缺氧诱导因子在胃癌中的作用及机制研究进展

赵乙锾,徐洪雨

【提要】 胃癌是全球第五大常见的癌症，也是癌症相关死亡的第二大主要原因，其病因和发病机制尚不明确。现阶段认为其与多种因素有关，其中缺氧诱导因子(HIFs)对胃癌的发展具有重要作用，特别是HIF-1α能够通过一系列通路促进胃癌的发展，同时遗传因素、饮食及心理因素等都在疾病发生和发展中起着一定的作用。本文针对HIF-1α在胃癌细胞增殖、凋亡、转移和治疗中的作用及机制进行综述。

胃癌是起源于胃黏膜上皮的恶性肿瘤，其具有高发病率和高死亡率的特征。全球每年报告的新发胃癌病例近100万例，发展中国家占全球病例的2/3，其中约42%发生在中国[1]。目前胃癌患者预后差主要归因于其早期无症状、诊断困难以及易发生侵袭和转移的特点[2]。80%的胃癌患者确诊时已为晚期，导致患者5年生存率较低[3]。因而，迫切需要阐明胃癌的发病机制及侵袭性，以改善其预后。然而，胃癌的病因和发病机制尚未完全被阐明，多种影响因素会影响胃癌的发生，例如幽门螺杆菌感染、遗传因素、胃病史、生活习惯、饮食及心理因素等[4]。近年来，在胃癌细胞的增殖、侵袭、转移过程的研究中发现，缺氧现象普遍存在，肿瘤细胞中的缺氧及缺氧适应是由缺氧诱导因子(hypoxia inducible factor, HIFs)介导产生的[5]。HIFs是一种转录因子，在缺氧微环境中活性增强，近年来研究发现HIFs参与许多生物过程，例如肿瘤的发生、发展及预后[6]，因此HIFs有望成为胃癌治疗的新型靶点。其中，HIF-1α作为HIFs家族中比较重要的一部分，由于其对于胃癌具有明显地促进作用，近年来被广泛关注。因此，本文围绕HIFs在胃癌发生、发展中的作用机制(增殖、细胞凋亡及转移)及临床应用价值进行论述，为胃癌的发病机制提供理论基础，同时指明未来胃癌的研究方向。

1 HIFs的组成结构及表达过程

HIFs是由α和β亚基组成的具有转录活性的异源二聚体，缺氧条件下广泛存在于哺乳动物和人体内，其中α亚基是低氧诱导因子的调节亚基，受氧气浓度的严格调控，而β亚基呈持久表达状态[7]。HIFs α亚单位的关键氧传感器包括缺氧诱导因子脯氨酰4-羟化酶(PHD，包括PHD1、PHD2和PHD3)[8]。HIFs α亚单位又可以细分为HIF-1(HIF-1α)、HIF-2(HIF-2α)和HIF-3(HIF-3α)[9]，HIF-1α是主要的反应蛋白，当有氧气存在时，PHD1、PHD2、PHD3(尤其是PHD2)和天冬酰胺基羟化酶(抑制HIF-1的因子)介导HIFs泛素化和蛋白酶体降解[10]。然而，在肿瘤微环境中，缺氧普遍存在，缺氧可以降低天冬酰胺基羟化酶和PHD的活性，进一步使HIFs稳定并积累[11]，HIFs通过与包含5′-(A/G)CGTG-3′识别序列的缺氧反应元件(HRE)结合来驱动靶基因的表达，包括编码RNA和非编码RNA[12]，进而促进肿瘤的代谢、增殖、转移和侵袭过程以及增强耐药性等。

2 HIFs在胃癌发生发展中的作用机制

近年来，HIFs被越来越多的研究者重视，研究表明在缺氧条件下会导致HIFs的过表达，进而促进胃癌细胞增殖、转移并抑制胃癌细胞凋亡，加速胃癌的发展[13-15]。

2.1 HIFs在胃癌细胞增殖中的作用机制

细胞增殖是肿瘤细胞的基本特征，先前的一项研究表明，在大多数癌细胞中有一种现象被称为“沃伯格效应”，这是指肿瘤细胞在缺氧条件下，可以通过增加糖酵解和乳酸发酵的速率来增殖[16]。最近的研究结果表明胃癌细胞增殖过程中HIF-1α与糖酵解关系密切：刘佳等[17]发现在胃癌细胞中存在一种新的环状RNA——circ-MAT2B，通过分子海绵机制吸附MiR-515-5p，以降低MiR-515-5p对HIF-1α表达的抑制作用，且上调的HIF-1α能够与circ-MAT2B启动子结合，提高circ-MAT2B转录活性，从而在circ-MAT2B和HIF-1α之间形成正反馈环路，促进胃癌细胞HIF-1α依赖的糖酵解，进而促进胃癌细胞增殖；Gan等[18]研究表明细胞外基质蛋白1(ECM1)直接与整合素β4 (ITGB4)相互作用，激活ITGB4/黏着斑激酶(FAK)/糖原合酶激酶3β信号通路，进一步诱导转录因子SOX2的表达，SOX2可以增强HIF-1α启动子的活性以调节葡萄糖代谢，进一步促进胃癌细胞增殖。除此之外，白晨光等[19]证明了胃癌细胞中HIF-1α表达上调，且HIF-1α和糖酵解均作用于转录因子——Fox基因家族中的FoxM1，促进胃癌细胞的增殖；张晶晶等[20]研究发现HIF-1α可以作用于PI3K/碱性磷酸酶通路促进胃癌细胞增殖；赵佳宇等[21]发现在胃癌细胞中高表达的HIF-1α可以上调miR-17-5p，进而下调程序性细胞死亡4(PDCD4)，PDCD4可以结合真核翻译起始因子4A(EIF4A)的解旋酶活性并对其产生抑制作用，EIF4A是一种催化mRNA二级结构解链的RNA解旋酶，通过这两种机制的结合，PDCD4抑制特定mRNAs的翻译进而抑制胃癌细胞增殖，即HIF-1α可通过下调PDCD4来促进胃癌的增殖；Huang等[22]实验研究发现HIF-1α可以激活zeste同系物2的增强子(EZH2)，EZH2通过下调CXXC型锌指蛋白4(CXXC4)的表达促进胃癌发生中Wnt信号的激活，当Wnt信号通路被激活时，分泌的胞外Wnt与跨膜受体(低密度脂蛋白受体)相关蛋白(LRP)5/6相互作用，形成一个复合物，引起LRP5/6胞内片段磷酸化，进一步阻断β-连环蛋白磷酸化/降解，使游离的β-连环蛋白进入细胞核，与基因TCF/LEF相互作用，启动下游基因的转录表达，实现肿瘤细胞持续增殖。

2.2 HIFs在胃癌细胞凋亡中的作用机制

凋亡抗性是癌细胞的常见特征，可作为胃癌恶性和化学抗性的促进剂。近年来，研究发现HIF-1α与细胞凋亡关系密切。Guan等[23]研究发现抑制HIF-1α可以诱导细胞凋亡进而降低胃癌细胞的生长速度；Yan等[24]实验证明HIF-1α的激动剂显著抑制胃癌细胞的凋亡，并导致其对化学治疗剂的敏感性降低。在细胞凋亡机制中含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(caspase)的激活起关键作用，它主要由两个途径诱导：线粒体介导的细胞凋亡途径和细胞外信号介导的细胞凋亡途径。近些年发现HIF-1α与caspase密切相关，Ge等[25]研究表明在胃癌细胞中上调HIF-1α可以上调miR-421，进一步作用于下游caspase-3抑制细胞凋亡；Wu等[26]发现在缺氧微环境下胃癌细胞中miR-18a减低，使miR-18a对HIF-1α的抑制作用减弱，即HIF-1α活性增强，活性增强的HIF-1α进一步抑制线粒体凋亡途径进而抑制细胞凋亡；除线粒体凋亡外，Liu等[27]研究发现HIF-1α还可以通过激活MEK/ERK途径抑制细胞外信号介导的凋亡。

2.3 HIFs在胃癌细胞转移中的作用机制

Rohwer等[28]证实了HIF-1α缺乏的细胞在体外的迁移性、侵袭性和粘附性显著降低，而过表达HIF-1α的胃癌细胞的迁移性、侵袭性和粘附性显著升高，表明HIF-1α在局部侵袭和最终全身肿瘤扩散中起着关键作用。研究者们进一步对HIF-1α致胃癌转移的相关机制进行了深入研究，发现新生血管的生成和上皮间充质转化等在其中起关键作用。

新生血管的生成是胃癌侵袭和转移的重要因素，然而新生血管的形成过程中的关键调节因子是肿瘤细胞分泌的血管内皮生长因子(VEGF)，VEGF可以诱导血管内皮细胞增殖，促进新形成血管的内皮细胞存活，增加血管通透性[29]。相关研究表明，HIFs通过上调VEGF来促进胃癌组织血管生成进而使肿瘤发生转移[30]。王勇峰等[31]研究发现胃泌素17(G17)促进HIF-1α的表达，进而增强β-连环蛋白的核定位、转录因子TCF3和淋巴细胞增强结合因子1(LEF1)的激活，最终通过上调VEGF导致血管生成发生肿瘤转移；Wang等[32]实验表明线粒体钙单向转运蛋白(MCU)显著增加了胃癌细胞线粒体膜电位(MMP)的水平，进而促进HIF-1α的表达，使VEGF上调，促进了胃癌细胞的增殖和迁移；Yu等[33]证明了转录因子c-Jun通过结合HIF-1α的氧依赖性降解(ODD)结构域发挥分子屏障功能，阻止其泛素化和降解，稳定HIF-1α蛋白，导致肿瘤细胞的VEGF转录增强，分泌增多，促进血管生成，进一步导致胃癌转移。

上皮间充质转化(EMT)是胃癌侵袭和转移的另一大重要因素，它是一个由多因素影响而产生的复杂生物学过程。该过程中的上皮细胞可以转化为具有间充质细胞。在EMT的过程中，细胞间黏附分子上皮型钙黏附蛋白(E-cadherin)的表达量会降低或缺失，而作为间充质细胞标志分子的神经型钙黏附蛋白(N-cadherin)、波形蛋白(Vimentin)、β-连环蛋白(β-catenin)等表达量会升高，并且有研究表明这一过程导致周围基质的降解，从而导致侵袭和内侵，并促进远处癌细胞集落的重建[34]。已经证实，缺氧是从最初的上皮间质转化到最终转移形成的癌症转移过程的强大驱动力[35]。Ou等[13]研究发现在胃癌细胞中缺氧可以激活HIF-1α，HIF-1α进一步降低了E-cadherin的表达及信号传导进而促进肿瘤细胞转移。近年研究发现几种与EMT相关的转录因子，如Twist1、Notch、PDGF、Snail、TGF-β和ZB1等，它们的活性直接或间接受缺氧控制[36]，且其中HIF-1α起关键作用。锌指转录因子(Snail)是E-cadherin的特异性抑制因子，通过促进肿瘤细胞的迁移和侵袭，在肿瘤的发展过程中起着至关重要的作用[37]，Yang等[38]研究发现HIF-1α通过上调Snail来介导E-cadherin表达的抑制进而促进胃癌的转移。

除此之外，丁旭升等[39]发现位于人类染色体8q22.3上的CTHRC1基因，能够编码一种28 kDa的蛋白质，在胃癌组织中表达上调，上调的CTHRC1增加了HIF-1α的基因和蛋白表达，HIF-1α促进CXCR4的表达，最终有助于促进细胞迁移和侵袭。

3 HIFs对胃癌治疗的干预及应对措施

缺氧会刺激肿瘤细胞增殖、抑制肿瘤细胞凋亡、促进肿瘤细胞转移等一系列适应性反应[40]。转录因子HIF-1α在这些过程中起着核心作用。缺氧条件下HIF-1α的表达显著增加，提高了细胞的耐缺氧能力。因此，它也成为潜在的抗癌靶点[41]。此外，HIF-1α还参与了胃癌治疗过程中的耐药性，Zhao等[42]研究表明HIF-1α可能通过抑制miR-27a的表达而抑制多耐药基因1(MDR1)的表达产物P-糖蛋白(P-gp)的生成和B淋巴细胞瘤-2基因(Bcl-2)的表达，进而引起肿瘤细胞耐药的发生，因此HIF-1α已成为治疗胃癌的主要障碍。那么，如何抑制HIF-1α在胃癌中的表达成为亟待解决的问题。Cheng等[33]研究发现采用索拉非尼联合5-氟尿嘧啶(5-FU)的化疗方案后，胃癌组织中HIF-1α表达量明显降低，患者术后5年生存率明显提高；Fu等[43]研究证明在胃癌细胞中儿茶素(EGCG)诱导细胞凋亡呈剂量依赖性，EGCG可显著抑制HIF-1α的表达，进一步下调VEGF的表达，这为治疗胃癌提供理论依据；Wakiyama K等[44]实验证明一种HIF-1α抑制剂YC-1，可以抑制HIF-1α的表达进一步促进胃癌细胞凋亡，还发现葡萄糖和胰岛素的联合应用(即GI疗法)可以增强YC-1的促凋亡作用，YC-1 + GI能够降低肿瘤中HIF-1α的表达和吡莫硝唑的积累，还可以增加肿瘤内羟基脱氧鸟苷(8-OHdG)和细胞凋亡标志物的含量水平。并发现低剂量YC-1 + GI是针对缺氧GC细胞的独特疗法，可强制激活胃癌细胞的氧化磷酸化，并且加速膜状葡萄糖转运蛋白1(GLUT1)的转运，提高了葡萄糖的摄取，并增加了乙酰辅酶A的含量水平，使胃癌细胞产生致命的活性氧(ROS)，进而强烈抑制肿瘤的生长，这为肿瘤研究中抑制HIF-1α的药物研究提供了理论基础。

4 展望

通过介导胃癌的增殖、转移、耐药性和抑制癌细胞的凋亡，HIFs信号被认为是胃癌进展的促进剂。尽管HIFs信号传导在胃癌中取得了令人瞩目的进展，但实现HIFs抑制剂的系统临床应用仍面临一些挑战。首先，针对HIFs的药物与常规化疗药物联合的I期临床试验仍在进行中；其次，对于HIFs靶向药物的安全性和有效性，需要进一步评估；最后，由于直接靶向HIFs的药物范围有限，因此还需要开发针对HIFs信号分子的新型药物。预计将来会开发出具有HIFs信号抑制剂的新治疗策略，从而改善胃癌的不良预后，延长胃癌患者的生存期。