余 平, 刘晓旺, 钟丽菲, 丁维珂,陆凯强, 周志刚, 涂 剑*
(1a.南华大学 药物药理研究所,药物蛋白质组学湖南省高等学校重点实验室;1b.附属第一医院,湖南 衡阳 421001;2.湖南环境生物职业技术学院 医药学院,湖南 衡阳 421001)
低氧微环境相关因子HIF-1α与癌症的研究
余平1a,2,刘晓旺1a,钟丽菲1a,丁维珂1a,陆凯强1a,周志刚1b,涂剑1a*
(1a.南华大学 药物药理研究所,药物蛋白质组学湖南省高等学校重点实验室;1b.附属第一医院,湖南 衡阳 421001;2.湖南环境生物职业技术学院 医药学院,湖南 衡阳 421001)
摘要:环境与癌症的发生密切相关.低氧微环境主要受缺氧诱导因子-1α(HIF-1α)调控.近年研究表明,低氧微环境HIF-1α可在癌症中高表达,参与癌细胞的生长繁殖、侵袭/迁移、新血管生成和细胞凋亡等过程.研究主要围绕肝癌、乳腺癌和胃癌等与HIF-1α的关系进行讨论.参32.
关键词:低氧微环境;缺氧诱导因子-1α;肝癌;乳腺癌;胃癌
正常机体是由不同组织器官构成的一个不断演进的生态系统.肿瘤细胞将正常生态位改造为适合其生存的低氧和酸性微环境.其中低氧微环境为肿瘤细胞提供了空间和营养物质,使其更适合生存;而肿瘤细胞自身,在性质恶化后转变成癌.缺氧诱导因子(Hypoxia-inducible factor-1,HIF-1)是一种DNA结合蛋白,被发现于低氧诱导Hep3B肝癌细胞株的细胞核提取物中[1].HIF-1是一种异二聚体蛋白结合物,包括HIF-1α和HIF-1β两种亚基.其中,人的HIF-1α基因位于第14号染色体q21~24区,由826个氨基酸组成,主要存在于细胞核,少数位于细胞浆[2].作为一种氧分子感受器,常氧状态下,HIF-1α受泛素-蛋白酶体系的降解而不稳定;缺氧时,HIF-1α降解受抑制,导致其合成后不断积累,使癌细胞不断适应低氧微环境,进而为癌细胞的增殖和癌组织的侵袭/转移等过程提供条件[3].因此,本文将主要围绕几种常见癌症与低氧微环境关键调节因子HIF-1α的关系进行讨论.
1 HIF-1α与肝癌
肝癌是我国常见的恶性肿瘤之一,与肝炎病毒(HBV、HCV)的慢性感染或肝硬化的进一步恶化密切关联[4].肝癌细胞增殖周期的4个时期有多种生长因子参与,如细胞周期素D1(cyclinD1)、转化生长因子α(transforming growth factor-α,TGF-α)、胰岛素样生长因子-2(IGF-2)等.在低氧环境下,HIF-1α可以上调这些生长因子,促进肝癌细胞的增殖分化,从而完成细胞周期进程[5].与此同时需要消耗大量的氧和能量,如其周边的氧和能量不足以提供增殖的需求,将引发HIF-1α的大量表达与积聚.而积聚的HIF-1α则可以通过调节糖酵解活性、线粒体功能和自噬作用来为癌细胞提供能量,维持癌细胞的正常增殖和代谢平衡[6].如在肝细胞癌组织中检测到HIF-1α与其下游靶基因葡萄糖转运蛋白Glut1 mRNA 和蛋白表达呈正相关.两者阳性率均与肿瘤大小、临床分期及淋巴结转移情况相关,提示HIF-1α在肝癌的发生发展过程中起着关键作用[7].
肝癌细胞的增殖伴随血管生成,此时主要的调节因子是血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF).VEGF可有效的调节血管内皮细胞的分裂、增殖和迁移过程.如遇低氧环境,积聚的HIF-1α将通过调控VEGF等因子的表达影响血管生成.如低氧环境中形成新的毛细血管网,可通过合成NO来上调VEGF及配体的表达参与血管生成启动阶段;通过上调金属蛋白水解酶配合VEGF和血管生成素-2(angiopoietin-2)参与进展阶段;通过上调血小板衍生生长因子B(platelet derived growth factor B)和血管生成素-1来参与塑性改造阶段等[8].在Liu等研究中[9],利用一种多重激酶抑制剂索拉菲尼来抑制HIF-1α的表达,发现肝癌血管生成明显减少了,此实验验证了HIF-1α与肝癌血管生成的相关性.
血管生成不仅与肝癌细胞增殖关联,而且也是肝癌细胞侵袭/迁移等的必要条件之一.癌细胞侵袭/迁移过程需要满足两个必要条件:一个为新生血管生成,另一个是癌细胞破坏基底膜即细胞外基质(extracellular matrix,ECM).新生血管生成在这一侵袭/迁移过程中,主要起桥梁和供能作用.基底膜的破坏将涉及到基质金属蛋白酶(matrix metallopreteinases,MMPs)的分泌,MMPs是肿瘤侵袭/迁移过程中降解ECM蛋白的重要酶类[10],ECM由纤粘连蛋白、层粘连蛋白、胶原等多种物质组成,控制着细胞形状、分化和迁移等.低氧微环境中,HIF-1α会诱导一系列MMPs分泌,结果极易造成ECM的破坏.HIF-1α再通过调控ECM,使细胞间黏附性减弱,更有利于癌细胞的侵袭/迁移.此外,在张万秋等发现[11],肝癌细胞的迁移还与Wnt5a蛋白介导的信号通路有关.当低氧HIF-1α表达上调时,Wnt5a蛋白的表达也明显上调,提示HIF-1α诱导Wnt5a 可促进低氧条件下肝癌细胞的迁移.
2 HIF-1α与乳腺癌
乳腺癌的细胞增殖也受新生血管影响.低氧微环境下,HIF-1α表达增加,活性增强,上调VEGF及其受体表达,通过MAPK (Mitogen-activated protein kinase),PI3K/PKB (phosphatidylinositol 3 kinase/protein kinase B),PLC (Phospholipase C)等途径促进血管内皮细胞生长[12],进而加快新生血管生成,为肿瘤的生长和转移等创造条件.另外,王耕等的研究中还提到细胞增殖相关的另一因子——增殖细胞核抗原(proliferating cell nuclear antigen,PCNA,又称Ki-67)[13-14],是目前应用最广泛的增殖细胞评估指标之一,能有效反应肿瘤细胞增殖活性.而HIF-1α与PCNA呈正相关,在低氧环境中,HIF-1α能刺激细胞内PCNA表达,进而有效促进癌细胞的增殖.
此外,PHD2也能影响乳腺癌细胞增殖.PHD2是降解HIF-1α的主要酶类,低氧时,PHD2活性降低,导致HIF-1α大量堆积;当HIF-1α积聚到一定程度,又会负反馈地诱导PHD2的表达.PHD2活性增强后可通过影响细胞转化生长因子-β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1)途径抑制癌细胞增殖[15].TGF-β1是一种细胞自分泌和旁分泌产生的多功能细胞因子,主要作用是刺激细胞增殖、分化和迁移[16].因此,HIF-1α还可通过调控PHD2靶基因间接影响乳腺癌细胞增殖[17].
HIF-1α也能通过调控多种因子如MMPs、LOX和COX-2等的表达来影响乳腺癌细胞的侵袭/迁移.如在乳腺癌MDA-MB-231细胞系中,HIF-1α可上调 MMPs 的表达[18],作用机制除与肝癌中提及一致之处外,MDA-MB-231乳腺癌细胞中还存在一种赖氨酰氧化酶(lysyl oxidase,LOX)的调节.这是于ECM胶原与弹性蛋白聚合起始阶段能稳定ECM的一种关键酶,其表达异常与乳腺癌的侵袭/迁移密切相关.在杨华伟等研究中发现[19],LOX蛋白在高侵袭潜能的乳腺癌MDA-MB-231细胞中高表达,而在低侵袭性MCF-7细胞中低表达,且LOX的作用可受MMPs和HIF-1α异常表达的调控.
乳腺癌细胞的侵袭/迁移也少不了新生血管生成的影响.之前提及肝癌中已说明,促血管新生的VEGF表达受HIF-1α的调控.其作用于癌细胞迁移的机制大致可概括为以下两点:(1) HIF-1α高表达有助于VEGF的表达,促进新生血管生成,新生血管为癌细胞供氧供能的同时也为其迁移提供通道;(2) HIF-1α表达增加,激活组织蛋白酶D,提高MMPs、尿激酶型纤溶酶激活物受体、纤维连接素、TGF-α和自分泌移动因子等侵袭相关基因的表达,增加对肿瘤细胞基底膜和细胞外基质等的降解,使细胞-细胞、细胞-基质间黏附力降低,侵袭性增加,最终导致细胞的分离和迁移[20].因此,HIF-1α对乳腺癌细胞的侵袭/迁移影响很大,发挥着重要的作用.
3HIF-1α与胃癌
胃癌是我国最常见的一种消化道恶性肿瘤,发病率约占40-50%[21].在胃癌细胞的失控增殖和侵袭/迁移导致的低氧微环境中,HIF-1α仍起主导的调节作用.在胃癌细胞增殖周期中,除激活cyclin 家族来参与调节细胞分裂外,还会刺激HIF-1α大量表达,促使其参与糖酵解途径,为细胞增殖供氧供能.另外,在杨振等对胃癌的研究中[22],发现HIF-1α在胃癌组织中高表达,会上调VEGF的表达,从而促进癌细胞的增殖和迁移,其作用机制与之前提过的肝癌和乳腺癌相似.
在胃癌的发生发展过程中,还发现了一种调节细胞增殖分化的重要蛋白激酶——丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶(AKT).活化的AKT会促使HIF-1α活化及磷酸化,使HIF-1α的稳定性增加,并激活其下游的靶分子,从而导致肿瘤发生.AKT 参与PI3K- AKT/PKB信号通路,协同HIF-1α调节癌细胞的增殖和活性,导致正常细胞恶性转化[23].因此,在胃癌中,HIF-1α可与多种因子共同参与癌细胞的增殖,为癌细胞的侵袭/迁移奠定基础.
近年研究已证实,免疫组化检测的胃癌标本中,HIF-1α在胃癌细胞转移组的表达明显高于未转移组[24-26].高表达的HIF-1α可通过调节MMPs家族,破坏ECM的基底膜,打破阻止癌细胞侵袭/迁移的屏障,促进胃癌细胞迁移.HIF-1α受如半胱氨酸61(cysteinerich61,Cyr61)等蛋白的调控也可影响胃癌细胞的侵袭/迁移.Cyr61可通过核因子κB(nuclear factor of κB,NF-κB)与PI3K/mTOR和MAPK依赖的信号通路增加HIF-1α的合成,进一步可促进胃癌细胞的侵袭/迁移[27].
4HIF-1α与其他癌症
宫颈癌中,低氧能诱导HIF-1α的表达[28];PI-3K/AKT通路可抑制HIF-1α降解[29].低氧微环境中,HIF-1α还参与了卵巢癌、肺癌和肾透明细胞癌等多种恶性肿瘤的发生发展[30-32].
5展望
随着中国经济的飞速发展,环境与癌症的发生密切相关,影响着肝癌、乳腺癌和胃癌等多种癌症,发病率逐年升高.因此,我们对癌症的防治任重而道远.尽管许多研究已了解到低氧微环境关键调控因子HIF-1α与癌症关系密切,并且知道HIF-1α可能成为癌症诊断和治疗的一个重要的预测指标,但仍需进一步的临床实验予以证实.综上所述,以HIF-1α因子为主的信号通路和以HIF-1α为靶点的癌症预防和治疗的新思路有待进一步发展成熟,真正发挥HIF-1α在癌症中的重大作用,造福人类.
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Biography:YU Ping, Male,born in 1978,Intermediate Technician,research diection for molecular pharmacology.
Study on Related Factor HIF-1α in Hypoxic Microenvironment and Cancer
YU Ping1a,2,LIU Xiao-wang1a,ZHONG Li-fei1a,DING Wei-ke1a,
LU Kai-qiang1a,ZHOU Zhi-gang1b,TU Jian1a*
(1a.Institute of Pharmacy and Pharmacology,Learning Key Laboratory for Pharmacoproteomics;1b.The First Affiliated Hospital,University
of South China,Hengyang 421001,China;2.Medical College,Hunan Polytechnic of Environment and Biology,Hengyang 421001,China)
Abstract:The environment is closely related with the occurrence of cancer.Hypoxic microenvironment is mainly regulated by Hypoxia-inducible factor-1α (HIF-1α).In recent years,studies have shown that in hypoxia environment,HIF-1α could be abundantly expressed in many kinds of cancer,involved with the growth,invasion/migration,angiogenesis and apoptosis process of cancer cells.This article is mainly discussed around the relationship between HIF - 1α and cancer such as liver cancer,breast cancer and gastric cancer.32refs.
Keywords:Hypoxic microenvironment,Hypoxia-inducible factor-1α(HIF-1α),liver cancer,breast cancer,gastric cancer.
中图分类号:R73-3
文献标识码:A
文章编号:2095-7300(2015)02-052-05
通讯作者*,E-mail:tujian0734@aliyun.com.
作者简介:余平(1978-),男,湖南衡阳人,硕士研究生,实验师,研究方向:分子药理.
基金项目:湖南省自然科学基金青年项目(编号:2015JJ3101);衡阳市科技局课题(编号:2013KJ22)
收稿日期:2015-05-13