因子（HIF）是参与缺氧转录反应调控的主要转录因子。当缺氧时，HIF 的活化在触发细胞保护和代谢调节中起着重要的作用。近年来研究发现，在缺血性心脏病和压力超负荷所致心肌重构和心力衰竭时HIF增加。然而，HIF在这些疾病中起保护还是恶化作用仍有争议。本文重点阐述HIF在这些疾病病理过程中的作用及其细胞和分子机理。

1 HIF的结构和活性调节

HIF是近年来发现的介导哺乳动物细胞中缺氧反应的一种核转录调节因子。根据结构不同可分为3型，即HIF-1、HIF-2和HIF-3。 HIF-1 是由120 KD 的α亚基和91～94 KD的β 亚基组成的异源二聚体，及亚基在细胞中呈组成性表达。HIF-1的生理活性主要取决于α亚基的活性和表达。HIF-1α受氧含量的调节，编码826个氨基酸。HIF-1α分子中存在氧依赖降解结构域（ ODDD），是正常氧分压下HIF-1降解的必要基因[1]。细胞内氧浓度正常时，氧分压敏感的脯氨酸羟化酶（ PHD）识别HIF-1α中ODDD区402或者564位氨基酸，将其羟化，使得林希氏蛋白（pVHL）结合识别，形成功能性E3泛素-蛋白酶链接复合物，进行泛素依赖的蛋白酶解。在该降解途径中，PHD 是起关键作用的酶。另一方面，对氧浓度敏感的缺氧诱导抑制因子（FIH）羟化HIF-1α，阻断其介导的转录共激活因子（P300/CBP）的招募，从而抑制HIF-1活性。在缺氧条件下，PHD和HIF的羟化受阻，HIF-1α稳定表达并活化，招募p300/CBP到缺氧反应元件（HRE），诱导靶基因的表达。除了羟基化, 其他转录后修饰也影响HIF-1α的稳定性。最近研究发现, 在缺氧时诱导一种蛋白名为“含有RWD sumoylation 增强子”, 增强缺氧时HIF-1α的SUMO 蛋白质修饰化, 促进其稳定和转录活性[2]。然而，也有其他的研究小组报道SUMO 修饰可负调控HIF-1α 的蛋白稳定性[3]。

2 HIF-1在缺血性心脏病和心力衰竭中的作用

在正常氧浓度下，HIF-1α在人体中低表达，状态极不稳定，半衰期仅不到5 min，立刻通过ODDD介导的泛素蛋白酶体降解。在缺氧环境中，HIF-1α稳定性增加，进入细胞核与HIF-1β亚基组成HIF-1而发挥作用，其机制为通过HIF-1α表达及其促进下游相关基因的转录和表达来发挥效应。HIF-1是调节缺氧的转录因子，在细胞稳态、生理学和疾病中起关键作用。HIF-1α介导的适应性反应包括红细胞生成，血管生成和代谢适应等。在心肌缺血时，HIF-1可通过多方面的途径保护心肌细胞。动物实验表明，缺血状态下，HIF-1表达明显增加[4]。在急性心肌缺血患者心肌中发现，HIF-1 基因表达显著增加[5]。心脏特异性PHD基因敲除可诱导HIF表达，减轻急性心肌缺血损伤[6]。在心肌缺血后，HIF-1通过调控血管内皮生长因子（VEGF）的表达而促进心肌中血管的生成，对于心肌组织侧支循环的建立有重要意义[5]。研究显示，缺血预处理能够增加HIF-1的表达，保护梗死后心肌细胞。同时，间断缺氧同样可以增加HIF-1的表达，从而增加目的蛋白VEGF的表达，改善心肌供血供氧，提高梗死区域心肌细胞的存活。在缺血后适应中，HIF-1α和诱导型一氧化氮合成酶（iNOS）的表达显著上调，HIF-1α的表达和梗死面积呈直线负相关[1]。应用HIF-1的活性诱导剂氯化钴干预大鼠，显示大鼠急性心肌梗死面积可明显减少，VEGF蛋白表达明显增加。PHD 抑制剂二甲氧乙二酰甘氨酸（DMOG）在常氧时能稳定HIF-1α。在缺血前给予DMOG能

上调HIF-1α的表达。在缺血后适应之前给予DMOG，HIF-1α和iNOS 的表达进一步提高，DMOG 和缺血后适应在上调HIF-1α具有叠加效应[7]。在心肌缺血-再灌注时，HIF-1表达增加。HIF-1 及HIF-1依赖的基因如iNOS、血红素氧合酶的激活可减轻心肌缺血-再灌注损伤。用RNA干扰技术敲除PHD使HIF-1激活，减轻缺血再灌注诱导的心肌炎症反应和损伤。动物实验研究表明，心肌梗死后心肌组织HIF-1增加。在心肌梗死患者心肌中，HIF-1表达也增加[5]。PHD抑制剂（诱导HIF-1激活）抑制胶原合成， 减轻非梗死区心肌组织纤维化，减轻梗死后心肌重构。 Bao等[8]在大鼠心肌梗死的研究中进一步发现，给予PHD抑制剂GSK360A 28天后，与安慰剂相比，GSK360A可预防左心室射血分数的进行性降低，左心室扩大和肺重量的增加。另外，与安慰剂组相比，GSK360A 治疗组，微血管密度增加两倍，存活率也显著增加。另据报道，在心肌梗死后4周，心肌特异性HIF-1α过表达能减轻心肌梗死面积和心肌重构，改善心功能。

尽管这些研究提示HIF-1表达增加能保护梗死后心肌，减轻梗死后心肌重构和心功能的降低，但证据也表明心肌HIF-1的持续激活加重心肌重构和心功能的降低。pVHL蛋白是负责含氧量正常时抑制HIF水平的E3 泛素连接酶的一个重要组分。Lei等[9]在心脏特异性pVHL基因敲除小鼠的研究中发现，HIF-1的表达是稳定的，这些小鼠正常出生和成长，在小鼠出生3个月，心功能仍然正常，而在5个月后发现心肌细胞内脂质堆积，心肌纤维化，心肌重构和心力衰竭。同时，研究发现，在pVHL基因敲除的小鼠中，HIF-1活性增强，能直接介导心肌收缩功能障碍，导致心肌病的发生，提示HIF-1的长期存在对心脏有损害作用。Bekeredjian等[10]报道心脏特异性HIF-1过表达诱导心肌病，其机理与肌浆网钙-ATP酶（SERCA）蛋白降低有关。最近，Moslehi等[11]的研究表明， 心脏特异性PHD2慢性失活导致扩张性心肌病。Holscher等[12]研究也证实，与正常心肌相比， 在晚期心力衰竭患者心肌中的HIF表达增加1.5倍。 Holscher等研究还发现，在主动脉缩窄诱导压力超负荷小鼠模型上，HIF-1α过表达促进心肌肥厚和心功能恶化。Bekeredjian等[10]用心脏特异性HIF-1α过表达小鼠的研究进一步证实，增加HIF-1α能够引起心肌收缩功能的降低。持续增加HIF-1α加重缺血性心脏病时心功能的降低，在慢性缺氧过程中，活性氧（ROS）的产生能促进HIF-1的稳定和表达增加。而HIF-1的增加，又促进ROS的产生。进一步提示HIF-1持续激活可能对细胞会产生不利影响。

上述结果提示，在短暂心肌缺血，缺血预适应，缺血后适应，缺血-再灌注和急性心肌梗死中，HIF-1表达增加对心肌起保护作用。而HIF-1长期稳定激活，在慢性心力衰竭中起恶化作用。

3 HIF-1在压力超负荷诱导心肌肥厚和心力衰竭中的作用

Sano等[13]在胸主动脉缩窄诱导压力超负荷小鼠模型上发现，术后3～14 d，HIF-1α表达和HIF-1活性显著增加、心肌细胞横断面的面积增加、VEGF表达增加。持续压力超负荷引起的p53表达增加，抑制HIF-1的活性，进而导致心脏血管生成障碍和心功能的降低，提示抑制HIF-1活性可促进压力超负荷诱导的心功能降低。Fielitz等[14]的研究结果表明，在压力超负荷致心肌肥厚的大鼠模型中，PHD抑制剂可减轻压力超负荷诱导的心肌重构，改善心功能。Wei等[15]的研究结果进一步表明HIF-1基因敲除加重压力超负荷诱导的心肌纤维化、心肌细胞肥大、心肌毛细血管密度降低和心肌细胞凋亡，促进心力衰竭发生，提示HIF-1对压力超负荷小鼠心脏起保护作用。然而，Holscher等[12]的研究表明心脏特异性HIF-1过表达加重压力超负荷所致的心肌重构和心力衰竭。他们在晚期心力衰竭患者心脏中也发现HIF-1α表达增加，提示HIF-1α长期慢性表达增加对心脏起恶化作用。

上述研究结果提示，预先诱导HIF过表达或主动脉缩窄术后早期给予PHD抑制剂，HIF-1在压力超负荷诱导心肌肥厚中起保护作用。然而，在压力超负荷诱导心肌肥厚演变为心力衰竭后， HIF表达增加起恶化作用， 其机理尚未完全阐明。

4 HIF-1的作用机制

HIF-1的心肌保护作用机理：HIF-1对心肌的保护作用与其上调后所诱导的靶基因有关。HIF-1α在缺血预适应中起的保护作用与促红细胞生成素增加有关。HIF-1α过表达减轻缺血再灌注损伤，改善心功能，其心肌保护效应与诱导型一氧化氮合成酶增加有关。在急性心肌缺血再灌注损伤兔模型上，PHD抑制剂预处理可增加血红素加氧酶，减少梗死面积，提示血红素加氧酶作为HIF-1α靶基因介导心脏保护作用。Natarajan等[16]在糖尿病小鼠实验模型上，PHD2基因敲除诱导心脏脂联素基因表达增加，提示HIF-1α的心肌保护作用与心脏脂联素增加有关。HIF-1α的其它靶基因比如VEGF、葡萄糖转运蛋白-1（GLUT-1）、GLUT-4、核转录因子-κB（NFκB）和Bcl-2也参与心脏的保护作用[17]。此外，HIF-1通过靶基因包括糖酵解酶、乳酸脱氢酶、丙酮酸脱氢酶激酶、线粒体蛋白酶等，调节代谢保护心脏。

HIF-1与心肌细胞凋亡 ：心肌细胞凋亡在缺血性心脏病和压力超负荷诱导的心肌重构和心力衰竭中起重要作用[18,19]。HIF-1α上调对心肌细胞的存活作用与其所诱导的靶基因有关。Robador等[20]研究发现，缺氧16～24 h诱导HIF-1α上调和心肌营养素（ CT-1）表达增加， HIF-1α介导缺氧诱导的CT-1表达增加； CT-1基因敲除加重缺氧诱导的心肌细胞凋亡， 提示HIF-1α和CT-1在缺氧诱导的小鼠心肌细胞凋亡中起保护作用。HIF-1在缺氧条件下能激活促红细胞生成素的产生，促红细胞生成素通过Akt信号通路减轻缺氧诱导的心肌细胞凋亡。促红细胞生成素也可减轻多柔比星诱导的心肌病和心功能障碍，同时能通过PI3K-Akt途径，降低含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-3（caspase-3）的活性，减少心肌细胞的凋亡。在缺氧条件下，HIF-1诱导血红素氧合酶-1表达[21]，直接参与细胞的保护和抗凋亡。HIF-1诱导VEGF增加，血管再生，减少因缺血缺氧引起的心肌细胞凋亡。

缺氧能引起心肌细胞凋亡，其程度和缺氧时间有关[20]。Malhotra 等[22]报道，在H9C2心肌细胞培养模型上，与对照组相比，HIF-1α基因敲除使缺氧诱导的caspase3活性降低55%和心肌细胞凋亡降低46%，HIF-1α过表达上调Bax蛋白表达，进一步促进缺氧诱导的心肌细胞凋亡，提示HIF-1α介导缺氧诱导的心肌细胞凋亡。Zhou等[23]在新生大鼠心肌细胞培养模型上的研究发现慢性缺氧24 h诱导HIF-1α和Bcl-2家族蛋白Bnip3表达增加和心肌细胞凋亡，HIF-1抑制剂3-（5’-羟甲基-2’-呋喃基）-1-苯甲基吲唑（YC-1） 减轻这些变化，

提示HIF-1α介导缺氧诱导心肌细胞凋亡，Bnip3也参与这个过程。Wang等[24]研究也表明，缺氧再给氧诱导HIF-1α和Bnip3基因和蛋白表达上调和心肌细胞凋亡，用RNA干预技术敲除HIF-1α减轻这些变化，提示HIF-1α介导缺氧再给氧诱导的心肌细胞凋亡。最近，Diebold等[25]在肺动脉平滑肌细胞培养模型上发现HIF-1α过表达介导NADPH氧化酶4（Nox4）基因上调和ROS的形成，然而，在心肌细胞中，是否HIF-1α介导NOX4和ROS尚不清楚。

HIF-1α诱导或抑制心肌细胞凋亡仍存在分歧，这与不同疾病或疾病的不同阶段中HIF-1α激活的程度，持续时间及靶基因有关。另外，细胞类别和动物种系也可能是因素之一。

HIF-1与心肌细胞自噬：在生理或轻度应激状态下，心肌细胞自噬在维持内环境稳定和心肌细胞大小，心脏结构及功能方面起着重要作用。在心肌梗死后，心肌细胞自噬增加能改善心肌重构和保护心功能。在压力超负荷诱导心肌肥厚时，心肌细胞自噬对心脏起保护作用；而在严重压力超负荷诱导心力衰竭或其他病因所致终末期心力衰竭时，心肌细胞自噬加重心肌重构和恶化心功能[26]。在这些病理过程中，上调的HIF-1α与心肌细胞自噬的关系尚不清楚。

综上所述，HIF-1在生理或应激状态下对心肌细胞的大小，结构和功能起着保护作用。不同疾病或在疾病的不同阶段HIF-1所起的作用存在分歧。在急性心肌缺血，缺血预适应，缺血后适应，缺血再灌注，急性心肌梗死和压力超负荷诱导心肌肥厚中HIF-1增加起保护作用，而在慢性心力衰竭过程中HIF-1增加起恶化作用。进一步阐明HIF-1在这些疾病过程中的细胞和分子机理将为缺血性心脏病和压力超负荷诱导的心肌重构和心力衰竭的防治提供新的途径。

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2015-03-10）

（编辑：常文静）

国家自然科学基金（81270307）

030001 山西省太原市，山西医科大学（窦梦怡），山西省心血管病医院（秦富忠、李保）

窦梦怡 硕士研究生 主要研究方向为心血管疾病的基础和临床 Email：348143371@qq.com 通讯作者：秦富忠 Email：sxcvh13@sina.com

李保 libaoxys@163.com

R54

A

1000-3614（2015）11-1125-03

11.3969/j.issn.1000-3614.2015.11.022