彭文超 劉建新 王迪銘

（浙江大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，杭州 310058）

動物生理上所探討的低氧，是指機體或組織器官處于環(huán)境的氧氣分壓低于正常值的狀態(tài)。低氧應(yīng)激，是指機體或組織器官在處于上述狀態(tài)時，機體為維持機體代謝穩(wěn)態(tài)而啟動的一系列調(diào)節(jié)機制。研究認為，低氧應(yīng)激啟動的核心是缺氧誘導(dǎo)因子HIF-1（Hypoxia-inducible factor），HIF-1在氧氣敏感器官（如心臟、肺臟、骨骼等）和代謝活動旺盛組織（如乳腺）的生理變化中具有重要調(diào)節(jié)功能。HIF-1由HIF-1α和HIF-1β兩個亞基組成，HIF-1α表達變化依賴于氧氣濃度改變，而HIF-1β的變化不直接受氧氣濃度影響。目前，生物低氧調(diào)控的研究主要針對HIF-1α及其下游信號通路。低氧應(yīng)激研究主要集中于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如癌癥發(fā)生和細胞血紅蛋白運輸氧能力變化等；在動物營養(yǎng)研究領(lǐng)域，低氧應(yīng)激研究主要集中于高原家畜低氧適應(yīng)性機制研究。本文從哺乳動物低氧應(yīng)激的部位和成因差異性，以及組織對低氧應(yīng)激的響應(yīng)及其結(jié)果對現(xiàn)有研究進行了綜述，旨在為哺乳動物低氧應(yīng)激的生物學(xué)基礎(chǔ)及其調(diào)控研究提供理論依據(jù)。

1 哺乳動物低氧應(yīng)激成因

哺乳動物的低氧應(yīng)激具有眾多成因，主要分為3類：（1）環(huán)境低氧；（2）病理性低氧；（3）攜氧細胞功能障礙；同時，低氧應(yīng)激對不同組織的代謝穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)又具有特異性。因此，解析不同種類的低氧誘因造成的應(yīng)激，并比較低氧應(yīng)激在不同組織中的調(diào)節(jié)效果，對維持哺乳動物代謝穩(wěn)態(tài)具有重要價值。

1.1 環(huán)境低氧

由于高原特殊的低氧環(huán)境，長期生活在平原地區(qū)的人若在短時間內(nèi)進入高原地區(qū)，會因氧氣供應(yīng)不足發(fā)生頭昏、惡心嘔吐等現(xiàn)象，我們稱之為高原反應(yīng)，高原反應(yīng)是環(huán)境低氧導(dǎo)致機體代謝紊亂的典型特征。為適應(yīng)高原地區(qū)環(huán)境低氧的特征，高原生物通常具有典型的低氧適應(yīng)性特征，如高原家畜肌肉中線粒體豐度大幅度降低及其代謝水平下降［1］，這些代謝適應(yīng)性的產(chǎn)生可能與生物體中一種緩激肽的應(yīng)激蛋白的分泌有關(guān)，緩激肽與體內(nèi)HIF相關(guān)信號通路共同維持著動物體在低氧條件下的代謝穩(wěn)態(tài)［2］。

當(dāng)機體無法及時適應(yīng)環(huán)境低氧時，機體呼吸、神經(jīng)、消化和血液循環(huán)等系統(tǒng)會出現(xiàn)代謝紊亂。研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境低氧可造成肺血管收縮幅度較弱區(qū)域的毛細血管壓力和通透性增加，導(dǎo)致血液組分（如大分子蛋白質(zhì)、紅細胞等）進入肺部［3］，最終損傷呼吸系統(tǒng)的功能［4］。內(nèi)臟、心血管和腺體中廣泛分布著自主神經(jīng)，對哺乳動物血液循環(huán)、消化道功能等穩(wěn)態(tài)維持方面起重要作用，處于低氧狀況的哺乳動物，其可通過增加血液循環(huán)速度和低氧響應(yīng)信號啟動等方式來應(yīng)對這一情況。腦組織是哺乳動物最大的神經(jīng)調(diào)節(jié)中樞，其耗氧量占機體總耗氧量20%以上。為維持腦組織等重要器官的氧供給，處于低氧狀態(tài)的機體通過擴張血管以增加血流量，并減少皮膚和其他內(nèi)臟組織周邊的血管收縮幅度，這可使腦組織中血管壓力劇增并增加腦出血和腦梗死發(fā)生的風(fēng)險［5-7］。血紅蛋白與氧結(jié)合和釋放的能力顯著降低是循環(huán)系統(tǒng)在機體氧供給不足情況下表現(xiàn)出的標(biāo)志性代謝特征［8］。因此，作為主要的耗氧器官，心、腦、肺等部位在機體缺氧情況下會迅速做出響應(yīng)，通過HIF等信號通路的啟動和代謝模式的改變，來維持代謝穩(wěn)態(tài)。與處于平原的荷斯坦奶牛相比，處于海拔3600 m奶牛瘤胃中的總揮發(fā)脂肪酸濃度、微生物蛋白合成效率和體外干物質(zhì)降解率均較低［9］，提示環(huán)境低氧可降低奶牛瘤胃發(fā)酵水平；同時，奶牛的基礎(chǔ)代謝率隨海拔高度的增加而增加［9］，Kong等［10］將娟珊牛從沈陽（低海拔區(qū)域）轉(zhuǎn)移至西藏林芝地區(qū)（平均海拔3000 m），通過蛋白組學(xué)和microRNA測序手段對比轉(zhuǎn)移前后奶牛機體代謝的變化，發(fā)現(xiàn)與平原地區(qū)的娟珊牛相比，高原奶牛的體溫降低、精子凍死率上升，且血清中的K+、Na+、Ca2+和Cl-含量顯著降低，上述結(jié)果提示，處于低氧條件下的奶牛需要額外能量來維持組織/器官的基礎(chǔ)代謝率，而被轉(zhuǎn)移至高原后，奶牛機體可能通過抑制急性反應(yīng)、凝血系統(tǒng)、補體系統(tǒng)，轉(zhuǎn)錄因子因子活化和炎癥穩(wěn)態(tài)變化對低氧做出響應(yīng)。然而，上述由低氧引起的代謝穩(wěn)態(tài)變化是否可以導(dǎo)致奶產(chǎn)量變化，則需要進一步研究。

1.2 代謝性低氧

除了由于海拔等環(huán)境誘導(dǎo)的機體低氧應(yīng)激，過高的動物代謝水平可導(dǎo)致哺乳動物血氧供給無法滿足組織代謝需求，從而誘發(fā)低氧應(yīng)激，這種類型的低氧稱為代謝性低氧。近年來研究顯示，代謝性低氧被認為是多種組織/器官代謝疾病發(fā)生的誘因。

1.2.1 肺臟 肺臟在呼吸系統(tǒng)的末端行使氣體進出調(diào)節(jié)和呼吸道保護的功能，肺泡細胞氧氣供給充足對肺臟功能穩(wěn)態(tài)和機體氧供給具有重大意義。作為紅細胞機體高效運輸氧氣的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，血紅蛋白活力的維持是肺泡細胞功能維持的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。Neves等［11］發(fā)現(xiàn)，肺泡細胞內(nèi)鐵水平不足可導(dǎo)致其胞內(nèi)血紅蛋白等含鐵蛋白活性下降，從而導(dǎo)致肺泡細胞的代謝性缺氧。進一步研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)肺泡細胞發(fā)生缺氧時，肺泡細胞氧敏感基因（HIF-1α、HIF-2α、GLUTs）表達量上調(diào)是導(dǎo)致其線粒體功能紊亂和肺功能障礙的直接原因［12］。因此，維持肺臟鐵素水平和血紅蛋白活力是使肺臟保持代謝穩(wěn)態(tài)的重要因素。

1.2.2 心臟 心臟是全身血液循環(huán)的動力泵。Zhu等［13］研究發(fā)現(xiàn)，冠狀動脈微栓塞誘發(fā)的微血管閉塞可誘導(dǎo)心肌局部缺氧并導(dǎo)致胞內(nèi)活性氧（Reactive oxygen species，ROS）水平升高，并最終造成心臟微血管和心實質(zhì)細胞損傷。Eirin等［14］認為，若心肌細胞中ROS積累過多，可導(dǎo)致其線粒體功能紊亂并發(fā)生細胞自噬，最終使心肌組織的氧化應(yīng)激水平上升。Oka等［15］研究發(fā)現(xiàn)，心臟橫向主動脈收縮可導(dǎo)致其快速應(yīng)力負荷增加，在增加氧氣消耗的同時造成心肌細胞的氧化應(yīng)激，在此代謝性缺氧的情況下，心臟通過自適應(yīng)毛細血管密度增加和HIF-1α表達上調(diào)來維持代謝穩(wěn)態(tài)。因此，對維持心肌細胞在低氧條件下線粒體穩(wěn)態(tài)和數(shù)量，可能是低氧狀況下心肌代謝維持的關(guān)鍵。

1.2.3 肝臟 哺乳動物低氧應(yīng)激在肝臟中的表現(xiàn)雖沒有在肺臟、心臟等器官中那樣敏感，作為機體最大的解毒器官和能量供應(yīng)中心，肝臟在維持機體代謝穩(wěn)態(tài)中起著至關(guān)重要的作用，當(dāng)肝臟氧氣供給不足時，也會發(fā)生代謝紊亂［16］，并通過降低營養(yǎng)素合成的方式，影響其他器官的代謝水平。例如，處于低氧微環(huán)境的肝癌細胞，其HIF-1α表達量上調(diào)，并進一步促使上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化（EMT）［17］。同時，心衰和呼吸衰竭可直接降低肝臟輸氧量，進而提高肝臟谷丙轉(zhuǎn)氨活力并導(dǎo)致其器質(zhì)性病變［18］。除了由于癌細胞擴增導(dǎo)致的低氧微環(huán)境，還有許多情況會引起細胞處于相對低氧的環(huán)境當(dāng)中，研究表明，暴露于亞砷酸鹽的肝臟細胞中，HIF-1α和一元羧酸轉(zhuǎn)運蛋白-4表達量顯著提高，從而提高肝臟細胞的糖酵解水平和乳酸水平，最終導(dǎo)致炎癥發(fā)生［19］，本研究結(jié)果提示，HIF-1α超表達造成的糖酵解水平提高，是導(dǎo)致肝臟代謝紊亂和肝功能受損的重要原因。由此我們可以推測，低氧影響肝臟的功能主要是通過HIF-1α信號通路的變化，但HIF-1α信號影響肝臟代謝的作用機制，仍有待研究。

1.2.4 乳腺 目前，代謝性低氧在乳腺領(lǐng)域的研究主要集中于乳腺癌。研究發(fā)現(xiàn)，隨乳腺中脂肪細胞體積不斷增大，乳腺耗氧量不斷增加并使其處于代謝缺氧狀態(tài)，為保證ATP的供給，乳腺的主要供能方式從有氧呼吸逐漸轉(zhuǎn)換為無氧呼吸，從而為乳腺癌細胞的分化和增殖提供良好環(huán)境［20］，提示乳腺癌細胞分化與乳腺組織中脂肪細胞代謝紊亂具有較高相關(guān)性。乳腺癌細胞可通過提高膠原蛋白I分泌來加速其增殖，從而加劇局部氧消耗，最終導(dǎo)致HIF-1α信號上調(diào)并提高下游細胞中NF-κB轉(zhuǎn)錄因子的表達，進一步為其快速增殖提供缺氧條件［21］。Chu等［22］研究發(fā)現(xiàn)，碳酸酐酶IX（CA-IX）是乳腺惡性腫瘤發(fā)生的重要誘導(dǎo)因子，CA-IX表達量上調(diào)可加速乳腺癌細胞所在組織內(nèi)氧氣消耗速率，提高癌細胞HIF-1α的表達量，并通過上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化介導(dǎo)的機制加速乳腺癌細胞遷移和侵襲其他組織的進程。這些數(shù)據(jù)提示，代謝性低氧和HIF-1α是乳腺癌細胞增殖和遷移加速的重要原因。

泌乳家畜（奶牛、奶山羊和奶水牛等）的泌乳效率和性能決定了奶產(chǎn)量和質(zhì)量。作為哺乳動物代謝最為旺盛的組織器官之一，乳腺健康與否直接影響了泌乳家畜的泌乳性能和乳品品質(zhì)。從懷孕到哺乳期，奶牛乳腺的代謝速率不斷增加，以滿足其較高的泌乳需求。通過觀察低氧標(biāo)記物吡莫硝唑在小鼠乳腺中的結(jié)合情況發(fā)現(xiàn)，隨小鼠泌乳量上升，其乳腺的耗氧量顯著提高，并導(dǎo)致其局部慢性缺氧［23］。同時，葡萄糖是乳腺乳合成和細胞增殖的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，胞內(nèi)葡萄糖供給不足可誘發(fā)乳腺氧化應(yīng)激。研究表明，處于泌乳早期的奶牛，其采食量無法滿足其快速上升的奶產(chǎn)量需求。因此，此時奶牛通過提高乳腺葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白1表達量，加速從血液中吸收和利用葡萄糖合成乳糖，以滿足奶產(chǎn)量快速提升的需要，同時發(fā)現(xiàn)HIF-1α表達均顯著增加，提示泌乳早期奶牛乳腺氧氣供給存在不足［24］。本項目組前期研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)奶山羊乳腺中的葡萄糖供給過量時，乳腺組織發(fā)生大量自由基積累和乳腺細胞凋亡等現(xiàn)象，上述過程與低氧應(yīng)激的重要信號因子-NFκB2的激活有關(guān)［25］，這與前人報道中發(fā)現(xiàn)的葡萄糖代謝模式改變參與哺乳動物高原低氧適應(yīng)機制調(diào)控的結(jié)果一致［26］。另外一些研究發(fā)現(xiàn)，小鼠乳腺中GLUT8 也可以響應(yīng)乳腺低氧狀況，但其響應(yīng)方式并非通過HIF-1α 途徑來實現(xiàn)［27］。另外，Paatero等［28］發(fā)現(xiàn)HIF-1α和ErbB4是參與乳腺早期分化和發(fā)育調(diào)節(jié)的重要因子，在維持乳腺泌乳過程中發(fā)揮重要作用。這些基于小鼠乳腺的研究內(nèi)容對解讀低氧對奶牛乳腺代謝的調(diào)節(jié)機制具有重要意義。

1.2.5 腸道 當(dāng)處于低氧條件時，人可能出現(xiàn)惡心、腹脹、腹瀉等病理特征。若無法及時控制，可進一步引起腸黏膜出血和潰爛，上述現(xiàn)象的發(fā)生可能有幾個原因：（1）從消化道微生物角度來看，低氧誘導(dǎo)消化道道免疫功能降低，消化道微生物及其合成內(nèi)毒素通過消化道上皮進入血液，最終導(dǎo)致機體腸源性感染［29］；（2）從消化道黏膜的角度來看，在環(huán)境低氧條件下，動物腸道黏膜通透性提高，導(dǎo)致纖維蛋白大量分泌并破壞腸黏膜屏障功能，最終減低腸黏膜IgG分泌量并弱化其免疫屏障功能［30］；（3）從消化道氧化平衡角度來看，處于低氧條件下的消化道黏膜中產(chǎn)生大量氧自由基并無法得到迅速清除，從而導(dǎo)致動物消化道黏膜損傷［31］。腸道作為哺乳動物營養(yǎng)素消化吸收的部位，是機體最大的微生態(tài)環(huán)境，Lin等［32］研究發(fā)現(xiàn)，腸道缺血再灌注可導(dǎo)致腸黏膜屏障功能障礙，而通過miR-31介導(dǎo)途徑激活腸道HIF-1α的表達量，可維持腸道上皮的代謝穩(wěn)態(tài)。即在一定程度上，HIF-1α的存在緩解了某些應(yīng)激導(dǎo)致的功能障礙，而Mahon等［33］研究也可以證明，處于熱應(yīng)激環(huán)境可誘導(dǎo)母豬腸道HIF-1α信號被激活，并通過激活下游級聯(lián)信號通路，維持腸道上皮黏膜的完整性，HIF-1α不僅可以緩解某些功能障礙，還與其他應(yīng)激如熱應(yīng)激之間有相互影響的可能。

1.2.6 骨骼肌 骨骼肌是哺乳動物對環(huán)境氧濃度變化最敏感的組織之一。在運動過程中，骨骼肌代謝速率加快，細胞氧氣快速消耗導(dǎo)致局部缺氧，并造成HIF-1α表達上調(diào)和乳酸積累，最終導(dǎo)致肌肉酸痛［34］。Ameln［35］發(fā)現(xiàn)體育鍛煉可以使骨骼肌中HIF-1α及其下游信號通路保持在一定水平，因此增加鍛煉頻率可提高骨骼肌的低氧適應(yīng)性，從而降低肌肉乳酸積累。阻塞性睡眠呼吸暫停綜合癥是一種人群常見疾病，這種病癥可導(dǎo)致短暫呼吸停止和慢性間歇性缺氧（cIH）。研究發(fā)現(xiàn)，cIH（慢性間歇性缺氧）的發(fā)生與嚙齒動物和人類的胰島素抵抗和代謝穩(wěn)態(tài)受損有關(guān)［36］，這是因為cIH在改善胰島素抵抗的同時提高了機體葡萄糖耐量，并上調(diào)骨骼肌HIF-α和AMPK通路，提示調(diào)節(jié)骨骼肌HIF-1α信號通路是治療cIH的有效方法。因此，對于肌肉等組織而言，維持HIF-1α及其下游信號通路的水平，可有效降低其發(fā)生代謝紊亂的可能性。

1.2.7 其他 在不同程度的缺氧條件下，被激活的HIFs家族成員有所不同，以協(xié)助各組織細胞適應(yīng)低氧環(huán)境［37］。Teague等［38］研究了低氧應(yīng)激與熱應(yīng)激之間的關(guān)聯(lián)發(fā)現(xiàn)，細胞氧利用與奶牛耐熱特性具有顯著相關(guān)。同時，熱應(yīng)激誘導(dǎo)的乳腺蛋白圖譜發(fā)生變化，一些熱休克同源蛋白的表達量與HIF-1表達量呈正相關(guān)，提示高溫條件下的奶牛乳腺中發(fā)生的氧化應(yīng)激部分來自低氧應(yīng)激［39］。高產(chǎn)奶牛的乳腺上皮細胞代謝速率較快且耗氧量較高，較易發(fā)生氧化應(yīng)激，可能與奶牛乳腺代謝缺氧有關(guān)［40］。相似的研究還有，妊娠后期奶牛熱應(yīng)激會影響胎盤發(fā)育，導(dǎo)致胎兒缺氧、營養(yǎng)不良和發(fā)育遲緩。母代熱應(yīng)激也可能對后代的出生后生長產(chǎn)生延續(xù)影響，但仍缺乏直接證據(jù)［41］。綜上所述，低氧應(yīng)激可能在奶牛機體代謝中起重要作用，而且可能是引起其他應(yīng)激的重要響應(yīng)因子，但其機制仍有待進一步探索。

1.3 攜氧細胞功能障礙

除了環(huán)境低氧和代謝性低氧之外，血液中攜氧細胞功能障礙甚至缺失，也是造成細胞低氧應(yīng)激的原因之一。研究發(fā)現(xiàn)，成人腎臟在紅細胞生成中起著核心作用，是紅細胞生成素（EPO）的主要來源，EPO是一種氧敏感性糖蛋白，對紅細胞生物合成至關(guān)重要。Farsijani等［42］研究發(fā)現(xiàn)，抑制腎EPO的生物合成可造成血液流變學(xué)性質(zhì)的變化，進而造成胞內(nèi)缺氧、糖酵解水平提高、線粒體質(zhì)量降低，從而造成腎小葉周圍間質(zhì)成纖維細胞的低氧應(yīng)激。作為重要的攜氧蛋白，Cabrales等［43］發(fā)現(xiàn)通過血紅蛋白攜氧能力的修復(fù)，是恢復(fù)血液流變學(xué)性質(zhì)的基本前提。Strumia等［44］研究發(fā)現(xiàn)，血紅蛋白氧轉(zhuǎn)運功能與紅細胞內(nèi)ATP和2，3-二磷酸甘油酸水平有關(guān)，血液儲存過程中，血紅蛋白濃度會隨著血液成分稀釋而降低，而通過在存儲血液添加肌苷，可提高紅細胞內(nèi)ATP和2，3-二磷酸甘油酸與血紅蛋白的結(jié)合能力，從而維持血液中ATP和2，3-二磷酸甘油酸濃度并保證血紅蛋白的氧運輸能力。因此，血紅蛋白等攜氧分子功能的維持，對于保證機體氧代謝穩(wěn)態(tài)，具有重要意義。

綜上所述，由于環(huán)境中氧氣濃度不足、組織代謝紊亂誘發(fā)低氧、以及血液攜氧能力降低等因素是導(dǎo)致哺乳動物機體缺氧和代謝穩(wěn)態(tài)失衡的原因。

2 低氧應(yīng)激響應(yīng)及其機制

氧的利用及其調(diào)節(jié)是哺乳動物生存的基本條件，若哺乳動物在長期的馴化和習(xí)服過程中適應(yīng)了低氧狀態(tài)，則可維持其生理代謝穩(wěn)態(tài)。同時，低氧現(xiàn)象在許多重大疾病發(fā)生和發(fā)展進程中發(fā)揮重要作用，若無法緩和哺乳動物在高強度代謝過程需氧增加和機體氧供給不足的矛盾，則極易使機體發(fā)生代謝穩(wěn)態(tài)失衡。

2.1 低氧適應(yīng)性響應(yīng)

生活在高原和深海的哺乳動物是低氧適應(yīng)和馴化的典型代表，也是常用的低氧研究對象。近年來，隨著對高原哺乳動物低氧適應(yīng)性研究的不斷深入，低氧響應(yīng)機制不斷地從組織學(xué)和分子學(xué)等方面被揭示。在器官水平上，肺臟和心血管系統(tǒng)被認為是對氧濃度感應(yīng)最敏感的器官與系統(tǒng)，解剖學(xué)研究表明，牦牛和藏羚羊等高原哺乳動物，隨著海拔升高，其肺泡數(shù)目、毛細血管豐度均有顯著增加，這可能是高原哺乳動物在機體生長發(fā)育和健康穩(wěn)態(tài)維持的適應(yīng)性機制。從血液分子學(xué)層面研究發(fā)現(xiàn)，牦牛血液中反應(yīng)呼吸、細胞氧運輸代謝的指標(biāo)（紅細胞、血紅蛋白、谷草轉(zhuǎn)氨酶和肌酸激酶）等隨著海拔的升高均顯著提高，而反應(yīng)機體抗氧化能力的指標(biāo)（超氧化物歧化酶活性和血管內(nèi)皮舒張因子）則顯著降低，上述代謝生理參數(shù)的變化與性別無關(guān)，但與動物日齡具有相關(guān)性［45-46］，這可能是由于在低氧環(huán)境中，隨著低氧誘導(dǎo)因子HIF信號通路表達上調(diào)，導(dǎo)致其下游的促紅細胞生成素基因、基質(zhì)金屬蛋白酶基因和血管內(nèi)皮生長因子-a基因顯著表達并使血紅細胞產(chǎn)生和血管生成加速，最終使得機體在低氧條件下獲得維持代謝穩(wěn)態(tài)［47］。另一些研究比較了高低海拔條件下動物代謝的差異，Mizuno等［48］研究表明，高原牦牛組織中內(nèi)源性一氧化氮合酶（eNOS）的表達遠高于平原地區(qū)反芻動物，高表達eNOS可幫助其維持較低的肺血管張力并緩解肺動脈高壓狀態(tài)。同時，牦牛血管中高表達內(nèi)皮縮血管肽（ET-1）和HIF-1α，提示HIF-1α通過提高其eNOS和肺血管張力降低，維持低氧血的情況下牦牛的正常心肺功能。進一步地，Lan等［49］利用RNA-Seq技術(shù)對牦牛和平原地區(qū)肉牛的肺臟組織進行了轉(zhuǎn)錄組測序和功能分析發(fā)現(xiàn)，牦牛肺臟中與核糖體相關(guān)功能占比最高，通過關(guān)聯(lián)分析揭示RPS6和HIF-1α是上述核糖體相關(guān)功能發(fā)生改變的重要調(diào)控信號。因此，HIF-1α蛋白介導(dǎo)的肺臟核糖體功能調(diào)控，可能是牦牛在環(huán)境低氧狀態(tài)中得以維持代謝穩(wěn)態(tài)的原因。內(nèi)皮細胞PAS結(jié)構(gòu)域蛋白1基因（EPAS1）是HIF-2α重要的轉(zhuǎn)錄因子，其在激活氧代謝通路過程中也發(fā)揮了重要作用，缺氧條件下EPAS1和HIF-2α結(jié)合產(chǎn)生的HIF二聚體可與位于缺氧介導(dǎo)基因上的缺氧反應(yīng)元件（HRE）結(jié)合，從而對機體紅細胞生物合成和鐵穩(wěn)態(tài)等生命過程進行調(diào)節(jié)［50］。高原牦牛腎中HIF-1α和HIF-2α的5'端調(diào)控區(qū)的甲基化水平顯著低于處于平原地區(qū)的肉牛，提示HIF-1α和-2α的DNA甲基化在牦牛適應(yīng)低氧環(huán)境的調(diào)控中發(fā)揮重要作用［51］。這說明我們在探究組織低氧原因時甲基化的作用不可忽視。另一些研究表明，高原生活的藏豬和高原鼠兔血液中紅細胞形態(tài)和功能隨著海拔的升高而產(chǎn)生異于低海拔同物種的變化，主要表現(xiàn)在血紅細胞數(shù)目的增多和紅細胞表面積的增大，這都有利于充分運輸氧從而保持機體正常代謝功能［52-53］。上述基于環(huán)境低氧條件下哺乳動物適應(yīng)性生理調(diào)節(jié)的研究，為我們深入研究哺乳動物低氧應(yīng)激研究奠定了理論基礎(chǔ)。

哺乳動物對低氧的適應(yīng)屬于一種代謝重建，即當(dāng)胞內(nèi)氧氣供給受到限制時，細胞產(chǎn)生ATP的方式會從有氧呼吸轉(zhuǎn)換到無氧糖酵解，其目的是為防止線粒體產(chǎn)生過多的ROS而導(dǎo)致細胞氧化應(yīng)激［54］。Zhuang［55］發(fā)現(xiàn)缺氧誘導(dǎo)的HIF-1α通過提高細胞糖酵解速率，降低大鼠肝臟細胞線粒體損傷和凋亡速率，從而使移植肝臟免受缺血再灌注誘發(fā)的損傷。Cartee等［56］研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)肌肉萎縮、氧氣供給不足或者內(nèi)毒素積累時，骨骼肌代謝所需葡萄糖的量顯著提高，這可能是由于無氧糖酵解供能效率低于有氧呼吸的原因所致。事實上，在哺乳動物復(fù)雜的代謝系統(tǒng)中，存在著常年相對“缺氧”的區(qū)域—消化道，在健康的小腸和大腸黏膜上皮細胞始終處于生理性缺氧狀況（氧分壓在10 mmHg以下），這些組織通過保持HIF等低氧相關(guān)信號的穩(wěn)定表達，維持其代謝穩(wěn)態(tài)，上述生理現(xiàn)象是由于腸道獨特的氧供給狀況決定的［57］。動物細胞在低氧條件下的適應(yīng)機制，具有特定的轉(zhuǎn)錄和翻譯后調(diào)節(jié)機制。Smith等［58］研究表明，在低氧條件下，電子傳遞鏈產(chǎn)生活性氧信號增加，從而激活了多種細胞類型的保護機制，HIF相關(guān)信號作為其中重要的調(diào)控機制，可通過糖原代謝［54］、血管生成［59］和細胞增殖活力［60］等方式來維持細胞的代謝穩(wěn)態(tài)。

2.2 低氧病理性響應(yīng)

若細胞無法有效對胞內(nèi)低氧狀況作出響應(yīng)，則會出現(xiàn)代謝穩(wěn)態(tài)失衡和相關(guān)病理狀況，其最典型的就是發(fā)生炎癥。當(dāng)炎癥發(fā)生時，具有高代謝活性炎癥細胞和免疫細胞對氧吸收和利用增加，同時炎性因子導(dǎo)致機體血管氧供給減少；因此，組織缺氧可通過激活免疫細胞和非免疫細胞的炎癥信號相關(guān)通路激活，從而導(dǎo)致慢性炎癥的發(fā)展［61］，進一步研究證實，在炎癥發(fā)生過程中，HIF-1α的下游通路NF-кB是誘導(dǎo)炎癥發(fā)生的主要誘因［62］。除慢性炎癥外，細胞在低氧條件下若無法有效抑制ROS積累，可導(dǎo)致細胞發(fā)生凋亡，為避免細胞大量凋亡，細胞會通過啟動一系列防御機制來維持細胞穩(wěn)態(tài)，例如肝臟細胞可通過自噬等機制的啟動來維持低氧條件下的代謝穩(wěn)態(tài)［63］。因此，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)IF相關(guān)信號通路作為調(diào)節(jié)代謝重編程、干細胞表型、侵襲、血管生成、免疫抑制等生物學(xué)過程的重要方式，以維持細胞代謝穩(wěn)態(tài)［64］。研究發(fā)現(xiàn)，HIF-1α和-2α是肝臟纖維化和乳腺癌的關(guān)鍵驅(qū)動因子，也是治療上述兩種病癥的潛在靶點［65］。

2.3 低氧應(yīng)激調(diào)控

針對低氧應(yīng)激的調(diào)控目前仍然較少，已知的維生素B12有擴張血管、增強血流量的作用，理論上可以增加血氧含量，進而從緩解血氧含量低入手恢復(fù)組織功能。Daleprane等［66］發(fā)現(xiàn)，在缺氧條件下，以10 mg/L的紅色蜂膠多酚處理細胞，可降低HIF-1α蛋白的積累，從而減弱血管內(nèi)皮生長因子的表達，提示紅色蜂膠多酚在抗血管生成中的有效性。缺氧狀態(tài)下，MARCH5降解多余的線粒體受體FUNDC1以微調(diào)缺氧誘導(dǎo)的線粒體，這是線粒體吞噬過程，是線粒體受損的清除過程［67］。Roy等［68］認為亞麻酸介導(dǎo)線粒體凋亡，抑制缺氧微環(huán)境，抑制新生脂肪酸合成，具有抗癌作用。Hou等［69］發(fā)現(xiàn)牛磺酸脫氧膽酸能減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，保護肝臟免受慢性間歇性缺氧損傷。另一些研究報道，抗應(yīng)激制劑具有不同的作用方式，如維生素B12可增強乳動脈血紅蛋白攜氧能力［70-71］，茶多酚有利于舒張血管［72］，硝酸甘油能清除乳腺內(nèi)自由基［73］等，提示抗應(yīng)激制劑緩解組織應(yīng)激的機制可能與低氧應(yīng)激的調(diào)節(jié)相關(guān)。

3 展望

目前，有關(guān)動物體低氧應(yīng)激相關(guān)研究主要集中于環(huán)境性低氧（高原生物）和病理性低氧（醫(yī)學(xué)領(lǐng)域），在畜牧領(lǐng)域中的研究主要集中于牦牛等高原動物的低氧適應(yīng)性機制研究，對代謝性低氧的研究較少。對于哺乳動物，除了滿足自身正常代謝之外，更要注重如何在維持基本體征的同時滿足代謝旺盛的乳腺功能，大量泌乳合成導(dǎo)致其不僅對葡萄糖、氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)需要量較高，同時也消耗大量氧氣，上述過程中不但產(chǎn)生大量氧化應(yīng)激，同時也使哺乳動物乳腺處于相對低氧狀況，從而引發(fā)應(yīng)激，造成乳腺穩(wěn)態(tài)失衡、奶產(chǎn)量下降的現(xiàn)象。因此，以低氧應(yīng)激為切入點，研究哺乳動物乳腺泌乳調(diào)節(jié)機理，可為完善哺乳動物抗應(yīng)激管理提供新的知識。完成從生物學(xué)分析向畜牧學(xué)應(yīng)用的實踐。