趙思涵 李紅艷

(西藏民族大學高原環(huán)境與疾病相關機理研究高校重點實驗室，咸陽 712082)

低氧誘導因子1α(hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α)是誘導低氧基因及細胞氧內環(huán)境修復的核心調節(jié)因子，可調控細胞的生長、增殖、遷移、炎癥和凋亡等過程。炎癥是免疫系統(tǒng)對感染、損傷或刺激的首次生物反應?？寡鬃饔弥饕峭ㄟ^調節(jié)多種炎癥細胞因子，如一氧化氮(NO)、白細胞介素、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)以及非細胞因子介導的前列腺素E(prostaglandin E，PGE)等保護機體免受損傷。研究表明，低氧是大多數炎癥的共同特征，也是導致炎癥或加重炎癥的重要原因。本文就HIF-1α的結構特點、在炎癥性疾病中的作用、與相關炎癥因子的關系及藥物治療等研究進展進行綜述。

1 低氧誘導因子

HIF家族有HIF-1、HIF-2和HIF-3 3個成員，均由氧敏感的α亞基和氧不敏感的β亞基組成，其中α亞基主要以HIF-1α的形式存在。HIF-1和HIF-2是缺氧反應的主要調節(jié)因子，而HIF-3在缺氧應答中，以與HIF-1和HIF-2相互競爭結合到靶基因的方式發(fā)揮負調控作用，但僅限于在固定組織內表達[1]。只有當α及β亞基結合成二聚體時HIF-1才具有活性。HIF-1α是O2調節(jié)蛋白，是機體低氧適應和病理反應間的一個特異的中介因子，其穩(wěn)定性受含氧量影響。其表達水平決定了HIF-1在細胞內的活性。HIF-1α主要在細胞質中表達，半衰期短，在含氧量正常時快速降解；HIF-1β主要在細胞核內穩(wěn)定表達，起結構性作用。HIF-1α有2個激活域(TAD)：氨基NH2末端(N-TAD)和羧基COOH末端(C-TAD)，決定了HIF-1α的轉錄活性[2]。缺氧條件下，C-TAD與共激活因子如CBP/p300相互作用調控HIF-1α基因轉錄，而N-TAD負責穩(wěn)定HIF-1α表達，防止其降解。由此可見，在機體廣泛的炎癥低氧環(huán)境中，HIF-1α可能發(fā)揮更關鍵的作用。

2 HIF-1α在炎癥反應中的作用

正常情況下，炎癥反應是機體應對病原體感染的一個過程，該過程是可控制的，但若炎癥反應持續(xù)存在，就會對機體造成損傷，成為許多疾病發(fā)生的根本原因。HIF-1α的表達在炎癥發(fā)生時常常升高，通過調控血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)、NO、活性氧和前列腺素E2 (PGE2) 等相關靶基因的表達，引起內皮細胞功能障礙、血管生成而促進炎癥發(fā)展。脂多糖可誘導巨噬細胞中HIF-1α積聚，上調VEGF表達，促進全身炎癥反應。另外，炎癥反應通常會產生一種異常的代謝微環(huán)境，不同程度的氧濃度、pH值和免疫代謝調控HIF-1α的激活和其他免疫細胞及炎癥進程，如在亞砷酸鹽誘導的糖酵解中，HIF-1α直接介導單羧酸轉運體-4(monocarboxylate transporter 4,MCT-4)過表達，使糖酵解維持在較高水平，致使細胞間質中乳酸積聚，誘導促炎細胞因子產生，進而加重炎癥[3]。

在缺血性和炎癥性腸道疾病中，激活HIF-1α可抑制腸道炎癥，而巨噬細胞中缺失HIF-1α后卻可以減輕肺動脈高壓帶來的組織損傷[4]。HIF也可通過調節(jié)Bcl-2家族基因、與p53相互作用或靶向作用于線粒體酶減少腎小管細胞死亡而抑制腎臟炎癥[5]?？梢姡捎谘装Y發(fā)生發(fā)展的復雜性，HIF-1α可能在其發(fā)展的不同階段作用也不同，有待進一步研究。

3 免疫細胞與HIF-1α

已有研究證實，HIF-1α具有影響免疫細胞活化、增殖和分化等作用，可參與到機體炎癥反應中。這些作用主要通過調控T細胞、巨噬細胞、中性粒細胞和B細胞等免疫細胞中相關基因的表達實現(xiàn)。

3.1T細胞與HIF-1α 研究表明，炎癥中T細胞內HIF-1α穩(wěn)定表達主要通過以下3條通路：①通過PI3激酶/mTOR通路與T細胞抗原受體(T cell receptor，TCR)結合，促進HIF-1α穩(wěn)定性；②IL-6激活轉錄激活因子3(signal transducers and activators of transcription，STAT3)介導HIF-1α穩(wěn)定表達；③低氧條件下，HIF-1α的自身結構C-TAD誘導其轉錄，N-TAD穩(wěn)定其表達。HIF-1α依賴的糖酵解通路調控輔助性T細胞17(T helper cell 17,Th17)和調節(jié)性T細胞(regulatory cells,Treg)的分化，缺乏HIF-1α則會抑制Th17細胞發(fā)育，促進Treg分化，保護小鼠免受自身免疫性神經炎癥損傷。糖酵解代謝還會參與調節(jié)記憶T細胞中HIF-1α的翻譯，糖酵解中甘油醛-3-磷酸脫氫酶(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase,GAPDH)通過與中央記憶T細胞和效應記憶T細胞中HIF-1α mRNA 3′-UTR區(qū)富含腺苷酸-尿酸鹽的元件結合，負調控HIF-1α表達，并抑制T細胞增殖和存活。而GAPDH表達降低則上調HIF-1α表達，致使記憶T細胞功能增強，從而抑制腫瘤及炎癥發(fā)展[6]。低氧條件可通過上調CD4+T淋巴細胞中HIF-1α表達刺激Foxp3基因表達，從而促進CD4+T淋巴細胞轉化為Treg，避免炎癥反應發(fā)生[7]。E3泛素連接酶VHL是維持Treg穩(wěn)定性和功能的關鍵調控因子，缺失VHL的Treg細胞會激活Foxp3基因表達，F(xiàn)oxp3激活CD4+T細胞，進而產生過量的INF-γ。HIF-1α與INF-γ直接結合，導致T細胞轉化為Th1樣致病性T細胞，誘導多種組織炎癥及自身免疫性疾病[8]。干擾素調節(jié)因子5(interferon regulatory factor-5，IRF-5)可調控IL-6和TNF-β的表達。IRF-5本身可通過MyD88信號通路被TLR7和TLR9激活，或直接被病毒感染和Ⅰ型干擾素激活而參與炎癥反應。研究發(fā)現(xiàn)，IRF-5通過誘導樹突狀細胞中HIF-1α表達抑制CD8+T細胞增殖，增加糖酵解和M1巨噬細胞極化，加重炎癥反應[9,10]。提示HIF-1α在調控T細胞發(fā)育及介導T細胞參與的炎癥反應中發(fā)揮重要作用。

3.2巨噬細胞與HIF-1α 巨噬細胞發(fā)揮作用與其表型密切相關,目前已確定有2種類型巨噬細胞:一種為干擾素γ (interferon-γ,IFN-γ)和TNF-α誘導的促炎或經典活化巨噬細胞，即M1型巨噬細胞，表達高水平促炎細胞因子；第二種為IL-4和IL-13誘導的抗炎巨噬細胞，即M2型巨噬細胞，有助于炎癥的消退和損傷修復。M1型或M2型巨噬細胞在炎癥中的作用均與HIF-1α密切相關。

在促炎反應中，M1型巨噬細胞的葡萄糖分解代謝明顯提高，主要是依賴于HIF-1α和6-磷酸果糖-2-激酶表達，并按比例調節(jié)其促炎活性。巨噬細胞在動脈粥樣硬化炎癥的存活依賴完整的HIF-1α調節(jié)系統(tǒng)。氧化低密度脂蛋白(oxidized low-density lipoprotein,oxLDL)是一種強有力的促氧劑，可促使巨噬細胞募集，激活和泡沫細胞形成。巨噬細胞通過上調人葡萄糖轉運蛋白1(glucose transporter 1,GLUT-1)和己糖激酶表達攝取氟代脫葡萄糖并上調糖酵解量，促進炎癥發(fā)展。而沉默HIF-1α表達能完全消除oxLDL的代謝作用，這在一定程度上可抑制動脈粥樣硬化炎癥對血管的損傷[11]。研究發(fā)現(xiàn)，ω-炔基花生四烯酸在LPS刺激下可抑制HIF-1α與iNOS啟動子中HRE序列結合，并抑制巨噬細胞中糖酵解丙酮酸激酶M2 (pyruvate kinase isozyme type M2,PKM2)過表達和核轉位，調節(jié)PKM2、HIF-1α與iNOS的相互作用，可促進急性心肌梗死巨噬細胞的M2極化抗炎作用，抑制心血管炎癥[12]。

3.3中性粒細胞與HIF-1α 感染或炎癥過程中，中性粒細胞募集到病灶部位，以釋放中性粒細胞胞外陷阱的方式進行免疫防御。對于慢性炎癥而言，IL-4通過激活STAT信號通路可抑制中性粒細胞的HIF-1α依賴性存活，促進中性粒細胞凋亡和繼發(fā)性壞死，導致其生存時間縮短，縮短病程，促進慢性炎癥康復[13,14]。另外，中性粒細胞線粒體代謝及三羧酸循環(huán)代謝在一定程度上參與了中性粒細胞及巨噬細胞在低氧組織中的生存和抗菌功能，中性粒細胞的低氧存活時間延長也依賴于HIF-1α的表達[15]。但有關中性粒細胞中HIF-1α活性的增加是否與其線粒體代謝及三羧酸循環(huán)有關仍需進一步研究。

3.4B細胞與HIF-1α B細胞在抗原刺激后，經抗原提呈細胞和Th細胞的輔助，分化為具有體液免疫功能的漿細胞，漿細胞產生大量細胞因子，參與免疫調節(jié)、炎癥反應及造血過程。研究表明，在膠原誘導的關節(jié)炎及腦脊髓炎模型中，B細胞通過NF-κB通路增加HIF-1α mRNA和蛋白的表達水平；通過細胞外調節(jié)蛋白激酶-轉錄調節(jié)因子3(extracellular-signal regulated protein kinase-signal transducer and activator of transcription 3，ERK-STAT3)信號通路激活B細胞表面抗原受體。CD5+B細胞在體外以HIF-1α依賴的方式調控1型調節(jié)性T細胞(type 1 regulatory T cells,Tr1)的分化，起到抑制自身免疫性炎癥反應的作用[16]。另外，HIF-1α通過TASK-2+通道增加B細胞中Ca2+傳遞，上調B細胞離子通道活性，增強B細胞在炎癥反應中的靈敏性[17]。

潛伏膜蛋白1(latent membrane protein 1，LMP1)是EB病毒(EBV)誘導B細胞轉化的關鍵蛋白。EBV感染過程中HIF-1α啟動子區(qū)域與聚腺苷酸二磷酸核糖轉移酶-1(poly ADP-ribose polymerase 1 PARP1)形成PARylated復合物，導致HIF-1α與PARP1在B細胞積累，促進炎癥發(fā)展。PARP1缺失后干擾了NF-κB誘導的基因表達，從而降低B細胞促炎因子表達，保護組織免受損傷，這或許能成為炎癥性疾病的又一治療靶點，但具體治療效果如何有待進一步研究[18]。

3.5樹突狀細胞(dendritic cells,DC)與HIF-1α DC是橋接先天免疫與適應性免疫的關鍵因素，常位于低氧區(qū)，尤其在炎癥過程中。未成熟的DC具有極強的抗原吞噬能力與遷移能力，高表達MHC-Ⅰ及MHC-Ⅱ類分子，與抗原形成肽-MHC分子復合物，呈遞給T細胞而啟動免疫應答。DC通過SIRT1-HIF-1α軸以不依賴糖代謝的方式誘導DC細胞因子產生，促進CD4+T細胞分化，將先天免疫信號橋接至適應性免疫應答[19]。早期研究表明，單獨的低氧環(huán)境并不能誘導DC成熟，但會顯著刺激促炎細胞因子及MHC-Ⅱ類分子合成。隨著炎癥進展，HIF-1α蛋白積累，糖酵解活性進一步增強，導致DC活化，DC由接觸抗原的外周組織遷移進入次級淋巴器官，與T細胞接觸并激發(fā)免疫應答。

成熟DC能有效激活初始T細胞并與T細胞結合，高表達CD40等刺激分子作為T細胞活化的第二信號。近年來研究均發(fā)現(xiàn)，HIF-1α的積累導致DC誘導更多的Treg而抑制腸道炎癥[20]。且HIF-1α是單核吞噬細胞分化為耐受性DC的關鍵，缺乏HIF-1α的DC不能誘導初始T細胞分化為Tregs，導致腸道炎癥加重[21]。雖然DC作為目前功能最強的抗原呈遞細胞，但近年來HIF-1α與DC的關系及影響機制尚未明確，以此為治療靶點是否能用于其他炎癥性疾病治療有待進一步研究。免疫細胞中HIF-1α對炎癥的影響見表1。

表1 免疫細胞中HIF-1α對炎癥的影響

4 多種炎癥介質與HIF-1α的相互作用

4.1PGE2與HIF-1α PGE2是一種生物活性脂質物質，由環(huán)加氧酶催化花生四烯酸產生，在乳酸代謝、內皮細胞修復、腫瘤免疫及機體炎癥過程中均發(fā)揮重要作用，同時具有免疫抑制和抗炎作用。HIF-1α本身能促進干細胞和祖細胞歸巢和植入，而PGE2增強趨化受體因子4(Cys-X-CysR4，CXCR4)的表達促進干細胞歸巢[22]。Kwak等[23]發(fā)現(xiàn)，在小鼠哮喘模型中，用CoCl2預處理移植的間充質干細胞(mesenchymal stem cells,MSCs)可比天然MSCs更能抑制肺部炎癥。人類臍帶血MSCs通過ERK-HIF-1α-micro146a信號通路促進PGE2等抗炎介質和抑炎細胞因子(如TNF-α和IFN-γ)表達。以上結果提示，CoCl2通過調控PGE2表達發(fā)揮抗炎作用，具體機制有待深入研究。

4.2PAF與HIF-1α 血小板活化因子(platelet activating factor，PAF)是一種多效內源性磷脂，可擴張血管，增加血管通透性，促進白細胞黏附內皮細胞和吞噬細胞的活化，參與細胞增殖、遷移、新生血管生成、炎癥和癌癥等諸多反應。血小板活化因子乙酰水解酶β(platelet-activating factor acetylhydrolase，PAFAH1B2)是PAF的主要降解酶，對PAF的代謝起重要調節(jié)作用。缺氧可促進HIF-1α與PAFAH1B2啟動子區(qū)結合，誘導PAFAH1B2轉錄，導致PAFAH1B2過表達而誘導上皮間充質轉移，體內外遷移和侵襲，進而導致腫瘤組織的擴散[24]。在PAF受體障礙所造成的組織損傷研究中發(fā)現(xiàn)，活化PAF受體可保護腫瘤細胞免受輻射殺傷影響，輻射產生PAF配體，而輻射PAF配體可誘導腫瘤細胞產生PAF樣脂質和PGE2保護細胞免受輻射誘導的凋亡，PAF受體拮抗劑的應用能抑制PGE2保護作用，增加放療對腫瘤細胞的殺傷效果[25]。此類治療方法是否能應用于炎癥的治療仍需進一步研究。

4.3IFN-γ與HIF-1α IFN-γ是HIF-1α依賴的炎癥反應的重要調節(jié)因子，由活化的T細胞、NK細胞和NKT細胞產生。感染過程中，HIF-1α調控了幾乎IFN-γ一半的誘導基因表達，使巨噬細胞從無氧糖酵解轉變?yōu)橛醒跆墙徒猓鰪娋奘杉毎钚?，從而抑制炎癥的發(fā)生[26]。結核分枝桿菌感染巨噬細胞后，通過IFN-γ/HIF-1α/Hig 2信號通路介導脂滴累積，最終導致炎癥及組織損傷[27]。在IFN-γ處理的T84腸上皮細胞研究中發(fā)現(xiàn)，IFN-γ通過NF-κB通路上調HIF-1α表達，誘導上皮屏障功能喪失，并抑制緊密連接蛋白表達，從而易感腸道炎癥性疾病[28]。這與Xue等[4]的研究相反，進一步說明HIF-1α的激活或表達水平的變化，在炎癥性疾病中的不同階段具有不同的作用。

4.4其他炎癥介質與HIF-1α VEGF是一種可通過旁分泌方式作用于血管內皮細胞的血管新生因子,既可促進血管內皮細胞增殖、遷移和血管生長，也可促進淋巴管內皮細胞增殖和淋巴管增生。近年來在炎癥、腫瘤及耐氧方面均發(fā)現(xiàn)，VEGF與HIF-1α協(xié)同作用，促進炎癥及腫瘤發(fā)展。HIF-1α被認為是VEGF-A的關鍵調控因子。Toll樣受體(Toll-like receptors,TLR)參與天然免疫，是連接非特異性免疫與特異性免疫的橋梁，此過程中炎癥性樹突狀細胞還需要三種轉錄因子(即HIF-1α、STAT3和CREB)的共同支持才能誘導VEGF-A轉錄，進而促進炎癥[29]。正常氧濃度下，線粒體通過NADPH氧化酶(O2→O2-)途徑可生成活性氧(reactive oxygen species,ROS)，誘導HIF-1α降解抑制炎癥進程。缺氧條件下線粒體通過cyt c1→O2-→H2O2產生ROS促使HIF-1α穩(wěn)定表達，導致炎癥遷延不愈。而在高氧條件下ROS誘導TNF-α和HIF-1α的表達顯著增加，促進炎癥反應[30]。

5 以HIF-1α為靶點的抗炎藥物

目前，HIF-1α已被確認為治療多種炎癥性疾病的有效靶點。以HIF-1α為靶點的抗炎藥物大致分為3類：①中藥抗生素；②植物及植物相關提取物；③HIF抑制劑。如枸杞多糖、丹參酮等植物提取物均可通過特異性抑制NF-κB和HIF-1α通路抑制炎癥反應和細胞凋亡。青藤堿是具有抗炎功效的中藥抗生素，能通過與轉鐵蛋白結合非特異性上調HIF-1α水平，誘導新生血管生成而緩解炎癥。紅景天提取物和紅景天苷激活mTOR通路，刺激旁分泌，抑制PHD3，穩(wěn)定骨骼肌中HIF-1α蛋白，促進血管新生[31]，起抗氧化作用。而在腫瘤及炎癥組織中，下調HIF-1α/HIF-2α的表達可減少血管生成。調節(jié)肽(Apelin)是G蛋白偶聯(lián)受體APJ的內源性配體，與腫瘤和炎癥發(fā)生緊密相關。研究表明，缺氧時Apelin和APJ通過HIF-1α信號通路增加其表達，從而促進細胞增殖、遷移和存活，調節(jié)血管生成，在一定程度上改善心肌及腎臟損傷[32]。植物型藥劑大黃素可通過特異性阻斷HIF-1α/NF-COX-2信號通路抑制炎癥[33]。

HIF抑制劑主要有2類：一類是影響HIF分子表達或功能的直接HIF抑制劑，另一類是調節(jié)上游mTOR通路中其他分子的間接HIF抑制劑，如雷帕霉素及其酯化物CCI-779等[34]。吖啶黃素可通過多種給藥方式靶向降低HIF-1和HIF-2的轉錄活性，導致劑量依賴性抑制視網膜血管新生。另外，吖啶黃素可調節(jié)多種血管活性蛋白，為其他血管相關性疾病提供了治療手段[35]。HIF-1α在前列腺腫瘤中表達水平升高，加大了腫瘤轉移的風險，而非特異性HIF-1α抑制劑(地高辛、二甲雙胍和血管緊張素-2受體阻滯劑等)能夠降低持續(xù)雄激素阻斷治療患者發(fā)生前列腺癌耐藥和轉移的風險[36]。目前HIF抑制劑作為單一藥物或與其他藥物聯(lián)合使用用于治療晚期或難治性癌癥的療效并未得到廣泛認可，但大量研究表明，HIF-1α抑制劑的使用在抗腫瘤、免疫排斥反應、炎癥性疾病治療中均發(fā)揮積極作用。

6 總結與展望

綜上所述，HIF-1α通過影響糖酵解代謝、炎癥相關靶基因表達和與PGE2、INF-γ、PAF、VEGF等致炎因子相互作用參與炎癥反應。另外，T細胞和B細胞等免疫細胞均通過HIF-1α信號通路參與炎癥發(fā)展。與此同時，HIF-1α在炎癥反應中的作用具有相反的報道，即促進或抑制炎癥，這可能與炎癥的進程有關，需要進一步研究?？傊?，HIF-1α是炎癥發(fā)生發(fā)展的核心因子之一，以HIF-1α為靶點的藥物開發(fā)迫在眉睫，HIF-1α抑制劑及免疫抑制劑的開發(fā)將是對炎癥治療的一項有效舉措。