HIF-1α与自噬在糖尿病视网膜病变中的相关性研究现状

·综述与讲座·

HIF-1α与自噬在糖尿病视网膜病变中的相关性研究现状

张梅李春霞

糖尿病视网膜病变(DR)是糖尿病的严重并发症之一，也是目前致盲的主要原因之一，其发病率在全球呈逐渐增长的趋势。因此，研究DR的发病机制及其有效的治疗方法已成为该领域的重要方向。缺氧诱导因子1α(HIF-1α)是在缺氧环境下被激活且能稳定存在的一种转录因子，能诱导血管内皮生长因子(VEGF)的激活，对DR中新生血管的形成至关重要。自噬是人体分解代谢的重要途径之一，在DR中有助于维持细胞内环境的稳态和细胞的完整性。HIF-1α与自噬都可以通过哺乳类动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)在DR中发挥作用，那么研究二者之间有无联系及其具体的信号通路就很有必要，这很有可能为未来治疗DR及糖尿病引起的其它器官的损害，提供更多新的思路和方法。

糖尿病视网膜病变；缺氧诱导因子1α；自噬

在过去的30年里，经过7次全国性调查发现，中国大陆的糖尿病发患者群增长了17倍，并且糖尿病和糖调节异常在中国已经逐渐成为了流行病[1]。糖尿病的主要危害是糖尿病的慢性并发症，包括糖尿病心血管疾病、糖尿病肾病、糖尿病周围神经病变和糖尿病视网膜病变(diabetic retinopathy,DR)等病变，其中，DR占糖尿病患者约1/3，已成为处于工作年龄的成人视力下降和失明的主要原因[2]。DR是最常见的视网膜血管病，微血管细胞损害导致视网膜缺血缺氧，从而产生新生血管，而缺氧诱导因子1α(hypoxia-inducible factor-1α,HIF-1α)是新生血管形成过程中的关键因子[3]。自噬也与DR发病有重要关系，它不仅可以分解受损细胞，保护正常组织，而且当应激过度时，还会损伤正常组织。研究DR中缺氧和自噬的相关联系，有助于加深我们对DR发病机制的了解，本文就HIF-1α与自噬的关系综述如下。

一、HIF-1α在DR中的产生与调节

视网膜缺氧与DR的发病有关，在其中发挥重要作用的是HIF-α基因,包括HIF-1α、HIF-2α和HIF-3α，其中HIF-1α在DR的发病机制中发挥着重要作用[3，4]。在正常氧含量条件下，HIF-1α经泛素化和降解过程而减少，但是在缺氧条件下，HIF-1α会积累并稳定存在，从而参与细胞内各种反应过程[5]。HIF-1α与HIF-1β结合为二聚体，转入核中，并诱导包括血管内皮生长因子(VEGF)在内的一系列基因转录[4]。

1.氧化应激与HIF-1α：在细胞中，活性氧(reactive oxygen species ，ROS)是持续不断地产生，用以维持正常的细胞功能，然而，由于各种内在或外在的因素导致ROS过度生成，从而形成病理状态[6]。视网膜色素上皮细胞是参与DR发病的重要细胞，糖尿病患者视网膜血管和神经元持续受到炎症、ROS和内质网应激的损害。随着疾病的进展，血管损害诱导视网膜缺血缺氧，可能伴随着静脉串珠样改变和视网膜内的微血管异常，这些改变会导致视网膜内新生血管形成、纤维化和视网膜脱离等病变[7]。

代谢异常导致血糖水平升高，并受到氧化应激的影响，而ROS的累积会产生氧化应激反应，进而损害视网膜血管，最终发展为DR。据研究，高糖血症损害血管主要通过4条经典途径：①多元醇代谢途径；②晚期糖基化终末产物途径；③蛋白激酶C(proteinkinase C ，PKC)的激活途径；④氨基己糖的激活途径。这些途径都与ROS的过度产生有关，而DR会诱导ROS生成。氧化应激能激活相关细胞信号分子，从而增加基因表达和改变酶的功能，导致视网膜功能受损，如内皮细胞功能异常、周细胞凋亡、血视网膜屏障功能受损、渗透性过高、黄斑水肿、异常的新生血管等表现[8，9]。

氧化应激在DR的新生血管形成中发挥着重要作用，通过ROS-HIF-1α- VEGF-VEGFR2信号通路或直接通过ROS-VEGFR2通路，均可导致新生血管生成[10]。另一方面，有实验证明，使用黄岑素削弱氧化应激中ROS的产生，能减少HIF-1α/VEGF通路激活,从而抑制新生血管生成。这一过程是通过使HIF-1α泛素化和降解增加，从而减少VEGF表达[5]。

2.HIF-1α和VEGF：缺血缺氧环境诱导HIF-1α表达，进而诱导VEGF表达，而促炎细胞因子如：肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor-alpha，TNF -α)和转化生长因子β2(transforming growth factor-beta 2 ，TGF-β2)，二者的协调作用也能诱导VEGF表达[11]。在高糖血症或缺氧条件下，HIF-1α、VEGF和VEGF受体(VEGF Receptor,VEGFR-1/2)表达上调，其相互作用还能激活p38 MAPK信号通路[4]。VEGF作为HIF-1α的下游通路，在调节新生血管的形成中是一种重要的信号分子[10]。此外，有研究表明，钙水平增加是诱导高糖血症的原因之一，通过激活CaMKII-CREB信号级联放大反应，钙促进高糖诱导的主要新生血管生成因子HIF-1α和VEGF表达，能激活DR患者的视网膜Müller细胞和新生血管生成[7]。

在DR中，HIF-1α和VEGF的表达是相互依赖的，且HIF-1α和VEGF表达水平明显升高[12，13]。通过RNA干扰使HIF-1α或VEGF沉默,可以减少VEGF的表达，这种RNA干扰对抑制新生血管生成是有效的[14]。而且，封锁或使HIF-1α调节的VEGF通路沉默已经被报道可能对DR的治疗有效[12]。VEGF会破坏视网膜屏障，导致早期视网膜水肿，之后产生新生血管，同时还有神经退行性病变。将用STZ处理过的小鼠的HIF-1α基因敲除会降低VEGF和细胞间黏附分子的表达，并能减少视网膜血管渗漏[15]。

3.mTOR诱导HIF-1α产生：mTOR是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，主要通过使S6激酶1(S6 kinase 1 ，S6K1)磷酸化和抑制真核生物的转录起始因子4E结合蛋白1(eukaryotic translation initiation factor 4E binding protein 1 ，4E-BP1)调节蛋白质的合成。另一方面，研究表明PI3K是它的上游通路，诱导mTOR激活,而PI3K的下游Akt是调节mTOR的重要因子，Akt直接使TSC 2磷酸化并失活，从而部分激活mTOR[16]。此外，研究发现在结肠癌的发生过程中，胰岛素样生长因子1(insulinlike growth factor 1,IGF-1)与其受体IGF-1R结合，激活PI3K-Akt-mTOR-P70S6K通路，促进HIF-1α的蛋白质合成，增强HIF-1α转录活性，从而增加VEGF表达[17]。

雷帕霉素是mTOR的抑制剂，能对抗糖尿病诱导的氧化应激损伤，并减少调节血管生成的细胞因子[18]。研究表明，在用STZ诱导的高糖血症中，HIF-1α,VGFR2，pmTOR及其下游通路pS6K1 和p4E-BP1 的表达水平明显升高，但用雷帕霉素处理后，它们的表达就会下降，说明mTOR可以诱导HIF-1α表达，但是雷帕霉素可以抑制HIF-1α-VEGFR2参与的信号通路的表达。然而，mTOR如何通过HIF-1α和VEGF参与到DR的病理生理过程中，仍然不清楚[13]。

二、自噬在DR中的调节

自噬是一种分解代谢活动，能降解受损的细胞器和回收利用部分能源物质，维持细胞稳态，高糖能诱导自噬发生，因此，自噬在DR中发挥着重要作用[19]。自噬分为巨自噬、微自噬和分子伴侣介导的自噬,这里主要讲巨自噬[20]。

1.DR中的自噬：高血糖水平诱导氧化应激，随后引发自噬清除受损的蛋白质，从而减少高血糖对视网膜色素上皮的损伤。经实验发现，在视网膜色素上皮细胞中，自噬可能主要是通过ROS参与内质网应激调节的，而不是通过mTOR调节自噬[21]。此外，在DR发展中，自噬标志物ATG-5、Beclin-1和LC3-B表达有所增加[19]。受损伤的血视网膜屏障会释放血浆脂蛋白，而且经过修饰的血浆LDL随后会引起氧化应激、内质网应激和线粒体功能障碍，最后通过凋亡和自噬途径加重对视网膜色素上皮层的损害。在人视网膜毛细血管周细胞中，HOG-LDL能通过激活JNK诱导自噬维持稳态，但是在应激过度的情形下，自噬对DR的治疗是有害的[19，22]，这就表明自噬可能成为一个治疗DR的潜在靶点。

最新的研究发现，在DR中，高血糖诱导组蛋白HIST1H1C在视网膜胶质细胞层和内核层中增多，而组蛋白HIST1H1C的过度表达会促进自噬、炎症和神经元损失，说明了组蛋白HIST1H1C可以作为一种新的自噬激活剂[23]。

2.mTOR参与调节自噬：研究表明，mTOR是一种关键的抑制自噬的信号调节通路，也是一种重要的自噬调节器，通过上游的一级PI3K/Akt信号通路可以激活mTOR，从而抑制自噬[24]。另一方面，在饥饿状态下，腺苷酸活化蛋白激酶( AMP activated protein kinase ，AMPK)通过催化Ser317和Ser777磷酸化激活自噬启动激酶Ulk1而促进自噬，但是在营养充足的条件下，mTOR通过使Ulk1 Ser757磷酸化而阻止Ulk1的激活，并抑制Ulk1和AMPK的相互作用，从而抑制自噬[25]。已有研究表明，视网膜Müller细胞在高糖环境中，溶酶体调节的自噬功能紊乱，导致凋亡增加，以及大量的VEGF释放。但是，使用雷帕霉素，会阻止这些改变，能诱导自噬体的形成，改善自噬流并保护细胞免于死亡，可以减少VEGF的产生[26]。mTOR抑制剂可以通过控制HIF-1α调节的下游通路VEGF的激活，从而抑制早期恶化的进展，避免血视网膜屏障破坏[7]。

mTOR复合体1(mTOR complx 1,mTORC 1)在蛋白质的合成和增长中发挥重要作用，有证据表明，mTORC1支持mTOR在DR发展中的异常调节作用[27]。mTORC1能通过使Ulk1 Ser757磷酸化而抑制Ulk1-AMPK的相互作用，抑制自噬[25]。活化的mTORC1使4E-BP1和S6K1磷酸化，能连续诱导蛋白质合成。而且，通过使其它的效应器磷酸化，mTORC1能诱导脂类物质的代谢和生物合成，以及抑制自噬作用。此外，mTORC1的活性对雷帕霉素很敏感。雷帕霉素与12 kDa FK506结合蛋白(FK506-binding protein,FKBP12)结合，能与mTORC1激酶相互作用，抑制mTORC1的活性，中断基因转录和蛋白合成[7]。

3.自噬的双重作用：自噬在DR中的作用复杂，自噬可促进周细胞在DR早期得以生存，然而，过度的自噬会导致应激过度，使细胞坏死[22]。在一项实验中，将AREP19细胞置于高糖中，结果显示细胞自噬增加。用自噬抑制剂3—甲基腺嘌呤(3-methyladenine,3-MA)抑制自噬的发生，从而导致线粒体受损产物ROS增加，NLRP3依赖的炎症反应被激活，随后使IL-1β分泌增加。此外，与单纯高糖组对比，用3-MA处理过的高糖组细胞活性降低，说明自噬具有重要的细胞保护作用[28]。因此，自噬对细胞有双重作用，在中等应激条件下，自噬可保护细胞，但在过度应激条件下，自噬导致细胞死亡[19]。

三、缺氧与自噬

糖尿病肾病的相关研究表明，缺氧可诱导细胞自噬的发生，该过程主要是由激活的HIF-1α完成。HIF-1α诱导转录因子Bnip3及Bnip3L的过表达，继而将Beclin-l从与Bcl-2蛋白的结合中释放出来，激活的Beclin-l即可参与形成自噬。此外，又发现Sirt1在缺氧环境下能够通过Sirt1-Foxo3-Bnip3通路调节自噬。缺氧导致线粒体受损和细胞内ROS积累，因此，在缺氧条件下，由Bnip3调节的自噬活动在清除受损线粒体，维持细胞正常功能中发挥重要作用[29，30]。那么，在缺氧环境下，在DR中是否也存在类似的自噬过程呢？这还有待研究。

四、展望

糖尿病已经成为了主要流行病之一，DR作为糖尿病的严重并发症之一，值得我们在提倡全民健康的时代更加关注其发展和治疗。而研究HIF-1α与自噬在DR中的联系，有助于我们进一步了解DR的发病机制，同时还可与糖尿病肾病等糖尿病的并发症相联系，观察DR与其它疾病之间的联系，研究出更好的治疗糖尿病的方案，帮助患者减轻疾病痛苦，减少致盲几率。

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TheresearchstatusoftherelationshipbetweenHIF-1αandautophagyindiabeticretinopathy

ZhangMei,LiChunxia.

DepartmentofOphthalmology,ShanghaiTCM-integratedHospital,ShanghaiUniversityofTCM,Shanghai200082,China

Diabetic retinopathy ( DR ) is one of the serious complications of diabetes mellitus , as well as one of the major causes of blindness nowadays , and its morbidity has a growing trend worldwide . Therefore , to figure out the mechanism of DR and to identify an effective therapeutic method for DR have become the important target in this field . Inducing the activation of Vascular endothelial growth factor ( VEGF ) depends on the hypoxia-inducible factor -1α( HIF-1α) , which is a transcription factor thay is activated and stabilized under hypoxic conditions , and it’s important for the formation of neovascularization in DR . Autophagy is one of the important ways for human body to involve in the catabolism , and is beneficial to maintain intracellular homeostasis and cell integrity in DR . HIF-1α and autophagy are both connected with Mammalian target of rapamycin ( mTOR ) in DR . Thus , it’s necessary to research whether HIF-1αis associated with autophagy or not , and its specific singal pathway . It’s possible to provide more new ideas and methods to treat DR and diabetes mellitus-induced other organic damages in the future .

Diabetic retinopathy；HIF-1α；Autophagy

[JClinOphthalmol,2017,25:471]

10.3969/j.issn.1006-8422.2017.05.029

上海市卫生和计划生育委员会科研课题(课题编号：201640245)；蚌埠医学院研究生科研创新计划项目(Byycx1748)

200082 上海中医药大学附属上海市中西医结合医院眼科

李春霞(Email:cxli_66@163.com)

[临床眼科杂志，2017，25：471]

(收稿：2017-02-25)