HIF-1a及TGF-β1与哮喘关系研究进展

周丽萍 综述 王荣丽 审校

HIF-1a及TGF-β1与哮喘关系研究进展

周丽萍 综述 王荣丽 审校

支气管哮喘的本质是气道炎症及气道重塑。哮喘的发病机制复杂，细胞因子在哮喘的发病机制中占有重要地位，其中起主要作用的有缺氧诱导因子1a(HIF-1a)、转化生长因子-β1(TGF-β1)等,下面就HIF-1a及TGF-β1与哮喘关系的研究进展作一综述。

HIF-1a的概述

一、HIF-1a的结构和功能

HIF-1是在机体缺氧状态下产生的一种氧依赖性的转录激活因子，广泛参与机体的炎症和免疫反应，普遍存在于人和哺乳动物细胞内。HIF-1在常氧下也有表达，在缺氧状态下表达增加。HIF-1是由HIF-1a和HIF-1β两个亚基构成的异质二聚体。HIF-1β不受氧浓度调节和影响，而HIF-1a受氧浓度调节。HIF-1a广泛存在于人体脑、肺、肾、心等组织内，常氧环境下，HIF-1a处于低表达状态，同时其活性受到抑制并通过泛素-蛋白酶解系统降解；低氧及炎症环境下，HIF-1a的降解受阻，HIF-1a在体内总量增加，诱导VEGF、促炎细胞因子、趋化因子、粘附分子等基因的表达，以调节机体适应低氧环境。HIF-1a在哮喘的气道炎症反应及气道重塑中具有重要作用，它主要是通过调节免疫、促进炎症反应、诱导新生血管形成及生长等来实现的。

二、HIF-1a的相关信号转导途径

HIF-1a主要是通过羟化、乙酰化、磷酸化等来完成翻译后修饰。HIF-1a调控系统中研究最多的信号转导途径是PI3K/AKT途径、丝裂源激活蛋白激酶(MAPK)途径等，它们在维持HIF-1a稳定性中占有重要的地位。

1 PI3K/AKT途径：磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)和蛋白激酶B(PKB)共同构成了 PI3K/AKT信号转导通路。PKB是原癌基因c-akt的产物，又称为akt,PI3K由调节亚基p85及催化亚基p110组成。当细胞膜表面的酪氨酸激酶受体(RTK)被细胞外信号激活后,调节亚基p85被激活，并活化催化亚基p110，使PI3K激活,PI3K被激活后可催化三磷酸磷脂酰肌醇(PIP3)的产生,PIP3产生后可通过结合PKB的PH结合区域，将其锚定于质膜而活化,活化的PKB可磷酸化多种转录因子，从而调节细胞生理活动，激活相关基因表达。HIF-1a是一种磷酸化蛋白,缺氧条件下，各种细胞外信号通过PI3K/PKB途径激活PKB，使HIF-1a表达上调并磷酸化。PI3K/AKT信号通路可通过调节HIF-1a及VEGF的表达来参与哮喘发生发展过程。研究显示[1]：哮喘小鼠气道平滑肌肌动蛋白和I型胶原蛋白表达水平的变化与蛋白激酶B的磷酸化水平是相一致的，哮喘小鼠气道内给予akt抑制剂可减少气道炎症，下调气道平滑肌肌动蛋白、I型胶原蛋白、纤维蛋白I的表达，并增加钙粘蛋白的表达，阻断PI3K/Akt信号通路可减轻哮喘气道炎症并减弱哮喘气道重塑的早期阶段。

2 MAPK途径：MAPK途径是以丝裂原激活的蛋白激酶为代表的信号转导途径。MAPK是一类丝/苏氨酸蛋白激酶，普遍存在于人和哺乳动物体内。当MAPK被细胞外信号激活后，它可通过多种途径参与组织炎症、应激反应及细胞凋亡等。MAPK途径中研究较多的是p38 MAPK。p38 MAPK磷酸化作用增强可能是哮喘激素耐药的机制之一[2]。MAPK参与了HIF-1a翻译后磷酸化修饰过程。HIF-1a是MAPK信号通路中重要的靶点之一，MAPK信号通路可通过级联信号转导增加HIF-1a活性来调节相应基因及蛋白的表达[3]。

3 HIF-1a在哮喘中的作用机制：哮喘患者体内存在缺氧微环境。缺氧诱导因子是缺氧应答调控因子，常氧下有表达，缺氧条件下表达增加，在免疫和炎症反应中发挥着重要作用[4]。缺氧状态下炎性介质释放，并通过PI3K/AKT途径、MAPK途径、核因子κB(NF-κB)等途径上调HIF-1a的表达。越来越多的证据表明,缺氧诱导因子在过敏性气道炎症和气道重塑的过程中扮演着重要的角色,但其机制尚不清楚。Chen X等人通过使用屋尘螨提取物刺激体外培养的鼻粘膜上皮细胞证实HIF-1a可通过PI3K/Akt/HIF-1a途径诱导VEGF、转化生长因子β1和纤维母细胞生长因子2的表达[5]。缺氧诱导因子可通过调节各种类型的免疫细胞来参与哮喘的发病过程[6]。HIF-1a具有调节Th17/Treg细胞平衡的功能，当体内HIF-1a表达增加时，可出现Th17/Treg细胞失衡，表现为TH17细胞增殖增强，而Treg细胞的增殖受到抑制，当HIF-1a表达低下时，TH17细胞增殖受到抑制，Treg细胞增殖活化[7]。HIF-1a在哮喘和鼻炎表达增加，能促进过敏性气道炎症[8]。大量证明HIF-1a与气道过敏性疾病密切相关,抑制HIF-1a或VEGF-A的表达能抑制体内过敏性炎症反应。

TGF-β1概述

一、TGF-β1的结构和功能

TGF-β主要包括包括抑制素、活化素、TGF-β1、TGF-βs和骨形成蛋白等。它是调节细胞生长和分化的TGF-β超家族中的一员，广泛存在于哺乳动物中。TGF-β1是由两个结构相同或相近的亚单位借二硫键连接的双体。人TGF-β1的基因定位于染色体19q13.1，含有7个外显子,编码的前体分子C'端有九个保守的半胱氨酸。TGF-β1主要参与细胞增殖与分化、免疫功能抑制及细胞外基质形成、分泌，它是细胞生长的多功能双重调节剂，在气道炎症及气道重塑中具有重要的作用。

二、TGF-β1的相关信号转导途径

TGF-β1的相关信号转导通路主要包括Smad途径、非Smad途径及Wnt/β-catenin途径。TGF-β基因超家族的受体介导的信号转导途径中最重要的是Smad途径。TGF-β有Ⅰ型和Ⅱ型两种受体，TGF-β可通过Smad途径调节相关基因的转录和表达。在Smad途径中，TGF-β同时结合两个Ⅰ型受体和两个Ⅱ型受体，形成四联复合物，Ⅱ型受体被激活，接着Ⅰ型受体发生磷酸化，并活化，同时膜相关蛋白与Smad2和Smad3结合，并将Smad2、Smad3提呈给活化的Ⅰ型受体，此时Smad2及Smad3被磷酸化，并与Smad4结合形成三聚体转移致细胞核，与Smad结合原件结合，调节相关基因的表达。Chen M等人将大鼠气道平滑肌进行体外培养，在使用TGF-β1刺激前予以不同浓度的雷公藤甲素进行干预，结果雷公藤甲素显著抑制TGF-β1诱导的气道平滑肌增殖，并且抑制了TGF-β1介导的Smad2、Smad3磷酸化过程，说明雷公藤甲素可能通过抑制Smad信号通路来抑制TGF-β1相关的气道平滑肌细胞细胞增殖，可减轻哮喘的气道重塑[9]。由此可见，Smad信号通路参与了哮喘的发病过程。

MAPK途径不仅与HIF-1a相关，同时也与TGF-β1密切相关。TGF-β1可通过MAPK途径来调节细胞增殖、分化、转化及凋亡等，MAPK至少有12种，分属于ERK家族、P38家族、JNK家族。当细胞外信号(如转化生长因子β1)通过多种途径激活细胞内丝裂原激活的蛋白激酶(MAPK)时，活化的MAPK可转移至细胞核内，通过磷酸化作用激活多种效应蛋白，进而调节细胞增殖、转化、分化、凋亡以及炎症应激反应等。研究表明MAPK途径与哮喘的发病过程密切相关，我们可以通过MAPK/Akt通路来调节哮喘的气道微环境[10]。抑制NF-κB和p38 MAPK活性可以有效地抑制卵清蛋白激发的哮喘[11]。

MAPK途径转导的信号可促进细胞增殖，而Samd途径转导的信号则抑制细胞增殖。TGF-β不仅具有维持细胞稳态的作用，还对抗由生长因子经MAPK途径激活的增殖反应。当大量生长因子刺激细胞时，MAPK途径激活后通过多种途径使 Smad1/2/3等分子发生磷酸化，使Smad1/2/3向核内聚集的能力减弱，Samd通路受到抑制，此时细胞增殖占主导地位。

三、TGF-β1在哮喘中的作用机制

哮喘的本质是气道炎症及气道重塑，TGF-β1能通过多种途径(Smad途径、MAPK途径等)参与哮喘的气道炎症及气道重塑。正常人体内TGF-β1低表达，当有炎症刺激或应激反应时，体内TGF-β1表达显著增加。TGF-β1由体内多种细胞分泌。在哮喘患者体内，TGF-β1能抑制淋巴细胞、嗜酸性粒细胞、肥大细胞等炎性细胞的功能，并抑制相关炎性细胞因子的释放，同时TGF-β1又能促进炎性反应及炎性因子的释放，在哮喘的发病过程中具有抗炎、促炎双重作用，但哮喘的发生发展过程是由多种细胞因子调控的，并非由TGF-β1单独作用，在TGF-β1抗炎的同时，炎性介质刺激细胞，导致MAPK途径等多种途径激活，Samd通路部分受到抑制，TGF-β1的抗炎作用也受到抑制，此时炎性细胞增殖及炎性介质释放占主导地位，加重气道炎症反应及气道高反应性。TGF-β1能促进成纤维细胞生长，具有强力的致纤维化作用，在内稳态环境下TGF-β1可促进组织修复,当气道反复受到抗原刺激或出现慢性炎症时,TGF-β1可持续增高，并通过各种途径致使气道平滑肌细胞增生、胶原合成、基质沉积等，最终引起组织纤维化和气道重建，在哮喘气道炎症及气道重塑中占有重要地位。研究显示TGF-β1参与了哮喘气道间充质细胞的招募过程[12]。患有严重哮喘的儿童气道TGF-β1的表达增加[13]，降低TGF-β1有助于哮喘患者气道上皮细胞的修复[14]。D Ierodiakonou等人研究表明：TGF-β1与哮喘的严重程度显著相关，并与哮喘气道高反应性、气道阻塞程度、气道炎症及气道重塑相关[15]。Liu等人用卵清蛋白(OVA)致敏小鼠，并在激发前30分钟予以高良姜精进行干预，发现高良姜精干预组肺泡灌洗液及肺组织中TGF-β1及VEGF的表达下降，为了确定高良姜精在气道重塑中的信号机制，他们在将气道平滑肌细胞进行体外增殖，并予以高良姜精进行干预，结果发现对照组在激发1小时内，TGF-β1可激活气道平滑肌细胞的ERK、JNK和Akt通路，高良姜精干预组ERK、JNK和Akt通路的激活受到抑制，表明TGF-β1可通过多条途径参与哮喘的气道重塑，高良姜精可通过抑制MAPK/Akt的磷酸化来减轻哮喘气道重塑[16]。aveolin-1(微囊蛋白1)是气道平滑肌细胞表面的重要结构之一，具有物质转运、信号转导等作用。XU Hui等人在实验中将卵清蛋白诱导的哮喘小鼠的气道平滑肌细胞进行体外培养，并将其分为TGF-β1组、哮喘组、对照组、渥曼青霉素(PI3K/AKT通路的抑制剂)+ TGF-β1组，结果TGF-β1组气道平滑肌细胞增殖较哮喘组及对照组显著增加；渥曼青霉素+TGF-β1组气道平滑肌细胞增殖较TGF-β1组降低；哮喘组气道平滑肌细胞微囊蛋白1的表达较对照组减少，而且它在TGF-β1组的表达低于哮喘组；哮喘组气道平滑肌细胞磷酸化蛋白激酶B的表达较对照组增加，在TGF-β1组的表达高于哮喘组，然而它在渥曼青霉素+ TGF-β1组的表达较TGF-β1组降低；说明TGF-β1能促进哮喘气道平滑肌增殖，并且与PI3K/AKT途径相关，而微囊蛋白1可通过PI3K/AKT信号通路抑制TGF-β1相关的气道平滑肌细胞增殖[17]。

HIF-1a与TGF-β1在哮喘发病机制中的相关性

细胞内的信号转导通路并不是各自独立存在的，不同途径之间存在着多种交互的联系。研究报道HIF-1a可通过多种途径调控着VEGF、TGF-β1等靶基因的表达，这些因子均与气道炎症及重塑有关。HIF-1a和 TGF-β/Smads信号通路之间存在着交互作用，机体缺氧时，TGF-β1可通过MAPK信号通路增强HIF-1a表达，HIF-1a与Smad复合体可协同促进它们所调控的基因表达。HIF-1a可通过调控VEGF间接影响TGF-β1的表达，当VEGF增加可通过某些机制促进 TGF-β1 的产生，TGF-β1能够反过来调节VEGF的表达。由此可见HIF-1a与TGF-β1在哮喘的气道炎症及气道重塑中相互作用、相互影响。研究发现[18]：HIF-1a与TGF-β1呈显著正相关，两者协同参加了哮喘的发病过程。说明HIF-1a与TGF-β1在哮喘发病过程中具有相关性。

综上所述,HIF-1a及TGF-β1是哮喘发病机制中至关重要的细胞因子，它们可通过多种途径(如：PI3K/AKT途径、MAPK途径、Smad途径等)参与哮喘的发病过程。它们之间相互作用、相互交联、相互影响，对HIF-1a及TGF-β1的进一步研究有助于为哮喘的治疗寻找新的靶点，为哮喘的治疗开辟新的道路。

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2017-02-14]

10.3969/j.issn.1009-6663.2017.11.042

646000 四川 泸州，西南医科大学附属第一医院呼吸一科

王荣丽，E-mail：scybwrl@sina.com