缺氧诱导因子-1与脑缺血缺氧性损伤研究进展
摘 要：缺氧诱导因子-1(hypoxia-inducible factor-1，HIF-1)是目前发现的最重要的缺氧感受因子。它作为一种转录调节因子，在脑缺血缺氧状态下，可激活100多种缺氧反应性基因表达，对脑缺血缺氧后微血管的再生、神经元的能量代谢、神经干细胞的增殖、分化的调控起到重要作用。但最近又发现，HIF-1是介导脑缺血缺氧后炎症损伤的关键因子，同时参与脑缺血缺氧后神经元的迟发性死亡。对近5年来国内外HIF-1与脑缺血缺氧性损伤的相关研究成果进行综述。
关键词：缺氧诱导因子-1；脑缺氧缺血性损伤；缺氧反应性基因
中图分类号：R743文献标识码：A文章编号：1673-2197(2008)02-023-05
1 HIF-1的结构特征及基因定位
HIF-1于1992年由Semenza在缺氧诱导的Hep3B细胞核提取物中发现[1]。它包括120kD的 亚基和91-94kD的β亚基，主要以异源二聚体形式存在，二者均属碱性螺旋-环-螺旋-Per-ARNT-Sim(bHLH-PAS)超家族成员， β亚基为组成型表达。HIF-1 的N 端具有bHLH和PAS区域， bHLH 区和DNA 结合， PAS 区则与HIF-1 形成二聚体，共同构成HIF-1 的DNA 结合结构域(DNA-binding domain， DBD)。HIF-1 C端的2个转录激活区域， 分别称为氨基端反式激活区(trans-activation domain-N， TAD-N) 和羧基端反式激活区(trans-activation domain-C，TAD-C)。TAD-C具有募集p300 /CBP形成转录起始复合物的作用， 从而激活靶基因的转录。在常氧状态下，该区天门冬酰胺803的羟基化抑制其转录活性，2个转录激活区域之间为抑制结构域， 能降低HIF-1的转录活性[4-6]。HIF-l 基因定位于人的14号染色体q21-24区，鼠的12号染色体上，而HIF-1β基因定位于人的1号染色体q21区，鼠的3号染色体上。
, 百拇医药
2 HIF-1转录活性的调节
在生理状态下，FIH-1(factor inhibiting HIF-1)可以使 TAD-C的天门冬酰胺803羟基化，该过程可以阻止HIF-1 与转录共活化因子的结合，但并不影响HIF-1α的稳定性。FIH-1是O2依赖性羟化酶，低氧、铁螯合剂可以降低它的活性，但它的转录不受氧浓度的影响[7]。研究表明，HIF-1 相关位点氨基酸残基的磷酸化也可以调节转录活性，MAPK通路、PI3K信号通路在这一过程中起明显作用。有文献报道ERK、P38激酶在体外可以磷酸化HIF-1 /HIF-2，使用ERK、p38激酶的抑制剂可以降低HIF-1 的转录活性，这一过程可能是由于磷酸化的HIF-1 与HIF-1 具有更高的亲和性[8]；细胞因子( platelet-derived growth factor， PDGF、tumor Necrosis Factor， TNF、insulin-like growth factor-1/2， IGF-1/2)介导的磷酸化级联反应也可以影响HIF-1 的转录活性[9]。小分子泛素样修饰物(Small Ubiquitin-like MOdifier，SUMO)可以同时作用于HIF-1 与HIF-1， 降低HIF-1的转录活性。在缺氧状态下一氧化氮(NO)可以维持PDHs(prolyl hydroxylase domains)的稳定性，加强HIF-1 的PDHs依赖性降解途径，也有研究表明，NO亚硝基化HIF-1 半胱氨酸800可以提高HIF-1 与转录共激活因子的结合能力[10]。
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HIF-1转录活性的调节涉及以下几个过程:①FIH-1羟基化天门冬酰胺803，阻止HIF-1 与转录共激活因子的结合，金属离子及离子螯合剂可以调节这一过程；②HIF-1 相关蛋白位点磷酸化后可以增加与HIF-1 的亲和力，增强转录活性；③小分子泛素样修饰物可以修饰HIF-1，抑制转录活性；④NO可以加速HIF-1的降解或增强转录活性。
3 HIF-1与靶基因
缺氧对机体产生严重影响，这一过程涉及到HIFs激活细胞内多种缺氧反应性基因的表达，其中HIF-1起主要作用 [11]。在缺氧状态下，HIF-1 降解受抑制，与靶基因的缺氧反应应答元件(hypoxia response element， HRE)结合促进转录。它的靶基因主要有：①通过扩血管效应和新的血管网的构建来调节局部组织的氧供的基因，如：诱导型一氧化氮合酶(iNOS)、内皮素1(ET1)、血管内皮生成因子及其受体(Vascular endothelial growth factor，VEGF、VEGFR)等。②增强细胞对葡萄糖的摄取能力和无氧酵解能力的基因，如：葡萄糖转运体-1/3(glucose transporter-1/3， GLU1/3)、乳酸脱氢酶A(Lactate dehydrogenase-A，LDHA)、丙酮酸激酶M(Pyruvate kinase M， PKM)。③促进红细胞增殖，提高血液携氧量的基因，如：促红细胞生成素( erythropoietin，EPO)、转铁血红蛋白及其受体等。研究发现，神经系统也存在促红细胞生成素(erythropoietin， EPO)，并且EPO 通过与受体结合引起的一系列信号转导，对脑发育[12]、缺血、缺氧性脑病及帕金森病等疾病起到保护作用[13-15]，其作用机制主要涉及降低氧化损伤、缓解血管痉挛、及调节神经递质等过程[16-17]。
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4 HIF-1与脑缺血
4.1 HIF-1与血管再生
脑组织内微血管再生对缺血缺氧脑组织的存活有重要作用。血管再生是一个复杂的过程，涉及到多种细胞产生的生物活性因子。Sun等[18]发现，通过大鼠脑室内预先注射VEGF，可以促进齿状回和室管区(SVZ)神经元再生，以及纹状体半暗带区域的血管再生，VEGF的表达受到HIF-1的特异性调控。Chavez等[19]将大鼠暴露在低氧环境中，发现缺氧后4h~14d， HIF-1 持续高表达，同时VEGF、GLU-3的mRNA水平也升高，到21d时恢复到原来水平，但将缺氧后21d的大鼠暴露在更低的氧环境中时，HIF-1 的水平又升高，可见在HIF-1的作用下，血管的重塑和能量代谢的改变对脑组织适应长时间的缺氧有重要意义。EPO在缺氧缺血状态下可以与内皮细胞表面的受体结合，通过JAK2信号通路促进血管内皮细胞的增殖，它也可以通过VEGF/VEGFR途径间接促进血管再生[20]。Konstantin等[21]发现，暴露于低氧环境中180min和300min的大鼠与对照组相比，MCAo(middle cerebral artery occlusion)后脑梗死体积分别降低了75%和54%，HIF-1与DNA的结合能力明显增强，EPO的mRNA水平上升了7倍，表明HIF-1 /EPO途径可以影响大鼠的脑缺血耐受能力。
, 百拇医药
4.2 HIF-1与神经元再生
脑缺血缺氧状态下，神经干细胞可以通过增生分化来部分修复受损组织的功能，Arvidsson等[22]对大鼠实施MCAo后发现，室管区有大量干细胞增生，并移行到受损的纹状体区分化为成熟的神经元，许多因素如脑源性EPO、VEGF、IGF-1、干细胞生长因子等氧依赖性基因影响这一过程，而它们受到HIF-1的调控[18、23]。Nakatomi等[24]发现，干细胞生长因子可以促进短暂性缺血状态下的大鼠海马区锥体细胞的再生。Bernaudin 等[25]通过向MCAo大鼠脑室内注射EPO，发现神经干细胞的增殖和分化明显，梗死体积明显减少。除Tomita等[26]发现，神经元内HIF-1 基因特异性敲除的成年大鼠出现明显的神经元变性、脑水肿和空间感知障碍，HIF-1 基因敲除的大鼠胚胎出现明显的脉管发育障碍，且端脑有大量神经元凋亡。Javorina等[27]发现，HIF-1 基因敲除的成年大鼠脑组织内VEGF mRNA水平明显下降，在黑质区多巴胺标记分子酪氨酸羟化酶(tyrosine hydroxylase，TH)、醛脱氢酶(aldehyde dehydrogenase)分别降低了41%和61%，BCL2降低了58%，而caspase-3被激活。由此可见，HIF-1可能通过靶基因促进神经元再生和分化。 , 百拇医药(刘乔飞 冯 超 隆艳艳 冯 林 车永哲)
关键词：缺氧诱导因子-1；脑缺氧缺血性损伤；缺氧反应性基因
中图分类号：R743文献标识码：A文章编号：1673-2197(2008)02-023-05
1 HIF-1的结构特征及基因定位
HIF-1于1992年由Semenza在缺氧诱导的Hep3B细胞核提取物中发现[1]。它包括120kD的 亚基和91-94kD的β亚基，主要以异源二聚体形式存在，二者均属碱性螺旋-环-螺旋-Per-ARNT-Sim(bHLH-PAS)超家族成员， β亚基为组成型表达。HIF-1 的N 端具有bHLH和PAS区域， bHLH 区和DNA 结合， PAS 区则与HIF-1 形成二聚体，共同构成HIF-1 的DNA 结合结构域(DNA-binding domain， DBD)。HIF-1 C端的2个转录激活区域， 分别称为氨基端反式激活区(trans-activation domain-N， TAD-N) 和羧基端反式激活区(trans-activation domain-C，TAD-C)。TAD-C具有募集p300 /CBP形成转录起始复合物的作用， 从而激活靶基因的转录。在常氧状态下，该区天门冬酰胺803的羟基化抑制其转录活性，2个转录激活区域之间为抑制结构域， 能降低HIF-1的转录活性[4-6]。HIF-l 基因定位于人的14号染色体q21-24区，鼠的12号染色体上，而HIF-1β基因定位于人的1号染色体q21区，鼠的3号染色体上。
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2 HIF-1转录活性的调节
在生理状态下，FIH-1(factor inhibiting HIF-1)可以使 TAD-C的天门冬酰胺803羟基化，该过程可以阻止HIF-1 与转录共活化因子的结合，但并不影响HIF-1α的稳定性。FIH-1是O2依赖性羟化酶，低氧、铁螯合剂可以降低它的活性，但它的转录不受氧浓度的影响[7]。研究表明，HIF-1 相关位点氨基酸残基的磷酸化也可以调节转录活性，MAPK通路、PI3K信号通路在这一过程中起明显作用。有文献报道ERK、P38激酶在体外可以磷酸化HIF-1 /HIF-2，使用ERK、p38激酶的抑制剂可以降低HIF-1 的转录活性，这一过程可能是由于磷酸化的HIF-1 与HIF-1 具有更高的亲和性[8]；细胞因子( platelet-derived growth factor， PDGF、tumor Necrosis Factor， TNF、insulin-like growth factor-1/2， IGF-1/2)介导的磷酸化级联反应也可以影响HIF-1 的转录活性[9]。小分子泛素样修饰物(Small Ubiquitin-like MOdifier，SUMO)可以同时作用于HIF-1 与HIF-1， 降低HIF-1的转录活性。在缺氧状态下一氧化氮(NO)可以维持PDHs(prolyl hydroxylase domains)的稳定性，加强HIF-1 的PDHs依赖性降解途径，也有研究表明，NO亚硝基化HIF-1 半胱氨酸800可以提高HIF-1 与转录共激活因子的结合能力[10]。
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HIF-1转录活性的调节涉及以下几个过程:①FIH-1羟基化天门冬酰胺803，阻止HIF-1 与转录共激活因子的结合，金属离子及离子螯合剂可以调节这一过程；②HIF-1 相关蛋白位点磷酸化后可以增加与HIF-1 的亲和力，增强转录活性；③小分子泛素样修饰物可以修饰HIF-1，抑制转录活性；④NO可以加速HIF-1的降解或增强转录活性。
3 HIF-1与靶基因
缺氧对机体产生严重影响，这一过程涉及到HIFs激活细胞内多种缺氧反应性基因的表达，其中HIF-1起主要作用 [11]。在缺氧状态下，HIF-1 降解受抑制，与靶基因的缺氧反应应答元件(hypoxia response element， HRE)结合促进转录。它的靶基因主要有：①通过扩血管效应和新的血管网的构建来调节局部组织的氧供的基因，如：诱导型一氧化氮合酶(iNOS)、内皮素1(ET1)、血管内皮生成因子及其受体(Vascular endothelial growth factor，VEGF、VEGFR)等。②增强细胞对葡萄糖的摄取能力和无氧酵解能力的基因，如：葡萄糖转运体-1/3(glucose transporter-1/3， GLU1/3)、乳酸脱氢酶A(Lactate dehydrogenase-A，LDHA)、丙酮酸激酶M(Pyruvate kinase M， PKM)。③促进红细胞增殖，提高血液携氧量的基因，如：促红细胞生成素( erythropoietin，EPO)、转铁血红蛋白及其受体等。研究发现，神经系统也存在促红细胞生成素(erythropoietin， EPO)，并且EPO 通过与受体结合引起的一系列信号转导，对脑发育[12]、缺血、缺氧性脑病及帕金森病等疾病起到保护作用[13-15]，其作用机制主要涉及降低氧化损伤、缓解血管痉挛、及调节神经递质等过程[16-17]。
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4 HIF-1与脑缺血
4.1 HIF-1与血管再生
脑组织内微血管再生对缺血缺氧脑组织的存活有重要作用。血管再生是一个复杂的过程，涉及到多种细胞产生的生物活性因子。Sun等[18]发现，通过大鼠脑室内预先注射VEGF，可以促进齿状回和室管区(SVZ)神经元再生，以及纹状体半暗带区域的血管再生，VEGF的表达受到HIF-1的特异性调控。Chavez等[19]将大鼠暴露在低氧环境中，发现缺氧后4h~14d， HIF-1 持续高表达，同时VEGF、GLU-3的mRNA水平也升高，到21d时恢复到原来水平，但将缺氧后21d的大鼠暴露在更低的氧环境中时，HIF-1 的水平又升高，可见在HIF-1的作用下，血管的重塑和能量代谢的改变对脑组织适应长时间的缺氧有重要意义。EPO在缺氧缺血状态下可以与内皮细胞表面的受体结合，通过JAK2信号通路促进血管内皮细胞的增殖，它也可以通过VEGF/VEGFR途径间接促进血管再生[20]。Konstantin等[21]发现，暴露于低氧环境中180min和300min的大鼠与对照组相比，MCAo(middle cerebral artery occlusion)后脑梗死体积分别降低了75%和54%，HIF-1与DNA的结合能力明显增强，EPO的mRNA水平上升了7倍，表明HIF-1 /EPO途径可以影响大鼠的脑缺血耐受能力。
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4.2 HIF-1与神经元再生
脑缺血缺氧状态下，神经干细胞可以通过增生分化来部分修复受损组织的功能，Arvidsson等[22]对大鼠实施MCAo后发现，室管区有大量干细胞增生，并移行到受损的纹状体区分化为成熟的神经元，许多因素如脑源性EPO、VEGF、IGF-1、干细胞生长因子等氧依赖性基因影响这一过程，而它们受到HIF-1的调控[18、23]。Nakatomi等[24]发现，干细胞生长因子可以促进短暂性缺血状态下的大鼠海马区锥体细胞的再生。Bernaudin 等[25]通过向MCAo大鼠脑室内注射EPO，发现神经干细胞的增殖和分化明显，梗死体积明显减少。除Tomita等[26]发现，神经元内HIF-1 基因特异性敲除的成年大鼠出现明显的神经元变性、脑水肿和空间感知障碍，HIF-1 基因敲除的大鼠胚胎出现明显的脉管发育障碍，且端脑有大量神经元凋亡。Javorina等[27]发现，HIF-1 基因敲除的成年大鼠脑组织内VEGF mRNA水平明显下降，在黑质区多巴胺标记分子酪氨酸羟化酶(tyrosine hydroxylase，TH)、醛脱氢酶(aldehyde dehydrogenase)分别降低了41%和61%，BCL2降低了58%，而caspase-3被激活。由此可见，HIF-1可能通过靶基因促进神经元再生和分化。 , 百拇医药(刘乔飞 冯 超 隆艳艳 冯 林 车永哲)