HIF1α在脑损伤中的作用及其机制的研究进展

【关键词】 低氧诱导因子1;脑损伤;细胞因子 低氧诱导因子1(HIF1)是缺氧条件下广泛存在于哺乳动物和人体内的一种转录因子，由组织中分子氧水平的改变所诱导，能激活许多缺氧反应性基因的表达，是动物和人在缺氧条件下维持内环境稳态的关键性物质。目前，已经证实HIF1α与创伤性脑损伤、脑缺氧缺血性疾病、肿瘤等病理生理过程密切相关。国内外学者通过对其在脑损伤中的作用及其机制的研究，试图寻找一种治疗神经损伤的新途径，本文对这方面的研究进展作一综述。 　　1 HIF1概述 　　低氧诱导因子1( hypoxiainducible factor 1，HIF1)是细胞在低氧条件下产生的蛋白性调节因子，它与靶基因结合促进其转录，使机体产生一系列低氧适应反应。HIF1首先在1992年作为低氧诱导的、连接在促红细胞生成素(erythropoietin，EPO)基因低氧反应元件上的一个核因子而被发现的[1，2]。这种基因与神经系统损伤、肿瘤等疾病密切相关，可以诱导糖酵解基因的表达，促进无氧代谢;诱导血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor ,VEGF)的表达，促进血管生成;还可以诱导一氧化氮合酶、血红素氧化酶的表达，发挥扩血管的作用，并能激活促红细胞生成素(EPO)基因的表达，使红细胞生成增加，提高携氧能力，从而使缺氧的组织细胞保持氧稳态及耐受低氧状态。 　　1.1 HIF1的结构 HIF1以异源二聚体的形式存在，由120 kD的α亚基(HIF1α)和91/93/94 kD(3种分子量)的β亚基(HIF1β)组成。人的HIF1α的cDNA全长为3 720 bp，开放阅读框2 478 bp，编码826个氨基酸，5’ 和3’ 非翻译区分别为28和1 211 bp，位于第14号染色体(14q21～24)。HIF1β的cDNA序列和已知的芳香烃受体核转位蛋白(ARNT)相同，全长为2 604 bp，开放阅读框2 367 bp，编码789个氨基酸，5’ 和3’ 非翻译区分别为56和188 bp，在其基因中有一个长45 bp的可变外显子，编码15个氨基酸。两个亚基的氨基酸末端均含有碱性螺旋环螺旋(basic helixloophelix, bHLH)和PAS(PERARNTSim)同源性结构域[3，4]。正常条件下，各组织HIF1α的表达甚少，而在低氧状态下，则表现为与时间及低氧程度的依赖性增高[5];而HIF1β则在正常和缺氧细胞中均有表达。其中，HIF1α亚单位为HIF1特有，既是HIF1的调节亚基又是活性亚基[6]。 　　1.2 HIF1α的低氧调节 对HIF1α的体内功能研究发现，HIF1α是调节细胞内氧代谢的关键因子，是血管生长信号途径的关键上游转录因子[7]。在含氧量正常条件下，HIF1α被羟基化，而与泛肽连接酶复合物的成分V蛋白相结合，最终导致HIF1α的泛肽化而降解。在缺氧条件下，HIF1α的羟基化被抑制从而被激活，进一步与缺氧反应元件中的增强子结合，激活相应缺氧反应基因的转录和表达，这些缺氧反应基因中包括众多血管生成因子基因[8]。

低氧时HIF1α的表达水平增加，HIF1α从胞浆移入胞核，并在胞核内蓄积。而HIF1β并不受低氧的影响或仅有轻度增加，在胞浆胞核中的分布也没有变化。HIF1α的表达调控应表现在mRNA、蛋白、核定位和转录活化作用等多水平上。HIF1α表达广泛，在所有检测的细胞和组织中HIF1α和HIF1β的mRNA都有表达，但大多数实验证明，其mRNA的水平调节并不重要，推测低氧对HIF1的调节主要发生在翻译和翻译后水平[9]。 　　HIF1α在人类的生理和病理生理过程中起重要作用，目前研究发现HIF1α参与脑血管病、神经系统损伤、肿瘤、心肌缺血、肺动脉高压、子痫前期以及子宫内胎儿生长迟缓等病理生理过程。 　　2 脑损伤后HIF1α在脑组织中的表达及其作用 　　近年来，HIF1α在中枢神经系统中的作用被不断认识，越来越多的研究表明，HIF1α在脑缺氧缺血损伤中具有脑保护作用。Bemaudin等[10]在成龄小鼠局灶性脑缺血前24 h先给予常压低氧预处理，结果发现脑梗死面积与对照组相比减少约30%。在预低氧脑组织中，除了核内HIF1α表达增高外，EPO和VEGF二者的mRNA和蛋白水平也均表达增高，提示HIF1α在耐受脑缺血中可能发挥重要作用。Jones等[11]进一步研究发现，对新生大鼠缺氧预处理后，其脑组织HIF1α和脯氨酸羟化酶2 (PHD2)蛋白表达均增高，提示缺氧预处理后的脑保护作用可能是通过PHD2抑制PHD的活化而增强HIF1α表达，进而产生脑保护效应。Hamrick等[12]利用去铁胺预处理，对大鼠缺氧缺血模型的研究发现，细胞死亡与对照组相比下降45%，而通过抗HIF1α的转染，阻断HIF1α的产生，这种保护作用则被下调，表明去铁胺通过铁鳌合作用和上调HIF1α的表达共同起到脑保护作用。 　　3 脑损伤中HIF1α的作用机制 　　3.1 促进脑缺血后血流动力学恢复 脑缺血后，HIF1α可以通过靶基因促进VEGF表达，进而促使新生血管生成，改善脑血流动力学，使脑缺血得以迅速恢复。HIF1α是缺氧状态下血管生成的核心调控因子，通过影响其他生长因子的表达，而直接参与血管生成的全过程[13，14]。①在血管生成启动阶段，可以通过合成NO使血管舒张、上调VEGF及配体的表达而使血管通透性增加;②在进展阶段，通过上调金属蛋白水解酶而降解细胞外基质，上调VEGF诱导血管内皮细胞迁移和增生，同时在血管生成素2的参与下，形成结节状或锥体状血管芽;③形成阶段，在VEGF、血管生成素1及整合素的作用下，单个血管芽生长变形形成血管腔，并与邻近血管芽相互吻合成血管网;④塑形和改建阶段，通过血小板衍生生长因子、血管生成素1等，使血管平滑肌或其他细胞迁移包绕新生血管，产生细胞外基质，进而形成完整的血管壁结构。VECF是血管生成初期关键性的生长因子，缺氧状态可以诱导VEGF大量表达。目前大量研究表明，HIF1α对VEGF的调控表现在多个层面上[13，15]。首先是HIF1α能够启动VEGF的转录：在VEGF的5’侧翼序列中含有缺氧反应元件(HBE)，可以与HIF1α结合，在其他辅激活因子的共同作用下，启动VEGF的转录，通过转基因强制表达HIF1α可促使VEGF在体积分数为1%或20%O2的环境中均高表达。其次是缺氧时VEGF mRNA的稳定性增加：常氧状态下，VEGF mRNA被迅速降解，而在缺氧时，其半衰期延长约3～8倍，这是因为缺氧时高表达的一种RNA结合蛋白HuR结合在VEGF mRNA的3’ 非转录区，从而避免被酶解;Liu等[16]还发现HIF1α也有助于VEGF mRNA的稳定，细胞转染HIF1α基因后，VEGF mRNA 的半衰期将由42 min延长到2～7 h。另外，HIF1α还可以上调VEGF受体Flt1的转录，Flt1的大量表达，加强了VEGF的生物学效应[17]。

3.2 改善脑缺血后能量代谢障碍 Jones等[18]对新生大鼠进行低氧预处理后，诱导了HIF1α的表达，使葡萄糖运输酶l、醛缩酶、磷酸果糖激酶1、乳酸脱氢酶的水平均增加，从而促进葡萄糖的转移、利用及酵解，为脑组织提供能量以减轻脑损伤。Papandreou等[19]通过研究发现，低氧时HIF1α可通过诱导丙酮酸脱氢酶激酶1(PDK1)的表达，使丙酮酸脱氢酶活性抑制，进而阻断了线粒体三羧酸循环，导致线粒体氧耗量下降，并使得细胞内氧张力增高，从而改善了脑缺血后的能量供应，细胞死亡下降，脑损伤得以减轻。 　　3.3 促进EPO的蛋白表达发挥作用 EPO是HIF1α的靶基因之一，HIF1α可以通过促进EPO表达发挥脑保护作用。EPO发挥脑保护的作用机制比较复杂，可能通过多个不同的途径实现。已经有研究表明EPO可以抑制脑缺血时兴奋性氨基酸的释放，如Kawakami等[20]发现，在缺氧情况下，大量谷氨酸从体外培养的小脑神经元颗粒中释放出来，加入rEPO后，谷氨酸产生减少且神经元数目明显增加。Keller等[21]对新生大鼠缺氧缺血模型研究表明，EPO可通过抑制NMDA受体介导的神经毒性而发挥神经保护作用。另外，EPO还可作用于EPO受体，使Jak2活化，导致IKB发生磷酸化，最后进一步活化NFκB诱导其神经保护基因的表达而发挥脑保护作用[22]。

3.4 HIF1α与细胞凋亡 Baek等[23]发现缺氧能够阻断细胞凋亡，VEGF是缺氧时HIF1α的最重要的靶基因之一，因此推测这与缺氧时VEGF的增多有关，进一步研究发现人重组VEGF加入到细胞能抑制细胞凋亡，加入抗体中和VEGF，则能阻断缺氧时的抗凋亡作用，从而提示VEGF可能通过促新生血管形成发挥抗细胞凋亡的作用。Zaman等[24]实验证明铁离子螯合剂能阻止氧化应激诱导的凋亡，这一保护作用与其增强HIF1α的DNA结合能力，从而使HIF1α的靶基因糖代谢酶、P21(waf1/cip1)、EPO的表达增加有关，这一实验结果为HIF1α抗细胞凋亡作用提供了直接证据。HIF1α能够下调促凋亡分子的表达是其抗细胞凋亡的机制之一，于如同等[25]在大鼠脑创伤后局部注射腺病毒介导的HIF1α能促进bcl2的表达而抑制bax的表达，从而减少了神经元的凋亡。研究还发现，HIF1α除了可发挥抗凋亡作用，还介导缺氧诱导的细胞凋亡。在缺氧状态，多种促凋亡因子都受到HIF1α的调控表达[26，27]。p53同样作为介导HIF1α发挥促凋亡作用的重要分子，实验表明轻度缺氧不能使p53积聚，而严重长时间缺氧能使HIF1α去磷酸化，去磷酸化的HIF1α导致p53稳定性增加[28]。综上可见，HIF1α可能具有双重调节作用，在不同的缺氧状态、不同的条件(生理或病理条件)、不同的细胞类型中通过不同的机制对细胞发挥着或促凋亡或抗凋亡的作用。 　　总之，HIF1α在脑缺氧缺血性损伤中的保护机制研究尚未深入，很多方面仍未得到直接证据，而目前还存在争议。如Cramer等[29]在体外试验中发现在HIF1α基因缺失的髓细胞，无论在缺氧环境还是正常氧浓度下，其ATP和乳酸的含量均明显降低，而乳酸含量是髓细胞活化发挥炎症作用的标志之一，提示HIF1α可能会促进炎症反应的发生。另外，Helton等[30]通过敲除大鼠大脑HIF1α基因发现，非但未增加缺氧缺血损伤，反而减轻了缺氧缺血后脑损伤。关于HIF1α具体的脑保护作用机制仍有待进一步的研究和探讨。 　　4 问题与展望 　　HIF1α对脑缺氧缺血性损伤的保护作用是多方面的，随着对HIF1α及其下游缺氧反应基因研究的深入，其在脑缺氧缺血损伤中的作用会更加明确。HIF1α有可能成为脑保护治疗中最有前途的靶基因，具有广阔的应用前景，它为临床治疗脑缺氧缺血性损伤提供了一种新的治疗策略。