黃強 周梁
·綜述·
缺氧誘導(dǎo)因子-1α的生物學(xué)功能及與喉鱗狀細胞癌化療耐藥性的關(guān)系
黃強 周梁
缺氧誘導(dǎo)因子-1α(HIF-1α)是腫瘤引起局部組織缺氧效應(yīng)中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子,能介導(dǎo)諸如血管生成、細胞凋亡抑制以及糖代謝異常等各種生物學(xué)行為,其與喉鱗狀細胞癌化療耐藥性密切相關(guān)。本文就目前關(guān)于 HIF-1α的基本結(jié)構(gòu)、功能與喉鱗狀細胞癌化療耐藥性的關(guān)系以及靶向治療等方面作一綜述。(中國眼耳鼻喉科雜志,2017,17:449-452)
缺氧誘導(dǎo)因子-1α;喉癌;化療;耐藥性;靶向治療
眾所周知,各種實體腫瘤在異常生長到一定程度時(直徑gt;2 mm)會引起組織的相對缺氧,造成局部形成缺氧微環(huán)境,使得機體誘導(dǎo)產(chǎn)生一系列缺氧效應(yīng),其中缺氧誘導(dǎo)因子-1α(hypoxia-inducible factor-1α,HIF-1α)是介導(dǎo)細胞缺氧效應(yīng)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子。HIF-1α能介導(dǎo)多種缺氧效應(yīng)(即激活其下游靶基因),包括血管生成、細胞凋亡抑制以及糖代謝異常等各種生物學(xué)行為,同時也增加了腫瘤對于化療的抵抗。本文就目前HIF-1α的基本生物學(xué)特性、在腫瘤中的表達與作用、與喉癌化療耐藥性的關(guān)系以及靶向HIF-1α治療的研究進展作一綜述。
1.1 結(jié)構(gòu) HIF-1于1992年由Semenza等[1]作為一個核因子首先被報道。HIF-1以由HIF-1α和HIF-1β 2個亞單位構(gòu)成的異源二聚體的形式存在[2],其基因分別定位于人類染色體14q21~q24和1q21。HIF-1β是芳香烴受體核轉(zhuǎn)位子基因產(chǎn)物,具有789個或774個氨基酸殘基,相對分子質(zhì)量為91×103或94×103,是HIF-1的結(jié)構(gòu)性亞基。HIF-1α含826個氨基酸殘基,相對分子質(zhì)量為120×103,是HIF-1的功能性亞基,是HIF的限速因子。HIF-1α分子由位于N末端的轉(zhuǎn)錄因子DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域(DNA-binding domain, DBD)、位于C末端的2個反式激活結(jié)構(gòu)域(transactivation domain, TAD)及位于中間的氧依賴降解結(jié)構(gòu)域(oxygen-dependent degradation domain, ODD)組成。HIF-1α激活的下游基因稱為HIF-1α的靶基因,其啟動子或增強子中含有HIF-1α結(jié)合位點;核心堿基序列為5′-TACGTGCT-3′,稱為缺氧反應(yīng)元件(hypoxia response element, HRE)[3]。
在組織氧濃度低下時,細胞核產(chǎn)生激活的HIF-1α,進而與其靶基因(包括血管生成、細胞凋亡等相關(guān)基因)中的HRE相結(jié)合,使得靶基因轉(zhuǎn)錄的效率更高,從而引起細胞對缺氧的反應(yīng),調(diào)整局部組織的氧平衡[4]。
1.2 調(diào)節(jié)機制 正常氧濃度下, 位于HIF-1α中間的ODD氨基酸序列內(nèi)的保守性脯氨酸殘基被羥基化,隨后Hippel-Lindau腫瘤抑制蛋白(protein von Hippel-Lindau, pVHL)辨認并結(jié)合到含羥基化脯氨酸殘基的ODD上,誘導(dǎo)HIF-1α通過泛素依賴的蛋白酶體途徑快速降解[5-6]。因此正常情況下組織及細胞內(nèi)HIF-1α的水平極低。
在缺氧及氧濃度降低時,HIF-1α與pVHL的結(jié)合受到限制,導(dǎo)致HIF-1α在細胞內(nèi)快速集聚及激活[5-6],并與HIF-1β結(jié)合成異源二聚體HIF-1。在此過程中,絲裂原蛋白激活酶(MAPK)激活HIF-1α,從而抑制TAD內(nèi)保守性天冬酰氨羥基化過程。HIF-1可抵抗泛素依賴的蛋白酶體途徑對HIF-1α的水解,并進一步使HIF-1α在缺氧細胞中積聚。HIF-1隨后與靶基因序列上的HRE結(jié)合,促進其轉(zhuǎn)錄,產(chǎn)生一系列效應(yīng)以應(yīng)對缺氧。
腫瘤細胞在惡性生長的同時伴隨著局部組織缺氧,而HIF-1α在其中扮演了關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄因子角色。目前報道[7-10]在很多惡性腫瘤,如胰腺癌、舌鱗狀細胞癌、絨毛膜上皮癌及甲狀腺癌等存在HIF-1α的過表達,其通過激活下游靶基因介導(dǎo)血管生成,抑制細胞凋亡、浸潤、轉(zhuǎn)移等各種生物學(xué)行為的發(fā)生。
2.1 血管生成 Folkman于20世紀(jì)80年代初提出血管生成(angiogenesis)假說,認為各種實體腫瘤內(nèi)新生血管的形成是腫瘤發(fā)生、發(fā)展的必要條件[11]。腫瘤組織生長到1~2 mm時若沒有新生血管提供更多的營養(yǎng)和氧氣,則難以維持其繼續(xù)生長的需求。而血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)及其受體(VEGF receptor, VEGFR)則是血管生成調(diào)控機制中最為重要的一對調(diào)節(jié)因子。較多文獻[12-14]報道VEGF和VEGFR在惡性腫瘤中,如胃癌、腎透明細胞癌、膀胱癌等中呈過表達,并發(fā)現(xiàn)VEGF水平與預(yù)后呈負相關(guān)。Wu等[15]發(fā)現(xiàn),選擇性敲除HIF-1α的Ben-Men-1細胞株對于缺氧等刺激產(chǎn)生VEGF的能力大大減弱,提示HIF-1α是腫瘤血管生成的“開關(guān)”。Ahn等[16]也發(fā)現(xiàn),與被抑制了HIF-1α表達的骨髓細胞相比,選擇性抑制VHL基因的骨髓細胞顯示出較強的血管生成能力和高表達VEGF能力,提示HIF-1α基因的轉(zhuǎn)錄激活可促進VEGF的表達,增強腫瘤血管生成能力。
另外,在口腔鱗狀細胞癌[17]、喉鱗狀細胞癌[18]等頭頸部惡性腫瘤中也證實HIF-1α與血管生成密切相關(guān)。邱亞雙等[19]發(fā)現(xiàn),喉鱗狀細胞癌組織中HIF-1α和VEGF的陽性率以及微血管密度(micro-vessel density, MVD)均大于癌旁正常組織,提示喉鱗狀細胞癌組織中HIF-1α、VEGF過表達,且二者在腫瘤組織血管生成方面有協(xié)同促進的重要作用。
2.2 細胞凋亡 細胞凋亡在正常的代謝過程中占據(jù)著重要地位,其中HIF-1α在細胞凋亡中起到雙重調(diào)節(jié)的作用,取決于HIF-1α是否被磷酸化。磷酸化的HIF-1α起到抑制細胞凋亡的作用,而去磷酸化的HIF-1α則促進凋亡。除此之外,HIF-1α還可通過轉(zhuǎn)錄與“沉默”相關(guān)下游靶基因的表達在調(diào)控細胞凋亡中發(fā)揮雙重調(diào)節(jié)作用。
缺氧條件下,HIF-1α主要發(fā)揮抑制凋亡作用,正常表達HIF-1α的腫瘤細胞抗凋亡能力要強于不表達HIF-1α者。Yoshida等[20]通過siRNA技術(shù),沉默垂體腺瘤HP75細胞株中HIF-1α基因的表達,發(fā)現(xiàn)HIF-1α表達缺失的HP75細胞株凋亡率明顯高于HIF-1α表達正常的HP75細胞株,提示 HIF-1α可使腫瘤細胞對低氧誘導(dǎo)的凋亡敏感度減弱,起到抑制腫瘤細胞凋亡的作用。Shi等[21]也同樣使用siRNA技術(shù)沉默HIF-1α表達,結(jié)果發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)染后的乳腺癌MDA-MB-231細胞株細胞周期被抑制、細胞凋亡增強,并觀察到轉(zhuǎn)染細胞中存在激活的caspase3片段。推測可能是HIF-1α通過抑制半胱天冬酶級聯(lián)反應(yīng)(caspase cascade)等途徑,從而抑制細胞凋亡的發(fā)生。
2.3 糖代謝 正常組織中絕大多數(shù)ATP來源于線粒體的氧化磷酸化途徑,而只有少部分ATP來源于糖酵解途徑。而與之相反的是,腫瘤細胞中大約有50%的ATP是通過糖酵解途徑生成的[22],即使在正常氧濃度中的腫瘤細胞依然進行糖酵解,這種現(xiàn)象稱為瓦爾堡效應(yīng)(Warburg effect)[23]。HIF-1α水平的升高與糖酵解活動的增強密切相關(guān)[24],在食管癌[25]、膠質(zhì)瘤[26]等腫瘤中都有報道。
HIF-1α可與其Glut1等下游糖代謝相關(guān)基因的HRE結(jié)合,并在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)糖酵解酶,使得腫瘤細胞在缺氧條件下糖酵解能力增強,維持其繼續(xù)生長的能量需求;同時,HIF-1α能上調(diào)丙酮酸脫氫酶激酶-1(pyruvate dehydrogenase-1, PDK-1)而抑制線粒體丙酮酸脫氫酶(pyruvic dehydrogenase, PDH),從而抑制三羧酸循環(huán)[27]。糖代謝通路復(fù)雜,目前關(guān)于HIF-1α與糖代謝的關(guān)系尚未徹底揭示,仍需進一步研究。
臨床上95%的喉鱗狀細胞癌屬于對化療敏感度較差的鱗狀細胞癌,治療失敗的原因很大程度上可歸因于腫瘤對化療產(chǎn)生耐藥性。當(dāng)喉鱗狀細胞癌細胞處于低氧時,其化療敏感度明顯低于正常氧濃度時[28],而HIF-1α是細胞缺氧時最重要的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子。因此有必要探討HIF-1α和喉鱗狀細胞癌細胞對化療產(chǎn)生抵抗之間的關(guān)系,為臨床提供新的思路和手段。
Li等[29]證明,通過RNA干擾技術(shù)沉默HIF-1α基因表達的喉鱗狀細胞癌細胞在低氧條件下可以恢復(fù)對5-氟尿嘧啶、順鉑等多種化療藥物的敏感度,同時也增強了喉鱗狀細胞癌細胞在紫杉醇誘導(dǎo)下發(fā)生的細胞凋亡。提示HIF-1α在喉鱗狀細胞癌細胞多藥耐藥(multidrug resistance, MDR)方面可能起到重要的調(diào)節(jié)作用,推測HIF-1α通過抑制化療藥物誘導(dǎo)發(fā)生的細胞凋亡參與MDR形成的過程。敲除HIF-1α的表達可以逆轉(zhuǎn)喉鱗狀細胞癌細胞MDR的形成。MDR是大多數(shù)實體腫瘤抵抗化療藥物作用最主要的機制,包括腎癌[30]、結(jié)直腸癌[31-32]、非小細胞肺癌[33]等,在喉鱗狀細胞癌中亦是如此[29, 34]。其產(chǎn)生的機制主要包括:耐藥相關(guān)膜蛋白的形成、DNA損傷修復(fù)功能的改變、谷胱甘肽S轉(zhuǎn)移酶π(glutathione-transferase-π,GST-π)活性的上調(diào)以及突變型P53抑制凋亡等途徑,而其中MDR1及其編碼的產(chǎn)物P-糖蛋白(P-glycoprotein, P-gp)在介導(dǎo)腫瘤MDR方面占有重要的地位。
MDR/P-gp為跨膜轉(zhuǎn)運蛋白,屬于ATP結(jié)合盒(ATP-binding cassette,ABC)轉(zhuǎn)運蛋白之一,通過消耗能量將腫瘤細胞內(nèi)的化療藥物轉(zhuǎn)移到細胞外,導(dǎo)致細胞內(nèi)藥物濃度低于有效治療濃度,由此獲得對藥物的耐藥性。Xie等[34]證實HIF-1α與喉鱗狀細胞癌細胞MDR/P-GP的表達呈正相關(guān),抑制HIF-1α表達時MDR/P-gp的表達也隨之下調(diào)。提示喉鱗狀細胞癌細胞在缺氧時可上調(diào)HIF-1α的表達水平,參與MDR的形成,從而削弱了喉癌細胞對化療藥物的敏感度。然而HIF-1α是如何調(diào)節(jié)MDR/P-gp的具體機制等方面問題尚未完全闡明,仍然需要進一步的研究。
鑒于缺氧是實體腫瘤中普遍存在的現(xiàn)象,而HIF-1α在缺氧效應(yīng)中又具有重要作用,因此抑制、減弱HIF-1α的表達水平,阻止缺氧效應(yīng)的發(fā)生等治療手段越來越被研究人員重視。應(yīng)用反義RNA、RNA干擾(RNA interference,RNAi)等方法可以抑制HIF-1α的表達水平或使其結(jié)構(gòu)域失活,從而破壞HIF-1α的生物學(xué)作用。Sun等[35]報道,通過轉(zhuǎn)染包含反義HIF-1α的質(zhì)粒,腫瘤細胞內(nèi)HIF-1α、VEGF的表達水平和腫瘤MVD都隨之下降。
目前報道已有多種信號傳導(dǎo)通路抑制劑以及小分子藥物等通過作用于HIF-1α合成等不同階段抑制、阻斷HIF-1α的合成、穩(wěn)定性和活性等,從而阻斷其一系列生物學(xué)作用,如西羅莫司脂化物(Temsirolimus)、酪氨酸激酶抑制劑、FRAP/mTOR抑制劑等藥物。
HIF-1α作為不同氧濃度下機體應(yīng)對缺氧效應(yīng)最重要的轉(zhuǎn)錄因子,廣泛參與腫瘤血管生成、細胞凋亡、糖代謝、浸潤、轉(zhuǎn)移等方面,臨床上95%的喉鱗狀細胞癌屬于對化療不敏感的鱗狀細胞癌,而HIF-1α在其化療耐藥中扮演了重要的角色。這使得破壞腫瘤組織的缺氧微環(huán)境、阻斷缺氧效應(yīng)、靶向抑制HIF-1α活性及其功能等研究熱點越來越得到重視,最終為臨床治療腫瘤提供新的思路和方法。
[1] Semenza GL, Wang GL. A nuclear factor induced by hypoxia via de novo protein synthesis binds to the human erythropoietin gene enhancer at a site required for transcriptional activation[J]. Mol Cell Biol, 1992,12(12):5447-5454.
[2] Womeldorff M, Gillespie D, Jensen RL. Hypoxia-inducible factor-1 and associated upstream and downstream proteins in the pathophysiology and management of glioblastoma[J]. Neurosurg Focus, 2014,37(6):E8.
[3] Meijer TW, Kaanders JH, Span PN, et al. Targeting hypoxia, HIF-1, and tumor glucose metabolism to improve radiotherapy efficacy[J]. Clin Cancer Res, 2012,18(20):5585-5594.
[4] 陳歆維, 李大偉, 謝晉, 等. 缺氧誘導(dǎo)因子-1α與Survivin在喉鱗癌中的表達及其意義[J]. 中國中西醫(yī)結(jié)合耳鼻咽喉科雜志, 2014,22(4):241-244.
[5] Goda N, Dozier SJ, Johnson RS. HIF-1 in cell cycle regulation, apoptosis, and tumor progression[J]. Antioxid Redox Signal, 2003,5(4):467-473.
[6] Rey S, Semenza GL. Hypoxia-inducible factor-1-dependent mechanisms of vascularization and vascular remodelling[J]. Cardiovasc Res, 2010,86(2):236-242.
[7] Tian Q, Xue Y, Zheng W, et al. Overexpression of hypoxia-inducible factor 1α induces migration and invasion through Notch signaling.[J]. Int J Oncol, 2015,47(2):728-738.
[8] Wang N, Dong CR, Jiang R, et al. Overexpression of HIF-1alpha, metallothionein and SLUG is associated with high TNM stage and lymph node metastasis in papillary thyroid carcinoma[J]. Int J Clin Exp Pathol, 2014,7(1):322-330.
[9] Zhao X, Gao S, Ren H, et al. Hypoxia-inducible factor-1 promotes pancreatic ductal adenocarcinoma invasion and metastasis by activating transcription of the actin-bundling protein fascin[J]. Cancer Res, 2014,74(9):2455-2464.
[10] Liang X, Zheng M, Jiang J, et al. Hypoxia-inducible factor-1 alpha, in association with TWIST2 and SNIP1, is a critical prognostic factor in patients with tongue squamous cell carcinoma[J]. Oral Oncol, 2011,47(2):92-97.
[11] Folkman J. Tumor angiogenesis: therapeutic implications[J]. N Engl J Med, 1971,285(21):1182-1186.
[12] Wang X, Chen X, Fang J, et al. Overexpression of both VEGF-A and VEGF-C in gastric cancer correlates with prognosis, and silencing of both is effective to inhibit cancer growth[J]. Int J Clin Exp Pathol, 2013,6(4):586-597.
[13] Xu ZQ, Zhang L, Gao BS, et al. EZH2 promotes tumor progression by increasing VEGF expression in clear cell renal cell carcinoma[J]. Clin Transl Oncol, 2015,17(1):41-49.
[14] Rahmani A, Alzohairy M, Khadri H, et al. Expressional evaluation of vascular endothelial growth factor (VEGF) protein in urinary bladder carcinoma patients exposed to cigarette smoke[J]. Int J Clin Exp Pathol, 2012,5(3):195-202.
[15] Wu Y, Lucia K, Lange M, et al. Hypoxia inducible factor-1 is involved in growth factor, glucocorticoid and hypoxia mediated regulation of vascular endothelial growth factor-A in human meningiomas[J]. J Neurooncol, 2014,119(2):263-273.
[16] Ahn GO, Seita J, Hong BJ, et al. Transcriptional activation of hypoxia-inducible factor-1 (HIF-1) in myeloid cells promotes angiogenesis through VEGF and S100A8[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2014,111(7):2698-2703.
[17] Liang X, Yang D, Hu J, et al. Hypoxia inducible factor-alpha expression correlates with vascular endothelial growth factor-C expression and lymphangiogenesis/angiogenesis in oral squamous cell carcinoma[J]. Anticancer Res, 2008,28(3A):1659-1666.
[18] 成偉, 周維國. 喉癌組織中HIF-1α和COX-2及VEGF與微血管密度的關(guān)系及臨床意義[J]. 臨床耳鼻咽喉頭頸外科雜志, 2010,24(18):820-822.
[19] 邱亞雙, 周慧芳. HIF-1α和VEGF在喉癌中的表達及其與血管生成的關(guān)系[J]. 臨床耳鼻咽喉頭頸外科雜志, 2014,28(6):389-393.
[20] Yoshida D, Kim K, Noha M, et al. Anti-apoptotic action by hypoxia inducible factor 1-alpha in human pituitary adenoma cell line, HP-75 in hypoxic condition[J]. J Neurooncol, 2006,78(3):217-225.
[21] Shi Y, Chang M, Wang F, et al. Role and mechanism of hypoxia-inducible factor-1 in cell growth and apoptosis of breast cancer cell line MDA-MB-231[J]. Oncol Lett, 2010,1(4):657-662.
[22] Gillies RJ, Gatenby RA. Hypoxia and adaptive landscapes in the evolution of carcinogenesis[J]. Cancer Metastasis Rev, 2007,26(2):311-317.
[23] Vander Heiden MG, Cantley LC, Thompson CB. Understanding the warburg effect: the metabolic requirements of cell proliferation[J]. Science, 2009,324(5930):1029-1033.
[24] 黨永明, 黃躍生, 周軍利, 等. 缺氧誘導(dǎo)因子1α對缺氧條件下大鼠心肌細胞糖酵解的影響[J]. 中華燒傷雜志, 2005,21(5):339-342.
[25] 朱智勇, 馬穎才, 唐莉, 等. 缺氧對食管鱗狀細胞癌中缺氧誘導(dǎo)因子-1α和己糖激酶-Ⅱ表達的影響[J]. 中國老年學(xué)雜志, 2013,33(15):3697-3698.
[26] 徐高峰, 王茂德, 謝萬福, 等. 沉默缺氧誘導(dǎo)因子對人膠質(zhì)瘤SHG44細胞糖酵解及細胞增殖的影響[J]. 第三軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報, 2011,33(20):2148-2152.
[27] Yeung SJ, Pan J, Lee MH. Roles of p53, myc and hif-1 in regulating glycolysis — the seventh hallmark of cancer[J]. Cell Mol Life Sci, 2008,65(24):3981-3999.
[28] 徐鷗, 李曉明, 王靜妙, 等. 改善局部低氧微環(huán)境在喉鱗狀細胞癌化療中的作用[J]. 臨床耳鼻咽喉頭頸外科雜志, 2015,29(9):824-827.
[29] Li DW, Dong P, Wang F, et al. Hypoxia induced multidrug resistance of laryngeal cancer cells via hypoxia-inducible factor-1alpha[J]. Asian Pac J Cancer Prev, 2013,14(8):4853-4858.
[30] Sato H, Siddig S, Uzu M, et al. Elacridar enhances the cytotoxic effects of sunitinib and prevents multidrug resistance in renal carcinoma cells[J]. Eur J Pharmacol, 2015,746:258-266.
[31] Liang X, Xu X, Wang F, et al. E-cadherin increasing multidrug resistance protein 1 via hypoxia-inducible factor-1α contributes to multicellular resistance in colorectal cancer[J]. Tumor Biol, 2016,37(1):425-435.
[32] Chen J, Ding Z, Peng Y, et al. HIF-1alpha inhibition reverses multidrug resistance in colon cancer cells via downregulation of MDR1/P-glycoprotein[J]. PLoS One, 2014,9(6):e98882.
[33] Lu Y, Yu L Q, Zhu L, et al. Expression of HIF-1α and P-gp in non-small cell lung cancer and the relationship with HPV infection[J]. Oncol Lett, 2016,12(2):1455-1459.
[34] Xie J, Li DW, Chen XW, et al. Expression and significance of hypoxia-inducible factor-1alpha and MDR1/P-glycoprotein in laryngeal carcinoma tissue and hypoxic Hep-2 cells[J]. Oncol Lett, 2013,6(1):232-238.
[35] Sun X, Vale M, Jiang X, et al. Antisense HIF-1alpha prevents acquired tumor resistance to angiostatin gene therapy[J]. Cancer Gene Ther, 2010,17(8):532-540.
2017-02-22)
(本文編輯 楊美琴)
Biologicalfunctionofhypoxia-induciblefactor-1αanditsrelationshipwithchemotherapyresistanceoflaryngealsquamouscellcarcinoma
HUANGQiang,ZHOULiang.
DepartmentofOtorhinolaryngology,EyeEarNoseandThroatHospitalofFudanUniversity,Shanghai200031,China
ZHOU Liang, Email: zhoulent@126.com
Hypoxia-inducible factor-1α(HIF-1α), which can mediate various kinds of biological behaviors such as angiogenesis, inhibition of apoptosis and disorder of glucose metabolism, is the key transcription factor in the hypoxia response caused by carcinoma, and is closely related to the chemotherapy resistance of laryngeal squamous cell carcinoma. In this review, the fundamental structure and functions of HIF-1α, and the relationship between HIF-1α and the chemotherapy resistance of laryngeal squamous cell carcinoma was summarized. Targeted therapy to HIF-1α was also involved. (Chin J Ophthalmol and Otorhinolaryngol,2017,17:449-452)
Hypoxia-inducible factor-1α; Laryngeal squamous cell carcinoma; Chemotherapy; Resistance; Targeted therapy
復(fù)旦大學(xué)附屬眼耳鼻喉科醫(yī)院耳鼻喉科 上海 200031
周梁(Email: zhoulent@126.com)
10.14166/j.issn.1671-2420.2017.06.019