缺氧诱导因子-1α在金属毒性中的作用研究进展

张宇, 赵文英, 刘婷婷, 董丽华, 白羽, 杨波波, 陆荣柱

(1. 江苏大学医学院, 江苏 镇江 212013; 2. 昆山市第一人民医院免疫研究室, 江苏 苏州 215300; 3. 泉州市第一医院检验科, 福建 泉州 362000)

近年来,随着环境污染的加重,各种金属过度暴露损害人体健康的事件频发。但由于金属种类繁多,加之其毒性机制尚不完全明确,依然缺乏有效的预防和治疗措施[1]。缺氧诱导因子-1α(hypoxia-inducible factor-1α,HIF-1α)是一种机体适应低氧环境的转录调控因子,可调控下游200余种基因的表达,表现出广泛的生物学效应。研究表明金属的毒性与HIF-1α及其下游基因的表达密切相关,但HIF-1α在不同金属毒性中的作用机制仍有待明确[2]。本文就金属对HIF-1α表达的影响及其可能机制作一阐述,以期为探索金属毒性机制及开发有效的防治药物提供参考和依据。

1 HIF-1α的调控和功能特点

HIF-1由对氧敏感的α亚基和不依赖氧的稳定表达的β亚基形成的二聚体蛋白组成。其中HIF-1α亚基C端具有保守的功能结构域,即氧依赖的降解结构域(ODDD)以及两个转录激活结构域(N-TAD和C-TAD),其中N-TAD与HIF-1α的稳定表达最为相关[3]。在常氧条件下,HIF-1α经脯氨酸羟化酶(PHD)羟基化,再由希佩尔-林道病蛋白(VHL)识别,然后经泛素蛋白酶体水解复合物降解[4]。PHD的辅因子包括抗坏血酸、氧气、铁和α-酮戊二酸,因而缺氧或氧化还原状态失衡等情况下,PHD活力下降,抑制HIF-1α羟基化,继而激发HIF-1α入核与HIF-1β组成HIF-1,HIF-1与缺氧反应元件结合,激活一系列下游靶基因,进而引发多种生物学效应[5]。目前已经确认的HIF-1靶基因有促红细胞生成素(EPO)、血管内皮生长因子(VEGF)、葡萄糖转运蛋白1(GLUT1)、内皮型一氧化氮合酶(eNOS)和Bcl-2/腺病毒E1B 19 kD相互作用蛋白3(BNIP3)等在内的200多种[6],这些靶基因参与红细胞生成、血管形成、能量代谢、细胞增殖、自噬与凋亡等调控过程(图1)。

HIF-1α:缺氧诱导因子-1α;HIF-1β:缺氧诱导因子-1β;HRE:缺氧反应元件;PHD:脯氨酸羟化酶;VHL:希佩尔-林道病蛋白;-OH:羟基;EPO:促红细胞生成素;VEGF:血管内皮生长因子;GLUT1:葡萄糖转运蛋白1;eNOS:内皮型一氧化氮合酶;BNIP3:Bcl-2/腺病毒E1B 19 kD相互作用蛋白3

2 HIF-1α在金属毒性效应中的作用

金属暴露对机体可造成包括肺、肝、肾、神经系统、心血管系统、免疫系统和生殖泌尿系统在内的多种器官及系统损伤,损伤机制在不同金属中也有所不同。

2.1 HIF-1α与神经损伤类金属

锰(Mn)是生命过程所必需的微量元素,但过度暴露却可造成神经损伤。野生型小鼠Mn暴露后,HIF-1α蛋白表达增加,螺旋神经节神经元变性,脂褐质颗粒数量增加[7]。钴(Co)暴露引起小鼠星形胶质细胞中HIF-1α稳定表达增多、ATP耗竭、细胞凋亡和坏死,其机制可能与激活血红素氧合酶1(HO-1)、促凋亡因子BNIP3和诱导型一氧化氮合酶(iNOS)等HIF-1α下游基因进而促进细胞凋亡和坏死有关[8]。Mohamed等[9]研究表明,CoCl2可诱导大鼠的大脑皮层中HIF-1αmRNA表达上调4.8倍,表现出大脑皮质中固缩神经元聚集、空泡形成和血管充血等毒性作用。

分化成神经元的人类畸胎瘤NT2细胞暴露于镍(Ni)后可增加神经细胞黏附分子和微管相关蛋白2等特定神经元分化标志物的表达,同时上调HIF-1α的表达并激活蛋白激酶B(AKT或者PKB)通路,表明Ni暴露可能通过影响HIF-1α的表达而增加神经疾病的易感性[10]。大鼠肾上腺嗜铬细胞瘤PC12细胞作为一种神经元样细胞模型,暴露于铅(Pb)后,HIF-1α表达增加,氧自由基水平增加,诱导细胞凋亡[11]。甲基汞(MeHg)是一种神经毒物,大鼠体内及体外细胞实验均表明其毒性机制与下调HIF-1α蛋白及下游基因GLUT1、VEGF和EPO表达相关。当上调HIF-1α表达时,MeHg对大鼠原代星形胶质细胞毒性减弱;反之,抑制HIF-1α表达时,MeHg所致细胞毒性增强[12]。

金属暴露可损伤神经系统,也可扰乱HIF-1α表达,但HIF-1α在不同金属暴露后的表达及效应各不相同。Mn、Co、Ni暴露上调HIF-1α表达,引发神经毒性;MeHg则通过抑制HIF-1α表达,增强神经毒性。HIF-1α在神经损伤类金属毒性机制中的作用仍需进一步探究。

2.2 HIF-1α与肺损伤类金属

镉(Cd)作为人类致癌物,可引发包括肺癌在内的多种肿瘤。外周肺上皮细胞连续低剂量长时间(5 mol/L,20周)暴露于Cd后,细胞中HIF-1α的表达明显增加。这可能与金属硫蛋白表达增加,细胞侵袭力增强以及细胞获得与肺癌细胞相同的特性有关[13]。人肺腺癌A549细胞暴露于Cd也可导致HIF-1α表达增加,继而促进肿瘤恶性进展[14]。铬(Cr)是一种常见的职业环境污染物。Cr6+可增加人支气管上皮细胞系(BEAS-2B)HIF-1α的表达,并与IL-6和NF-κB的表达增加以及miR-143水平降低相关。另外,小鼠体内实验表明过表达miR-143可抑制HIF-1α及其下游基因VEGF的表达,减缓肿瘤生长,提示miR-143/IL-6/HIF-1α通路在Cr6+诱导的肺癌发生发展中发挥作用[15]。中草药活性成分木犀草素可通过降低BEAS-2B细胞中Cr6+诱导的HIF-1α和VEGF表达,抑制活性氧、脂质过氧化以及促炎因子的产生,进而保护细胞免受Cr6+诱导的恶性转化,降低其致癌性,提示HIF-1α可能成为肿瘤预防的靶点[16]。

研究发现Ni暴露引起HIF-1α表达增加,促进DNA去甲基化酶TET1表达,从而使血管生成素样蛋白4(ANGPTL4)高表达,引起肺癌的发生发展[17]。Ni可诱导BEAS-2B细胞中HIF-1α积累从而导致ANGPTL4表达增加,且这种增加可被二甲双胍逆转[18]。而体外NIH/3T3细胞实验发现Ni可通过磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/细胞外信号调节激酶(ERK)通路增加细胞中HIF-1α的表达进而诱导细胞恶性转化;大鼠体内实验发现Ni引起肺泡隔增宽,血管周围水肿,血管扩张、充血,且这与肺组织中HIF-1α表达增加相关。由此提示PI3K/ERK通路介导HIF-1α表达增加是Ni致肺癌的关键机制[19]。

人肺癌细胞系A549细胞暴露于高浓度的Mn后,通过ERK-1/2、c-Jun N-末端激酶-1(JNK-1)和PKB上调HIF-1α蛋白的表达,但巴戟天汁却可以抑制Mn诱导的HIF-1α表达,进而抑制Mn所致肺癌的进一步发展[20]。Mn暴露可导致Hep2细胞中p38 MAPK和JNK-1/2的激活,引起HIF-1α的蛋白表达上调,而p38 MAPK和JNK-1/2抑制剂又可阻断HIF-1α的表达,这些结果共同提示Mn引起HIF-1α表达增加可能与MAPK通路有关[21]。

以上结果表明Cd、Cr、Ni及Mn致肺毒性主要与上调HIF-1α及其下游蛋白VEGF表达,进而促进炎症和肿瘤血管生成及增加糖酵解促进肿瘤发展,抑制HIF-1α表达可减轻金属暴露引起的肺损伤,PI3K/ERK/MAPK通路激活可能是金属毒性引起HIF-1α表达增加的重要机制。

2.3 HIF-1α与肝损伤类金属

铝(Al)暴露可引起体内铁稳态失衡和机体氧化应激。在肝癌细胞株HepG2中进行Al暴露可增加HIF-1α稳定表达,己糖激酶(HK)、丙酮酸激酶(PK)和乳酸脱氢酶(LDH)等糖酵解相关酶表达也上调,进而ATP产生增多,补偿线粒体功能,促进细胞存活[22]。研究发现Al诱导HIF-1α积聚是通过抑制三羧酸循环酶(α-酮戊二酸脱氢酶和琥珀酸脱氢酶)而降低PHD2活性实现的,进而提高糖酵解水平来缓解Al暴露引起的毒性及线粒体功能障碍[23]。HepG2细胞暴露于Ni后,通过PI3K/AKT/雷帕霉素靶蛋白(mTOR)通路促进HIF-1α及VEGF表达增加,进而促进肿瘤血管生成,导致肿瘤快速生长和转移。荔枝花提取物通过抑制HIF-1α表达、Janus激酶2(JAK2)的信号转导、Raf-1原癌基因和VEGF的表达减轻Ni毒性,从而延缓Ni诱发的肝癌快速进展[24]。

Cr6+暴露引起大鼠肝脏毒性,表现为血清丙氨酸和天冬氨酸氨基转移酶表达降低,引发肝细胞凋亡数量、丙二醛含量及内质网应激介导的凋亡相关蛋白表达量增加,这些损伤都与HIF-1α表达增加相关,而骨髓间充质干细胞可以通过抑制HIF-1α表达降低Cr6+介导的内质网应激,减轻铬的肝毒性作用[25]。长期接触二氧化钛(TiO2)和纳米TiO2均可导致肝损伤,小鼠喂食纳米TiO29个月后,肝组织中HIF-1α、NF-κB和MAPK表达增加,导致炎症细胞浸润和肝纤维化,造成肝毒性[26]。MeHg处理可引起大鼠肝细胞HIF-1α表达降低,肝细胞活力下降[27]。

Ni、Cr6+、Ti、Mn等金属暴露可引起肝细胞HIF-1α的稳定表达,导致肝毒性增加。MeHg暴露引起HIF-1α表达降低造成肝细胞损伤。而Al暴露中HIF-1α的升高反而起到细胞保护作用,因此HIF-1α在金属肝毒性中的作用仍需进一步探索。

2.4 HIF-1α与肾损伤类金属

研究表明锌(Zn)可以通过下调小鼠糖尿病模型肾脏中HIF-1α的表达来阻断肾小管上皮-间质转化并减轻肾纤维化,这一机制可能与Zn激活PI3K/AKT/GSK-3β通路引起HIF-1α下调相关[28]。

流行病学研究发现Cd暴露与肾癌患者VEGF、金属硫蛋白及HIF-1α的表达增加显著相关,提示Cd的肾毒性与HIF-1α通路激活相关[29]。Cd可通过胎盘到达胎儿肾脏产生毒性,但有研究发现Cd暴露大鼠胚胎肾脏中HIF-1α和PHD2蛋白表达没有变化,仅发现VEGFmRNA水平降低,这可能与HIF-1与DNA的结合能力降低有关[30]。小鼠吸入纳米TiO2后,肾组织中HIF-1α表达增加的同时,硝基酪氨酸、iNOS、HO-1和TGF-β表达也增加,且与肾脏发生病理改变以及肾纤维化相关。体外实验研究发现[31],纳米TiO2剂量依赖性地引起人肾近端肾小管细胞中HIF-1α增加,与活性氧及TGF-β表达增加相关,产生肾细胞毒性。

以上结果表明,金属暴露引发肾细胞HIF-1α激活或抑制从而导致不同的生物学效应,在一些非缺氧状态下,HIF-1α的上调可能与促进肾脏纤维化及肿瘤发生发展有关。

2.5 HIF-1α与血管损伤类金属

伤口愈合过程中,铜(Cu)通过诱导HIF-1α和VEGF的表达促进血管生成,提高皮肤再生和血管生成能力[32],而Pb暴露则可上调HIF-1α的表达,进而导致原代人脐静脉内皮细胞线粒体形态和功能改变,造成血管生成受损[33]。这一现象提示Cu暴露激活HIF-1α,促进皮肤组织和血管生成,而Pb暴露引起的HIF-1α激活反而损伤血管生成功能。这些结果说明HIF-1α在金属血管毒性中具有双重作用。

2.6 HIF-1α与免疫损伤类金属

Cd可通过氧化应激、钙离子通道及自噬等途径引起免疫系统损伤[34]。6周龄的断奶仔猪在20 mg/kg CdCl2暴露后,淋巴结中的Cd沉积量及淋巴结细胞凋亡率增加,同时淋巴细胞HIF-1α表达明显降低,且PI3K和AKT也同样降低,由此提示Cd可能通过扰乱HIF-1α以及相关的PI3K/AKT信号通路引起淋巴细胞凋亡,造成免疫系统损伤[35]。Salloum等[36]研究发现,Co可通过HIF-1α稳定表达引起小鼠巨噬细胞中糖酵解通量增加,进而降低氧化磷酸化,增加糖酵解,从而激活巨噬细胞发生炎症反应。

Cd暴露引起HIF-1α表达降低引发免疫毒性,而Co暴露诱导HIF-1α表达增加,同样引发免疫毒性,HIF-1α在金属免疫毒性中的作用仍待进一步明确。

2.7 HIF-1α与生殖泌尿系统损伤类金属

Shen等[37]研究发现,Cd同时诱导先兆子痫大鼠胎盘中腺苷A2A受体和HIF-1α表达增加,导致胎盘受损。而Cr6+暴露可诱导人前列腺癌细胞DU145活性氧产生,并上调HIF-1α和VEGF的表达,促进癌细胞的生长,因而提示HIF-1α可能参与Cr6+暴露的前列腺致癌作用[38]。暴露于Co的绒毛膜癌细胞系和绒毛外细胞滋养层HIF-1α增多,进而引起滋养细胞中斑点型POZ蛋白表达增加,激活PI3K/AKT/GSK-3β通路,导致滋养细胞的流动性下降,子宫螺旋动脉重塑和胎盘灌注不足,导致妊娠相关并发症的发生[39]。HIF-1α的表达增加在Cd、Cr6+及Co暴露引起的生殖泌尿系统损伤中的作用有待深入研究。

3 总结与展望

不同金属暴露对HIF-1α表达产生不同的影响,部分重金属暴露引起机体HIF-1α表达降低可能与其抑制机体正常生理功能,引发氧化应激相关,而有些金属暴露引起HIF-1α表达增加则进一步损伤线粒体功能,促进自噬与凋亡。最为特别的是Al在肝组织、Zn在肾脏组织以及Cu在心血管系统中增加HIF-1α表达,对机体起到保护作用,这可能与HIF-1α激活下游糖酵解、红细胞生成及血管生成基因相关。HIF-1α通路已成为参与金属毒性的重要机制,为临床金属中毒的防治提供了新的靶点和依据。