局灶性脑缺血损伤后HIF-1α双重调节作用的研究进展

低氧诱导因子-1α(hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α)主要在胞浆中表达，其表达量与氧浓度密切相关。正常生理状态下，HIF-1α通过泛素-蛋白酶体途径迅速降解。在低氧状态下，氧-依赖性脯氨酸羟化酶(PHDs)活性抑制[1]，HIF-1α降解所依赖的PHDs-VHL-蛋白酶体通路被阻断，致使HIF-1α蓄积并转移到细胞核，进而与低氧诱导因子-1β(hypoxia-inducible factor-1β，HIF-1β)构成异源二聚体转录因子HIF-1。与辅激活蛋白p300/CBP结合后，HIF-1α通过与目的基因上的缺氧反应元件(HRE)：碱基序列为5′-RCGTG-3′结合诱导其表达[2]。

1 HIF-1α目的基因

目前研究发现HIF-1α拥有70多个不同功能的目的基因，包括对缺血性脑损伤具有保护作用的基因，如血管内皮生长因子(VEGF)、促红细胞生成素(EPO)、糖酵解酶(GEs)、葡萄糖转移酶(GLTs)等，HIF-1α通过诱导上述基因表达改善血流供给，提高氧利用率及降低氧损耗，增强神经元对局灶性脑缺血的适应能力[3]。HIF-1α的目的基因还包括半胱天冬酶(caspases)、诱导型一氧化氮合酶(iNOS)、BNIP3、p53等，这些基因具有促进受损神经细胞凋亡的生理作用。因此，HIF-1α具有缺血性脑损伤保护和促进神经细胞死亡的双重作用，这两种作用的“选择”取决于缺血性脑损伤严重程度及持续时间。近几年，有研究提出神经细胞的种类、病理刺激的类型等影响HIF-1α在局灶性脑缺血损伤中的调节作用。

2 HIF-1α对缺血性脑损伤的保护作用

对病情较轻的缺血性脑损伤，尤其是缺血病死灶周围半暗带，HIF-1α通过诱导VEGF、EPO等基因的转录表达，提高机体对低氧环境的适应能力。

VEGF是一种生长因子，与内皮细胞表面的VEGF受体结合，刺激内皮细胞的转移、增殖和分化，促进新血管的生成。HIF-1α作为VEGF转录的激活因子，通过与VEGF启动子HRE结合诱导其转录表达。陈懿等[4]研究发现，缺血侧大脑皮层和纹状体部位VEGF表达上调，血流灌注状况明显好转，缺血性脑组织病变减轻。王玉梅等[5]研究发现，VEGF上调表达能改善慢性缺氧大鼠模型脑组织氧分压，促进血管重建，提高氧供。提示局灶性脑缺血发生后，VEGF上调表达能帮助神经细胞适应低氧环境，减轻组织损伤。脑缺血发生后，通过诱导一些目的基因表达，主要是EPO，提高红细胞运输氧能力。EPO是红细胞生成的主要调节者，在许多哺乳动物(包括人类)脑组织均存在EPO mRNA和EPO蛋白，EPO在神经元细胞、星形胶质细胞、内皮细胞等细胞中均有表达。刘慧丽等[6-7]研究发现EPO与EPO受体(EPOR)特异性结合，诱导红细胞增殖、神经元再生及神经血管重建。HIF-1α通过与EPO启动子的HER结合上调EPO转录表达。Yang等[8]发现脑缺血损伤后HIF-1α对EPO表达具有重要调节作用。Yeo等[9]体外研究发现低氧时HIF-1α对血管内皮细胞EPOR的表达有影响。但HIF-1α诱导EPO表达的作用机制至今仍不明确，有待于进一步的实验研究。

3 HIF-1α促细胞死亡的作用

局灶性脑缺血发生后，HIF-1α表达上调可能是一把双刃剑，它既对缺血性脑损伤具有保护作用，也能促进神经细胞死亡。细胞死亡有凋亡和坏死两种方式，取决于缺血性脑损伤的严重程度[10]。

局灶性脑缺血病死灶周围细胞凋亡是神经元细胞死亡的主要途径。细胞凋亡是一种程序性细胞死亡，是一个复杂的级联反应过程。局灶性脑缺血后，HIF-1α通过诱导激活多种促凋亡基因的转录表达，参与神经细胞的凋亡过程。这些基因各自编码具有与凋亡有关的蛋白，包括：Caspases、p53、一氧化氮(NO)和Bcl-2蛋白家族等。

Caspases(caspases-3、caspases-8、caspases-9和caspases-10)是一组半胱氨酸蛋白酶，在细胞凋亡过程中发挥重要作用。Caspases是以具有内在活性的蛋白酶原形式被合成，之后在自身催化作用下，经水解分裂激活。caspases-3认为是细胞凋亡的中心“刽子手”，Billinger等[11]研究发现活化的caspases-3能破坏细胞骨架蛋白导致特定的DNA断裂，可作为检测细胞凋亡的标志。caspases-9与Bcl-2蛋白家族相互作用，促使存储在线粒体内释放促凋亡蛋白，进而引起细胞凋亡。caspases-8不但能直接引发细胞凋亡，还能激活Bid(属于Bcl-2蛋白家族成员)途径，在线粒体中通过与其他Bcl-2蛋白家族成员结合，参与细胞凋亡[12]。

p53是一种重要的促神经细胞凋亡诱导因子，通过诱导目的基因转录表达引发细胞死亡，这些基因能编码促凋亡蛋白p53、PUMA、Noxa等。Frum等[13]研究发现p53与鼠/人双微基因-2(murine/human double minute-2，M/HDM2)结合后，从细胞核中转移到细胞质，之后在蛋白酶体作用下被泛素化和降解。在低氧时，p53将被磷酸化或乙酰化，之后在HIF-1α作用下，稳定性提高。稳定的p53能促进凋亡蛋白的表达，包括Bax、PUMA、Noxa、Bid等。Bax属于Bcl-2蛋白家族成员，是重要的细胞凋亡调节因子。Niizuma等[14]认为Bax是神经细胞重要的促凋亡蛋白，说明p53在细胞凋亡过程中的重要性。Bax随着线粒体膜的破坏而进入线粒体，致使细胞色素C从线粒体内膜空间释放，进而caspases-9和caspases-3相继被活化。p53与HIF-1α竞争性地结合p300/CBP，导致HIF-1α功能受到一定抑制。

BNIP3是Bcl-2家族中一种促凋亡蛋白，局灶性脑缺血发生后，受HIF-1α诱导表达上调。虽然HIF-1α调节BNIP3表达的作用机制仍未完全清楚，但Wu等[15]通过体内试验研究发现，BNIP3转录启动子中含有HRE结构，提示HIF-1α能诱导BNIP3转录表达。与Bax不同，BNIP3诱导细胞凋亡不依赖caspases，BNIP3能结合并抑制抗凋亡蛋白Bcl-2和Bcl-x，造成线粒体功能障碍，如线粒体膜通透孔的异常开放[16]，最终导致细胞凋亡。

哺乳动物体内的一氧化氮合酶(NOS)分为3种亚型：神经元型NOS(nNOS)、内皮型NOS(eNOS)和iNOS。局灶性脑缺血发生后，iNOS被HIF-1α直接诱导产生，继而诱发缺血性损伤区域炎症[17]。Lin等[18]研究发现过量NO影响细胞色素氧化酶的活性，抑制线粒体呼吸作用，进而导致神经细胞死亡。

神经细胞坏死主要发生在缺血性脑损伤严重或缺血持续时间较长的情况，尤其是在缺血中心区域。细胞坏死是细胞死亡的一条快速途径，一般只发生在病理状态下，与缺血导致的细胞内钙增多有关[19]。钙离子内流激活一些与细胞坏死有关的蛋白，包括钙蛋白酶。胡强等[20]研究报道钙蛋白酶参与HIF-1α稳定性的调节及其降解过程的调节。PHDs活性受到抑制时，通过钙蛋白酶诱导HIF-1α降解的途径将被激活。Hui等[21]通过体外实验研究，发现颈动脉体Ⅰ型细胞内钙离子含量增加能诱导HIF-1α表达上调。Ginouvès等[22]研究发现稳定的HIF-1α导致细胞坏死。但HIF-1α诱导神经细胞坏死的作用机制仍不明确，需要进一步研究。

4 结 语

HIF-1α在局灶性脑缺血损伤调节中发挥重要作用，通过诱导多种目的基因的转录表达，起到缺血性脑损伤保护和促神经元细胞死亡的双重作用。虽然近些年对HIF-1α对局灶性缺血性脑损伤的调节作用进行多方面的研究，但其作用机制仍不确切。因此阐明HIF-1α的调节机制仍需要更多研究，如HIF-1α表达及稳定性的调节机制仍未完全清楚；关于具体何种因素决定HIF-1α发挥保护作用还是促细胞死亡作用的问题，仍需要进一步探究；HIF-1α和神经元细胞坏死之间的关系等，这些未解决的难题为今后研究提供了方向。