低氧诱导因子-1α的生物学功能及其在肾纤维化中作用的研究进展

邹开燕，王淑君，姚翠微

（广东医科大学附属医院，广东 湛江 524000）

缺氧是临床各种急慢性疾病的常见病理过程，可由缺血性损伤、炎症、肿瘤等引起，其对机体的影响取决于缺氧组织、缺氧程度和持续时间。机体对缺氧或低氧做出的适应性改变与缺氧诱导因子（HIF）家族密切相关，其可诱导大量基因的表达，帮助细胞适应缺氧环境。

1 HIF 的结构和分型

Wang 和Semenza 于1992 年对促红细胞生成素（EPO）基因进行研究时发现，在低氧条件下，一种因子可与EPO 基因结合并正向调控EPO 进行高于正常值7倍的转录[1]。1995 年，该因子被命名为HIF-1，并确定其是由 HIF-α 和 HIF-β 亚基组合的异源二聚体。HIF属于碱性- 螺旋- 环- 螺旋（bHLH）转录因子家族。其α 亚基的N 端是一个bHLH 区域，负责与靶向DNA结合调节转录；接着是Per/Arnt/Sim （PAS）同源区域，与HIF-β 结合形成二聚体。PAS 区域后为氧依赖降解（ODD）区域，参与HIF-α 的降解，C 端是2 个反式激活结构域（TAD）。HIF-β 亚基是组成性表达结构，需联合α 亚基发挥生理作用[2]。

根据α 亚基的不同，HIF 可分为HIF-1、HIF-2及HIF-3。HIF-1 是HIF 家族的重要成员，与氧感知及缺氧反应密切相关，在组织细胞中广泛表达。不同类型的肾脏细胞表达的HIF 亚型不同，HIF-1 主要在肾小管细胞中表达，HIF-2 主要在肾间质细胞及内皮细胞中表达[3]。HIF-3α 可抑制PAS 结构域蛋白，缺氧时与HIF-1α 和HIF-2α 竞争靶基因的转录元件对低氧基因表达起负性调控作用[4]。

2 HIF 的调控与功能

2.1 HIF 的调控

研究表明，细胞内氧浓度是HIF 的主要调节因素。氧气充足条件下，HIF-1α 脯氨酰残基可通过依赖氧的脯氨酰羟化酶（PHDs）羟基与VHL 抑癌蛋白- 泛素连接酶复合物结合，进而由泛素-蛋白酶体路径快速降解。缺氧时，PHD 活性受抑制，胞质的HIF-α 降解减少，易位至细胞核识别靶基因的低氧反应元件（HRE）可激活下游数百种靶基因的转录和表达[5]。除由PHD 触发蛋白水解机制，氧依赖性加氧酶HIF 抑制因子（FIH）也在HIF-1 的失活中发挥关键作用。FIH 在氧气充足条件下可使 HIF-1α 的天冬酰胺残基羟基化，导致HIF-1α反式激活失活，从而抑制其转录活性[6]。非氧依赖途径调控氧化应激、高糖、炎症等也可刺激HIF 的表达[7]。

2.2 HIF 的生理功能

HIF-1 作为高度特异性的转录调节因子，其功能与下游靶基因的转录表达密切相关。目前已鉴定出HIF靶基因主要包括三大类，第一类与促进红细胞生成有关，如EPO 和与铁代谢相关的转铁蛋白及其受体等；第二类与促进血管生成与重塑有关，如血管内皮生长因子（VEGF）、血小板衍生生长因子（PDGF）和转化生长因子-α 等；第二类与调控细胞能量代谢、糖代谢的相关细胞酶的表达有关，如葡萄糖转运蛋白（GLUTs），可使细胞做出缺氧适应性改变如高原地区的高红细胞血症、缺氧心肌的血管生成及缺氧的糖酵解作用。此外，HIF在免疫炎症、细胞凋亡及维持线粒体稳态等方面也有重要作用[8]。

3 HIF 在肾脏纤维化中的作用

肾脏纤维化是多种慢性肾脏病的最常见病理特点之一。HIF-1 促使肾脏纤维化具有时间、浓度及细胞特异性，在单侧输尿管梗阻（UUO）小鼠中观察到，HIF-1 依赖性的基因表达在前7 天逐渐上调，第14 天无上涨，提示HIF-1 在早期肾纤维化中起作用。低中度的HIF-1α 活化可减轻TIF，过度活化则促进CKD 小鼠肾脏纤维化,说明HIF-1α 的浓度对纤维化有双向调节作用[9]。HIF信号通路可能通过以下机制使肾脏进行性纤维化。

3.1 调节肾上皮-间质转化，促进细胞外基质沉积

调节肾上皮- 间质转化（EMT）可使上皮细胞失去极性和细胞间连接，转化为具有间质表型细胞，表现为间质标志蛋白表达增加，如纤维连接蛋白、N 钙黏蛋白、波形蛋白，上皮标志蛋白表达降低，如E 钙黏蛋白（E-cadherin）、α- 平滑肌肌动蛋白（α-SMA）。用阿奇霉素诱导局灶节段性肾小球硬化（FSGS）的小鼠模型中，抑制HIF-1 表达可下调α-SMA 水平，改善小鼠的蛋白尿和肾小球硬化程度[10]。

3.2 调节促纤维化基因的表达

Kabei 等学者发现梗阻性肾病、糖尿病肾病、IgA肾病或高血压肾病患者肾小管间质中赖氨酸酰氧化酶2（LOXL2）表达明显增加，可促进上皮细胞去分化，介导EMT，进而加剧肾纤维化。在缺氧环境中，HIF-1α可诱导Bmil 转录激活，Bmi1 蛋白升高水平与肾小管间质纤维化程度密切相关，表明 Bmi1 在肾脏疾病中发挥促纤维化作用，其机制与Bmil 对肾上皮-间质细胞转化有促进作用相关。此外，Twist、Snail、Slug、Zeb 也受HIF-1 调节，与肾纤维化相关[11]。

3.3 激活肾纤维化的关键信号通路

TGF-β/Smad 通 路、P13K/AKT 通 路、Wnt/β-catenin通路在肾纤维化中起重要作用。HIF-1α 能与这些通路相互作用。

3.3.1 TGF-β /Smad3 信号通路转化 生长因子-β（TGF-β）是肾脏纤维化的主要因素，作为组织修复的正向调节剂分布于肾脏所有细胞类型中，但主要分布于肾小管及肾小球细胞。低氧情况下，HIF-1α 可刺激肾近曲小管上皮细胞释放 TGF-β，TGF-β 依赖Smads3诱导肾小管上皮细胞分化为成纤维细胞，促进内皮细胞-间充质转化（EMT），并产生大量细胞外基质（ECM）[12]。与Samd3 相反，Smad7 是TGF-β/Smad 信号通路的负向调节剂，其可竞争TGF-β 的结合位点[13]。Smad4 的选择性缺失也可显著减少UUO 模型的肾纤维化。值得注意的是，纤维化动物模型中，抑制 TGF-β 降低 ECM的同时也使免疫细胞紊乱，小鼠罹患自身免疫性疾病风险增加、炎症加剧[14]。把控对TGF-β 通路的抑制程度以减少不良效应值得探究。

3.3.2 PI3K / AKT 信号通路 磷脂酰肌醇3（P13K）是细胞内重要的信号转导分子，激活后可进一步引起蛋白激酶B（AKT）活化。AKT 与P13K 同为丝氨酸/ 苏氨酸蛋白激酶，活化后通过磷酸化激活或抑制下游靶蛋白表达，共同调节细胞增殖、凋亡、自噬及血管生成等。梗死的心肌组织中Bmi1 表达明显升高，可增强P13K 表达，提高AKT 磷酸化水平，促使心脏成纤维细胞增殖和迁徙，促进纤维化[15]。HIF-1α 可以直接诱导Bmi1 表达，但Bmi1 并不能直接激活 PI3K/AKT 通路，而是通过抑制磷酸酶及紧张素同源物（PTEN）对PI3K/AKT 通路进行负向调节。缺氧条件下，用 PI3K 抑制剂（LY294002）处理肾小管上皮细胞导致 AKT 磷酸化以及 HIF-1α 水平均降低，抑制内源性Bmi-1 转录表达可逆转缺氧诱导的EMT[16]，提示HIF-1α 与P13K/AKT 信号通路存在相互作用。

3.3.3 Wnt/β-catenin 信号通路 Wnt/β-catenin 通路是经典的Wnt 信号通路，主要由Wnt 家族蛋白（Wnt）、结直肠腺瘤性息肉蛋白（APC）、β 连环蛋白（β-catenin）、卷曲蛋白（Frizzled）组成，细胞内蛋白β-catenin 是此通路的关键介质[17]。HIF-1 与β-catenin 存在共表达现象，HIF-1 异常激活时，家族性APC 磷酸化增强，对β-catenin 进行降解的复合物失活，β-catenin 得以积聚，从胞质进入胞核，刺激多种纤维化相关靶基因的转录、激活炎症细胞和肌成纤维细胞增殖[18]。抑制HIF-1的活性，使Wnt/catenin 信号通路受阻，有助于减少EMT 的发生，从而改善肾纤维化。

3.4 调节促纤维化的酶与细胞因子表达

沉默信息调节因子2 相关酶1（SIRT1）属于Ⅲ类组蛋白去乙酰化酶（HDAC），作为一种去乙酰化酶，在细胞代谢、氧化应激、炎症反应、增殖分化方面起关键作用。STIR1 可使HIF-1 的赖氨酸残基去乙酰化，抑制其与p300/CBP 相互作用可减轻小鼠肾纤维化[19]。小鼠模型证实，SIRT1 失活可使HIF-1α 乙酰化程度增加、活性增强，肾纤维化程度加重。反之，激活SIRT1 则可观察到糖尿病模型小鼠的肾小球系膜纤维化显著减轻。结缔组织生长因子（CTGF）可介导成纤维细胞的DNA合成，加速胶原沉积，促进新生血管的形成，从而促进组织纤维化。HIF-1α 能直接作用于CTGF 增强子，使CTGFmRNA 转录增加，从而参与肾间质纤维化的发生发展[20]。

3.5 调节外泌体分泌

Liu 等[21]发现抑制肾外泌体分泌可改善单侧输尿管梗阻、缺血再灌注损伤模型的肾纤维化。外泌体携带的微小RNA（miRNA）可通过多种信号通路刺激成纤维细胞的增殖分化、间充质转化及诱导细胞凋亡，加重肾脏损害。肾小管来源的外泌体miR-21 可使成纤维细胞明显激活，其可能机制是通过PTEN/Akt 通路途径刺激成纤维细胞和细胞外基质的产生，抑制miR-21 可上调PENT 并抑制p-Akt，体外低氧刺激HIF-1 及转化生长因子-β 可见外泌体分泌增加[22]。针对外泌体的分泌有望为抗肾纤维化治疗提供新靶点。

4 HIF 信号途径在肾脏疾病治疗中的应用

4.1 HIF 与肾性贫血

慢性肾脏病性贫血是慢性肾脏病的突出表现之一，目前临床上主要应用红细胞生成刺激剂（ESAs）治疗肾性贫血。长期高剂量ESAs 可导致终末期肾脏病患者不良心血管事件发生率的明显升高[23]。罗沙司他（FG-4592）是全球首个口服即可生物利用的低氧诱导因子脯氨酰羟化酶抑制剂。此药可通过抑制HIF-a 亚基的降解，稳定HIF 介导的EPO 转录而促进红细胞的生成，并可抑制铁调素的表达，促进铁吸收，改善患者的贫血[24]。临床研究表明，服用罗沙司他可显著提高患者的血红蛋白水平[25]，这为广大肾性贫血患者提供了全新的治疗手段。

4.2 HIF 与癌症治疗

HIF-1 和HIF-2 在癌组织中过表达，与多种原发或继发恶性肿瘤的生长、侵袭转移及放化疗抵抗有关，其作用机制可能与HIF 增加肿瘤组织中的微血管生成、癌细胞对缺氧微环境适应等有关。HIF-2 对肾透明细胞癌生长有促进作用[26]。最新研发的HIF-2 抑制剂如PT-2977 已进入临床研究阶段，对晚期肾透明细胞癌有疗效，且患者耐受性良好[27]。因此，HIF 因可能作为癌症诊断及治疗的作用靶点而引发广泛关注。

5 展望

HIF-1α 介导的靶基因表达及细胞信号转导在肾脏纤维化中发挥重要作用，具有促进肾上皮- 间质转化、调节促纤维化基因转录、诱导细胞因子生成等多重作用，可参与急性肾衰竭、多种慢性肾脏病、肾透明细胞癌的发生发展。然而，迄今为止临床上缺乏专门针对肾纤维化本身的有效治疗。对HIF-1α 介导的相关基因转录及信号通路进行靶向调控或阻断，为急慢性肾脏病患者提供了新的治疗方向和潜在靶点。