Egl-9家族缺氧诱导因子1的研究进展及与肺癌的关系

白巧会 艾 丽 蒋 绒 李永霞

昆明医科大学第二附属医院呼吸与危重症医学科，云南昆明 650000

Egl-9 家族缺氧诱导因子1（Egl-9 family hypoxia inducible factor 1，EGLN1）作为氧传感器在动物及人体的大脑、肾脏、皮肤、心脏、肺等27 种器官中广泛表达。在有氧条件下，EGLN1 羟基化缺氧诱导因子-1α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）亚基，使HIF-1α 被E3-泛素连接酶复合物底物希佩尔林道蛋白（von Hippel-Lindau protein，pVHL）接头特异性识别并使其泛素化，从而导致HIF-1α 蛋白酶体降解。相反，在缺氧时，EGLN1 不活跃，HIF-1α 亚基稳定，激活导致细胞适应缺氧的转录程序[1]。因此，EGLN1 被称为在缺氧诱导因子介导的缺氧信号通路中起核心作用的蛋白。研究证实EGLN1 在人类许多肿瘤中表达，对肿瘤的生长、血管生成、转移皆有影响，但具体机制尚不完全清楚。根据EGLN1 在不同的细胞环境下介导的调节反应不同，EGLN1 又被定义为肿瘤抑制基因或癌基因[2-3]。

1 EGLN1的结构及作用机制

1.1 EGLN1的结构特征

EGLN1 包含一个具有7 个半胱氨酸残基的N端锌指结构域、一个具有7 个保守的半胱氨酸的催化结构域（残基181-426）和一个具有1 个半胱氨酸的中间间隔区。研究提示，EGLN1 中的部分半胱氨酸残基容易发生氧化，尤其是半胱氨酸残基127、201 和208，而半胱氨酸残基208、266、302、323 和/或326 的氧化可导致EGLN1 的自我失活，游离半胱氨酸却可防止EGlN1 中对其功能至关重要的特定半胱氨酸残基的氧化[4]。

1.2 EGLN1的作用机制

EGLN1、EGLN2 和EGLN3 分别编码脯氨酰羟化酶结构域（prolyl hydroxylase domain，PHD）中的PHD2、PHD1 和PHD3，因此EGLN1 也通常称为PHD2。在常氧条件下，通过RNA 干扰沉默PHD2会增加HIF-1α 表达水平，而沉默PHD1 和PHD3均未观察到这种效果，因此EGLN1 被认为是关键的氧传感器。EGLN1/HIF-1α 通路是缺氧反应的关键调节因子。在常氧条件下，EGLN1 以氧气和2-羟基戊二酸作为底物，Fe（Ⅱ）和抗坏血酸作为辅助因子，羟基化HIF-1α 的氧依赖性降解（oxygendependent degradation，ODD）结构域，导致HIF-1α蛋白急剧降解。在缺氧期间，这种羟基化被阻断，导致HIF-1α 积累，从而影响机体血管生成、红细胞生成、糖酵解以及铁代谢。

1.2.1 EGLN1 与红细胞生成 红细胞生成主要受促红细胞生成素（erythropoietin，EPO）的调节，EPO的转录受到缺氧反应途径的严格调控以维持氧稳态，而HIF-α 亚基的第一个特征异构体HIF-1α 被认为是调控EPO 合成的主要HIF-α 异构体。研究发现，敲除小鼠的PHD2 导致EPO 的增高和红细胞增多症的发生，敲除肾间质细胞（EPO 主要来源）的PHD2 则导致了显著的红细胞增多症，而PHD2 是引起HIF-1α 羟基化的主要因子，提示EGLN1 基因的种系缺陷可能通过减少HIF-1α 的羟基化导致EPO 过表达，从而引起继发性遗传性红细胞增多症[5]。大量研究提示，血红蛋白浓度、血氧饱和度也与EGLN1 的表达显著相关[6-8]。血红蛋白是红细胞中携带氧气的主要成分，血氧饱和度是动脉血中氧气与血氧饱和度结合程度的指标，因此推测血红蛋白浓度、血氧饱和度与EGLN1 的关系与EGLN1调节红细胞生成作用有一定的联系，但具体机制尚需进一步研究。

1.2.2 EGLN1 与糖酵解 在有氧条件下线粒体中丙酮酸的分解是大多数细胞的能量来源，而在可用氧气减少后，细胞将新陈代谢转向无氧糖酵解。在转录水平上将有氧代谢转变为无氧代谢的关键因素之一是HIF-1α，而HIF-1α 的蛋白质稳定性主要受EGLN1 的调节。Guentsch 等[9]研究发现敲低PHD-2 的巨噬细胞HIF-1α 蛋白稳定化，HIF 靶基因丙酮酸脱氢酶激酶1（pyruvate dehydrogenase kinase，PDK1）的表达增强，导致丙酮酸脱氢酶（pyruvate dehydrogenase，PDH）磷酸化，PDH 失活，细胞代谢向糖酵解转变。因此EGLN1 可能通过调控HIF-1α/PDK1 途径影响细胞糖酵解。

1.2.3 EGLN1 与铁代谢 EGLN1 编码的PHD2 是一种氧/铁传感器，属于2-氧代戊二酸（2-Oxoglutaric acid，2-OG）依赖性双加氧酶超家族。哺乳动物中的铁调节蛋白2（iron regulatory protein 2，IRP2）可被2-OG 依赖性双加氧酶特异性抑制剂二甲基草甘氨酸稳定。有研究提示，HIF-1α 也是一种铁稳态相关蛋白[10]。因此，EGLN1 很可能通过下调HIF-1α和IRP2 抑制铁代谢。脑铁代谢功能障碍，特别是黑质中的铁积累，通过增加氧化应激、损害泛素蛋白酶体系统和α-突触核蛋白聚集促进帕金森病的发生。Chiang 等[11]通过对EGLN1 基因的c.380 G＞C（p.C127S）变异体在台湾帕金森患者中作用的研究，发现EGLN1 的保护性C127S 变异体与降低帕金森病风险相关。

2 EGLN1在肿瘤中的表达及意义

2.1 抑制肿瘤血管形成

肿瘤的快速生长需要新生毛细血管为其提供足够的氧气和营养。Chan 等[12]研究发现在结直肠癌中，与邻近正常结直肠组织相比，肿瘤中PHD2 的mRNA 和蛋白质水平均降低。敲低PHD2 的结肠癌细胞（HCT116）条件培养基有明显的体外血管形成，而未敲低PHD2 的对照HCT116 细胞条件培养基却无体外血管形成，且PHD2 被敲低的HCT116细胞条件培养基中促血管生成因子血管生成素（angiopoietin，ANG）和白细胞介素-8（interleukin-8，IL-8）蛋白水平升高。在PHD2 沉默的细胞中，核因子-κB（nuclear factor-κB，NF-κB）活性升高，而IL-8 是一种特征明确的NF-κB 靶标，ANG 的启动子也可与NF-κB 结合，这些结果提示EGLN1 可能通过影响NF-κB/ANG、IL-8 信号通路抑制肿瘤血管形成。

2.2 促进p53泛素化

肿瘤蛋白p53 被称为基因组的守护者，与肿瘤发生、自我更新、分化和重编程中的可塑性有关。研究提示，p53 的缺失或突变会导致细胞去分化和获得癌干细胞特性[13]。Sun 等[14]研究提示EGLN1的表达与鼻咽癌患者的肿瘤临床分期呈正相关，EGLN1 的过表达可促进鼻咽癌细胞的增殖、侵袭、迁移，诱导鼻咽癌细胞干细胞样表型，降低鼻咽癌细胞对放疗的敏感性，并进一步证实了其内部机制是EGLN1 与p53 的相互作用促进了泛素化酶系统介导的p53 破坏，并以羟化酶依赖性方式减少了p53 途径的激活。

2.3 羟基化HIF-1α抑制VHL与其他底物结合

VHL 是一种重要的抑癌基因。EGLN1 羟基化的HIF-1α 是VHL 的重要底物，可与VHL 的其他底物竞争VHL 的结合位点，抑制VHL 与其他底物结合。Liu 等[15]研究发现Scm 样含四mbt 域1（scm-like with four mbt domains 1，SFMBT1）可能为VHL 的另一种底物。EGLN1 羟基化的HIF-1α与VHL 结合，抑制了SFMBT1 与VHL 的结合，导致SFMBT1 的泛素化和降解减少，从而促进了肾肿瘤细胞的生长和增殖。Price 等[16]研究发现EGLN1的基因敲除和小分子抑制降低了卵巢癌肿瘤细胞的生长并抑制了肿瘤增殖，HIF-1α 低表达的癌症对EGLN1 治疗无反应，而HIF-1α 高表达的部分患者会有反应，提示EGLN1 的促癌作用表现出很强的HIF 依赖性。

尽管EGLN1 是一种对HIF 通路具有关键调节作用的氧传感器，但它也与一些其他非HIF 蛋白的调节有关，例如表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor，EGFR）[17]、NF-κB[18]、N-myc下游调节基因3（N-myc downstream-regulated gene 3，NDRG3）[19]。EGLN1 在中枢神经系统癌、头颈癌、肾癌、肝癌和肺癌中通常上调，但在结直肠癌、胰腺癌、乳腺癌中可能下调[20]。因此EGLN1 在癌症进展中的作用仍存在争议，考虑与其在不同细胞环境下具有多种功能有关。

3 EGLN1与肺癌的关系

肺癌是全球范围内最常见的癌症，也恶性程度最高的肿瘤之一。然而，肺癌的发病机制和预后标志物均不完全清楚。Chen 等[21]利用TCGA 和GEO数据集分析发现13 个与肺癌生存显著相关的基因，其中8 个风险基因（CBFA2T3、DENR、EGLN1、FUT2、FUT4、PCDH7、PHF14 和STX3）中6 个基因可作为独立的肺癌预后标志物，CBFA2T3 和STX3是保护基因，而DENR、EGLN1、FUT4 和PCDH7 是危险基因。EGLN1 作为肺癌相关风险基因与肿瘤增殖和炎性浸润有关，在肺癌中具有潜在功能和预后价值。

铁死亡是一种新发现的非凋亡性细胞死亡模式，在肿瘤生物学和治疗中发挥重要作用，激活铁死亡可促进肿瘤细胞的死亡，染色质重塑蛋白淋巴特异性解旋酶（lymphoid-specific helicase，LSH）通过促进脂质代谢相关基因在癌变过程中发挥重要的铁死亡抑制剂的作用。Jiang 等[22]研究提示，LSH 在肺癌中作为致癌基因起作用，而EGLN1 可通过抑制HIF-1α 诱导LSH 表达。Lanikova 等[23]发现选定的西藏EGLN1/PHD2 单倍型与肺癌之间存在显著关联，其发生肺癌的风险增加两倍。

EGLN1 上调与非小细胞肺癌的不良预后相关[24]。然而，非小细胞肺癌的主要组织学亚型肺腺癌（lung adenocarcinoma，LUAD）和肺鳞状细胞癌（lung squamous cell carcinoma，LUSC）在分子和临床特征上存在显著差异。Xu 等[25]研究发现LUAD和LUSC 患者癌组织中EGLN1 表达水平均高于其各自相邻的正常组织。然而，Kaplan-Mei-er 生存曲线显示，与低表达组相比，高EGLN1 表达的LUAD 患者总生存期（overall survival，OS）和无复发生存期（relapse-free survival，RFS）显著缩短，但在LUSC 患者中却无这些差异。提示EGLN1 基因的高表达可能仅作为LUAD 患者预后不良有价值的生物标志物。

为深入了解EGLN1 在肺腺癌发生中的作用，Reggiani 等[26]评估了EGLN1 在（TCGA）-LUAD队列和其所在研究所的生物库中检索到的一组患者样本中的表达水平，结果肿瘤组织中EGLN1 基因的mRNA 和蛋白质表达水平均显著高于周围健康肺组织，高EGLN1 表达也与较差的预后相关，并且在Kirsten 大鼠肉瘤病毒癌基因同源物（Kirsten rats arcomaviral oncogene homolog，KRAS）突变的患者中，OS 的差异更为明显。用EGLN1 抑制剂莫立司他处理的肺腺癌细胞系均对莫立司他敏感，并且KRAS 突变的细胞系显示出最高的灵敏度，这些提示EGLN1 基因在KRAS 突变的肺腺癌中具有更明显的促癌功能。肺腺癌是最常见的肺癌亚型，而化疗药物和分子药物对部分KRAS 突变的肺腺癌患者的治疗几乎是无效的，因此EGLN1 很可能成为KRAS 突变肺腺癌新的治疗靶点。

4 展望

EGLN1 已被广泛报道为导致HIF 泛素化和蛋白酶体降解的因子。HIF 在肿瘤中的功能已得到很好的表征，但对EGLN1 在肿瘤中功能的了解还远远不够。EGLN1 活性的调节，可能成为缺氧、铁代谢异常等疾病，尤其是肿瘤疾病治疗的切入点。EGLN1 在不同疾病中的作用机制不同，其mRNA 水平、蛋白水平、蛋白活性调控、稳定性的相关机制还有待进一步发现和证实。肺癌的发病率不断上升，病死率居高不下，给社会带来巨大负担。随着对分子免疫机制的研究以及肿瘤对放化疗敏感度的下降，靶向治疗越来越受到人们的青睐。了解EGLN1在癌症中的具体作用机制，将会为靶向药物的研发提供新的思路。