HIF-1α调控恶性肿瘤糖代谢的相关机制及研究进展

刘福乐 王钢

【摘要】 糖代谢与肿瘤的发生、发展、侵袭及转移密切相关，是恶性肿瘤的重要特征。HIF-1α是肿瘤细胞糖代谢表型转变的关键性因子，许多关键通路都通过HIF-1α与糖酵解相关联。针对HIF-1α-糖酵解通路及其调控因子的靶向治疗将成为肿瘤治疗新的方向。本文对近年来以HIF-1α及其上游调控因子为主要核心的恶性肿瘤糖代谢的分子机制及靶向治疗的研究进展进行综述。

【关键词】 HIF-1α 恶性肿瘤 糖代谢

Mechanism and Research Progress of HIF-1α Regulating Glucose Metabolism in Malignant Tumors/LIU Fule， WANG Gang. //Medical Innovation of China， 2021， 18（27）： -176

[Abstract] Glucose metabolism is closely related to the occurrence， development， invasion and metastasis of tumors， and is an important feature of malignant tumors. HIF-1α is a key factor in the phenotypic transition of carbohydrate metabolism in tumor cells， and many key pathways are related to glycolysis through HIF-1α. Targeted therapy for HIF-1α-glycolysis pathway and its regulatory factors will become a new direction for tumor therapy. This article summarized the research progress of the molecular mechanism and targeted therapy of carbohydrate metabolism in malignant tumors with HIF-1α and its upstream regulatory factors in recent years.

[Key words] HIF-1α Malignant tumor Glucose metabolism

First-author’s address： Liaoning Maternal and Child Health Hospital， Liaoning Women and Children Hospital， Shenyang 110005， China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2021.27.043

糖代謝与肿瘤的发生、发展密切相关，近年在原有的靶向治疗的基础上，单独或辅以纠正糖代谢相关因子的治疗方法的研究取得了进展，但迄今为止，针对糖代谢的肿瘤治疗方案仍关注较少，以细胞代谢为标靶的药物研究成为新的研究目标[1-2]。肿瘤细胞普遍存在糖酵解的异常激活同线粒体的呼吸抑制，用以满足其恶性增殖的需要。这种糖代谢的改变和肿瘤细胞线粒体功能受损，微环境缺氧状态，均与糖酵解途径上游调控因子的异常激活密不可分。针对糖酵解通路及其上游调控因子，肿瘤细胞缺氧微环境的标靶治疗将会为肿瘤治疗提供新的方法策略[3]。

实体肿瘤普遍生长的微环境--低氧，低氧反应主要是通过关键因子-低氧诱导因子（hypoxia-inducible factors，HIFs）来介导的。HIFs（尤其HIF-1）对哺乳动物细胞适应低氧环境起到十分重要的作用，同时它对肿瘤细胞适应低氧的微环境也至关重要。HIF-1α是肿瘤细胞糖代谢表型转变的关键性因子，c-MYC等转录因子、PI3K-Akt-mTOR等通路均通过HIF-1α与糖酵解相关联。为了更深入地探讨以调控糖代谢异常为标靶的肿瘤治疗，本综述归纳了近期的以HIF-1α及其上游调控因子为主要核心的恶性肿瘤糖代谢的分子机制及靶向治疗的研究进展。

1 HIF-1简介

1.1 结构 HIF-1是由螺旋-环-螺旋（basic helix-loop-helix，bHLH）结构组成，是由α亚基、β亚基的异源二聚体结构构成的转录因子家族中的一员。其中β亚基参与组成结构，不受氧含量影响。而α亚单位则在乏氧条件下变化，在缺氧和常氧状态下反应不同，是HIF-1在肿瘤发生过程中起作用的主要位点。研究证实，常氧条件下，转录后的HIF-1α的ODD区域，即有氧条件下降解的结构域的多肽序列内保守蛋白残基p402和p564被脯氨酸羟化酶（PHD）羟化，同时，532位的Lys残基被乙酰转移酶-1（ARD-1）酰化，进而与希佩尔林道病肿瘤抑制蛋白（von hippel Lindau protein，pVHL）相互作用，pVHL识别羟化的Pro残基，结合泛素化结合酶E3，最终导致蛋白酶体对HIF-1α的降解。

1.2 功能 人类有很多种类的癌细胞里都可见到HIF-1α与HIF-2α蛋白的表达增高，而且它们和肿瘤的预后有明确的关联[4]。实验数据证明，作为适应乏氧状态的关键转录因子HIF-1α可以调控下游的100多种基因的表达，包括与蛋白生成物和肿瘤关系密不可分的4类靶基因：调控血管生成的因子（VEGF）、葡萄糖转运与糖酵解酶（GLUT）、对肿瘤侵袭和转移相关的因子以及与肿瘤增殖和凋亡相关的蛋白[5]，这些基因受到影响后调控组织、细胞在缺氧条件下内环境的相对平衡，不仅调控经典的包括细胞存活、凋亡，红细胞生成和血管生长等生物学行为，还影响肿瘤的微环境及代谢状态，核苷、氨基酸、糖的能量代谢，同时调控药物抵抗等变化反应，在肿瘤的发生发展中起重要作用。

2 HIF-1α参与恶性肿瘤糖代谢调控

2.1 恶性肿瘤糖代谢与其侵袭性特征 巴斯德效应总结了厌氧和需氧间能量代谢的转换，细胞代谢中无氧酵解的流通量依赖于线粒体供给的能源;而Warburg假说提出缺氧条件下当线粒体功能受到抑制，细胞则更多地依靠增强无氧酵解来提供能源，葡萄糖不通过线粒体的三羧酸循环进行有氧氧化而代谢，而是代谢至丙酮酸之后再依靠乳酸脱氢酶（LDH），生成乳酸，代谢出体外。

癌细胞糖酵解增强的效应与多种信号因子改变均有关联，包括线粒体功能、肿瘤微环境、原癌蛋白对糖酵解限速酶的调节、P53功能缺陷造成的蛋白重组、各种代谢产物的堆积使糖酵解的易化作用、细胞内pH值的变化等。（1）肿瘤细胞线粒体功能异常。癌细胞线粒体结构改变常影响其功能改变，因为线粒体DNA为超螺旋环状结构，容易断裂，而且修复机制欠缺容易产生突变造成功能变异。另外，电子从电子转运复合体特别是复合体Ⅰ、Ⅲ中逸出后，与分子氧互相作用又形成超氧化物自由基和其他类型活性氧，更容易造成线粒体DNA对突变诱导敏感性反应加强，使其结构更容易受到破坏[6];线粒体基因缺失还造成肿瘤细胞对糖酵解能量产生和代谢的依赖性加强。（2）肿瘤细胞糖酵解通路的调控异常。磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3K）-Akt即蛋白激酶B-哺乳动物雷帕霉素（mTOR）通路、转录因子c-MYC、HIF-1等参与了糖酵解的正向调节，而P53则对糖酵解进行反向调节。癌细胞中PI3K-Akt-mTOR通路、c-MYC、HIF-1的变态活化及P53基因缺陷都可造成糖酵解通路相关蛋白的异常活化。

糖代谢异常造成了癌细胞的能源供给同蛋白产生利用的一致性，癌细胞依靠糖酵解这一方式取得能量是它在缺氧环境下存活增殖的有利条件。可以快速补充生长繁殖旺盛的癌细胞的能源供给。有氧酵解一方面使癌细胞获得充足的能源，另一方面提高肿瘤的生长、侵袭和转移能力，使肿瘤的恶性程度增强。

PET技术利用恶性肿瘤的Warburg效应进行诊断。现在，已经制成多种正电子核素显像剂，临床上最常用到的是18氟标记的脱氧葡萄糖（18F-FDG）。18F-FDG被用来鉴别肿瘤的良、恶性程度。PET对肿瘤分期、分型、侵袭程度、转移的鉴别，肿瘤生物学行为的判别和治疗预后评估等方面的应用获得普遍关注和认同。有学者研究肿瘤18F-FDG浓聚的具体机制，发现糖代谢的关键因子GLUT1及HK-2与18F-FDG的聚集有密切关联[7]。

2.2 HIF-1α调控糖代谢从而影响恶性肿瘤的特

性 糖酵解通路的许多关键酶都是HIF-1α的目标因子。HIF-1α被认为是癌细胞糖酵解活化的介导条件。HIF-1α激活葡萄糖转运受体、糖酵解关键酶升高，并使葡萄糖的摄取和糖酵解方式对葡萄糖的利用率上调。此外，HIF-1α通过激活PDK1蛋白，阻礙线粒体ROS升高，避免ROS大量增加致使细胞凋亡，这种代谢变化考虑与肿瘤细胞适应低氧环境有关[8]。

在乳腺癌细胞的实验中证实，HIF-1α在非转移性的细胞系中下调且糖摄取减低，而转移性细胞系中则恰恰相反，揭示HIF-1α的改变造成warburg效应。而使HIF-1α调整至常量会使肾肿瘤细胞的无氧糖酵解受到阻碍。在胰腺肿瘤细胞中上调HIF-1α会耐受乏氧和低糖造成的凋亡和增殖阻碍，而抑制HIF-1α表达则胰腺癌细胞对缺氧和低糖引起的凋亡和增殖阻碍更敏感，降低了胰腺癌组织中Glut-1和醛缩酶A的mRNA和糖摄取相关蛋白增加，会使在体肿瘤细胞的成瘤性下降。同时，在此过程中微血管密度未发生任何变化。这些实验说明HIF-1α对癌细胞生物学的行为是依靠对糖代谢的改变达成的，是潜在的治疗肿瘤的有效途径[9-10]。

3 HIF-1α的功能调控

3.1 PHD对HIF-1α的调控 PHD是属于铁（Ⅱ）/

2-酮戊二酸依赖性酶超家族的一种新型的二氧化酶。其生物活性性质依赖于氧的存在，起到了细胞中分子氧传感器的作用。HIF-1α的羟化反应由氧分子、2-酮戊二酸和铁共同作用而进行。PHD催化HIF-1α结构域ODDD区的羟化反应，在PHD的调控下，HIF-1α羟化反应加速，进而更多地与VHL结合，使HIF-1α最终通过泛素化系统被解离[11]。

3.2 MAPK和PI3K信号转导途径 在乏氧状态下，PI3K信号转导通路激活，上游的目标基因与酪氨酸激酶受体相连接，诱导PI3K信号转导通路活化，可刺激HIF-1α蛋白量增加，增强其作为转录因子与靶基因DNA的特定区域结合增加，从而激活转录，进一步增加HIF-1α目标基因的表达水平。实验证明，PI3K抑制剂既能显著下调HIF-1α蛋白的表达，又可以减低HIF-1α的活性。

细胞外信号调节激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）/MAPK信号转导通路是将细胞外信号传至细胞内而发挥作用的重要激酶级联通路，是调节HIF-1α转录活性的重要通路，它是细胞外因子如生长因子等依靠PI3K或MAPK信号途径传导入细胞从而调控核内HIF-1α的表达量，激活HIF-1α下游靶基因的转录，从而提高其表达水平。

3.3 VHL 被羟化的HIF-1α同VHL（von Hippel-Lindau）肿瘤抑制蛋白连接，连接后的HIF-1α可被认定成泛素化的作用区域，泛素化后被导向蛋白酶体作用并解离。而细胞在乏氧环境中，HIF-1α不能羟化，所以VHL无法对其进行识别，所以不被泛素化和蛋白酶体作用的HIF-1α更稳定，不易解离，只是其生成产物在细胞中呈指数状态急剧增多。

4 肿瘤糖代谢异常的靶向治疗

4.1 抑制HIF-1α的针对肿瘤糖代谢异常的靶向治疗 通过改变肿瘤细胞能量代谢来治愈癌症是研究肿瘤能量代谢的目标，HIF-1α抑制剂可通过阻碍肿瘤细胞糖酵解过程达到抗肿瘤的治疗目的。HIF-1小分子抑制剂可在HIF-1 mRNA水平，蛋白合成水平，调节稳定性水平，干扰亚基聚合等环节引起HIF-1的表达减低、DNA结合或反式激活来阻碍HIF-1表达[11]。

PX-478依靠VHL-和p53-獨立机制阻碍转录;RNA拮抗剂EZN-2968可抑制HIF-1α的mRNA产物生成。众所周知，PX-478和EZN-2968是剂量依赖型药物使HIF-1α、VEGF分泌减少，使异种移植动物模型肿瘤缩小，并且在一期临床试验中获得满意效果[12-13]。其他抑制剂：格尔德霉素利用HSP90同HIF-1α连接降低使蛋白形成中的叠加受到破坏，导致蛋白分子解离[14];mTOR抑制剂雷帕霉素是通过信号途径的上、下游区域进行障碍，这两种药物都有很多的副作用。

托泊替康，一种拓扑异构酶抑制剂，可抑制HIF-1α的聚集，它能阻止HIF-1α的mRNA的核糖体到达结合部位来抑制转录[15-16]。103D5R也有HIF-1α抑制作用，但其抑制HIF-1α的分子及通道机制尚不清楚，但其与托泊替康的效果大致相同[17-18]。现在103D5R的研究的体外阶段才初步完成。

目前，研究工作者研究各种类型的细胞HIF-1的siRNA和反转录RNA，期望从基因治疗方面找到HIF-1α抑制剂：应用HIF-1α的siRNA转染胶质瘤细胞，使肿瘤细胞在体和离体环境中体积明显缩小，而HIF-1α反义引物的质粒递呈能够降低鼠类EL-4肿瘤的微血管密度;报道证实HIF-1α反义引物转染的BxPc-3细胞可使胰腺癌细胞生长和侵袭转移能力下降[19-20]。最新研究证实，HIF-1抑制剂Gramicidin A使肾癌细胞系生长增殖受到阻碍，芳香化酶抑制剂对乳腺癌进展有阻止效果[21-22]。

尽管前述这些新的科研成果还不能应用于人类本身，但它们对人类治愈肿瘤具有积极重要的意义，同理研发新的HIF-1抑制剂也是势在必行[23]。

4.2 抑制GLUT及HK-2的靶向治疗 GLUT1及HK-2均为参与葡萄糖代谢的极为关键的因子，因此以两者为治疗靶点的研究日益增多。已经有报道根皮素等干扰GLUT1活性的药物辅助常规化疗药柔红霉素，可以抑制肿瘤细胞的无氧糖酵解，增强常规化疗药的作用[24]。作为糖代谢的关键酶，HK-2的靶向抑制剂3-溴丙酮酸干扰了酶的活性，中断糖酵解途径，减少肿瘤细胞的能量供应从而引起凋亡，对于常规肿瘤化疗抵抗的病例大大提高了治疗的敏感性。并且对正常组织无明显的毒副作用[25]。此外，葡萄糖类似物的靶向治疗以底物竞合的方式与HK-2结合，引起肿瘤细胞的凋亡，作为辅助化疗药物能明显改善治疗效果。

综上所述，糖代谢异常是恶性肿瘤的重要特征，与肿瘤的发生发展，侵袭及转移密切相关，HIF-1α对调控恶性肿瘤糖代谢发挥了极其重要的作用，针对HIF-1α-糖酵解通路及其调控因子的靶向治疗将成为肿瘤治疗新的方向。

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（收稿日期：2021-08-09） （本文編辑：程旭然）