缺氧诱导因子-1α与心血管疾病的研究进展

陈 斌 陶 敏 康品方 王洪巨

(蚌埠医学院第一附属医院心内科，安徽 蚌埠 233000)

心肌细胞需要充足的血氧供应才能维持心脏持续有效地舒缩做功。缺氧诱导因子(HIF)-1是一种普遍存在于哺乳动物细胞内维持机体氧稳态的主要调控转录因子，通过调节血氧利用、葡萄糖代谢、血管生成、组织重塑等过程，在缺血性心脏病、心力衰竭等心脏病理生理中起关键作用。HIF-1由α和β两个亚基组成，HIF-1α亚基受机体氧分压影响，常氧条件下HIF-1α快速降解，缺氧条件下HIF-1α分解减少而大量表达，通过调节下游多种效应分子转录和表达发挥各种生物学功能。本文综述HIF-1α与心血管疾病的研究进展。

1 HIF-1α

1.1HIF-1α的结构 HIF-1基因是由120 kD的α亚基和91～94 kD的β亚基两个亚单位组成的一种异源二聚体〔1〕。HIF-1的β亚基定位于人1号染色体q21区，在细胞内稳定表达而起结构性作用。HIF-1α亚基位于人14号染色体，是HIF-1的活性亚基。HIF-1α蛋白有感受缺氧信号的C端反式激活结构域和N端反式激活结构域，这些结构域是调节缺氧诱导蛋白稳定、核定位、转录和激活的重要功能调节域，两者中间还有一个富含脯氨酸-丝氨酸-苏氨酸的氧依赖性降解结构域。

1.2HIF-1α的表达和分解 人类HIF基因编码HIF-1α多肽分子，HIF-1α表达水平取决于富含的GC启动子活化程度。在大多数细胞中，HIF-1α蛋白在常氧条件下仅有5～10 min半衰期，其脯氨酸残基被脯氨酸羟化酶羟基化，随后被von Hippel-Lindau因子识别并通过氧依赖性-泛素蛋白酶途径降解，在细胞内维持较低水平。但在缺氧条件下，脯氨酸羟化酶活性受到抑制，上述降解途径被抑制，同时还通过抑制氧依赖性调节蛋白抑制因子HIF-1表达使HIF-1α转录增强。HIF-1α和HIF-1β结合形成异源二聚体转移到细胞核，与靶基因启动子序列中的缺氧应答元件结合调节细胞凋亡、血管生成、能量代谢等过程。

2 HIF-1α与细胞凋亡、自噬

细胞凋亡是心肌缺血/再灌注损伤发生机制中的重要环节之一，是一种基因控制的编程性死亡，组织缺氧时HIF-1α通过控制基因表达调节细胞凋亡〔2〕。细胞处于轻度缺氧状态(1%～3%O2浓度)时HIF-1α发挥抑制凋亡作用保证心肌存活，但当细胞处于长期重度缺氧(0%～0.5% O2浓度)时HIF-1α大量表达诱导细胞凋亡〔3〕而减少对周围心肌细胞的损害。

细胞轻度缺氧时，HIF-1α上调糖皮质激素调节蛋白激酶(SGK)1表达使处于缺氧微环境中的心肌梗死细胞免于凋亡，还可以协同磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)上调表达预防体内外缺血再灌注诱导的细胞凋亡〔4〕。HIF-1α能通过增强丙酮酸脱氢酶激酶-1表达抑制三羧酸循环，调节细胞代谢减少心肌氧耗，减少细胞凋亡；也可以通过抑制心肌细胞钙内流减少细胞凋亡。此外HIF-1α还可抑制含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(Caspase)蛋白表达而终止其级联放大过程减少细胞凋亡发生〔5〕。细胞重度缺氧时，HIF-1α通过上调BNIP3、Bcl-2家族等促进细胞凋亡，诱导促凋亡分子HGTD-P表达使线粒体PT孔增加，释放细胞色素C和Capase-9诱发凋亡。也可以通过下调心肌细胞中p-Akt的表达诱发心肌细胞凋亡〔6〕。HIF-1α、Caspase-3、Bax表达上调协同作用促使内皮细胞凋亡〔7〕。在高糖、缺氧情况下，HIF-1α和FoxO3a介导BNIP3表达诱导心肌细胞凋亡〔8〕。

自噬是一种高度保守的过程，通过该过程将细胞受损内容物递送至溶酶体进行降解，并给细胞提供急需的能量。缺氧通过HIF-1α依赖性机制诱导心肌细胞自噬而导致心肌受损甚至坏死〔9〕，细胞缺氧时HIF-1α/BNIP3/Beclin-1通路激活，HIF-1α通过上调BNIP3、Beclin-1表达，使LC3-Ⅰ转化为LC3-Ⅱ，诱导细胞发生自噬〔10〕，促使心肌细胞死亡〔11〕。HIF-1还可以通过激活Bcl-2/BNIP3和BNIP3同源基因BNIP3L的表达诱导自噬发生〔12〕。而细胞缺氧时HIF-1/Akt/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)/p70核糖体蛋白S6激酶(P70S6K)通路与自噬增强密切相关〔13〕。低氧环境下HIF-1α通过调控微管相关蛋白1轻链3-Ⅱ的表达激活细胞自噬〔14〕。Zhang等〔15〕研究证明抑制HIF-1α能抑制细胞自噬。但也有研究发现 HIF-1α能通过抑制自噬来保护心脏间充质细胞免受葡萄糖-氧剥夺引起的损伤〔16〕。因此HIF-1α对自噬是促进还是抑制及其对细胞的作用尚需进一步研究。

3 HIF-1α与糖脂代谢

全球39%的成年人超重，四分之一患有代谢综合征，除受生活方式因素影响，包括HIF-1α在内的基因表达也是导致代谢综合征甚至冠心病发生的主要原因。HIF-1α是一种有效的代谢调控因子，其靶基因参与葡萄糖、脂质代谢的调节，可以降低血清胆固醇、改善脂蛋白组成、减少异位脂质沉积、增加机体葡萄糖耐量和胰岛素敏感性〔17〕。HIF-1α通过调节人源葡萄糖转运蛋白(Glut)-1和Glut-4 mRNA的表达增加组织对胰岛素的敏感性，加速组织葡萄糖摄取和糖酵解过程，并通过抑制胰岛素受体底物(Irs)2和脂肪细胞决定和分化因子(Srebp)1c mRNA转录减少肝脏脂质合成。缺氧条件下HIF-1α还能使糖酵解途径代替需氧的氧化过程，使缺氧组织获得更多能量。HIF-1α增强胰岛素敏感性机制还可能与3-羟基-3-甲基戊二酸单酰辅酶A还原酶(HMG-CoA)还原酶活性升高降低胆固醇生物合成有关〔18〕。

4 HIF-1α与缺血性心脏病

缺血性心脏病是全世界人口死亡的主要原因，狭窄的冠状动脉使心肌血液灌注不足而无法获取充足的血氧及营养物质。在缺氧情况下HIF-1α通过促进糖酵解、减少线粒体氧化应激、激活己糖激酶Ⅱ及抑制线粒体通透性转换孔开放等途径使心脏免于急性心肌缺血再灌注损伤〔19〕。而慢性持续缺血缺氧时HIF-1α促进冠状动脉侧支循环的建立、缺血预适应等方面具有重要意义〔20〕。

4.1HIF-1α与内皮生长因子(VEGF) HIF-1α是氧平衡的主要调节剂，通过上调VEGF表达，促进新生血管生成以建立重要的侧支循环，在缺氧心肌中起组织重塑作用〔21〕。

细胞缺氧时HIF-1α稳定表达，与细胞核内的VEGF基因缺氧应答元件结合，促进侧枝血管生成以改善心肌血供。干预实验已证明抑制HIF-1α的降解能促使VEGF表达上调，还能明显提高红细胞携氧能力，减轻缺血组织损伤〔22〕。VEGF可能通过以下机制促进血管生成：①促进骨髓源性的内皮前细胞聚集和活化；②产生血管基底膜分解所需要的蛋白酶及特定的整合素，促进内皮细胞增殖和迁移；③提高微小血管的通透性，促使血浆大分子外渗沉积，形成营养新生内皮细胞的微环境；④促进血管内皮细胞的细胞分裂，促使内皮细胞增殖及远处迁移效应；⑤HIF-1α高表达还能通过抑制血小板反应蛋白-2(血管生成抑制物)促进血管生成〔23〕。

4.2HIF-1α与核苷酸代谢 HIF-1α通过调节核苷酸代谢增加心脏对缺氧的耐受〔24〕，在细胞缺血期间HIF-1α促使次黄嘌呤积累，为心肌供能物质三磷酸腺苷(ATP)的合成提供原料，并且通过降低黄嘌呤氧化酶活性以减少活性氧(ROS)产生，减少心肌损害。缺氧预处理时HIF-1α依赖性CD39和CD73表达增多，使心肌细胞腺苷水平升高，改善心肌能量代谢同时还参与扩张冠脉血管增加血流量，并激活Akt信号通道保护心脏〔25〕。HIF-1α调节编码葡萄糖转运蛋白和糖酵解酶的基因转录，增加糖酵解过程使细胞在缺氧条件下维持较高ATP水平供能心肌。此外心肌代谢产生的肌酐增加缺氧心肌细胞中的ATP含量并通过HIF-1增强心肌对缺氧的适应性反应〔26〕。HIF-1α还能增加葡萄糖转运蛋白-1、磷酸甘油酸激酶-1等葡萄糖代谢基因表达，并升高磷酸/肌酸比增强糖酵解，改善细胞能量状态〔27〕。

四肢暂缺血再灌注可以预防长时间冠状动脉闭塞和再灌注后的心脏损伤，而HIF-1α是这种远端缺血预处理所必需的，这与HIF-1α能促使诱导型NO合成酶高表达有关，增加的NO舒张冠脉血管改善心肌缺血〔28〕。但也有研究表明慢性缺氧患者血清HIF-1α可能是预测心脏损伤的生物标志物〔29〕，急性心肌梗死组患者HIF-1α峰值水平与术后24小时心肌肌钙蛋白(cTn)I峰值水平、心肌梗死面积呈正相关〔30〕，甚至有研究表明心肌缺血再灌注损伤是由升高的HIF-1α引起的〔31〕。

5 HIF-1α与心力衰竭

在心力衰竭中，HIF-1α对负荷过重引起的肥大心脏有保护作用，然而HIF-1α也在终末性心力衰竭中起致病作用，反映了HIF-1α在心力衰竭病理生理过程中起着复杂的作用〔25〕。

对急性失代偿性心力衰竭患者的研究表明，HIF-1α水平与N端前脑钠肽(NT-proBNP)水平呈正相关，与左心室射血分数和收缩压负相关，高HIF-1α显著增加急性失代偿性心力衰竭患者住院死亡率〔32〕。HIF-1α抑制肌质网Ca-ATP酶2 mRNA的表达与心力衰竭的病理生理过程密切相关〔33〕。在慢性心力衰竭大鼠下丘脑室旁核内HIF-1α表达增加，其通过上调室旁核的谷氨酸能N-甲基-D-天冬氨酸受体，使交感神经兴奋性增强，提示HIF-1α可能从神经调节方面促进慢性心力衰竭的持续进展。

6 展 望

为维持心肌持续高效运作，心肌需要通过各种途径保证血氧供耗均衡。一旦调节失衡则导致包括心肌肥大、心力衰竭等在内的严重心脏功能障碍。HIF-1α在组织氧合不足时即被活化，与机体的氧供调节密切相关〔34〕。已知HIF-1能干预超过200个基因的表达，调控心肌细胞的自噬和凋亡过程，其主要作用于血管内皮细胞、血管平滑肌细胞和巨噬细胞，通过介导VEGF、NO、ROS和血小板衍生因子(PDGF)等表达，在内皮细胞功能恢复、血管生成、能量代谢中发挥重要作用，影响缺血性心脏病和心力衰竭等心脏疾病的发生发展。通过HIF-1α调节编码血管生长和抗凋亡蛋白的基因，促进血管生成增加心肌供血以保护心肌细胞，使缺血缺氧心肌功能得以保留，其相关研究特别是基因治疗有广阔前景。

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