我国与国际的HIF研究※

范 明，朱玲玲

(军事科学院军事医学研究院，北京 100850)

氧浓度变化的感知与机体调节机制一直是学术界关心的重大科学问题。上世纪二十年代前后，Louis Pasteur提出动物细胞中通过多种途径利用氧气实现能量转换；Otto Heinrich Warburg(1931年诺贝尔生理学或医学奖获得者)提出这种能量转换可能影响组织细胞的增殖[1]；Corneille Heymans发现血氧浓度可通过颈动脉窦外周化学感受器调整呼吸频率(1938年诺贝尔生理学或医学奖获得者)。

在个世纪末，Semenza等发现了低氧诱导因子-1(hypoxia-inducible factor-1，HIF-1)是细胞感知低氧的关键因子，可启动促红细胞生成素(EPO)等多种低氧相关基因的表达以适应氧浓度的变化[2，3]。Ratcliffe等发现VHL(von Hippel-Lindau)蛋白可通过氧依赖性的蛋白水解作用负调控HIF-1含量[4]。Kaelin等和Ratcliffe等同时发现常氧环境通过羟基化HIF-1α亚基上的脯氨酸，提供VHL识别信号进而使HIF-1α通过蛋白酶体通路降解[5，6]。(图1)

图1 细胞如何感受氧浓度的变化(https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2019/press-release/)

这些工作在分子水平和基因调控水平上阐明了细胞感知和适应氧气变化的机理，不仅加深了对于氧浓度调节机制的认识，也为应对高原低氧损害和贫血、心脑缺血及癌症等低氧相关疾病奠定了基础。

1 低氧诱导因子家族

转录因子HIF-1是由HIF-1α和HIF-1β组成的异二聚体结构。HIF-1β为组成型表达，含量相对稳定。HIF-1α含量与细胞内的氧水平呈负相关关系，常氧下处于动态平衡。HIF-1α含量的调控涉及到翻译后修饰。HIF-1α和氧依赖降解结构域(ODD)可以调节HIF-1α的降解，它通过第402位和第564位脯氨酸残基的羟基化调节HIF-1α与VHL的相互作用，而VHL能够识别E3泛素化连接酶，导致HIF-1α在26s蛋白酶的作用下发生泛素化降解。低氧条件可抑制ODD结构域脯氨酸的羟基化，阻止HIF-1α的泛素化降解，从而提高HIF-1α蛋白水平。胞浆内积聚的HIF-1α移位入核与HIF-1β形成完整的HIF-1转录因子复合物，并结合到靶基因启动子区的低氧反应元件(HRE)上调控相关基因的转录表达。

HIF家族中还包括HIF-2和HIF-3。HIF-2是1997年由Tian等[7]克隆和鉴定的。氧浓度同样可以影响HIF-2α的稳定性和亚细胞定位及转录效能。HIF-2α和HIF-1α共同调节的基因有血管内皮生长因子和肾上腺髓质素等基因。HIF-1α侧重调节糖酵解相关酶类和凋亡相关基因BNIP-3等，而HIF-2α侧重调节转化生长因子α和促红细胞生成素等。这些差异可能与两者羧基端的不同有关[7，8]。对HIF-3的研究很少，有文章报道它是HIF-1α的靶基因，但是在低氧相关基因的表达中起负反馈作用[9]。

调控HIF家族降解的脯氨酰羟化酶结构域蛋白(PHD)有3个成员：PHD1、PHD2和PHD3。PHD酶活性主要受O2含量的调控，Fe2+、Co2+和α-酮戊二酸、维生素C等也有作用，提示HIF家族也可能受到其他环境因素变化的影响[10]。

目前认为HIF家族的靶基因参与了细胞代谢、细胞凋亡、血管发育、离子代谢、神经发育等生物学过程。在肿瘤、贫血、炎症、心脑缺血、肺动脉高压和胚胎发育及高原病等多个生理和病理生理过程中具有重要生物学意义。尽管在许多其他细胞内过程中，如信号转导和氧依赖性生化反应中也可“感知”氧含量，但HIF-PHD-pVHL轴在沟通外部氧浓度与细胞基因表达方面发挥核心和深远作用[11，12]。

2 中国低氧生理学及相关领域

我国从上世纪五十年代就开始了对低氧生理学的研究，得到了大量相关数据，发表了一系列高水平论著。1975年，我国在世界上首次实现了在珠峰峰顶测绘人体心电图。

2004年，国际高原医学会对于争论了百年之久的慢性高原病诊断标准问题达成了一致，采用了我国学者提出的“青海标准”。2010年我国学者在同一期《科学》上发表了两篇论文，指出藏族在高原环境下较少罹患慢性高原红细胞增多症的遗传学基础与HIFs调控网络的关键分子EPAS1和EGLN1的基因突变有关[13，14]。

我国的高原低氧研究，已经步入国际先进行列，受到国际同行的高度关注。Semenza教授曾亲赴青海、西藏考察，并与我国学者开展了合作，已经开始发表文章[15，16]。今年诺贝尔生理学或医学奖的授予无疑会助推我国高原低氧研究。