王金良，孔佩艷

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HIF-1α的非氧依賴調控通路及其在腫瘤中的作用

王金良，孔佩艷

400037 重慶，第三軍醫(yī)大學新橋醫(yī)院血液科

低氧誘導因子-1（hypoxia-inducible factor-1，HIF-1）是 1992 年由 Semenza 和 Wang[1]發(fā)現(xiàn)的一種氧依賴轉錄激活因子，其調控的下游基因涉及血管生成、紅細胞生成、能量代謝、細胞凋亡和增殖等多方面，在機體的生理、病理反應中至關重要。后續(xù)的研究發(fā)現(xiàn) HIF-1α 可受氧依賴及非氧依賴通路調控，而非氧依賴的調控通路在調控 HIF-1α 對腫瘤的作用機制中可能具有更重要的作用。現(xiàn)將近年來 HIF-1α 的非氧依賴調控通路在腫瘤發(fā)生、發(fā)展中的研究進展做一綜述。

1 HIF-1 概述

HIF-1 是存在于哺乳動物和人體內的一種轉錄因子，主要由 HIF-1α 和HIF-1β 兩個亞基組成。HIF-1β 在組織中呈內在性表達，而 HIF-1α 蛋白受氧濃度及生長因子等調控，在常氧狀態(tài)下通過泛素化作用被蛋白酶快速降解，在胞漿中幾乎檢測不到，但在低氧或生長因子刺激時進入細胞核中與 HIF-1β 結合，調控多種下游基因的轉錄與表達。

HIF-1α 最初是從其與人促紅細胞生成素（EPO）的作用中發(fā)現(xiàn)的。研究表明 HIF-1α 能與人促紅細胞生成素基因的 3’ 增強子序列結合，促進其轉錄；并且該因子對多種低氧反應性基因的轉錄都有調控作用，并可能參與對低氧反應的其他信號轉導過程。目前已知受 HIF-1 調控的基因有 60 余種，如：血管內皮生長因子、促紅細胞生成素、乳酸脫氫酶、血小板衍生生長因子-β 等。

近年，已有研究表明 HIF-1α 在肝癌、乳腺癌、腦腫瘤、結腸癌、早期宮頸癌、膀胱腫瘤、鱗狀細胞癌等多種腫瘤組織中有過度表達并調節(jié)其細胞生物學行為，并與這些腫瘤的分級、血管生成、轉移等密切相關。通過對 HIF-1α 與惡性腫瘤細胞生物學特性之間的關系研究，發(fā)現(xiàn)其表達的調控可能存在氧依賴和非氧依賴兩種基本的調控通路，且非氧依賴的調控通路可能發(fā)揮更多樣的調節(jié)作用。

2 氧依賴和非氧依賴調控通路及其作用

氧濃度變化以及生長因子水平等可通過氧依賴和非氧依賴調控通路激活相關信號從而上調 HIF-1α 表達。氧依賴通路主要是指 VHL（von Hippel-Lindau）腫瘤抑制蛋白途徑，而非氧依賴途徑包括：絲裂原活化的蛋白激酶途徑（MAPK）、磷脂酰基醇-3（PI3K）途徑以及 RACK1 途徑。目前研究證明，HIF-1α 蛋白的合成受非氧依賴途徑如 MAPK 和 PI3K 途徑的調控；HIF-1α 蛋白的降解受非氧依賴的 RACK1 蛋白途徑和氧依賴的 VHL 途徑的調控[2]。

需要指出的是，低氧誘導的 HIF-1α 上調，一方面是氧依賴途徑介導的降解減少，另一方面是非氧依賴途徑誘導的合成增加，其中非氧依賴途徑發(fā)揮更為重要的作用。目前研究表明，氧依賴通路主要調控氧濃度變化所誘導的 HIF-1α 降解，而非氧依賴通路不僅可以調控氧濃度變化及生長因子誘導的 HIF-1α 的生成，而且還調控 HIF-1α 的降解。

3 HIF-1α的非氧依賴調控通路及在腫瘤中的作用

非氧依賴途徑是目前研究較為深入的途徑，參與 HIF-1α 促血管生成、促造血、調控腫瘤基因以及藥物應用靶點等一系列生命活動。

3.1 PI3K/Akt 途徑

Akt 基因是一個絲/蘇氨酸蛋白激酶，又被稱為蛋白激酶 B（protein kinase B，PKB）。PI3K（phosphatidylinositol-3 kinase）由調節(jié)亞基 p85 和催化亞基 p110 構成。Ser473 和（或）Thr308 位點的磷酸化是 Akt 激活的必要條件，而 Akt 激活是其發(fā)揮促細胞生存功能的重要前提[3]。當 Akt 活化后，可以磷酸化其下游的許多底物，從而發(fā)揮其生物學特性。其具體通路為：細胞因子 + G 蛋白偶聯(lián)受體→ PI3K → Akt → mTOR（mammalian target of rapamycin）→ HIF-1α。PI3K/Akt 途徑可以穩(wěn)定調節(jié) HIF-1α，從而參與腫瘤血管生成、調控腫瘤基因以及抗腫瘤藥物途徑等。

在腫瘤細胞中，很多生長因子能誘導 HIF-1α 蛋白的表達，并能影響 HIF-1α 的 DNA 的結合活性。這些因子包括：表皮生長因子（EGF）、成纖維細胞生長因子 2、胰島素、胰島素樣生長因子 1、2 等。研究發(fā)現(xiàn)，乳腺癌細胞中 HIF-1α 和血管內皮生長因子（VEGF）的高表達，是由胰島素樣生長因子 1 通過 PI3K 途徑介導的，并且可以被山豆根堿抑制[4]。在乳腺癌細胞中，堿性纖維母細胞生成因子（bFGF）誘導 HIF-1α 的活化從而促進血管生成，此過程是通過 PI3K/Akt 途徑來實現(xiàn)的[5]。人類T 細胞親淋巴病毒I型（human T-cell leukaemia virus type 1）是成人T 細胞白血病的病因之一，研究發(fā)現(xiàn)HTLV-1 Tax 能夠激活PI3K/Akt 途徑，從而上調HIF-1α 以及VEGF 的表達[6]。由此可見，HIF-1α 介導的腫瘤血管生成可能受其上游 PI3K/Akt 途徑調節(jié)。

在腫瘤基因方面，HER2neu 的高表達與乳腺癌患者的不良預后密切相關，在 NIH-3T3 細胞以及 MCF-7 乳腺癌細胞中，HER2neu 受體的酪氨酸激酶活性誘導 HIF-1α 蛋白的表達，而且可以被 PI3K 途徑抑制劑（wortmannin、LY294002、rapamycin）阻斷；值得注意的是，heregulin（一種神經調節(jié)蛋白）作用于乳腺癌 MCF-7 細胞引起的 HIF-1α 蛋白誘導表達是蛋白生成增加的結果而不是因為降解減少[7]。另外，PTEN 基因是一種腫瘤抑制基因，該基因編碼的一種磷酸酶可使PI3K 去磷酸化，從而一定程度上抑制 PI3K/Akt 途徑。PTEN 基因功能喪失與膠質瘤和前列腺癌的血管生成和腫瘤進展有關。PTEN 可通過抑制 PI3K/Akt 途徑，下調前列腺癌細胞中 HIF-1α 的表達[8]。

此外，一些抗腫瘤藥物的作用途徑也涉及到此信號通路。福達拉濱通過下調HIF-1α 蛋白來降低 VEGF 的表達，此過程需要 PI3K/Akt 途徑的參與[9]。岡田酸（okadaic acid）可通過 Akt 途徑激活 HIF-1 從而上調 VEGF 的表達，促進新生血管形成[10]。中藥肺巖寧方下調裸鼠人肺腺癌細胞移植瘤中磷酸化Akt 和HIF-1α 蛋白表達，由此推測可能是通過抑制Akt 途徑下調HIF-1α 蛋白的表達[11]。目前國內關于中藥和腫瘤HIF-1α 關系的研究較多，但具體作用途徑及機制還有待進一步發(fā)掘和研究。

3.2 MAPK 途徑

絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，MAPK 包括細胞外信號調控的蛋白激酶（extracellular signal-regulated protein kinase，ERK）、Jun N 端激酶/應激活化的蛋白激酶（Jun N-terminal kinase/stress- activated protein kinase，JNK/SAPK）和p38MAPK。其可以被多種細胞外信號激活，處于胞漿信號轉導通路的終末位置，活化后轉位到核內，作用于核內轉錄因子，調節(jié)基因表達[12]。其具體通路為：細胞因子 + G 蛋白偶聯(lián)受體→ MEK（MAPK激酶）→ ERK→ HIF-1α。MAPK 途徑可以激活 HIF-1α，參與腫瘤血管生成、促造血及黑色素形成等。

在血管生成方面，卡波西肉瘤相關皰疹病毒編碼的自發(fā)活性G 蛋白偶聯(lián)受體，通過增強 HIF-1α 反式激活域（transactivation domain）功能刺激血管內皮生長因子的基因轉錄，這一通路可被 MEK1 的抑制劑（PD098059）和p38抑制劑（SKF86002）阻斷[13]。低氧培養(yǎng)的人肝癌細胞 Hep3B 中，HIF-1α 反式激活域功能可被 PD098059 抑制，并可被 SKF86002 一定程度上抑制[14]。研究表明，H-RAS 誘導血管內皮生長因子表達是通過 PI3K 通路還是 MAPK 通路取決于具體的細胞類型[15]。但是，MAPK 活化 HIF-1α 的特異性與刺激物類型還是與細胞類型有關，目前尚無定論[16]。Trisciuoglio 等[17]發(fā)現(xiàn)，bcl-2 通過 MAPK 途徑誘導上調黑色素瘤細胞的 HIF-1α 和 VEGF 的表達，從而促進血管生成，而 PI3K 途徑也發(fā)揮了重要的作用。研究發(fā)現(xiàn)，干細胞因子（SCF/c-Kit）可以通過 PI3K/Akt 途徑和 MAPK途徑誘導 HIF-1α 的積聚，從而發(fā)揮促造血以及促黑色素形成等作用[18]。值得注意的是，在紅白血病 K562 細胞中，低氧通過 MAPK 途徑激活 HIF-1α，而后者可以發(fā)揮促存活和促凋亡的雙重作用[19]。此外，Mylonis 等[20]發(fā)現(xiàn)，MAPK 的 Ser-641/643 位點磷酸化能夠促進 HIF-1α 的核轉運以及轉錄活性，這表明 MAPK 在 HIF-1α 的蛋白轉運和轉錄活性的調控方面可能比 PI3K/Akt 途徑發(fā)揮更獨特的作用。

MAPK 信號轉導通路作為一個功能多樣、反應靈敏的信號轉導系統(tǒng)，在細胞生命活動中不可或缺。MAPK 途徑對 HIF-1α 具有反式激活功能，并可能調控 HIF-1α 的核轉運以及轉錄活性，但此途徑具有一定的特異性，并且在一些細胞中和 PI3K/Akt 途徑共同發(fā)揮作用。

3.3 RACK1 蛋白途徑

RACK1 蛋白途徑是近期才被人們認知的 HIF-1α 的非氧依賴降解途徑，主要參與熱休克蛋白 90 以及環(huán)孢素作用機制等，其在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用還有待進一步研究。首先，眾所周知，熱休克蛋白 90（HSP90）可以和 HIF-1α 結合，研究證明：在 VHL 缺乏的細胞中，HSP90 的抑制劑能夠抑制腫瘤的生長以及 HIF-1α 的蛋白酶體降解[21]。在 HSP90 被抑制的情況下，RACK1 蛋白競爭 HSP90 和 HIF-1α 結合的 PAS-A 結構域，以實現(xiàn) HIF-1α 的降解。因此，在 VHL 途徑缺乏的情況下，HSP90 的抑制劑介導的 HIF-1α 的降解是依賴 RACK1 蛋白途徑的[22]。另外，研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)孢素能夠抑制鈣調磷蛋白磷酸酶（calcineurin），因此后者催化亞基和 RACK1 蛋白的結合也隨之減少，從而降低 HIF-1α 的降解[23]。

4 結語

HIF-1 廣泛參與機體的缺氧應答，HIF-1α 的活化促進腫瘤的發(fā)生、發(fā)展。HIF-1 自身活性的調控在很大程度上決定了腫瘤細胞對氧分壓變化及細胞因子應答的敏感性和準確性，而非氧依賴途徑在其中發(fā)揮了重要作用。Alam 等[24]發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)SH 可以誘導 HIF-1 活化，從而上調 VEGF 等靶蛋白的表達，此過程不僅依賴 PI3K/Akt 途徑，而且可以被 ERK 抑制劑 PD9805 所抑制，但后者的途徑中的分子并不是 ERK1/2 或 5。因此 HIF-1α 的轉導通路還有很多是未知的。盡管目前有大量研究支持 PI3K/Akt、MAPK 和 RACK1 途徑是調控腫瘤 HIF-1α 表達和活性的三條重要非氧依賴途徑，但仍然有許多未知和有爭議的問題亟待解決。為了更加透徹的理解 HIF-1α 非氧依賴調控通路作用，今后的研究應關注以下幾個方面：①除了上述經典途徑以外，是否還存在著其他一些通路；② RACK1 蛋白途徑的進一步研究；③目前大多數(shù)研究主要關注于腫瘤細胞的研究，而對于其“土壤”基質細胞的研究還不多；④實體腫瘤的研究較多，而像血液系統(tǒng)腫瘤的調控通路研究還相對較少。隨著 HIF-1α 調控通路研究的不斷深入，可能為腫瘤的治療提供新的靶點。

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全軍醫(yī)學科研“十一五”面上項目（06-MB238）

孔佩艷，Email：peiyankong@yahoo.com.cn

2009-10-27

10.3969/cmba.j.issn.1673-713X.2010.02.010