内皮PAS区域蛋白1与低氧适应关系的研究进展

韩永建，常 荣



·前沿进展·

内皮PAS区域蛋白1与低氧适应关系的研究进展

韩永建，常 荣

在低氧环境下，机体会出现一系列病理生理改变，藏族人群长期居住在高原，对高原的低氧环境有极强的适应能力，这种适应可能与长期自然选择导致的基因变异有关。目前，内皮PAS区域蛋白1(EPAS1)在低氧适应中的具体机制尚不清楚，但藏族人群低氧适应可能与EPAS1调节红细胞生成、促进肠道对铁的吸收、抑制低氧性肺动脉高压形成及其基因变异等有关。本文就EPAS1与低氧适应关系的研究进展进行综述。

内皮PAS区域蛋白1；低氧适应；综述

韩永建，常荣.内皮PAS区域蛋白1与低氧适应关系的研究进展[J].实用心脑肺血管病杂志，2016，24(2)：4-7.[www.syxnf.net]

Han YJ，Chang R.Progress on relationship between EPAS1 and hypoxic adaptation[J].Practical Journal of Cardiac Cerebral Pneumal and Vascular Disease，2016，24(2)：4-7.

高原环境下低氧对机体生理功能的影响最大，藏族人群长期居住在高原，对高原的低氧环境有极强的适应能力，这种适应可能与长期自然选择导致的基因变异有关。临床研究显示，目前关于低氧适应的主要候选基因有内皮PAS区域蛋白1(endothelial PAS domain protein 1，EPAS1)、EGLN1。临床研究显示，低氧诱导因子(hypoxia inducible factor，HIF)在低氧反应中起关键作用，其广泛存在于哺乳动物体内，可促进哺乳动物适应高原环境。EPAS1又称为HIF-2α，属于HIF，其在低氧反应中起核心作用[1]。低氧环境下EPAS1可调节红细胞生成，另外其也是藏族人群适应低氧环境的主要调控因素。EPAS1能编码许多低氧调节基因，如红细胞生成素、血管内皮生长因子(VEGF)、肾上腺髓质素(ADM)及葡萄糖转运体1等[2-3]。正常环境下，EPAS1被脯氨酰羟化酶羟化，最终被降解；低氧环境下，EPAS1首先转移到细胞核，与HIF-1β结合形成二聚体，随后与低氧调节基因上的低氧反应元件(hypoxia-response element，HRE)结合，进而启动基因转录。目前，EPAS1在低氧适应中的具体机制尚不清楚，但藏族人群低氧适应可能与EPAS1调节红细胞生成、促进肠道对铁的吸收、抑制低氧性肺动脉高压形成及其基因变异有关。本文就EPAS1与低氧适应关系的研究进展综述如下。

1　EPAS1的结构

Semenza等[4-5]于1991年发现促红细胞生成素(EPO)基因3′末端增强子能与HIF结合，接着发现HIF-1，随后又发现HIF家族的另外两个成员HIF-2和HIF-3。HIF-2是由HIF-2α和HIF-1β两个蛋白质亚基组成的异源二聚体蛋白质复合物，其中α亚基受氧浓度调节，而β亚基不受氧浓度调节，β亚基的功能可能与HIF-2的结构稳定性有关。研究显示，EPAS1基因位于人类2号染色体p16-21区，而HIF-1β基因位于人类1号染色体q21区[6]。

2　EPAS1的分布与靶基因

EPAS1在血流丰富的细胞(如血管内皮细胞、胎肺成纤维细胞)内含量较高，而在白细胞内含量非常低，且其在不同组织内表达水平不同。EPAS1的靶基因涉及红细胞生成、血管扩张与收缩、骨髓造血、能量代谢、肿瘤血管生长及铁代谢等方面，EPAS1通过与靶基因上的启动子或增强子上的HRE结合而作用于VEGF、血管内皮细胞蛋白酪氨酸磷酸酶(VE-PTP)、ADM、葡萄糖载体蛋白1(GLUT1)、白介素6(IL-6)、脂肪分化相关蛋白(ADPR)、纤溶酶原激活物抑制剂-1(PAI-1)等的靶基因。Geis等[7]研究发现，肝癌细胞敲除EPAS1基因后肝细胞癌血管生成减少，且运用基因芯片技术发现其靶基因为PAI-1基因。EPAS1可通过其靶基因VE-PTP增强内皮细胞屏障的完整性[8]。Ryu等[9]研究发现，缺少IL-6的大鼠即使EPAS1过高表达也不易发生类风湿关节炎，EPAS1主要是通过IL-6刺激辅助性T17(Th17)细胞分化而促进类风湿关节炎的形成。

3　EPAS1与低氧适应的关系

研究发现，世居的藏族人群与迁移的汉族人群EPAS1基因的单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphisms，SNP)有明显差异，不同海拔的物种EPAS1基因的SNP也存在较大差异，这可能是长期自然选择的结果。有研究显示，EPAS1能调节红细胞生成、促进肠道对铁的吸收、抑制低氧性肺动脉高压形成、调节一系列低氧相关基因的表达，这可能均与藏族人群对低氧的适应有关。

3.1EPAS1能调节红细胞生成低氧环境可促进肾脏合成EPO，红细胞生成增多以便携带更多的氧气到组织，利于适应低氧环境[10-11]。HIF有3种亚型，即HIF-1α、HIF-2α(EPAS1)、HIF-3α，其中HIF-1α可在体外低氧反应中诱导EPO合成，而EPAS1是诱导EPO表达的主要转录因子[12-14]，短期内红细胞增多能促进人体对低氧适应，但长期低氧会引起红细胞与血红蛋白增多而导致血液黏稠度增加，易造成血栓形成。

大量研究发现，藏族人群血红蛋白水平能维持在较低水平。Beall等[15]采用全基因组等位基因分化扫描法对云南3 200～3 500 m藏族和汉族居民502 722个SNP比较后发现，8个SNP位点与藏族低血红蛋白水平有密切关系。Wu等[16]通过对居住在喜马拉雅山的高原居民和低海拔居民进行比较发现，高原居民的血红蛋白水平低于海拔移居者与安第斯山土著居民，证明健康的本土人可以居住在高海拔但血红蛋白水平未升高，低血红蛋白水平利于低氧适应。Wu等[17]首先检测出8种组织有EPAS1信使RNA表达，EPAS1在肺和胰腺表达最高，但在牦牛EPAS1基因上又发现3种异常SNP，巴利和甘南的牦牛AA基因型、GA基因型及A等位基因出现频率高于天祝牛，表明巴利牦牛g 83065G>A多态性与血红蛋白水平有关。Xu等[18]研究发现，EPAS1启动子两个功能位点与藏族人群低氧适应有关，且rs12619696SNP与高原红细胞增多症有关。Chen等[19]通过对青藏高原男性汉族EPAS1基因进行研究发现，位于EPAS1基因非编码区域的3个SNP(rs13419896，rs4953354，rs1868092)单倍体型在高原红细胞增多症的患者中更常见，表明携带有这种单倍体型基因的人更易患高原红细胞增多症。Petousi等[20]研究发现，藏族人群血红蛋白水平低、肺通气量高，且在急性和慢性持续性低氧环境下肺血管收缩反应较迟钝，且发现EPO与EPAS1和EGLN1有很大关系。上述研究均表明，EPAS1能通过EPO促进红细胞生成，维持低的血红蛋白水平，从而利于人类短期内适应低氧环境，但长期则会造成高原红细胞增多症，而EPAS1维持低血红蛋白水平可能与长期EPAS1基因的自然选择有关。

3.2EPAS1能促进肠道对铁的吸收长期居住于高原的人群红细胞与血红蛋白相对平原人群增多，血红蛋白增多需要更多的铁，而影响铁吸收与转运的主要基因有3种，分别为二价金属转运体1(divalent metal transporter 1，DMT1)、十二指肠细胞色素B(duodenal cytochrome b，DCYTB)和膜铁转运蛋白(ferroportin，FPN)。Mastrogiannaki等[21]对大鼠肠道上皮细胞HIF-2α与HIF-1α基因进行敲除后发现，HIF-2α基因缺失的大鼠DMT1、IRE(80%)、DCYTB(85%)及FPN水平降低，而HIF-1α基因缺失可导致转运葡萄糖转运体1减少55%，但未影响铁吸收相关基因的表达，表明HIF-2α与肠道对铁的吸收有关。EPAS1可能通过促进肠道对铁的吸收而维持血红蛋白水平，以便携带更多的氧，促进人体对低氧的适应。

3.3EPAS1能抑制低氧性肺动脉高压形成低氧性肺动脉高压是由于长期慢性缺氧导致的肺血管收缩与重塑，最终造成右心室肥厚、心力衰竭。EPAS1在低氧时能够激活VEGFA基因编码一种诱导血管生成的蛋白质；EPAS1可能参与肺动脉高压的形成，如一些EPAS1基因突变的患者显示出肺动脉高压[22-23]；另外，通过对基因工程大鼠进行研究发现，单倍体型不足的EPAS1可延迟或避免发展成肺动脉高压，杂合子大鼠能够部分抑制红细胞增多、肺血管重塑、出血及高原肺水肿。EPAS1不同基因突变可能在低氧性肺动脉高压形成中作用不同，有研究发现藏族人群肺动脉高压发生率低于汉族人群，可能与EPAS1抑制藏族人群低氧性肺动脉高压形成有关，有利于藏族人群更好地适应低氧环境。

3.4EPAS1基因变异与低氧适应的关系全基因组扫描显示，人类高海拔适应取决于低氧诱导因子通路[24]。Wang等[25]采用全基因组测序方法检测不同海拔狗发现，藏族狗和低海拔狗血红蛋白水平间无差异，且在145 kb长度的区域里发现藏族狗和低海拔狗共有225个SNP发生不同，同时还发现EPAS1的4种非同义突变(G305S、D494E、V500M、P750S)；进一步分析发现，藏族狗EPAS1位点等位基因突变率为95%，而低海拔狗仅为6%；比较序列发现，所有已知脊椎动物中305位密码子编码的甘氨酸是保守的，且G305S位于PAS-B区域的Gβ层，这个区域是结合配体的主要功能区[25-27]。表明EPAS1基因某些位点突变能够维持藏狗较低的血红蛋白水平，可能是其适应低氧的主要原因。

Yi等[28]通过分析藏族人群50个外显子组发现，自然选择最强的信号来自EPAS1，差异最大的SNP位点位于内含子，藏族等位基因频率为87%，而汉族仅为9%，这是迄今为止在人类发现的最大的等位基因频率差异。Zhang等[29]研究发现，高原狼常染色体杂合率低于低海拔狼，在1 548个推定的基因中84个基因可能与低氧有关，为了确定与低氧适应有关的基因，该研究组对非同义SNP进行鉴定发现只有3个基因(EPAS1、RYR2、ANGPT1)可能与低氧适应有关，在EPAS1基因中发现3个非同义SNP，另外通过测序发现高原狼和低海拔狼上述基因非同义SNP频率差异大于58%。表明不同海拔物种EPAS1基因SNP存在很大差异，该差异可能是长期自然选择的结果，可促进高原物种对低氧环境的适应。

Hendrickson[30]通过对等位基因遗传模型研究发现131个与低氧适应的候选基因，与低氧适应相关的重要基因是低氧诱导因子通路中的EPAS1。Li等[31]通过对32只藏獒、20只中国本土狗与14只灰狼的SNP进行比较，确定了16个与藏獒正选择信号相关的基因，其中12个基因与低氧适应有关，如EPAS1、SIRT7、PLXNA4、MAFG等，这些基因在低氧反应中具有重要作用。Xing等[32]采用HIS和XP-EHH方法对蒙古人正选择候选基因区域进行分析，最终确定了96个区域和162个候选基因，将确定的选择性区域与以往报道的藏族低氧适应基因进行比较后确定了3个高原选择候选基因(EPAS1、PKLR、CγP2E1)，这些低氧相关的基因与代谢过程有关，可能与高海拔重要生理反应有关[33]。Peng等[34]通过与Beall、Simonson的研究相比较确定出低氧适应的主要候选基因EPAS1和EGLN1，尽管其他基因也可能在低氧适应中起作用，但多重研究的基因组数据表明这两个基因起主要作用。以上研究均表明，EPAS1为低氧适应的候选基因，该基因突变能够促进物种对高海拔低氧的适应。此外，EPAS1还能维持藏族人群高的肺通气，藏族新生儿较高的出生体质量也助于其对低氧适应。

综上所述，EPAS1能维持藏族人低血红蛋白水平、促进肠道对铁的吸收、抑制低氧性肺动脉高压形成，尽管高原不同物种在低氧适应基因研究方面取得很多成果，但未获得对EPAS基因的全面认识，关于EPAS1基因在低氧适应中的生理与分子机制尚不清楚；此外，低氧适应可能是多种基因共同作用的结果，需要进一步研究与探索。但需要明确的是了解高海拔人群低氧适应的机制能够预测、预防及治疗低氧相关的疾病，具有重要的临床意义。

【延伸阅读】

最新研究显示，藏族人动脉和毛细血管较粗，能为肌肉和器官输送更多的氧，利于他们适应低氧环境。而这种低氧适应能力被证实与其体内携带的极不寻常的EPAS1基因单体型结构有关，且有研究者通过与来自全世界的多个现代人群及古人类基因组数据比较发现，这个受到定向选择的单体型仅以高频率形式存在于现代藏族人和古丹尼索瓦人中，以非常低的频率存在于汉族人中，而在包括欧洲人、非洲人的其他主要现代人群中频率为零，以上发现使研究者确信藏族人中该受到定向选择的单体型源于古丹尼索瓦人或古丹尼索瓦相关人与其基因交流。

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(本文编辑：谢武英)

Progress on Relationship Between EPAS1 and Hypoxic Adaptation

HANYong-jian，CHANGRong.

GraduateSchoolofQinghaiUniversity，Xi′ning810016，China

Under the low oxygen environment，body will appear a series of pathophysiological changes.Tibetan nationality crowd lives in plateau for a long time，have very strong adaptability to low oxygen environment，it may correlated with genovariation caused by long-time natural selection.At present，the mechanism of EPAS1 in hypoxic adaptation is not very clear，it is supposed that，the hypoxic adaptation of Tibetan nationality crowd is likely to correlated with the roles of EPAS1，such as adjustment of erythropoiesis，acceleration of iron in intestinal tract，inhibit the formation of hypoxia-induced pulmonary hypertension and related genovariation.This paper reviewed the progress on relationship between EPAS1 and hypoxic adaptation.

Endothelial PAS domain protein 1；Hypoxic adaptation；Review

国家自然科学基金资助项目(81360301)；青海省应用基础研究计划资助项目(2013-Z-743)

810016青海省西宁市，青海大学研究生院(韩永建)；青海省人民医院心内科(常荣)

常荣，810007青海省西宁市，青海省人民医院心内科；E-mail：qhschangrong@126.com

R 594.3

A

10.3969/j.issn.1008-5971.2016.02.002

2015-11-05；

2016-02-14)