張子良，黃 櫻

（1. 贛南醫(yī)學院2018級碩士研究生；2. 贛南醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，江西 贛州 341000）

血管性癡呆（Vascular dementia，VD）主要是由慢性腦區(qū)低灌注損傷引起的一種獲得性大腦智能及其他認知系統(tǒng)功能障礙的神經(jīng)退行性疾?。?］，主要引起學習、記憶、執(zhí)行力及視覺和空間等多方面的認知功能損害，甚至可能出現(xiàn)精神情感、人格障礙［2］。VD 發(fā)病率約占所有癡呆癥患者的17%～20%，是第二大癡呆癥［3］。近年來，隨著科學的發(fā)展，VD 的病因、病理機制的研究也更加的深入，并且在指導臨床實踐中取得了一定的成效［4］。在VD的眾多臨床病理發(fā)病機制中，慢性腦區(qū)低灌注性損傷一直占據(jù)極其重要的地位［5］。在慢性腦區(qū)低灌注損傷導致VD 的分子生物學機制中都強調了腦細胞氧化應激和興奮毒性反應與神經(jīng)血管損傷的重要作用［6］。將這些機制作為減輕或預防VD 的策略及干預靶點，具有潛在的可行性和重要價值。

近年來研究發(fā)現(xiàn)，缺氧誘導因子-1α（Hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）具有保護神經(jīng)元細胞的作用。當神經(jīng)元細胞受到損傷時，其可以通過誘導驅動多種關鍵靶基因如：血管神經(jīng)內(nèi)皮生長因子（Vascular endothelial growth factor，VEGF）和紅細胞刺激因子（Erythropoietin，EPO）等的表達從而減少神經(jīng)元死亡。HIF-1α 還可以促進糖酵解和葡萄糖代謝，增加NADH/NADPH 的還原反應，減輕氧化應激引起的損傷［7］。有研究表明，HIF-1α 及其靶基因參與糖酵解或血管生成的原因可能是一種機體對氧化應激的適應性反饋［8］。此種反饋對神經(jīng)元具有一定的保護作用，能緩解認知功能下降，阻止VD 的發(fā)病進程。因此，本文主要從HIF-1α 的結構特征、氧代謝的調節(jié)及其在血管性癡呆病理機制中的作用予以綜述。

1 HIF-1α的結構特征

HIF-1 屬于PAS（PER-ARNT-SIM）蛋白轉錄家族，是一種異源二聚體核蛋白。主要由α亞基和β亞基兩個亞單位組成，每種亞基各自具有3種亞型，即HIF-1α、HIF-2α、HIF-3α、HIF-1β、HIF-2β、HIF-3β［9］。其中，α亞基分子量為120 KD，β亞基分子量為95 KD［10］。α 亞基主要在細胞質內(nèi)表達，為HIF-1 所特有，不僅是HIF-1 的調節(jié)亞基，也是活性亞基，其轉錄活性及蛋白穩(wěn)定性均受細胞內(nèi)氧濃度的調節(jié)。β 亞基結構與芳香烴受體核轉位蛋白（Aryl hydrocarbon recep-tor nuclear translocator，ARNT）相同，主要在細胞核內(nèi)表達。HIF-1α的氨基端包含有堿性的螺旋-環(huán)-螺旋構型（Basic helix-loop-helix，bHLH）和PAS 結構域，是形成異源二聚體并與DNA 序列低氧反應元件（Hypoxia-responseelement，HRE）結合所必須的結構；羧基端為一個富含脯氨酸-絲氨酸-蘇氨酸的氧依賴降解結構域（Oxygen-dependent degradationdo-main，ODDD）和反式激活結構域（Transactivationdo-main，TAD）即TAD-C，N 末端含有TAD-N。其中，TAD-C 和TAD-N 與HIF-1α 的氧調節(jié)穩(wěn)定性和轉錄活性有關，ODDD 則與泛素酶連接系統(tǒng)有關［11］。有研究認為，這些結構域對于HIF-1 的穩(wěn)定、核轉位和轉錄激活有著重要的作用［12］。HIF-1α 是研究較多的蛋白分子，其基因定位于人的第14 號染色體q21-24 區(qū)，由826 個氨基酸組成，是缺氧時表達相對較多的蛋白。HIF-2α 被稱為細胞內(nèi)皮PAS 結構域蛋白-1（Endothelial PAS domain protein 1，EPAS-1），與HIF-1α有48%的氨基酸分子序列同源性，在分子結構及細胞生物化學特性上有許多相似之處，其主要作用已被廣泛用于研究，在缺氧細胞中的主要作用幾乎不可替代［13］。然而，與缺氧時普遍表達的HIF-1α 蛋白不同，HIF-2α 在肺、血管內(nèi)皮和頸部主動脈小體中高度表達。近年來研究發(fā)現(xiàn)，HIF-3α 主要是與HIF-1β結合形成穩(wěn)定的二聚體，并與缺氧反應元件結合。HIF-3α 在細胞中的作用機制及生物學功能方面的研究較少，有待于進一步發(fā)掘。

2 HIF-1α的生物學特性及調節(jié)機制

在常氧條件下，脯氨酸羥化酶（Prolyl hydroxy-lase domain enzyme，PHD）極易對HIF-1α 進行羥化修飾［14］。首先，HIF-1α 的ODDD 與VHL 蛋白（Von-hippel-lindau，VHL）相互作用并發(fā)生結合，從而直接激活泛素蛋白連接酶系統(tǒng)，導致HIF-1α蛋白的降解［15］。缺氧時，PHD 活性被抑制，VHL 蛋白不能識別并結合HIF-1α 的ODDD 結構域，HIF-1α 表達增加。HIF-1α 移位到細胞核與HIF-1β 結合而形成不易被化學降解的二聚體，同時與HRE 的序列相互結合，反式激活缺氧反應基因，以達到使細胞存活的目的［16］。另一方面，抑制細胞缺氧的誘導因子-1（Factor inhibiting HIF-1，F(xiàn)IH）通過直接調節(jié)HIF-1，使HIF-1 的C-末端結構域羥化而受到抑制，并且與p300/CREB 結合蛋白復合物結合，從而允許HIF-1在缺氧時反式激活［17］。

氧是有氧細胞能量代謝的重要物質，而大多數(shù)合成代謝過程、信號傳導通路和酶促反應都需要三磷酸腺苷（Adenosine triphosphate，ATP）的參與［18］。缺氧時，可以通過激活AMP 的蛋白激酶途徑，從而增強三羧酸循環(huán)［19］。然而，此種應激性反應是暫時的。研究發(fā)現(xiàn)，HIF-1 是缺氧的主要調節(jié)因子，特別是在慢性缺氧時的動態(tài)平衡反應中發(fā)揮著重要作用［20］。HIF-1 通過調節(jié)靶基因的表達來適應缺氧引起的氧化應激損傷，其主要機制可能是允許細胞通過調節(jié)糖酵解而不是氧化代謝來降低耗氧量，并通過減少細胞分裂等細胞發(fā)育過程的能量需求來適應生存［21-22］。與此同時，HIF-1α還可增加乳酸脫氫酶A 和單羧酸轉運蛋白4（Monocarboxylate transporters 4，MCT4）的表達，加快乳酸運輸改善缺氧引起的代謝障礙，從而達到保護細胞的作用［23］。近來研究已證實Krebs 循環(huán)和氧化磷酸化可以被HIF-1α 抑制，因為該因子可上調丙酮酸脫氫酶激酶-1，催化丙酮酸轉化為乙酰輔酶A［24］。研究還發(fā)現(xiàn)，在低氧條件下，HIF-1可通過上調細胞色素C氧化酶和線粒體蛋白酶LONP1的過表達，減少缺氧條件下線粒體ROS的產(chǎn)生［25］。有的研究也認為，通過增加HIF-1 及其靶基因VEGF 的表達，可以抑制核周線粒體的聚集從而減少ROS的產(chǎn)生，達到保護細胞的目的［26］。

3 HIF-1α 及其在血管性癡呆病理機制中的調控

3.1 HIF-1α與血管性癡呆在VD早期，細胞為了應對缺氧，HIF-1α 高度表達，調節(jié)靶基因的轉錄，促進紅細胞生成和血管生成等過程，改善缺血缺氧狀態(tài)［27］。HIF-1α 不僅在調節(jié)氧穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮著重要作用，而且在神經(jīng)元保護中的作用同樣重要。LOPEZ-HERNANDEZ 等［28］的體外研究表明，在長達24 h 的3% O2缺氧條件下，抑制HIF-1α 的siRNA 表達加重了大鼠皮層神經(jīng)元的死亡。BARANOVA等［29］研究發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)元特異性地敲除HIF-1α導致短暫局灶性腦缺血后腦組織損傷的增加，間接證實了VD 早期病理中HIF-1α 的重要作用。YANG 等［30］的研究也發(fā)現(xiàn)，在慢性腦灌注不足期間，HIF-1α 表達持續(xù)增加，這在癡呆癥的發(fā)生中有著重要意義。由此可見，HIF-1α 在VD 早期的病理機制中有著重要作用，需要進一步挖掘。

3.2 氧化應激促進HIF-1α 的表達，參與血管性癡呆氧化應激普遍存在于VD 的早期發(fā)病機制中，是導致神經(jīng)元死亡及認知功能障礙的重要原因［31-32］。研究發(fā)現(xiàn)，大腦對缺氧和氧化應激特別敏感，主要是由正常功能神經(jīng)元的高代謝需求所致。在大腦重要的神經(jīng)元活動中，如神經(jīng)元信息的傳遞和細胞穩(wěn)態(tài)的平衡都取決于持續(xù)的氧和葡萄糖供應［33］。缺氧引起的氧化應激干擾了正常的能量代謝，由于葡萄糖-6-磷酸脫氫酶活性增加，相應的上調了HIF-1α的表達，以達到保護神經(jīng)元的目的。值得注意的是，氧化應激引發(fā)的這種氧化導致神經(jīng)元死亡和認知能力下降的同時，介導的活性氧也可能穩(wěn)定HIF-1α 活性［34］。CHANDEL 等［35］的研究證實，HIF-1 可由自由基誘導，尤其是活性氧。通過對HIF-1α 上游調節(jié)通路的分析表明，線粒體作為一種氧水平的傳感機制，在缺氧時產(chǎn)生的活性氧，可以穩(wěn)定HIF-1α 的活性。OLSON 等［36］的研究進一步說明，活性氧通過穩(wěn)定HIF-1α的活性來達到對抗氧化應激導致的神經(jīng)元細胞死亡。另外，HIF-1α 在慢性腦低灌注損傷過程中，保護大腦免受氧化應激和炎癥反應損害。在慢性腦低灌注期間積累的HIF-1α介導內(nèi)源性適應過程，以抵御更嚴重的腦低灌注損傷［37］。WANG 等［38］在大鼠建立大腦中動脈梗死模型中發(fā)現(xiàn)，抑制miR-155-5p 表達的神經(jīng)干細胞移植將直接靶向調控HIF-1α 的表達，抑制炎癥和氧化應激作用。氧化應激損傷使大腦保護機制激活，HIF-1α的表達增加可能激活了Nrf2/ARE信號通路，增加了Nrf2（通過降低Keap1 水平）、血紅素加氧酶1（HO-1）和一氧化氮合酶1（NOS1）的表達，這對氧化應激的損傷提供了進一步的保護［39］。YADAV等［40］在白藜蘆醇固體脂質納米粒激活Nrf2/HO-1 途徑減輕血管性癡呆線粒體氧化應激的研究中發(fā)現(xiàn)，Nrf2 和HO-1 的水平顯著升高，負反饋的使HIF-1 表達減少，間接說明了氧化應激促進HIF-1α 的表達，激活Nrf2 信號通路保護神經(jīng)元。然而，HIF-1α 通過何種信號通路保護神經(jīng)元，參與VD 的具體發(fā)病機制仍有待于進一步的研究。

3.3 HIF-1α 通過調節(jié)血管新生，參與血管性癡呆HIF-1α可能通過調節(jié)靶基因VEGF的表達促進血管新生，參與血管性癡呆的早期病理過程。研究表明，抑制HIF-1α 活性使靶基因VEGF 表達下調，小鼠的記憶和神經(jīng)元活性顯著降低［41］。ADAMCIO等［42］在服用促紅細胞生成素后或在用PHD 抑制劑治療后，可以增加HIF-1的活性并導致VEGF的表達增加，小鼠的海馬記憶也得到增強。這些研究強調了HIF-1在認知功能和記憶中的作用，提示HIF-1是VD治療可能的潛在靶點［43］。

此外，研究還發(fā)現(xiàn)，HIF-1α和VEGF增加局灶性腦缺血后激活的內(nèi)源性神經(jīng)干細胞的可塑性［44］。HAN W、PAN ZG 等［45-46］研究也發(fā)現(xiàn)，HIF-1α 可通過干預其靶基因VEGF 的表達調節(jié)腦損傷后的神經(jīng)發(fā)生和神經(jīng)血管單位的恢復。在一項針對鼠中腦源性神經(jīng)前體細胞（Murine midbrain-derived neural precursor cells，mNPCs）的研究中發(fā)現(xiàn)，敲除HIF-1α基因的mNPCs 在3% O2處理2 周后顯示，中腦中神經(jīng)元的存活和增殖出現(xiàn)特定的損傷［47］。同時，血管內(nèi)皮細胞生長因子mRNA 在HIF-1α 敲除的mNPCs中的表達降低，VEGF 治療HIF-1α 敲除的mNPCs 可部分恢復中腦神經(jīng)元的增殖，HIF-1α 的增殖效應可能與VEGF的上調有關。由此可見，HIF-1通過調控靶基因VEGF 的表達，促進大腦血管的生成和神經(jīng)發(fā)生，在VD早期發(fā)病機制中具有重要意義。

4 展 望

綜上所述，VD 的早期發(fā)病機制中，HIF-1α 通過調節(jié)靶基因VEGF 的表達促進血管新生，以保護神經(jīng)元，參與血管性癡呆。此外，氧化應激損傷使HIF-1α 表達上調，可能激活Nrf2/ARE 信號通路，使Nrf2、HO-1 和NOS1 表達增加，這為氧化應激導致的神經(jīng)元損傷提供了進一步的保護。然而，HIF-1α 在VD 早期的病理機制中的作用是復雜的，特別是在涉及到的氧化應激與炎癥反應的信號通路中的作用，以及在腦細胞能量代謝中的具體機制尚未研究透徹。靶向調節(jié)HIF-1α可能是延緩VD早期認知功能減退的治療策略。相信在不久的將來VD 的防治不再是問題，減少VD發(fā)病將成為現(xiàn)實。