缺氧诱导因子-1α基因多态性与疾病的研究新进展

黄朝任 邹光美

1.广西壮族自治区玉林市中医医院检验科，广西玉林 537000；2.广西壮族自治区玉林市第一人民医院检验科，广西玉林537000

缺氧诱导因子-1α（hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α）属于在哺乳动物细胞中存在的转录因子，是在缺氧/低氧条件下通过改变细胞内氧浓度对氧稳态进行调节的关键因子[1]。在有氧条件下，26S 蛋白酶体可降解HIF-1α；而在缺氧条件下HIF-1α 稳定，可与HIF-1β 结合、对多种靶基因的转录予以激活。这些基因在血管生成、细胞存活、肿瘤增殖及物质代谢等过程中有着重要作用[2]。

1 HIF-1α结构特征和生物学功能

HIF-1α 基因在人类染色体14q21-q24 上定位。HIF-1 是氧依赖亚单位（HIF-1α）与组成性表达的核亚单位（HIF-1β）组成的异二聚体复合物。就结构而言，HIF-1α 在N 端含有碱性多肽-螺 旋-襻-螺 旋（bHLH）和PAS（Per，ARNT，Sim）结构域[3]。HIF-1α 还表现出一个氧依赖性降解（ODD）结构域、两个反式激活域（TADs）以及两个核定位信号（NLS）。中心区的特殊结构域（aa401-575）在调节HIF-1α 氧浓度的稳定性方面起着主导作用[4]。两个TAD（N-TAD：aa531-575 和C-TAD：786-826）有助于招募靶基因转录所需的各种辅激活子。抑制结构域（ID：aa576-785）将其连接，可在正常有氧条件下（20% O2）对其转录活性进行抑制。HIF-1 的功能活性受氧依赖性HIF-1α亚单位水平调控。虽然HIF-1αmRNA 的转录发生在正常有氧条件下，但蛋白质主要通过泛素蛋白酶体途径迅速降解[5]。在有氧条件下，HIF-1α 迅速羟基化（P402 和P564）和乙酰化（L532）。后来HIF-1α 可被pVHL 捕获并被26S 蛋白酶体降解。但在缺氧条件下，抑制羟基化使其变得稳定，由NLS 转移到细胞核中。该蛋白与组成性表达的HIF-1β发生异源二聚体，与DNA 结合序列结合，招募共激活子，激活各种靶基因的转录[6]。

2 HIF-1α基因多态性

单核甘酸多态性（single nucleotide polymorphism，SNP）是最常见的一种人类基因多态性，占所有已知多态性的90%以上。SNP 多态性只涉及单个碱基的变异，而这种变异可能是由单个碱基的转换和颠换引起的，也可能是由碱基的插入或缺失引起的。因此，SNP 可能在基因序列中，也可能在基因外的非编码序列中。HIF-1α 基因中约有185 个单核苷酸多态性，第12 号外显子C1772T 和G1790A的单核苷酸被替换，因此C1772T 和G1790A 是HIF-lα 基因的常见单核苷酸多态性位点，可导致该基因的582 位点的脯氨酸被丝氨酸取代，588 位点的丙氨酸被羟基丁酸取代。C1772T 所导致的氨基酸替换（P582S）既紧邻 Por564，又位于 HIF-lα的 ODD 和氨基末端激活基序（N-TAD）中，A588T则与ODD 和N-TAD 仅相隔三个密码子，这些氨基酸替代可能会对HIF-lα 的改变其转录活性或氧依赖性降解产生干扰，最终影响HIF-1 基因对下游基因的调节[2，6]。

3 HIF-1α基因多态性与疾病相关性研究

HIF-1α 基因多态性被认为与人群对疾病的易感性、疾病的严重程度、预后以及人体对药物的反应性等有关。SNP 会导致编码蛋白的氨基酸被取代，对编码蛋白的活性和生物学效应有重要影响。研究表明，HIF-1α 基因多态性与糖尿病、心脑血管疾病、肿瘤等多种疾病的发生发展有一定的关联[7]。

3.1 HIF-1α基因多态性与非肿瘤性疾病的相关性研究

HIF-1α 既是HIF-1 唯一的氧调节亚基，又是HIF-1 的活性亚基，低氧时HIF-1 可在如肝、肺、肾、脑、心等组织细胞中广泛表达，促进低氧适应相关基因，如促红细胞生成素（EPO）、血管内皮生长因子（VEGF）及葡萄糖转运体等的转录表达，使机体产生红细胞生成增加、增强糖酵解酶活性、组织生成的毛细血管增多、血管扩张以适应低氧环境的生理变化，故其对炎症因子的形成、维持细胞的能量代谢以及新血管生成等方面起重要作用[8-9]。HIF-1α 能够调节100 多种靶基因的表达，而与缺氧适应、炎症因子的表达、免疫反应等的相关性提示其在多种非肿瘤性疾病发生发展过程中的重要位置[10]。

3.1.1 HIF-1α 基因多态性与2 型糖尿病的研究糖尿病属于常见病、多发病，其并发症与后遗症会导致患者残疾，对患者生活质量造成影响。视网膜病变（DR）是一种严重糖尿病性眼病，是致盲的主要原因之一。缺氧是DR 发病的中心环节，HIF-1 被高血糖抑制，进而导致糖尿病并发症出现。国外研究表明，HIF-1α Pro582Ser 多态性可抵抗高血糖介导的抑制，有效防止糖尿病肾病的发展。该研究发现HIF-1α Pro582Ser 多态性对DR 发生的影响，并剖析了其多态性对DR 抑制作用的相对抵抗机制，高血糖与糖尿病和糖尿病视网膜病变有关[11]。

3.1.2 HIF-1α 基因多态性与呼吸系统疾病的研究 慢性阻塞性肺疾病（COPD）属于进行性的以气流受限为特征的疾病，与慢性支气管炎和肺气肿发生有密切关系。HIF-1 是缺氧条件下维持体内氧稳态的关键物质。HIF-1α 基因多态性在不同疾病的发生和发展中有较大差异。据推测，HIF-1α与不同疾病组织（如COPD 肺组织和头颈癌组织）中的不同蛋白质相互作用，导致其多态性差异较大。有研究表明，病例组G/A 基因型频率和突变杂合子A 等位基因频率均低于健康对照组[12]。此外，有研究结果显示，重度COPD/肺气肿患者肺组织HIF-1αmRNA 和HIF-1α 蛋白的表达显著降低。HIF-1α 基 因SNP/G1790A 突变与COPD 发病风险降低及发病机制有关，该基因G1790A 可能是导致COPD 发生发展的危险因素，但HIF-1α 基因突变对HIF-1α 表达和活性影响的具体机制及其在COPD 中的作用尚需进一步研究[13]。

3.1.3 HIF-1α 基因多态性与心脑血管疾病的研究 HIF-1α 的遗传变异性也与心血管系统疾病有关，如缺血性心脏病、冠心病伴稳定劳力性心绞痛、早发冠心病、子痫前期、急性心肌梗死和透析内低血压[14]。在接受冠状动脉造影的患者中，SNP 改变HIF-1α 在582 密码子（P582S）处由脯氨酸转为丝氨酸的氨基酸序列，结果显示有侧支的患者HIF-1α变异等位基因频率比无侧支的患者高5 倍。与心肌梗死患者相比，稳定型心绞痛患者HIF-1α 位点P582S 与其他两个单核苷酸多态性频率有所增加。这些结果的解释尚不清楚，因为后一项研究没有包括有关患者冠状动脉狭窄严重程度的血管造影数据[15]。然而，人体和小鼠研究结果共同支持了编码HIF-1α 基因位点的遗传变异影响缺血性心血管疾病反应的结论[16]。

3.1.4 HIF-1α 基因多态性与骨关节方面疾病的研究 骨性关节炎（OA）属于复杂的多因素性关节退行性疾病，关节间相互作用显著影响其发育和进展的发病机制，尤其是促炎介质与氧化应激，导致软骨退化和软骨下骨遭受破坏。HIF-1α 调节氧稳态如关节软骨的缺氧组织，HIF-1α 基因转录活性的效率受多态性变体的影响[17]。Fernández-Torres等[18]学者研究70例墨西哥膝关节骨性关节炎患者rs2929970（A2364G）基因多态性分析，结果OA 患者rs11549465 多态性的CC 基因型频率显著升高。CT 膝关节骨性关节炎组基因型和T 等位基因频率较对照组降低，其他多态性的等位基因频率患者与对照组的变异相似。结果提示rs11549465 SNP（HIF-1α）对软骨和软骨下骨内的进一步研究提供参考依据。

3.2 HIF-1α基因多态性与肿瘤的研究

HIF-1α 具有重新编程细胞代谢状态的能力，缺氧细胞中的HIF-1α 调节许多涉及癌症生物学关键方面的基因的转录，包括遗传不稳定、代谢重编程、自分泌生长因子信号、侵袭/转移和治疗效果等具有一定相关性[19]。HIF-1α 的SNP 与乳腺癌、肺癌、结直肠癌、胃癌、前列腺癌、口腔癌和肾细胞癌等的发病有最大关联[20]。

3.2.1 HIF-1α 基因多态性与消化道肿瘤的研究国内有研究收集448例中晚期原发性肝癌行动脉化疗栓塞治疗患者，探讨HIF-1α 基因多态性对不同特性肝癌患者预后的影响，分别用AFP 水平、肿瘤大小、肿瘤数目及门静脉癌栓情况对患者进行分层，在肿瘤＜5 cm 的人群中，携带rs2301113 位点突变基因型（WV+VV）患者预后明显优于野生型（WW）患者。在单发肿瘤患者中，携带rs2301113位点突变基因型（WV+VV）同样具有保护作用。HIF-1α 基因rs2301113 位点多态性与患者预后显著相关，可作为独立的生存预测指标[21]。Guo[22]等对492例手术性肝癌患者的HIF-1α 的3 个功能性SNPs（rs2057482、rs1957757 和rs2301113）进行了基因分型，研究结果表明与CC 基因型患者相比，SNP rs2057482 变异等位基因（CT+TT）患者的复发风险低。在分层分析中，rs2057482-CT+TT 基因型对不良阶层患者的保护作用明显有利于阶层患者，HIF-1α 基因中的SNP-rs2057482与中国肝癌患者术后的临床结局有显著相关性，尤其是与侵袭状态相关的患者，这值得在其他患者群体中进一步验证。

3.2.2 HIF-1α 基因多态性与妇科肿瘤的研究 近年来，许多学者研究了HIF-1α 在不同肿瘤组织中的表达作用，发现HIF-1α 在乳腺癌、子宫内膜癌、宫颈癌、卵巢癌等妇科肿瘤中高表达。Shan 等[23]研究西安交通大学第二附属医院肿瘤科收治乳腺癌560例，结果表明HIF-1α 的rs11549467 与BC 风险的关系，而HIF-2α 的rs17039192 对乳腺癌无影响。HIF-1α 的rs11549467 是一个错义突变多态性，致使苏氨酸取代丙氨酸的氨基酸。这些氨基酸的变化可能显著增强HIF-1α 的转录活性，对下游靶基因的表达产生影响。HIF-1α 的过度表达可能导致肿瘤的易感性和转移。Chen[24]研究HIF-1α基因C1772T 和G1790A 的单核苷酸多态性分别出现在23.6%和3.3%；在单变量分析中，总生存率与宫颈癌分期和手术残余肿瘤有关，而与SNPs 的C1772T、G1790A、C1772T 和（或）G1790A 无关。

3.2.3 HIF-1α 基因多态性与泌尿肿瘤的研究 Li[25]在荟萃分析中，发现HIF-1α1790G/A 的AA 基因型在整个人群中，白种人有发生肾癌的风险。G 等位基因与GG 基因型无关，在所有人群中，白种人和亚洲人都有肾细胞癌的易感性。在整个人群中G等位基因呈负相关，亚洲人易患前列腺癌，但白种人不易患前列腺癌。HIF-1α1790G/A 的AA 基因型与白种人的肾细胞癌发病率呈正相关。此外，G等位基因与前列腺癌易感性总体呈负相关。人群、亚洲人和GG 基因型与亚洲人前列腺癌易感性呈负相关。对28 个病例对照组进行荟萃分析HIF-1α之间的关系与研究G1790A 基因多态性与癌症的危险性，并报道了G 等位基因与HIF-1α 的G1790A基因的相关性多态性是癌症的显著危险因素之一。HIF-1α 基因中的几个SNP 已经鉴定，相比野生等位基因rs11549465 的变异等位基因多态性（C-T 替换位点+1772）均有较高的转录活性表现。因此，许多学者研究SNP 与前列腺发生癌症风险的关系，然而不同研究的结果保持不一致甚至矛盾[26]。

4 结语

综上所述，HIF-1α 基因多态性可能与多种临床疾病的发生发展相关，由于疾病遗传易感性机制的复杂性，同时受地域、人种和研究设计方案等的差异影响，部分相关研究的结论尚不一致，甚至相反。今后仍需更深入、更广泛的研究，全面了解HIF-1α 基因多态性与疾病易感性之间的相关性及遗传规律，为临床疾病的诊疗提供新的思路及科学依据。