缺氧诱导因子HIF-1在抗真菌免疫中的作用

粟慧琳 徐金华 朱敏

(复旦大学附属华山医院皮肤科，上海 200040)

·综述·

缺氧诱导因子HIF-1在抗真菌免疫中的作用

粟慧琳 徐金华 朱敏

(复旦大学附属华山医院皮肤科，上海 200040)

缺氧诱导因子-1 (hypoxia-inducible factor-1，HIF-1)是细胞在低氧状态下起重要作用的核转录因子。体内真菌感染部位常形成缺氧微环境，从而激活HIF-1并在抗真菌感染免疫中起到重要作用。该文就HIF-1的结构、活性调控及相关信号通路，真菌感染与缺氧的关系，HIF-1对宿主抗真菌免疫的影响等方面进行了综述。

缺氧诱导因子-1；抗真菌免疫；烟曲霉；组织胞浆菌；白念珠菌

缺氧诱导因子-1 (hypoxia-inducible factor-1,HIF-1)是哺乳动物细胞在低氧或缺氧环境下起作用的重要转录因子。缺氧状态下可形成有活性的HIF-1，作为核转录因子调节多种基因的转录[1]。这些基因的表达产物会进一步参与细胞的生理过程，使细胞在缺氧条件下维持内环境的稳定。因此，HIF-1及其诱导表达的基因在生理性缺氧以及多种病理情况下均发挥着重要作用[2-3]。诸多研究发现HIF-1及缺氧在感染性疾病过程中发挥着重要作用[4]，对宿主免疫应答有重要影响。真菌感染是感染免疫研究中的重要组成部分，体内真菌感染部位常形成缺氧微环境，从而激活HIF-1并在抗真菌感染免疫中起到重要的调节作用。近年来该领域学者陆续研究了HIF-1在真菌感染中的作用及相关机制，为抗真菌感染提供了一些新的治疗策略。本文就HIF-1的结构、活性调控及相关信号通路，真菌感染与缺氧的关系，HIF-1对宿主抗真菌免疫的影响等方面进行综述。

1 HIF-1的结构与功能及相关信号通路

1.1 HIF-1的结构与活性调控

HIF是由120kD的HIF-1α亚基和91-94kD的HIF-1β亚基组成的高度保守的异源二聚体。HIF-1β亚基是一种芳香烃受体核转运子 (aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator,ARNT),稳定存在于胞浆或核质中，起结构性作用。HIF-1α主要存在于在细胞质中，是HIF-1的活性亚基，也是应答缺氧应激的关键因子[1,5]。

在正常氧饱和度下，由于HIF-1α亚基会被泛素蛋白酶降解途径迅速降解，基本检测不到HIF-1α的表达；而在缺氧状态下，泛素化和羟基化水平下降,α亚基的降解被抑制，HIF-1α稳定存在于细胞中作为核转录因子调节多种基因的转录[6]。HIF-1α的半衰期不足5 min，HIF-1α蛋白化、磷酸化等的调节和信号转导途径来提高蛋白质的稳定性并增强其活性。因此，氧分压是调节HIF-1α的主要生理因素。

1.2 HIF-1α及其相关信号通路

在低氧环境下，HIF-1α在细胞内积聚并与HIF-1β结合形成HIF-1，并参与多条信号转导通路，介导细胞下游分子对缺氧的产生相关反应。磷脂酰激醇3-激酶 (phosphatidyl inositol 3-kinase，PI3K)信号通路在细胞增殖和凋亡中发挥作用。在低氧环境下，PI3K被激活，并与下游的蛋白激酶B (protein kinase B,PKB/Akt)结合，使得Akt磷酸化，增强HIF-1α活性，启动下游靶基因转录，使得细胞增殖增加而细胞凋亡减少[7]。泛素化特异性蛋白酶1 (sentrin-specific protease 1,SENP1)是小泛素样修饰蛋白 (Small Ubiquitin-related Modifier Protein,SUMO)特异性蛋白酶家族成员，缺氧能够抑制脯氨酰基羟化酶 (prolyl 4-hydroxylases,PHD)的活性，同时激活SENP1。PHD的活性随后降低使得HIF-1α的表达增加，同时激活的SENP1使HIF-1α去SUMO化，HIF-1α得以稳定表达，并激活下游靶基因[8]。丝裂原活化蛋白激酶 (mitogen-activated protein kinase，MAPK)能够促进细胞增殖，抗凋亡，细胞外信号调节激酶 (extracellular regulated kinase，ERK)是MAPK蛋白家族成员，低氧能够诱ERK磷酸化，进而激活癌基因，产生癌细胞。原癌基因Ras是ERK的上游调控因子，原癌基因Raf的N端结构域与之结合并激活，再进一步激活下游的MAPK/ERK激酶 (MAPK/ERK/Kinase，MEK)，使得ERK磷酸化，提高HIF-1α的表达水平[9]。PI3K通路及及哺乳动物雷帕霉素靶蛋白 (mammalian target of rapamycin，mTOR)也能通过ERK启动HIF-1α的翻译，通过灭活翻译抑制因子或者激活核糖体蛋白6S激酶 (p70S6K)来激活特异性的mRNA序列的翻译[10]。核因子κB (NF-κB)是关键性的免疫调节因子，通过直接正调控下游的HIF-1α，增强HIF-1α在炎症中的作用[11-12]。

2 真菌感染与缺氧的关系

近年来，体外研究真菌和宿主间的相互作用使得对人体对真菌的免疫反应的研究更为透彻。但是，这些研究往往是在常氧环境下进行的，并不能很好地模仿真正的体内环境，并且忽视了微环境对病原和宿主细胞二者的压力。目前已有诸多研究报道了缺氧在免疫应答中的调节作用，而在炎症和病原感染状态下，缺氧是一种较为常见的微环境[13]。

烟曲霉是空气中分布最为广泛的真菌，是临床上真菌感染中最常见的机会性致病真菌之一。体外研究已经证实烟曲霉可以在低氧水平下生长[14](O2≤0.5%)，而在多个不同的烟曲霉侵袭性感染小鼠模型中，体内肺部感染部位的组织也被证实为缺氧状态 (O2≤1.5%)。Grahl等采用缺氧检测剂盐酸哌莫硝唑 (低氧探针-1)对侵袭性肺曲霉感染小鼠模型的肺部进行检测，发现宿主免疫细胞是导致缺氧状态的主要原因，炎症反应较重的部位其缺氧状态更为严重。研究还发现，侵袭性肺曲霉模型小鼠的肺泡灌洗液中可以检测到乙醇产生。烟曲霉在常氧环境下不能产生足够可检测的乙醇，缺氧培养条件下的烟曲霉培养上清则可检测到显著升高的乙醇，间接证实了感染部位的缺氧环境[15-16]。荧光素酶产光反应是一个依赖于氧气的过程，Brock等[17-18]发现产荧光素酶的烟曲霉在感染后一天其荧光素酶水平降低至最低值，但其真菌载量出现增加，也间接证实了烟曲霉感染部位的低氧状态。

机体在通过缺氧机制调节相关免疫应答的同时，真菌病原对缺氧微环境也在不断地进化与适应。大量研究发现，在真菌对缺氧过程中发生的基因突变绝大多数位于代谢相关基因，并不影响真菌毒力[19]。其中包括真菌感应固醇水平相关基因UPC2、SRE以及活性氧ROS、活性氮RNS相关基因等[20-23]。白念珠菌作为最常见的机会性致病真菌，常定植于处于低氧状态的胃肠道[24]；新生隐球菌易引发隐球菌性脑膜炎，而人类大脑内的氧浓度也显著低于大气环境[25]，均间接支持了真菌病原在感染致病过程中需要面对低氧状态。

在真菌感染过程中，真菌侵袭的组织首先会引发固有免疫系统相关免疫细胞的募集与增加。这些部位由于能量需求增高，往往血液灌注会减少并迅速酸化。一方面可以通过缺氧机制来调节HIF-1的增加，另一方面还可以通过非氧依赖的机制来调节HIF-1表达。诸如通过Toll样受体 (Toll like receptor，TLR)的下游信号激活NFκB进而调节HIF-1[26-27]。因此，研究HIF-1在真菌感染中的作用将有助于了解缺氧状态下宿主对真菌的的免疫应答，并发现潜在的真菌致病机制，提升现有的诊治策略。

3 HIF-1对宿主抗真菌免疫的影响

3.1 HIF-1在抗烟曲霉感染中的作用

Shepardson等[28]的研究发现，在缺氧状态下真菌的细胞壁将会增厚，其表面暴露的β-葡聚糖含量会增加。此外，巨噬细胞及中性粒细胞的反应与抗真菌作用增强。这些效应依赖于细胞表面识别β-葡聚糖的受体Dectin-1。

而Mirjam等[29]的研究则发现当人单核来源的树突状细胞 (DCs)在体外低氧环境下与烟曲霉共培养时，DCs释放的细胞因子减少，其成熟分化也受到影响，提示缺氧可能抑制烟曲霉感染时DCs的活化和功能。

Kelly等[30]采用HIF1-α缺失的小鼠进行动物实验，对HIF-1的功能进行了验证。发现HIF-1对烟曲霉感染后小鼠的生存率和真菌的清除率均起到一定作用，但HIF-1α缺失的小鼠其巨噬细胞与中性粒细胞杀伤真菌孢子的作用却未受到影响。HIF-1α缺失的小鼠其真菌易感性可能与感染早期趋化因子CXCL1以及中性粒细胞的凋亡增加有关。在额外补充趋化因子CXCL1后，可以恢复HIF-1α缺失的小鼠中性粒细胞的数目与存活率，并提高小鼠的生存率和真菌清除率。提示在侵袭性肺曲霉感染过程中，HIF-1确实有独特的抗真菌感染机制，在治疗特殊免疫抑制状态感染真菌的患者时，可以考虑将HIF-1作为一个可能的治疗靶点。

3.2 HIF在抗荚膜组织胞浆菌中的作用

荚膜组织胞浆菌是常见的引起肺部真菌感染的病原之一，其在肺内引发的肉芽肿处于一个持续的缺氧微环境状态。Roger等[31]对HIF-1在抗荚膜组织胞浆菌感染中的作用进行了相关研究。发现髓系敲除HIF-1α的小鼠在感染亚致死量的荚膜组织胞浆菌后其真菌载量高于对照小鼠，生存率低于对照小鼠。HIF-1α的缺失并未改变感染小鼠肺内的免疫细胞的募集，但是与抑炎因子IL-10的升高相关。使用抑制IL-10的抗体后，免疫缺陷小鼠可以重建保护性的抗真菌免疫。巨噬细胞是分泌IL-10的最主要的细胞。特异性敲除中性粒细胞与树突状细胞中的HIF-1α不能改变小鼠感染后的真菌载量。因此巨噬细胞在宿主抵抗中起关键作用，在感染后巨噬细胞可以稳固HIF-1的抗真菌作用。在感染荚膜组织胞浆菌后HIF-1α缺失小鼠中转录因子CREB活性增强，进一步驱使巨噬细胞中IL-10产生。IL-10抑制了巨噬细胞控制真菌生长的作用，HIF-1与IL-10在抗真菌反应中有一定的反向关联性。

3.3 HIF-1在抗白念珠菌中的作用

白念珠菌是临床上引发免疫抑制患者继发真菌感染的最常见条件致病菌，平时生存于人体的皮肤、黏膜、消化道及其他脏器中，当机体抵抗力降低时，白念珠菌就会繁殖，达到一定量时，人体就会发病。Fan等[32]在研究人体共生菌时发现一个很有趣的现象:共生菌可以通过活化HIF-1与LL-37来抑制白念珠菌在肠道中的定植。当采用抗生素处理诱导白念珠菌在胃肠道内定植时，肠道细胞HIF-1α活化并诱导抗菌肽LL-37-CRAMP活化表达，进而使得白念珠菌在肠道内的定植下降，降低50%的侵袭致死率。

此外，白念珠菌在免疫学研究中常作为激活Dectin-1的模式菌来进行研究。Dectin-1下游可通过mTOR-HIF1α信号途径来诱导向需氧糖酵解的代谢转换。糖酵解在固有免疫开始时对HIF-1α具有一定的影响作用[33]。

4 小 结

HIF-1作为细胞内重要的核转录因子在许多的生理病理过程中都发挥着重要作用。许多感染性病原的体外与体内实验均证实，在病原与宿主的相互作用中HIF-1起到重要的调节作用。其在真菌感染中是通过何种机制来产生调节作用还有待进一步的研究。相信通过深入研究，将有助于进一步揭开真菌感染免疫网络的面纱，并且为真菌感染性疾病的预防与治疗开辟一个新方向。

[1] Semenza GL.Hydroxylation of HIF-1:oxygen sensing at the molecular level[J].Physiology,2004,19 (4):176-182.

[2] Hsieh MM,Linde NS,Wynter A,et al.HIF prolyl hydroxylase inhibition results in endogenous erythropoietin induction,erythrocytosis,and modest fetal hemoglobin expression in rhesus macaques[J].Blood,2007,110(6):2140-2147.

[3] Melillo G.Inhibiting hypoxia-inducible factor 1 for cancer therapy[J].Mol Cancer Res,2006,4(9):601-605.

[4] Palazon A,Goldrath AW,Nizet V,et al.HIF transcription factors,inflammation,and immunity[J].Immunity,2014,41(4):518-528.

[5] Taiyoun R,Dong YL,Minhyung L.Hypoxia as a target for tissue specific gene therapy[J].J Control Release,2013,172(2):484-494.

[6] Wong W,Goehring AS,Kapiloff MS,et al.mAKAP compartmentalizes oxygen-dependent control of HIF-1 alpha[J].Sci Signal,2008,1(51):ra18.

[7] Chen J,Bai M,Ning C,et al.Gankyrin facilitates follicle-stimulating hormone-driven ovarian cancer cell proliferation through the PI3K/AKT/HIF-1α/cyclin D1 pathway[J].Oncogene,2015,35(19):2506-2517.

[8] Ao Q,Su W,Guo S,et al.SENP1 desensitizes hypoxic ovarian cancer cells to cisplatin by up-regulating HIF-1α[J].Sci Rep,2015,5:16396.

[9] Huang CY,Hsieh YL,Ju DT,et al.Attenuation of magnesium sulfate on CoCl2-induced cell death by activating ERK1/2/MAPK and inhibiting HIF-1α via mitochondrial apoptotic signaling suppression in a neuronal cell line[J].Chin J Physiol,2015,58(4):244-253.

[10] Reiling JH,Sabatini DM.Stress and mTORture signaling[J].Oncogene,2006,25(48):6373-6383.

[11] Cai XH,Huang YT,Zhang X,et al.Cloning,characterization,hypoxia and heat shock response of hypoxia inducible factor-1 (HIF-1) from the small abalone Haliotis diversicolor[J].Gene,2014,534(2):256-264.

[12] Van UP,Kenneth NS,Rocha S.Regulation of hypoxia-inducible factor-1alpha by NF-kappaB[J].Biochem J,2008,412(3):477-484.

[13] Eltzschig HK,Carmeliet P.Hypoxia and inflammation[J].N Engl J Med,2011,364(7):656-665.

[14] Hall LA,Denning DW.Oxygen requirements ofAspergillusspecies[J].J Med Microbiol,1994,41(5):311-315.

[15] Grahl N,Puttikamonkul S,Macdonald JM,et al.In vivo hypoxia and a fungal alcohol dehydrogenase influence the pathogenesis of invasive pulmonary aspergillosis[J].PLoS Pathog,2011,7(7):e1002145.

[16] Schaible B,Schaffer K,Taylor CT.Hypoxia,innate immunity and infection in the lung[J].Respir Physiol Neurobiol,2010,174(3):235-243.

[17] Brock M,Jouvion G,Droinbergère S,et al.BioluminescentAspergillusfumigatus,a new tool for drug efficiency testing and in vivo monitoring of invasive aspergillosis[J].Appl Environ Microbiol,2008,74(22):7023-7035.

[18] Ibrahimgranet O,Jouvion G,Hohl TM,et al.In vivo bioluminescence imaging and histopathopathologic analysis reveal distinct roles for resident and recruited immune effector cells in defense against invasive aspergillosis[J].BMC Microbiol,2010,10(1):105.

[19] Nora G,Kelly MS,Dawoon C,et al.Cramer Hypoxia and Fungal Pathogenesis:To Air or Not To Air[J].Eukaryotic Cell,2012,11(5):560-570.

[20] Hoot SJ,Olivevr BG,White TC.CandidaalbicansUPC2 is transcriptionally induced in response to antifungal drugs and anaerobicity through Upc2p-dependent and independent mechanisms[J].Microbiology,2008.154(Pt9):2748-2756.

[21] Chang YC,Bien CM,Lee H,et al.Sre1p,a regulator of oxygen sensing and sterol homeostasis,is require d for virulence inCryptococcusneoformans[J].Mol Microbiol,2007,64(3):614-629.

[22] Castello PR,David PS,McClure T,et al.Mitochondrial cytochrome oxidase produces nitric oxide under hypoxic conditions:implications for oxygen sensing and hypoxic signaling in eukaryotes[J].Cell Metab,2006,3(4):277-287.

[23] David PS,Poyton RO.Effects of a transition from normoxia to anoxia on yeast cytochrome c oxidase and the mitochondrial respiratory chain:implications for hypoxic gene induction[J].Biochim Biophys Acta,2005,1709(2):169-180.

[24] Karhausen J,Furuta GT,Tomaszewski JE,et al.Epithelial hypoxia-inducible factor-1 is protective in murine experimental colitis[J].J Clin Invest,2004,114(8):1098-1106.

[25] Sharp FR,Bernaudin M.HIF1 and oxygen sensing in the brain[J].Nat Rev Neurosci,2004,5(6):437-448.

[26] Peyssonnaux C,Datta V,Cramer T,et al.HIF-1α expression regulates the bactericidal capacity of phagocytes[J].J Clin Invest,2005,115(7):1806-1815.

[27] Jordi R,Monica G,Christian S,et al.NF-kB links innate immunity to the hypoxic response through transcriptional regulation of HIF-1α[J].Nature,2008,453(7196):807-812.

[28] Shepardson KM,Ngo LY,Aimanianda V,et al.Hypoxia enhances innate immune activation toAspergillusfumigatusthrough cell wall modulation[J].Microbes Infect,2012,15(4):259-269.

[29] Mirjam F,Marion W,Oliver K,et al.Hypoxia attenuates anti-Aspergillusfumigatusimmune responses initiated by human dendritic cells[J].Mycoses,2016,59(8):503-508.

[30] Shepardson KM,Jhingran A,Caffrey A,et al.Myeloid derived hypoxia inducible factor 1-alpha is required for protection against pulmonaryAspergillusfumigatusinfection[J].PLoS Pathog,2014,10(9):e1004378.

[31] Fecher RA,Horwath MC,Friedrich D,et al.Inverse correlation between IL-10 and HIF-1α in macrophages infected with Histoplasma capsulatum[J].J Immunol,2016,197(2):565-579.

[32] Fan D,Coughlin LA,Neubauer MM,et al.Activation of HIF-1α and LL-37 by commensal bacteria inhibitsCandidaalbicanscolonization[J].Nat Med,2015,21(7):808-814.

[33] Cheng SC,Quintin J,Cramer RA,et al.mTOR-and HIF-1α mediated aerobic glycolysis as metabolic basis for trained immunity[J].Science,2014,345(6204):1250684.

[本文编辑] 施 慧

国家重点基础研究发展计划/973计划 (2013CB536005)

粟慧琳，女 (汉族)，博士研究生在读.E-mail:911387967@qq.com

朱敏,E-mail:Juneminmyco@126.com；徐金华，E-mail:xjhhsyy@126.com

R 519

B

1673-3827(2017)12-0233-04

2017-01-17