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收稿日期：２０１１０１０６ 修回日期：２０１１０８１７基金项目：国家重点基础研究发展计划（９７３计划）（２００６ＣＢ５０４１００）作者简介：王苹苹（１９８５－），女，硕士生．通讯作者：陈学群（１９６３－），女，教授，博士生导师，从事低氧脑内分泌免疫网络研究；Ｅｍａｉｌ：ｃｈｅｗｙｇ＠ｚｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎｈｔｔｐ：∥ｗｗｗ．ｊｏｕｒｎａｌｓ．ｚｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ／ｍｅｄＤＯＩ：１０．３７８５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８９２９２．２０１１．０５．０１７低氧细胞应激的ＨＩＦ１信号通路王苹苹，孔繁平，陈学群，杜继曾 综述（浙江大学医学院基础医学系，浙江杭州３１００５８）［摘 要］ 低氧诱导因子（ｈｙｐｏｘｉａｉｎｄｕｃｉｂｌｅｆａｃｔｏｒ，ＨＩＦ）由ＨＩＦ１α和ＨＩＦ１β两个亚基组成，在低氧下其能激活多种靶基因的转录，在细胞、组织生长发育和生理应激，以及某些病理过程中具有重要的作用。近１０年来，有关ＨＩＦ１在细胞低氧应激时的信号转导通路，特别是ＨＩＦ１α介导的基因转录调控的研究取得了巨大进展。［关键词］ 低氧诱导因子１；低氧；反应元件；转录因子［中图分类号］ Ｑ４９４ ［文献标志码］ Ａ ［文章编号］ １００８９２９２（２０１１）０５０５５９０８ＨＩＦ１ｓｉｇｎａｌｐａｔｈｗａｙｉｎｃｅｌｌｕｌａｒｒｅｓｐｏｎｓｅｔｏｈｙｐｏｘｉａＷＡＮＧＰｉｎｇｐｉｎｇ，ＫＯＮＧＦａｎｐｉｎｇ，ＣＨＥＮＸｕｅｑｕｎ，ＤＵＪｉｚｅｎｇ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＢａｓｉｃＭｅｄｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ，ＺｈｅｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｄｉｃｉｎｅ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ３１００５８，Ｃｈｉｎａ）［Ａｂｓｔｒａｃｔ］ ＨＩＦ１ｉｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆＨＩＦ１αａｎｄＨＩＦ１βｓｕｂｕｎｉｔｓ．Ｉｔｐｒｏｍｏｔｅｓｔａｒｇｅｔｇｅｎｅｓｔｒａｎｓｃｒｉｐｔｉｏｎｕｎｄｅｒｈｙｐｏｘｉａａｎｄｐｌａｙｓｅｓｓｅｎｔｉａｌｒｏｌｅｓｉｎｃｅｌｌｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌａｄａｐｔａｔｉｏｎｓ，ａｎｄｐａｔｈｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｃｅｓｓｅｓ．Ｉｎｔｈｅｐａｓｔ１０ｙｅａｒｓ，ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｓｉｇｎａｌｉｎｇｐａｔｈｗａｙｓｏｆＨＩＦ１ｉｎｒｅｓｐｏｎｓｅｔｏｃｅｌｌｈｙｐｏｘｉａｓｔｒｅｓｓ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｏｎＨＩＦ１αｍｅｄｉａｔｅｄｇｅｎｅｔｒａｎｓｃｒｉｐｔｉｏｎｈａｓｍａｄｅｇｒｅａｔｐｒｏｇｒｅｓｓ．［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］ Ｈｙｐｏｘｉａｉｎｄｕｃｉｂｌｅｆａｃｔｏｒ１；Ｈｙｐｏｘｉａ；Ｒｅｓｐｏｎｓｅｅｌｅｍｅｎｔｓ；Ｔｒａｎｓｃｒｉｐｔｉｏｎｆａｃｔｏｒｓ［ＪＺｈｅｊｉａｎｇＵｎｉｖ（ＭｅｄｉｃａｌＳｃｉ），２０１１，４０（５）：５５９５６６．］ 氧是机体进行新陈代谢的必需物质，缺氧对机体和细胞是一种强烈的应激。细胞通过氧感受器和信号转导通路特异地调节某些基因或蛋白的表达来适应低氧［１］。ＨＩＦ１α是哺乳动物维持氧平衡最主要的调节因子。近１０年来，低氧研究主要集中在ＨＩＦ１α介导的基因转录调控方面。低氧可以增加ＨＩＦ１的稳定性，促进ＨＩＦ１与低氧反应元件（ｈｙｐｏｘｉａｒｅｓｐｏｎｓｅｅｌｅｍｅｎｔ，ＨＲＥ）的结合，从而诱导低氧靶基因的激活。此外，ＨＩＦ通路和其它信号通路间也存在交叉调节，形成了细胞低氧应答的特异性和多样性。１ 低氧诱导因子ＨＩＦ１１．１ ＨＩＦ１的基本结构 ＨＩＦ１是由分子量为１２０ｋＤ的ＨＩＦ１α和分子量为９１－９４ｋＤ的ＨＩＦ１β或称芳香烃受体核转位蛋白（ａｒｙｌ第４０卷 第５期２０１１年 浙江大学学报（医学版）ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＺＨＥＪＩＡＮＧＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＭＥＤＩＣＡＬＳＣＩＥＮＣＥＳ） Ｖｏｌ４０ Ｎｏ５２０１１ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｒｅｃｅｐｔｏｒｎｕｃｌｅａｒｔｒａｎｓｌｏｃａｔｏｒ，ＡＲＮＴ）２种亚基组成的异源二聚体［２］，２亚基均属于ｂａｓｉｃｈｅｌｉｘｌｏｏｐｈｅｌｉｘ（ｂＨＬＨ）／ＰＥＲＡＲＮＴＳＩＭ（ＰＡＳ）家族蛋白［３］，Ｎ末端均含有ｂＨＬＨ／ＰＡＳ同源区。ｂＨＬＨ区和Ｎ末端ＰＡＳ中间区对于二聚化以及与靶基因的结合必不可少。ＨＩＦ１α亚基的中部有一个氧依赖降解结构域（ｏｘｙｇｅｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｄｏｍａｉｎ，ＯＤＤＤ）；Ｃ端是反式激活区，包括２个反式激活域（ｔｒａｎｓａｃｔｉｖａｔｉｏｎｄｏｍａｉｎ，ＴＡＤ）即ＴＡＤＮ（ａｍｉｎｏａｃｉｄｓ５３１５７５）和ＴＡＤＣ（ａｍｉｎｏａｃｉｄｓ７８６８２６）；２个ＴＡＤ序列间的区域为抑制结构域（ｉｎｈｉｂｉｔｏｒｙｄｏｍａｉｎ，ＩＤ；ａｍｉｎｏａｃｉｄｓ５７６７８５），抑制ＴＡＤ的转录激活［４］。ＨＩＦα亚基包括ＨＩＦ１α、ＨＩＦ２α和ＨＩＦ３α，这３种ＨＩＦα的亚型都由氧来调节其蛋白的稳定性，在低氧条件下可以与ＨＩＦ１β结合调节靶基因的转录。ＨＩＦ１α和ＨＩＦ２α在结构上有４８％的氨基酸序列是相同的，能识别同样的ＤＮＡ结合区，但各自又有独特的生物学效应。有研究表明，ＨＩＦ２α参与长期慢性的低氧反应，而ＨＩＦ１α则与急性低氧反应有关［５］。ＨＩＦ３α不诱导激活ＨＩＦ的靶基因，大鼠ＨＩＦ３α有１个仅包含ｂＨＬＨ和ＰＡＳ区的ＩＰＡＳ蛋白（ｉｎｈｉｂｉｔｏｒｙＰＡＳｄｏｍａｉｎｐｒｏｔｅｉｎ），ＩＰＡＳ对ＨＩＦ调节的基因表达可能起负反馈抑制作用，ＩＰＡＳ可以和ＨＩＦ１α结合形成没有功能的二聚体，这个二聚体在细胞核内不能与靶基因的低氧反应元件结合，形成了一种细胞特异或环境特异的应对低氧的策略［６］。１．２ ＨＩＦ１α蛋白的功能调节 ＨＩＦ１α位于细胞质中，在常氧下极易降解，半衰期不足５ｍｉｎ；但在低氧下ＨＩＦ１α稳定性和转录活性都显著增加，其主要有２条氧依赖的途径调节ＨＩＦ１α蛋白稳定性和转录活性：①ＦＩＨ１（ｆａｃｔｏｒｉｎｈｉｂｉｔｉｎｇＨＩＦ１）是一种氧依赖性酶，可将ＨＩＦ１αＣ末端反式激活结构域内８０３位的天冬氨酸残基羟基化，阻止ＨＩＦ１α与转录辅助激活因子ＣＢＰ（ＣＲＥＢｂｉｎｄｉｎｇｐｒｏｔｅｉｎ）／ｐ３００结合，从而抑制ＨＩＦ１α的转录激活功能［７］。②脯氨酸羟化酶（ｐｒｏｌｙｌｈｙｄｒｏｘｙｌａｓｅ，ＰＨＤｓ）也是氧依赖性酶，可以使ＨＩＦ１α的５６４位（ＨＩＦ２α的５３１位）和４０２位的脯氨酸残基被羟基化，然后肿瘤抑制蛋白（ｖｏｎｈｉｐｐｅｌｌｉｎｄａｕｐｒｏｔｅｉｎ，ｐＶＨＬ）与ＨＩＦ１α亚基的ＯＤＤＤ结合，募集多种泛素蛋白，共同组成泛素连接蛋白酶复合体，使ＨＩＦ１α亚基泛素化，并经泛素连接蛋白酶复合体途径降解［８］。不同组织中ＰＨＤｓ的表达不同，与不同ＨＩＦ蛋白的亲和力也不尽相同，这可能导致了低氧应答的多样性。在低氧下，ＰＨＤｓ和ＦＩＨ１的活性被抑制，ＨＩＦ１α不被降解，导致胞内蛋白水平迅速增加。在ＨＩＦ１α蛋白Ｃ末端有核定位信号（ＮＬＳ），辅助ＨＩＦ１α蛋白快速和核孔蛋白结合入核。ＨＩＦ１β在缺氧及正常细胞的胞浆和核中均存在，其与ＨＩＦ１α的Ｎ末端激活域结合，形成二聚体后与ＣＢＰ／ｐ３００结合开始转录。ＨＩＦ１α在转录后可被ＳＵＭＯ（ｓｍａｌｌｕｂｉｑｕｉｔｉｎｌｉｋｅｍｏｄｉｆｉｅｒ）修饰，这是一个被ＳＵＭＯ特异性连接酶催化和被ＳＵＭＯ特异性蛋白酶（ＳＥＮＰｓ）逆转的动态过程。这些生理过程现在并未研究清楚，有些报道也有矛盾之处。ＨＩＦ１α活性的增加和抑制都有报道，而且低氧可以增加ＨＩＦ１α的ＳＵＭＯ修饰［９］，而ＳＵＭＯ修饰能通过脯氨酸残基的羟基化来增强ＨＩＦ１α和ＶＨＬ的结合，导致ＨＩＦ１α的泛素化降解。相反，ＳＥＮＰｓ参与的ＨＩＦ１α去ＳＵＭＯ修饰可以避免其在低氧下被降解［９］。ＨＩＦ１β同样能被ＳＵＭＯ修饰，调节与其它蛋白的关系［１０］。但是，这种ＳＵＭＯ修饰对ＨＩＦ１β和ＨＩＦα蛋白的相互作用机制目前尚不清楚。最近，研究者发现了很多可以调节ＨＩＦ１α活性的蛋白质和小分子物质。ＨＩＦ１α可以被ＮＯ介导的亚硝基化修饰，从而增强常氧条件下的蛋白稳定性和活性［１１］。热休克蛋白９０（ｈｅａｔｓｈｏｃｋｐｒｏｔｅｉｎ９０，Ｈｓｐ９０）可以氧依赖的结合在ＨＩＦ１α的ＰＡＳ区，阻止ＨＩＦ１α的泛素化降解。ＲＡＣＫ１（ｒｅｃｅｐｔｏｒｆｏｒａｃｔｉｖａｔｅｄｐｒｏｔｅｉｎＣｋｉｎａｓｅ１）与Ｈｓｐ９０竞争结合在ＨＩＦ１α的ＰＡＳ结构域，从而增加ＨＩＦ１α的降解。１７ＡＡＧ（１７ａｌｌｙｌａｍｉｎｏｇｅｌｄａｎａｍｙｃｉｎ）是Ｈｓｐ９０的抑制物，它可以阻断Ｈｓｐ９０与ＨＩＦ１α的结合，促进ＲＡＣＫ１的结合，激活ＨＩＦ１α泛素化降解［１２］。·０６５· 浙江大学学报（医学版）第４０卷２ 低氧反应元件ＨＲＥＨＲＥ是一个复杂的调节元件，由保守的ＨＩＦ１结合位点（ＨＩＦ１ｂｉｎｄｉｎｇｓｉｔｅ，ＨＢＳ）Ａ／ＧＣＧＴＧ和高度可变的旁侧序列组成［１３］。ＨＩＦ１α亚基稳定后向核内转移，与β亚基二聚化形成ＨＩＦ１结合在低氧反应元件ＨＲＥ上。与ＨＩＦ通路调控相比，目前对ＨＲＥ序列的特征了解还很少，只知道在低氧转录激活作用中ＨＲＥ是最小的一个顺式调节元件［１４］。１００多个研究表明，在有功能的ＨＢＳ序列中特定核苷酸有特定的位置，也就是说ＨＢＳ的核心序列呈现非随机性，不一定就是Ｎ（－３）Ｎ（－２）Ａ／Ｇ（－１）Ｃ（１）Ｇ（２）Ｔ（３）Ｇ（４）。Ａ在－１位置的概率是４．５倍，而Ｔ出现在－３位置的概率是４．２倍［１３］。有一些研究报道了ＨＲＥ序列与它调控功能之间的关系，比如突变分析－２位置发现低氧诱导作用按Ｔ＞Ｇ＞Ｃ的顺序下降。回文序列ＣＡＣＧＴＧ之所以低氧诱导作用低可能是该序列竞争结合了一些抑制因子，如ＨＩＦ１β的同源二聚体。内皮素１（ｅｎｄｏｔｈｅｌｉｎ１，ＥＴ１）的ＨＲＥＡＡＣＧＴＧ的低反应性也认为ＨＢＳ序列－２位置的核苷酸有重要关系［１６］。血管内皮生长因子（ｖａｓｃｕｌａｒｅｎｄｏｔｈｅｌｉａｌｇｒｏｗｔｈｆａｃｔｏｒ，ＶＥＧＦ）基因转录起始点上游大约１ｋｂ的５′侧翼区域有２８６ｂｐ的ＨＲＥ。ＨＲＥ区域内存在ＨＢＳ５′ＡＴＣＧＴＧＧＧ３′和ＨＩＦ１结合的辅助序列（ＨＩＦ１ａｎｃｉｌｌａｒｙｓｅｑｕｅｎｃｅ，ＨＡＳ）５′ＣＡＣＡＧ３′［１６］。两者是低氧ＶＥＧＦ转录激活的顺式作用元件，调控ＶＥＧＦ在低氧条件下的转录。ＥＰＯ基因的３′端上存在一个低氧反应元件，ＨＩＦ１识别５′ＴＡＣＧＴＧＣＴ３′，特异性地结合在这个反应元件上，调节ＥＰＯ基因在低氧下的转录水平［３］。最近的研究发现，人类肝癌细胞（ＨｅｐＧ２）转染含有类胰岛素样生长因子结合蛋白１（ｉｎｓｕｌｉｎｌｉｋｅｇｒｏｗｔｈｆａｃｔｏｒｂｉｎｄｉｎｇｐｒｏｔｅｉｎ，ＩＧＦＢＰ１）调控区，分别暴露于２０％和１％氧浓度２４ｈ，结果发现ＨＩＦ１结合在斑马鱼胚胎的ＩＧＦＢＰ１基因调控区的ＨＢＳ上。－１０８６／－１０９０处的ＨＢＳ３′ＡＣＧＴＧ５′和－１０９９／－１１０３处ＨＡＳ３′ＣＡＧＧＴ５′对于低氧诱导ＩＧＦＢＰ１的表达都是重要的［１７］。ＨＡＳ位于ＨＲＥ上游８ｂｐ处，在ＨＩＦ１诱导斑马鱼ＩＧＦＢＰ１的激活中是必不可少的。ＨＡＳ并不是直接与ＨＩＦ１作用的，也不影响它邻近ＨＲＥ与ＨＩＦ１的结合。常氧条件存在一种核蛋白与ＨＡＳ相结合，而这种物质以及它的作用目前尚不清楚。但是，在铁转运蛋白中ＨＲＥ是由２个邻近的ＨＢＳｓ形成，在各种糖分解的酶以及葡萄糖转运体中ＨＲＥ是由邻近２或３个ＨＢＳｓ组成的［１８］。一个ＨＢＳ是必要的，但是不足以激活低氧反应，高度可变的旁侧序列结合其它不一定与低氧有关的转录因子，使ＨＲＥ调节达到顶峰，这对于增强低氧反应或形成ＨＲＥ的细胞特异性有重要作用［８］。在乳酸脱氢酶Ａ（ｌａｃｔａｔｅｄｅｈｙｄｒｏｇｅｎａｓｅＡ，ＬＤＨＡ）基因的ＨＲＥ中有转录激活