运动干预抗癌机制：HIF-1α信号通路调控作用的研究进展

孔健达，穆玉晶，朱 磊

低氧诱导因子-1α(HIF-1α)是低氧诱导因子-1(HIF-1)的一个亚基，通过激活低氧敏感转录因子来实现细胞对缺氧的反应，该因子在物种之间高度保守，并在身体内的大多数组织中表达[1]。HIF-1α的靶标基因可以增加氧的转运，如通过促红细胞生成素介导的促红细胞生成和血管内皮生长因子(VEGF)诱导的血管生成，或通过增加葡萄糖转运体和糖酵解酶的表达来改善低氧可利用性下的组织功能[2]。肿瘤细胞经常受低氧、营养(葡萄糖和氨基酸)和因血管系统和血液供应不足而导致的能量流失等影响[3],而这些应激条件正是使肿瘤细胞增殖，触发其恶性转化机制，使其克服或逃避抗肿瘤免疫监视，避免细胞衰老和凋亡的关键因素[4-5]，最终导致了肿瘤的发展、遗传的不稳定、化疗和放射耐药性的发展乃至不良的预后[6]。运动可以调控HIF-1的表达[7-8]，且一些高质量的综述总结了对高强度运动或暴露于低氧环境中所造成的压力的分子反应[9-10]，这种低氧状态可以是生理水平上的如在胚胎发生期间就可以处在低氧环境中[11]。综上所述，有研究表明可以通过运动来调控HIF-1的表达机制[7，8，12-15]且HIF-1表达水平高会促进肿瘤细胞的增殖与生长从而不利于癌症的预后[16-20]。运动治疗逐渐成为一种新型的癌症治疗方法[21-23]，虽然有部分文献综述了运动与癌症的关系[24，25]，但就目前的研究和综述来看，关于运动治疗癌症的生物信息通路尚未得到确定，故综述HIF-1信号通路在运动抗癌中的作用机制极为必要。

本文通过综述运动调控HIF-1α信号通路对肿瘤细胞增殖的影响，解释运动调控HIF-1α信号通路而抑制肿瘤细胞的增殖与生长来确定运动疗法在癌症中的相关作用机制，从新的视角为运动疗法在癌症患者中的应用带来新的认识。

1 HIF-1α及其相关信号通路

低氧诱导因子-1α(HIF-1α)是低氧诱导因子-1(HIF-1)中氧不稳定的α亚基，在低氧环境下，HIF-1α是碱性-螺旋-环-螺旋(PerAhr/ARNT-Sim，PAS)转录因子家族中的主要反应物，因此其稳定性会对ARNT产生显著影响[26-29]。HIF-1α的结构包含两个反激活域(TADs)[30]：n端(N-TAD)和c端(C-TAD)，并促使着与RNA聚合酶的功能的相互作用[31]，而TADs也是与辅助因子建立相互作用的部位，且该过程在HIF-1α转录活性中具有不可或缺的作用[32]，TADs亦是蛋白质翻译后修饰肽链的区域[33]。Gradin等发现在低氧介导HIF-1α激活后只有其蛋白水平增加而mRNA表达保持不变，于是该发现强调了氧浓度与蛋白质翻译和稳定性之间的直接比例关系[34]。而Huang等则发现氧依赖性降解结构域(ODD结构域)是作为一个氧传感器的位点与氧依赖性的产生相互作用[35]。

在众多领域都有与HIF-1α相关的信号通路。如Kang等人发现HIF-1α调控PARIS过量表达重编程了葡萄糖代谢通路导致糖酵解蛋白的增加[36]，Wujak等发现HIF-1α与AK4调节原代人类PASMC的细胞增殖和能量代谢有关[37]，Tsui等则研究了低氧分子机制对PC-3和 LNCaP人前列腺癌细胞中mACON基因表达的影响[38]。另有部分研究发现HIF-1α相关信号通路亦可作用于癌症[39-44]。

故可以发现，HIF-1α有着其独特的性质，且其相关通路作用于众多领域，尤其在肿瘤细胞的靶点通路研究中发挥着不可或缺的作用。

2 HIF-1α在肿瘤细胞中的调控作用

2.1 HIF-1α与肿瘤细胞的扩散转移

HIF-1α功能性失活会抑制肿瘤细胞互相黏附，其中黏附分子可以促进其与细胞内和细胞外环境的相互作用，并在癌症的起始和进展中发挥重要作用[39]。HIF-1α可直接参与β1整合素、α5β3和α5β5等重要黏附分子的调控和表达[40-42]。HIF-1α亦可以调控钙黏附蛋白E，其可以上调Snail信号通路来抑制钙黏附蛋白-E基因的表达[43]，亦可以通过调节TCF3、ZFHX1A和ZFHX1B来抑制钙黏附蛋白E基因的表达[44]。HIF-1α可以调控β1整合素、α5β3、α5β5等直接促使肿瘤细胞黏附或调控Snail信号通路、TCF3、ZFHX1A和ZFHX1B等抑制钙黏附蛋白-E基因表达间接达到肿瘤细胞黏附的目的。

2.2 HIF-1α与肿瘤细胞的增殖与生长

肿瘤细胞具有无限增殖、破坏与细胞死亡相关信号通路和可导致生长因子过度表达的信号等特性，这些特性能够使肿瘤细胞快速适应低氧环境及其他恶劣环境。Akakura等研究发现HIF-1α的组成型表达可通过激活厌氧代谢有助于肿瘤细胞在低氧环境和葡萄糖代谢中存活并增殖生长[45]；Barak等的研究成果表明机体长期处在低氧状态会对血管内皮生长因子的转录产生刺激，并通过HIF-1α信号通路使肿瘤细胞达到增殖的效果[46]。早先Hasan等有研究表明黏附力下降后的细胞脱落可能使恶性肿瘤细胞在机体内摆脱低氧状态并形成新的肿瘤生长点进而促进肿瘤细胞的增殖[47]。另外，Potharaju等发现HIF-1α可以介导端粒酶逆转录酶(TERT)的表达，进而促使了肿瘤细胞无限增殖这一特性[48]。因此，在低氧环境下通过刺激血管内皮生长因子转录、细胞黏附力下降、HIF-1α介导TERT表达实现肿瘤细胞的增殖与生长。HIF-1α与肿瘤细胞的增殖与生长的关系图如图2所示。

2.3 HIF-1α与肿瘤细胞的转移及侵袭

有研究表明，低氧可以在各类实体肿瘤中通过HIF-1α激活其上皮-间质转化(EMT)[49,50]，而且HIF-1α还可以直接或间接调控TWIST、Snail、碳酸酐酶IX(CAIX)和GLUT-1等EMT的调控因子[51-54]，进而激活EMT相关基因(波形蛋白、钙黏附蛋白-E和钙黏附蛋白-N)并加强EMT来促使肿瘤细胞的转移与侵袭[55]。HIF-1α亦可以调控基质金属蛋白酶MMP2[56]和MMP9[57]来促进肿瘤细胞的转移和侵袭。还有部分研究表明HIF-1α可通过尿激酶型血浆素原激活剂受体(uPAR)[58]和血浆素原激活剂抑制剂-1(PAI-1)[59]这两个纤维蛋白溶解系统和转移的主要成分来加快肿瘤细胞的转移和侵袭。Yang等的研究表明HIF-1α还可以直接调控TWIST作为转录因子来参与低氧介导的EMT和肿瘤转移[51]。还有其他研究发现了HIF-1α直接调控肿瘤细胞转移的重要的靶基因，包括Ishikawa等发现的CXC趋化因子受体-4(CXCR4)[60]、Pennacchietti等发现的原癌基因c-Met[59]和Li等发现的CC趋化因子受体7(CCR7)[61]。此外，Pan等[62]和O'Toole等[63]发现HIF-1α可以转录基质衍生因子-1、角质蛋白14(CK14)、角质蛋白18(CK18)、角质蛋白19(CK19)；Castillo等[64]发现HIF-1α可以转录窖蛋白-1(CAV1)进而促进肿瘤细胞的转移以及侵袭。综上所述，HIF-1α通过调控或转录TWIST、Snail、IX(CAIX)、GLUT-1、MMP2、MMP9、uPAR、PAI-1、CXCR4、c-Met、CCR7、基质衍生因子-1，CK14、CK18、CK19、CXCR4P和CAV1等可使肿瘤细胞的转移与侵袭速度加快。

2.4 HIF-1α与实体肿瘤血管生长

HIF-1α所在胚胎的血管缺失与细胞死亡在空间上相关[65]，肿瘤亦不例外。为此，Nikitenko等发现HIF-1α可以通过激活VEGF、血管生成素1(ANGPT1)和血管生成素2(ANGPT2)、胎盘生长因子(PGF)、降钙素受体样受体(CRLR)等生长因子编码基因来刺激血管生成反应[66]，Kelly等则发现HIF-1α可以通过激活血小板源性生长因子B(PDGFB)刺激肿瘤细胞的血管生成[67]。此外，Xu等发现HIF-1α通过SUMO-specifc蛋白酶1(SENP1)可催化形成一种较为稳定的低氧状态并可视为由SENP1介导的正反馈调节环路，而该反馈调节环路在血管内皮生长因子的生成中起到极为重要的作用，进而使得血管内皮细胞的血管生成[68]。

2.5 HIF-1α与细胞凋亡

在正常的组织细胞或肿瘤细胞中，氧含量不足可以直接触发程序性细胞凋亡[69]，而在细胞凋亡的过程中会伴随着DNA受损[70]。且Carmeliet等[71]发现，虽然HIF-1α的低水平表达能够抑制低氧诱导的血管内皮生长因子的表达、ES衍生的肿瘤中大血管的形成并损害血管功能进而使肿瘤内出现缺氧微环境，但HIF-1α所在肿瘤的生长速度由于低氧诱导的细胞凋亡减少和压力诱导的增加而加快，这说明HIF-1α信号通路对细胞凋亡的直接作用是从相对细胞死亡到促进细胞凋亡。而HIF-1α信号通路反应的变化可能与以下因素有关：一，低氧程度和氧张力的变化[72]；二，低氧组织的初始能量水平[73]；三，被HIF-1α靶向激活并调控的相关蛋白(细胞周期蛋白D1、p21和p27等)[74]。

3 运动调控HIF-1α信号通路

运动可以调控肿瘤中的HIF-1α信号通路。运动后会使癌症患者或肿瘤动物模型中的HIF-1α表达会发生根本性变化，致使调控其相关信号通路进而达到抑制肿瘤生长的目的。而对于运动而言，无论是运动方式的不同还是运动强度的不同均可显著下调肿瘤中HIF-1α的表达水平,故HIF-1α相关信号通路对运动干预抗癌过程有着重要的影响。运动调控肿瘤中的HIF-1α及其相关信号通路受不同运动方式、不同运动强度等的影响如表1所示。

3.1 不同运动方式调控肿瘤的HIF-1α信号通路

在目前的研究中，有氧运动和耐力运动可以调控肿瘤中的HIF-1α信号通路。在有氧运动调控肿瘤HIF-1α信号通路的研究中，Rafiei等通过16只雌性BALB/c乳腺癌小鼠的实验发现有氧训练组显著降低肿瘤中HIF-1α基因的表达[76]，Kopp等发现有氧运动能下调HIF-1α的mRNA[77]，Ahmadi-Kani等发现有氧运动能够降低脂肪组织中脂肪垫的重量和 TNF-α、HIF-1α和VEGF-A的水平[80]，Jones等发现有氧运动能使肿瘤内HIF-1α表达降低[82]，杨洪[83]等则发现有氧运动能使成功建立肺腺癌耐药细胞系PC-9-GR裸鼠的HIF-1与ALDH1蛋白及CSCs百分比降低。而在耐力运动肿瘤中HIF-1α信号通路的研究中，Isanejad等[75]、Jones等[78]和Tanaka等[81]均发现耐力运动亦可以显著下调HIF-1α并影响其相关信号通路。

3.2 不同运动强度调控肿瘤的HIF-1α信号通路

HIF-1α表达的变化具有强度依赖性。Kopp等[77]通过对比斑马鱼运动时的水中氧气压强(PO2)发现，在10kPa，PO2在9～15dpf之间时HIF-1α表达无明显变化，但在PO2为5kPa且PO2在10、14和15dpf时HIF-1α的mRNA水平显著升高。杨洪等[83]在对吉非替尼诱导的肺腺癌耐药细胞系PC-9-GR裸鼠的实验研究中发现，与吉非替尼单药组相比，强度越高的有氧运动联合吉非替尼组成瘤能力及抗凋亡能力越低，但随着有氧运动强度增加则各指标包括HIF-1α变化更为显著。

4 运动调控HIF-1α信号通路抗癌的作用机制

通过Lawler等[84]、Berzosa等[85]、Lambertucci等[86]、刘雨佳等[87]的研究可以发现运动可以通过增强抗氧化酶的活性来产生抗氧化作用，如可增强骨骼肌中超氧化物歧化酶(SOD)[88-90]和谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)[91-93]的活性，进而在肺[94]和隔膜[95]中诱导线粒体的超氧化物歧化酶Mn-SOD上调[96]。Bell等[97]研究发现，表达SirT3的短链RNA可在缺氧条件下增强HIF-1α的稳定性和转录活性，且SirT3的过量表达则可以抑制低氧时HIF-1α的稳定并抑制HIF-1α的转录活性，即SirT3可以通过其抑制ROS和HIF-1α的表达与转录来抑制肿瘤的生长。

还有研究发现，低氧可以增加细胞色素P450的表达来促进细胞对氧气的利用，同时亦激活适应性HIF-1α使其表达及其下游的基因表达信号，而有氧运动则使组织细胞的氧含量达到饱和状态，故此时细胞色素P450的表达水平下降而改变HIF-1α相关信号通路及其靶标基因从而达到抑制肿瘤生长的目的[98]。Shalamzari等则发现运动可以引起肿瘤组织中促炎症细胞因子水平的降低，其机制为运动可以降低IL-6的表达水平，激活NF-κB、JNK、ERK和P38等信号通路进而降低VEGF的产生，从而抑制HIF-1α信号通路作用并减少肿瘤内的血管生成[99]。而Irwin等研究发现中等强度的有氧运动可以调控HIF-1α达到一个稳定状态使得IGF-I和IGFBP-3表达水平降低来提升癌症患者的存活率[100]。

综上所述，运动可以增强SOD、GPx和SirT3的表达，下调细胞色素P450表达，降低IL-6并激活NF-κB、JNK、ERK和P38等信号通路来降低VEGF，降低IGF-I和IGFBP-3表达等从而抑制HIF-1α相关通路的作用进而抑制肿瘤生长。但目前缺乏关于运动诱导HIF-1α相关通路在抑制肿瘤细胞的黏附、转移及侵袭中调控的研究。

5 结语和展望

近年来，大众对运动的理解和观念已经发生巨大转变，其愈发认可运动是良医的说法。在癌症的治疗手段中，除放疗、化疗、内分泌治疗和靶向药物治疗之外，运动干预无疑亦成为一种相对更安全的治疗手段。经综述大量研究发现，运动可以上调SOD、GPx和SirT3的表达，下调细胞色素P450表达，下调IL-6并激活NF-κB、JNK、ERK和P38等信号通路来降低VEGF，下调IGF-I和IGFBP-3表达等从而抑制HIF-1α相关通路的作用进而抑制肿瘤生长，从而防治癌症。但目前的相关研究中主要聚焦在运动调控HIF-1α相关信号通路抑制肿瘤的增殖、生长和血管生成的研究中，而需加强关于运动诱导HIF-1α相关信号通路在抑制肿瘤细胞的增殖与凋亡、转移及侵袭中调控的研究，从而进一步探究HIF-1α信号通路在运动干预抗癌中调控作用的其他机制。