缺氧诱导因子-1在心血管疾病中的作用机制研究进展

胡松青 池菊芳 郭航远

随着全球人口老龄化加剧，心血管疾病发病率逐年增加，特别是对于70岁以上的老年人，冠心病占总死亡人数的40%以上，占过早死亡人数的85%以上，心血管疾病在世界范围内是主要的死亡原因。缺氧诱导因子-1（hypoxia-inducible factor-1,HIF-1）是转录因子HIF家族的一员，被广泛认为是治疗多种疾病的关键，包括癌症、哮喘等[1]。HIF-1也参与了心血管疾病的发展，本文就HIF-1在心血管疾病中的作用机制研究进展作一综述。

1 HIF-1概述

HIF-1是对缺氧条件作出反应的关键转录因子，该转录因子是由两个亚基组成的异源二聚体：非氧敏感性的HIF-1β和氧敏感性的HIF-1α[2]。HIF-1β可以与多种蛋白质结合，从而形成异源二聚体。HIF-1α是缺氧信号通路的主要调节因子，在心血管疾病中的作用较普遍。生理状态下，HIF-1α被脯氨酸羟化酶（prolyl hydroxylase domain,PHD）羟化，进而被Von Hippel-Lindau泛素连接酶系统识别而降解[3]。缺氧状态下，PHD的抑制促使HIF-1α蛋白稳定而不被降解，HIF-1α转移到细胞核中与HIF-1β形成异源二聚体，并与基因组缺氧反应元件（hypoxia responsive element,HRE）结合影响靶基因转录[1]。HIF-1α调控的靶基因包括血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor,VEGF）编码基因、促红细胞生成素编码基因、葡萄糖转运体编码基因等，在细胞缺氧、氧化应激以及炎症中均发挥重要作用。一般认为，在缺氧条件下HIF-1α可减少细胞耗氧量，减少活性氧（reactive oxygen species,ROS）的产生，改善心肌细胞群的供氧。

2 HIF在心血管疾病中的作用机制

2.1 血管内皮损伤与功能障碍 内皮细胞也称为血管内皮细胞，其在控制血管内外物质交换，维持血栓形成与溶解之间的平衡，以及调控血管生成与血管张力大小等方面发挥作用，血管内皮损伤与许多心血管疾病的发生有着密切联系。

HIF-1α在血管内皮损伤中起作用。Yang等[4]采用缺氧诱导人脐静脉内皮细胞（human umbilical vein endothelial cells,HUVECs）模拟缺氧诱导的血管内皮损伤，发现缺氧状态下的HUVECs中HIF-1α表达增加。进一步实验证实该效应是由于转录因子SP-1的表达上调导致HIF-1α的上游因子miR-135b表达下降所引起。该实验第一次阐明了SP-1/miR-135b/HIF-1α轴在缺氧诱导的血管内皮损伤中发挥作用。先前已有研究表明，Sirtuin1的激活可以通过降低HIF-1α的表达产生生物学作用[5]。值得一提的是，Liu等[6]在糖尿病模型中证实Sirtuin1的激活通过增加HIF-1α的表达来保护糖尿病心脏免受缺血再灌注损伤。上述不同效应可能是由于Sirtuin1对于HIF-1α的作用存在组织及疾病特异性。

Sarkar等[7]的研究表明，HIF-1在心肌缺血预处理（ischemic preconditioning,IPC）的过程中发挥作用，与之相关的转录调控被视为IPC诱导的心脏保护作用的主要机制。上述保护作用是由腺苷-A2BR信号通路介导的[8]。而先前已有研究表明，Gq-PKC信号通路可在常氧条件下诱导HIF-1α蛋白[9]。Hesse等[10]从心肌梗死（myocardial infarction,MI）大鼠模型的心脏表面分离出心外膜基质细胞，在常氧条件下培养后证实腺苷是通过A2BR偶联的Gq-PKC信号传导来诱导HIF-1α蛋白。可见，腺苷-A2BR/Gq-PKC/HIF-1α轴是治疗缺氧相关疾病的潜在作用靶点。

2.2 心肌纤维化 心肌纤维化是多种心血管疾病发展到一定阶段的共同病理改变，其特征为成纤维细胞聚集和细胞外基质过度沉积导致的心肌重构、心功能受损以及心室僵硬度增加。

HIF-1α参与到心肌纤维化中，并在其中起着推动作用。Sui等[11]研究表明，HIF-1α可通过影响Smad信号分子协同增强转化生长因子（transforming growth factor,TGF）-β1的心肌纤维化作用，抑制HIF-1α可显著减轻心肌纤维化。Feng等[12]的实验进一步揭示了HIF-1α与Smad信号分子在心脏纤维化中的联系，过表达HIF-1α的心脏成纤维细胞（cardiac fibroblasts,CFs）中 Smad2、p-Smad2、Smad3和 p-Smad3蛋白表达增加，Smad7蛋白表达减少，而Smad4蛋白表达无显著改变。当用miR-122-5p模拟物处理过表达HIF-1α的CFs后，HIF-1α和Smad信号分子的表达水平发生逆转，表明miR-122-5p可以抑制HIF-1α介导的Smad信号分子的表达。

有研究表明，HIF-1α对心脏纤维化有一定程度的保护作用。Sun等[13]通过给MI大鼠尾静脉注射HIF-1α过表达的外泌体，观察干预28 d后的心肌组织发现，相比注射普通外泌体组和PBS组，注射HIF-1α过表达的外泌体组左心室横截面积中纤维化面积百分比和左心室内膜纤维化长度均显著减少。Janbandhu等[14]发现特异性敲除CFs中的HIF-1α基因会导致MI后CFs增殖增加，从而加重了MI后的纤维化程度，同样证明HIF-1α在MI后的纤维化过程中起到一定保护作用。进一步的研究发现，上述保护作用可能是CFs中的HIF-1α通过调节线粒体中的ROS，从而影响AKT/MAPK信号通路的表达，以阻碍CFs的增殖，使MI后成纤维细胞不会过度增殖导致纤维化。这为心脏的安全防护提供了新的药物靶点和治疗方向。

2.3 心肌肥厚 心肌肥厚是由多种病理性刺激因素引起的心肌细胞在长期压力负荷下的一种适应性反应[15]，以维持心脏后负荷持续增加时的心脏收缩功能，其基本细胞形态学改变及病理改变为心肌细胞肥大。

HIF-1α参与心肌肥厚过程，并起到促进作用，有报道表明SOX9参与其中，导致HIF-1的最终激活[16]。Yan等[17]研究发现，HIF-1α在心肌细胞中可由Siat7A诱导，并通过激活TAK1-NF-κB信号通路来加重血管紧张素Ⅱ（angiotensinⅡ,AngⅡ）诱导的大鼠心肌肥厚。在AngⅡ诱导的小鼠心肌肥厚模型中，Cbl蛋白作为一种重要的泛素蛋白连接酶，在肥厚心肌组织中呈高表达，进一步实验证实Cbl蛋白促进了HIF-1α的表达并加重了AngⅡ诱导的心肌肥厚[18]。此外芹菜素被证实可抑制H9C2细胞中HIF-1α的表达，并改善由AngⅡ引起的心肌肥厚[19]。

Kumar等[20]证实，缺氧诱导有丝分裂因子（hypoxia-induced mitogenic factor,HIMF）在心肌肥厚中起重要作用，其分子机制涉及到HIF-1α。在乳鼠心肌细胞中，HIMF过表达能增加HIF-1α的表达，而抑制HIMF能抑制HIF-1α的上调。敲除HIF-1α能减弱HIMF导致的心肌细胞肥大从而抑制心肌肥厚，这或许能成为治疗心肌肥厚的潜在靶点。上述研究表明，HIF-1α在心肌肥厚组织中的表达增加，可作为心肌肥厚的潜在标志物，但HIF-1在心脏肥厚中的作用机制仍不明确。

2.4 心肌细胞凋亡 心肌细胞凋亡是细胞凋亡在心脏中的表现，因增殖能力有限，心肌细胞不能通过有效的细胞增殖来扩增，所以心肌细胞的异常凋亡可导致心脏疾病。一般认为，缺氧会导致HIF-1诱导血管生成基因，促进血管生成，从而减轻缺氧对组织的损伤。Naito等[21]的研究表明HIF-1通过下调Hsp70相互作用蛋白的羧基末端，导致p53积累进而引起心肌细胞凋亡。而p53可以与HIF-1结合并抑制其活性[22]。也就是说，HIF-1既可以通过血管生成途径起到一定程度的保护作用，又可以通过p53途径促进细胞凋亡，而p53的积累却从源头上抑制HIF-1。这种p53的负反馈作用在肿瘤中能一定程度抑制肿瘤新生血管，并且通过p53介导的肿瘤细胞凋亡来抑制肿瘤生长。但在心脏中，会使缺氧情况恶化。在细胞实验中，当细胞暴露于低氧环境24 h，HIF-1α将促进心室肌细胞的凋亡。因此需要更多的实验来探索HIF-1对心肌细胞起保护作用的条件，以更好地应用于临床。此外Yang等[23]还证实过表达HIF-1可以保护CFs免受凋亡，同时伴有Bax下调和Bcl-2上调。

2.5 自噬 自噬是一种由溶酶体介导的降解途径，可消除受损的蛋白质和细胞器，参与多种生理过程。越来越多的研究表明，缺氧/缺血会导致心脏自噬功能障碍，恢复受损的自噬通量可以减轻心肌因缺氧/缺血受损的程度[24]。因此，恢复自噬功能是治疗缺氧/缺血性损伤的一种有前景的治疗方法。以往的研究表明，HIF-1α/BNIP3信号通路在肿瘤和肾脏细胞中诱导自噬。最近在心脏缺血再灌注模型中的研究表明，缺氧/缺血条件促进HIF-1α表达，HIF-1α/BNIP3信号通路在缺氧诱导的自噬中发挥重要作用[25]。Li等[26]用Co-Cl2处理H9C2细胞在体外构建缺氧模型，证实柚皮苷通过激活HIF-1α/BNIP3信号通路增加自噬通量，从而保护H9C2细胞免受CoCl2诱导的损伤。

2.6 血管生成 血管生成即新生毛细血管分支的发展，是缺氧的典型结果，新生毛细血管的形成增加了氧气向缺氧细胞的运输。HIF-1在血管生成中具有重要价值，因为它控制关键血管生成因子的产生，例如VEGF、成纤维细胞生长因子-2和TGF[27]。这些血管生成因子与内皮细胞和平滑肌细胞上的受体结合可激活血管生成与重塑。

HIF-1是VEGF的转录激活剂，对启动低氧的早期细胞反应至关重要。HIF-1α/VEGF通路参与心肌重塑和梗死周围血管形成。上调HIF-1α/VEGF通路可以防止MI区域的扩大，并提高MI边缘区心肌细胞的存活率[28]。Wang等[29]发现胃泌素通过 HIF-1α/VEGF途径促进血管生成，从而改善MI后的心脏功能，这可能为MI提供一种替代治疗方法。类似的，Sun等[30]的研究表明，HIF-1α过表达的外泌体可以逆转缺氧引起的HUVECs迁移功能和增殖再生能力的下降。同时，HIF-1α过表达的外泌体通过促进新血管生成和抑制大鼠MI模型中的心肌纤维化来保持心脏功能。此外，在应用HIF-1α过表达的外泌体后，体外和体内促血管生成因子的mRNA和蛋白质表达水平均升高。有研究表明，在糖尿病模型中HIF-1α的过表达可以恢复VEGF水平并保护糖尿病心脏的血管生成[31]。血管生成是生理学和病理生理学的基本过程，在心血管系统疾病特别是缺血性心脏病（ischemic heart disease,IHD）中起到至关重要的作用。治疗性血管生成有望成为IHD的新型治疗手段，蛋白质、基因、细胞和外泌体/微泡等疗法能否应用在治疗性血管生成中值得进一步研究[32]。而HIF在治疗性血管生成中扮演的角色以及其作用机制同样值得探究。

2.7 钙稳态 HIF-1α通过调节钙稳态介导HIMF诱导的心肌肥大，该作用可能与CaN/NFAT通路和丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase,MAPK）通路的激活相关[20]。血管钙化可使慢性疾病复杂化，缺氧和无机磷酸盐升高能通过HIF-1引起血管平滑肌细胞钙化[33]。骨形成蛋白-4可作用于HIF-1的下游，通过上调经典瞬时受体电位通道（transient receptor potential canonical,TRPC）1和TRPC6，从而降低肺动脉平滑肌细胞（pulmonary arterial smooth muscle cells,PASMCs）的胞内钙离子浓度，并诱导慢性缺氧性肺动脉高压[34]。PASMCs内钙离子浓度升高需要ROS信号，尤其是超氧阴离子和H2O2[35]。抑制RhoA/ROCK信号通路可以通过依赖HIF-1α的TRPC1/4/6抑制来缓解缺氧性肺动脉高压[36-37]。而TRPC5介导HIF-1α在细胞核内聚集，刺激VEGF转录，从而促进血管生成[38]。在缺乏细胞外钙离子和电压依赖性钙通道抑制剂硝苯地平的情况下，缺氧引起的钙离子浓度升高效应减弱。有趣的是，HIF-1依赖的内皮素导致电压门控K+（Kv）通道活性降低，随后钙离子浓度升高[39]。综上所述，HIF-1可通过调节钙通道，影响细胞内钙稳态，在心血管疾病特别是肺动脉高压的发展中发挥作用。

3 展望

缺氧在心血管疾病发生中十分普遍，HIF-1作为缺氧的作用靶点，广泛参与了动脉粥样硬化、高血压、先天性心脏病、心肌病等心血管疾病的进展。本文提及了一些HIF-1在心血管疾病中的已知作用机制：血管内皮损伤与功能障碍、心肌纤维化、心肌肥厚、心肌细胞凋亡、自噬、血管生成，以期能对包括心血管疾病在内的缺氧相关性疾病的研究与临床治疗提供新的思路。