粟慧琳 徐金華 朱敏

(復旦大學附屬華山醫(yī)院皮膚科，上海 200040)

·綜述·

缺氧誘導因子HIF-1在抗真菌免疫中的作用

粟慧琳 徐金華 朱敏

(復旦大學附屬華山醫(yī)院皮膚科，上海 200040)

缺氧誘導因子-1 (hypoxia-inducible factor-1，HIF-1)是細胞在低氧狀態(tài)下起重要作用的核轉錄因子。體內真菌感染部位常形成缺氧微環(huán)境，從而激活HIF-1并在抗真菌感染免疫中起到重要作用。該文就HIF-1的結構、活性調控及相關信號通路，真菌感染與缺氧的關系，HIF-1對宿主抗真菌免疫的影響等方面進行了綜述。

缺氧誘導因子-1；抗真菌免疫；煙曲霉；組織胞漿菌；白念珠菌

缺氧誘導因子-1 (hypoxia-inducible factor-1,HIF-1)是哺乳動物細胞在低氧或缺氧環(huán)境下起作用的重要轉錄因子。缺氧狀態(tài)下可形成有活性的HIF-1，作為核轉錄因子調節(jié)多種基因的轉錄[1]。這些基因的表達產物會進一步參與細胞的生理過程，使細胞在缺氧條件下維持內環(huán)境的穩(wěn)定。因此，HIF-1及其誘導表達的基因在生理性缺氧以及多種病理情況下均發(fā)揮著重要作用[2-3]。諸多研究發(fā)現HIF-1及缺氧在感染性疾病過程中發(fā)揮著重要作用[4]，對宿主免疫應答有重要影響。真菌感染是感染免疫研究中的重要組成部分，體內真菌感染部位常形成缺氧微環(huán)境，從而激活HIF-1并在抗真菌感染免疫中起到重要的調節(jié)作用。近年來該領域學者陸續(xù)研究了HIF-1在真菌感染中的作用及相關機制，為抗真菌感染提供了一些新的治療策略。本文就HIF-1的結構、活性調控及相關信號通路，真菌感染與缺氧的關系，HIF-1對宿主抗真菌免疫的影響等方面進行綜述。

1 HIF-1的結構與功能及相關信號通路

1.1 HIF-1的結構與活性調控

HIF是由120kD的HIF-1α亞基和91-94kD的HIF-1β亞基組成的高度保守的異源二聚體。HIF-1β亞基是一種芳香烴受體核轉運子 (aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator,ARNT),穩(wěn)定存在于胞漿或核質中，起結構性作用。HIF-1α主要存在于在細胞質中，是HIF-1的活性亞基，也是應答缺氧應激的關鍵因子[1,5]。

在正常氧飽和度下，由于HIF-1α亞基會被泛素蛋白酶降解途徑迅速降解，基本檢測不到HIF-1α的表達；而在缺氧狀態(tài)下，泛素化和羥基化水平下降,α亞基的降解被抑制，HIF-1α穩(wěn)定存在于細胞中作為核轉錄因子調節(jié)多種基因的轉錄[6]。HIF-1α的半衰期不足5 min，HIF-1α蛋白化、磷酸化等的調節(jié)和信號轉導途徑來提高蛋白質的穩(wěn)定性并增強其活性。因此，氧分壓是調節(jié)HIF-1α的主要生理因素。

1.2 HIF-1α及其相關信號通路

在低氧環(huán)境下，HIF-1α在細胞內積聚并與HIF-1β結合形成HIF-1，并參與多條信號轉導通路，介導細胞下游分子對缺氧的產生相關反應。磷脂酰激醇3-激酶 (phosphatidyl inositol 3-kinase，PI3K)信號通路在細胞增殖和凋亡中發(fā)揮作用。在低氧環(huán)境下，PI3K被激活，并與下游的蛋白激酶B (protein kinase B,PKB/Akt)結合，使得Akt磷酸化，增強HIF-1α活性，啟動下游靶基因轉錄，使得細胞增殖增加而細胞凋亡減少[7]。泛素化特異性蛋白酶1 (sentrin-specific protease 1,SENP1)是小泛素樣修飾蛋白 (Small Ubiquitin-related Modifier Protein,SUMO)特異性蛋白酶家族成員，缺氧能夠抑制脯氨?；u化酶 (prolyl 4-hydroxylases,PHD)的活性，同時激活SENP1。PHD的活性隨后降低使得HIF-1α的表達增加，同時激活的SENP1使HIF-1α去SUMO化，HIF-1α得以穩(wěn)定表達，并激活下游靶基因[8]。絲裂原活化蛋白激酶 (mitogen-activated protein kinase，MAPK)能夠促進細胞增殖，抗凋亡，細胞外信號調節(jié)激酶 (extracellular regulated kinase，ERK)是MAPK蛋白家族成員，低氧能夠誘ERK磷酸化，進而激活癌基因，產生癌細胞。原癌基因Ras是ERK的上游調控因子，原癌基因Raf的N端結構域與之結合并激活，再進一步激活下游的MAPK/ERK激酶 (MAPK/ERK/Kinase，MEK)，使得ERK磷酸化，提高HIF-1α的表達水平[9]。PI3K通路及及哺乳動物雷帕霉素靶蛋白 (mammalian target of rapamycin，mTOR)也能通過ERK啟動HIF-1α的翻譯，通過滅活翻譯抑制因子或者激活核糖體蛋白6S激酶 (p70S6K)來激活特異性的mRNA序列的翻譯[10]。核因子κB (NF-κB)是關鍵性的免疫調節(jié)因子，通過直接正調控下游的HIF-1α，增強HIF-1α在炎癥中的作用[11-12]。

2 真菌感染與缺氧的關系

近年來，體外研究真菌和宿主間的相互作用使得對人體對真菌的免疫反應的研究更為透徹。但是，這些研究往往是在常氧環(huán)境下進行的，并不能很好地模仿真正的體內環(huán)境，并且忽視了微環(huán)境對病原和宿主細胞二者的壓力。目前已有諸多研究報道了缺氧在免疫應答中的調節(jié)作用，而在炎癥和病原感染狀態(tài)下，缺氧是一種較為常見的微環(huán)境[13]。

煙曲霉是空氣中分布最為廣泛的真菌，是臨床上真菌感染中最常見的機會性致病真菌之一。體外研究已經證實煙曲霉可以在低氧水平下生長[14](O2≤0.5%)，而在多個不同的煙曲霉侵襲性感染小鼠模型中，體內肺部感染部位的組織也被證實為缺氧狀態(tài) (O2≤1.5%)。Grahl等采用缺氧檢測劑鹽酸哌莫硝唑 (低氧探針-1)對侵襲性肺曲霉感染小鼠模型的肺部進行檢測，發(fā)現宿主免疫細胞是導致缺氧狀態(tài)的主要原因，炎癥反應較重的部位其缺氧狀態(tài)更為嚴重。研究還發(fā)現，侵襲性肺曲霉模型小鼠的肺泡灌洗液中可以檢測到乙醇產生。煙曲霉在常氧環(huán)境下不能產生足夠可檢測的乙醇，缺氧培養(yǎng)條件下的煙曲霉培養(yǎng)上清則可檢測到顯著升高的乙醇，間接證實了感染部位的缺氧環(huán)境[15-16]。熒光素酶產光反應是一個依賴于氧氣的過程，Brock等[17-18]發(fā)現產熒光素酶的煙曲霉在感染后一天其熒光素酶水平降低至最低值，但其真菌載量出現增加，也間接證實了煙曲霉感染部位的低氧狀態(tài)。

機體在通過缺氧機制調節(jié)相關免疫應答的同時，真菌病原對缺氧微環(huán)境也在不斷地進化與適應。大量研究發(fā)現，在真菌對缺氧過程中發(fā)生的基因突變絕大多數位于代謝相關基因，并不影響真菌毒力[19]。其中包括真菌感應固醇水平相關基因UPC2、SRE以及活性氧ROS、活性氮RNS相關基因等[20-23]。白念珠菌作為最常見的機會性致病真菌，常定植于處于低氧狀態(tài)的胃腸道[24]；新生隱球菌易引發(fā)隱球菌性腦膜炎，而人類大腦內的氧濃度也顯著低于大氣環(huán)境[25]，均間接支持了真菌病原在感染致病過程中需要面對低氧狀態(tài)。

在真菌感染過程中，真菌侵襲的組織首先會引發(fā)固有免疫系統(tǒng)相關免疫細胞的募集與增加。這些部位由于能量需求增高，往往血液灌注會減少并迅速酸化。一方面可以通過缺氧機制來調節(jié)HIF-1的增加，另一方面還可以通過非氧依賴的機制來調節(jié)HIF-1表達。諸如通過Toll樣受體 (Toll like receptor，TLR)的下游信號激活NFκB進而調節(jié)HIF-1[26-27]。因此，研究HIF-1在真菌感染中的作用將有助于了解缺氧狀態(tài)下宿主對真菌的的免疫應答，并發(fā)現潛在的真菌致病機制，提升現有的診治策略。

3 HIF-1對宿主抗真菌免疫的影響

3.1 HIF-1在抗煙曲霉感染中的作用

Shepardson等[28]的研究發(fā)現，在缺氧狀態(tài)下真菌的細胞壁將會增厚，其表面暴露的β-葡聚糖含量會增加。此外，巨噬細胞及中性粒細胞的反應與抗真菌作用增強。這些效應依賴于細胞表面識別β-葡聚糖的受體Dectin-1。

而Mirjam等[29]的研究則發(fā)現當人單核來源的樹突狀細胞 (DCs)在體外低氧環(huán)境下與煙曲霉共培養(yǎng)時，DCs釋放的細胞因子減少，其成熟分化也受到影響，提示缺氧可能抑制煙曲霉感染時DCs的活化和功能。

Kelly等[30]采用HIF1-α缺失的小鼠進行動物實驗，對HIF-1的功能進行了驗證。發(fā)現HIF-1對煙曲霉感染后小鼠的生存率和真菌的清除率均起到一定作用，但HIF-1α缺失的小鼠其巨噬細胞與中性粒細胞殺傷真菌孢子的作用卻未受到影響。HIF-1α缺失的小鼠其真菌易感性可能與感染早期趨化因子CXCL1以及中性粒細胞的凋亡增加有關。在額外補充趨化因子CXCL1后，可以恢復HIF-1α缺失的小鼠中性粒細胞的數目與存活率，并提高小鼠的生存率和真菌清除率。提示在侵襲性肺曲霉感染過程中，HIF-1確實有獨特的抗真菌感染機制，在治療特殊免疫抑制狀態(tài)感染真菌的患者時，可以考慮將HIF-1作為一個可能的治療靶點。

3.2 HIF在抗莢膜組織胞漿菌中的作用

莢膜組織胞漿菌是常見的引起肺部真菌感染的病原之一，其在肺內引發(fā)的肉芽腫處于一個持續(xù)的缺氧微環(huán)境狀態(tài)。Roger等[31]對HIF-1在抗莢膜組織胞漿菌感染中的作用進行了相關研究。發(fā)現髓系敲除HIF-1α的小鼠在感染亞致死量的莢膜組織胞漿菌后其真菌載量高于對照小鼠，生存率低于對照小鼠。HIF-1α的缺失并未改變感染小鼠肺內的免疫細胞的募集，但是與抑炎因子IL-10的升高相關。使用抑制IL-10的抗體后，免疫缺陷小鼠可以重建保護性的抗真菌免疫。巨噬細胞是分泌IL-10的最主要的細胞。特異性敲除中性粒細胞與樹突狀細胞中的HIF-1α不能改變小鼠感染后的真菌載量。因此巨噬細胞在宿主抵抗中起關鍵作用，在感染后巨噬細胞可以穩(wěn)固HIF-1的抗真菌作用。在感染莢膜組織胞漿菌后HIF-1α缺失小鼠中轉錄因子CREB活性增強，進一步驅使巨噬細胞中IL-10產生。IL-10抑制了巨噬細胞控制真菌生長的作用，HIF-1與IL-10在抗真菌反應中有一定的反向關聯性。

3.3 HIF-1在抗白念珠菌中的作用

白念珠菌是臨床上引發(fā)免疫抑制患者繼發(fā)真菌感染的最常見條件致病菌，平時生存于人體的皮膚、黏膜、消化道及其他臟器中，當機體抵抗力降低時，白念珠菌就會繁殖，達到一定量時，人體就會發(fā)病。Fan等[32]在研究人體共生菌時發(fā)現一個很有趣的現象:共生菌可以通過活化HIF-1與LL-37來抑制白念珠菌在腸道中的定植。當采用抗生素處理誘導白念珠菌在胃腸道內定植時，腸道細胞HIF-1α活化并誘導抗菌肽LL-37-CRAMP活化表達，進而使得白念珠菌在腸道內的定植下降，降低50%的侵襲致死率。

此外，白念珠菌在免疫學研究中常作為激活Dectin-1的模式菌來進行研究。Dectin-1下游可通過mTOR-HIF1α信號途徑來誘導向需氧糖酵解的代謝轉換。糖酵解在固有免疫開始時對HIF-1α具有一定的影響作用[33]。

4 小 結

HIF-1作為細胞內重要的核轉錄因子在許多的生理病理過程中都發(fā)揮著重要作用。許多感染性病原的體外與體內實驗均證實，在病原與宿主的相互作用中HIF-1起到重要的調節(jié)作用。其在真菌感染中是通過何種機制來產生調節(jié)作用還有待進一步的研究。相信通過深入研究，將有助于進一步揭開真菌感染免疫網絡的面紗，并且為真菌感染性疾病的預防與治療開辟一個新方向。

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[本文編輯] 施 慧

國家重點基礎研究發(fā)展計劃/973計劃 (2013CB536005)

粟慧琳，女 (漢族)，博士研究生在讀.E-mail:911387967@qq.com

朱敏,E-mail:Juneminmyco@126.com；徐金華，E-mail:xjhhsyy@126.com

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1673-3827(2017)12-0233-04

2017-01-17