王煜寧，王亞靜，張頤

（中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院婦科，沈陽(yáng) 110001）

缺氧誘導(dǎo)因子-1α （hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α） 是腫瘤進(jìn)展和靶向治療的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子。HIF-1α的作用取決于環(huán)境中是否存在氧氣。在含氧環(huán)境中，泛素蛋白酶途徑會(huì)破壞HIF-1α，使其完全失活。相反，在乏氧環(huán)境中，HIF-1α逃脫破壞并進(jìn)入細(xì)胞核，同時(shí)可激活HIF-1α信號(hào)通路，從而改變?cè)S多與腫瘤進(jìn)展相關(guān)的因子［1］。過度表達(dá)的HIF-1α及其下游基因可通過多種方式 （血管生成、細(xì)胞增殖以及誘導(dǎo)遺傳不穩(wěn)定和治療耐藥性等） 加快癌癥進(jìn)程［2］。近年來(lái)研究［3］發(fā)現(xiàn)，糖代謝與癌癥的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。HIF-1α作為腫瘤細(xì)胞糖代謝表型轉(zhuǎn)變的重要因子，許多關(guān)鍵通路都是通過HIF-1α與糖酵解相關(guān)，因此，基于HIF-1α的糖酵解通路以及相關(guān)調(diào)節(jié)因子可能是腫瘤治療的新靶點(diǎn)。本文就HIF-1α在腫瘤細(xì)胞糖酵解中的作用機(jī)制及其表達(dá)與各種腫瘤的關(guān)系進(jìn)行綜述。

1 HIF-1α在腫瘤細(xì)胞糖酵解中的作用

1.1 HIF-1α結(jié)構(gòu)

HIF是一種異二聚體結(jié)合形成的轉(zhuǎn)錄因子，由氧敏感性的α亞單位 （HIF-1α、HIF-2α、HIF-3α） 和結(jié)構(gòu)亞單位 （HIF-1β/芳基烴受體核轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白或ARNT）組成［4］。其中結(jié)構(gòu)亞單位參與組成結(jié)構(gòu)，不受氧含量的影響，而α亞單位與氧濃度有關(guān)，正常氧濃度下，HIF-1α由脯氨酸羥化酶羥化，并與希佩爾林道病腫瘤抑制蛋白 （Von Hippel-Lindau，VHL） 結(jié)合，VHL通過招募E3連接酶與HIF-1α相互作用，HIF-1α?xí)环核氐鞍酌阁w迅速降解。而缺氧情況下，HIF-1α的羥基化受到抑制，HIF-1α通過CBP/p300介導(dǎo)與HIF-1β形成異構(gòu)體，并轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核與目標(biāo)基因缺氧反應(yīng)元素 （hypoxia-responsive element，HRE） 結(jié)合［5-6］。HIF-1α容易被細(xì)胞內(nèi)氧依賴性泛素蛋白酶降解，因此HIF-1α的穩(wěn)定性是調(diào)控HIF-1活性的主要決定因素［7］。

1.2 HIF-1α作為轉(zhuǎn)錄因子參與腫瘤細(xì)胞的調(diào)控

最近研究［8］表明，幾乎所有類型的腫瘤都表現(xiàn)出“Warburg效應(yīng)”：即使在氧氣存在的情況下腫瘤細(xì)胞也更可能依賴糖酵解方式來(lái)代謝葡萄糖。膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的實(shí)驗(yàn)研究［9］證實(shí)，HIF-1α通過直接刺激糖代謝途徑中的關(guān)鍵酶［己糖激酶 （hexokinase，HK） 2和丙酮酸脫氫酶激酶 （pyruvate dehydrogenase kinase，PDK） 1］來(lái)增加糖酵解速度，從而提供腫瘤細(xì)胞所需的能量，使腫瘤細(xì)胞侵襲轉(zhuǎn)移能力增強(qiáng)。乳腺癌的研究［10］證實(shí)，HIF-1α誘導(dǎo)乳酸鹽、H+、HCO3-轉(zhuǎn)運(yùn)體的膜表達(dá)，乳酸含量上升使細(xì)胞內(nèi)pH下降，這有助于抑制腫瘤免疫微環(huán)境。另有實(shí)驗(yàn)［11］證實(shí)HIF-1α對(duì)腫瘤細(xì)胞的生物學(xué)行為依賴糖代謝，HIF-1α參與腫瘤細(xì)胞高代謝狀態(tài)。因此，通過抑制HIF-1α來(lái)抑制糖代謝可能是腫瘤治療的有效措施。在缺氧和缺少營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)環(huán)境中癌細(xì)胞重新編程細(xì)胞代謝方式，以促進(jìn)其增殖和存活。腫瘤細(xì)胞基因隨著氧氣水平下降而發(fā)生突變。環(huán)境變化導(dǎo)致HIF-1α激活，通過協(xié)調(diào)代謝使腫瘤細(xì)胞能夠在低氧環(huán)境中生存。除此之外，研究［12］顯示HIF-1α有助于調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞在缺氧情況下的增殖、凋亡、自噬、葡萄糖代謝和血管生成的多種適應(yīng)性反應(yīng)。

1.2.1 鹽誘導(dǎo)活性激酶2 （salt-inducible kinase 2，SIK2） 對(duì)HIF-1α的調(diào)控：SIK2屬于AMPK族新的絲氨酸/蘇氨酸活性激酶亞家族，在代謝調(diào)控中發(fā)揮著重要作用。有研究［13］指出，SIK2促進(jìn)卵巢癌細(xì)胞的脂肪酸氧化，調(diào)控脂肪組織中的胰島素信息級(jí)聯(lián)，調(diào)節(jié)脂肪細(xì)胞中的激素信息傳導(dǎo)，表明SIK2可能在卵巢癌的代謝重編程中起關(guān)鍵作用。最近的研究［14］也證明，SIK2可以通過活化PI3K/AKT信號(hào)通路上調(diào)HIF-1α的表達(dá)，能夠更直接地上調(diào)糖酵解關(guān)鍵基因的轉(zhuǎn)錄，從而促進(jìn)糖酵解；而SIK2主要利用PI3K/AKT信號(hào)通路上調(diào)卵巢癌細(xì)胞的“Warburg效應(yīng)”，調(diào)控卵巢癌細(xì)胞的葡萄糖代謝。

1.2.2 脯氨酸羥化酶 （prolyl hydroxylase domain，PHD） 對(duì)HIF-1α的調(diào)控：PHD屬于亞鐵離子和2-酮戊二酸雙加氧酶超親家族，是細(xì)胞內(nèi)雙加氧酶的氧傳感器蛋白，廣泛分布于上皮起源的正常組織，主要在細(xì)胞質(zhì)中表達(dá)［15］。PHD生物活性主要依靠氧氣的存在，通過直接感受氧分壓的變化發(fā)揮作用。正常氧條件下，PHD2與氧分子協(xié)同作用催化HIF-1α結(jié)構(gòu)域ODDD區(qū)的羥化反應(yīng)，羥基化的HIF-1α與VHL融合，進(jìn)而在蛋白酶體內(nèi)分解。但在缺氧條件下，由于PHD依賴性氧的羥基化效果受限，即HIF-1α氧依賴的特定降解結(jié)構(gòu)域無(wú)法被羥基化，VHL不能夠識(shí)別HIF-1α，從而導(dǎo)致HIF-1α不能被分解，其表達(dá)水平迅速穩(wěn)定增加，在其他關(guān)鍵因子介導(dǎo)下參與細(xì)胞低氧的適應(yīng)性調(diào)控［16］。

1.2.3 HIF-1α對(duì)糖酵解相關(guān)基因的調(diào)控：研究［17-18］表明，作為缺氧狀態(tài)下的重要轉(zhuǎn)錄因子，HIF-1α也可以參與調(diào)控糖酵解受體和酶的調(diào)節(jié)基因［葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體 （glucose transporter，GLUT） -1、HK2、PDK1和乳酸脫氫酶 （lactate dehydrogenase，LDH） A］，使腫瘤細(xì)胞由有氧糖酵解轉(zhuǎn)化為厭氧糖酵解，從而調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞的能量代謝。HIF-1α能夠促進(jìn)GLUT-1轉(zhuǎn)錄，增加糖酵解葡萄糖的攝入量［19］。通過糖酵解產(chǎn)生的丙酮酸鹽在以HIF-1α依賴的LDHA高表達(dá)的介導(dǎo)下代謝為乳酸。HK2在上皮性卵巢癌中高表達(dá)且與卵巢癌化療耐藥性密切相關(guān)，HK2能使葡萄糖磷酸化為6-磷酸葡萄糖 （glucose-6-phosphate，G6P），激活HIF-1α上調(diào)HK2的表達(dá)水平，從而促進(jìn)糖酵解的發(fā)生［20］。研究［21］顯示，在嚴(yán)重缺氧的條件下，HIF-1α還能誘導(dǎo)PDK1轉(zhuǎn)錄，經(jīng)過三羧酸循環(huán) （tricarboxylic acid cycle，TCA） 有效抑制丙酮酸脫氫酶 （pyruvate de-hydrogenase，PDH） 的活性，進(jìn)而阻止丙酮酸轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A。因此，HIF-1α可以通過直接刺激腫瘤細(xì)胞代謝過程中的關(guān)鍵因子來(lái)增加糖酵解。而輕度缺氧時(shí)，線粒體細(xì)胞色素C氧化酶活性未受損，通過將丙酮酸轉(zhuǎn)化為乳酸來(lái)誘導(dǎo)糖酵解重編程，通過抑制HIF-1α/PDK1軸來(lái)抑制炎癥，提示這可能是潛在的調(diào)節(jié)炎癥過程的治療靶點(diǎn)［22］。

1.3 HIF-1α參與調(diào)節(jié)的信號(hào)通路

1.3.1 HIF-1α通過調(diào)節(jié)PI3K/Akt信號(hào)通路調(diào)節(jié)糖酵解：PI3K/AKT信號(hào)通路在許多腫瘤中被激活，參與調(diào)節(jié)腫瘤的增殖、生長(zhǎng)、血管生成和轉(zhuǎn)移［23］。此外，PI3K/AKT信號(hào)通路與各種酶生物效應(yīng)和葡萄糖代謝密切相關(guān)［24］。PI3K/AKT信號(hào)通路通過上調(diào)誘導(dǎo)糖酵解刺激的酶［GLUT、 HK2、血小板型磷酸果糖激酶 （platelet isoform of phosphofructokinase，PFKP）、PKM2和LDH］來(lái)誘導(dǎo)糖酵解［25］；而這些轉(zhuǎn)運(yùn)體以及關(guān)鍵酶的表達(dá)需要HIF-1α的調(diào)控。以往研究［26］表明，HIF-1α的表達(dá)受PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路的調(diào)控，mTOR是HIF-1α激活的上游介質(zhì)，PI3K/Akt信號(hào)通路可以通過mTOR調(diào)節(jié)HIF-1α。HIF-1α激活促進(jìn)血管生成和紅細(xì)胞生成，導(dǎo)致氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸送增加，同時(shí)提高新陳代謝中的氧氣利用率［27-28］?？梢?，通過PI3K/AKT/HIF-1α通路上調(diào)腫瘤細(xì)胞的有氧糖酵解，腫瘤細(xì)胞能量產(chǎn)生增加，從而使腫瘤細(xì)胞的侵襲能力增強(qiáng)。

1.3.2 HIF-1a介導(dǎo)AMP活化蛋白激酶 （AMP-activated protein kinase，AMPK） 缺失對(duì)有氧糖酵解的影響：AMPK是一種異三聚體絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，存在催化α-亞基、1個(gè)β-調(diào)節(jié)亞基和1個(gè)γ-調(diào)節(jié)亞基；并且AMPK各亞基在不同組織中表達(dá)。AMPK在調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、自噬和代謝中發(fā)揮作用［29］。AMPK作為代謝傳感器，有助于維持細(xì)胞能量穩(wěn)態(tài)，協(xié)調(diào)支持癌細(xì)胞的生長(zhǎng)和增殖。當(dāng)細(xì)胞能量水平下降，氧氣或營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)因血液供應(yīng)不足時(shí)AMPK啟動(dòng)，恢復(fù)能量供應(yīng)的同時(shí)可抑制腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)及分裂。相反，中斷AMPK信號(hào)可促進(jìn)癌細(xì)胞代謝重編程，驅(qū)動(dòng)“Warburg效應(yīng)”，促進(jìn)腫瘤在體內(nèi)的發(fā)生和進(jìn)展。實(shí)驗(yàn)研究［30］表明，AMPKα缺失將會(huì)增強(qiáng)癌細(xì)胞中的“Warburg效應(yīng)”，促進(jìn)糖酵解并增加HIF-1α的表達(dá)。HIF-1α和AMPK信號(hào)通路是糖酵解和氧化磷酸化的主要調(diào)節(jié)劑，腫瘤細(xì)胞的代謝重新編程與二者密切相關(guān)［31］。下調(diào)HIF-1α表達(dá)、激活A(yù)MPK可以促進(jìn)氧化磷酸化并抑制糖酵解，抑制腫瘤細(xì)胞增殖、轉(zhuǎn)移。

2 HIF-1α表達(dá)與腫瘤的關(guān)系

2.1 HIF-1α基因、蛋白表達(dá)水平與卵巢癌的關(guān)系

HIF-1α是糖酵解的重要調(diào)節(jié)劑。HIF-1α在卵巢癌中可調(diào)節(jié)多種因子的表達(dá)，從而調(diào)控卵巢癌代謝重編程。短暫受體電位7 （transient receptor potential melastatin，TRPM7） 是1種獨(dú)特的陽(yáng)離子通道蛋白。研究［32］表明，TRPM7沉默激活A(yù)MPK并且降低HIF-1α的表達(dá)水平，增強(qiáng)氧化磷酸化，抑制葡萄糖攝入、糖酵解、乳酸的產(chǎn)生，從而抑制卵巢癌細(xì)胞的增殖，TRPM7表達(dá)上調(diào)與盆腔淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移和人卵巢癌預(yù)后不良有關(guān)。在缺氧條件下，HIF-1α上調(diào)SNHG22的表達(dá)，促進(jìn)卵巢癌細(xì)胞增殖和糖酵解，引起卵巢癌患者預(yù)后不良［33］。非編碼RNA-LINC00662在多種惡性腫瘤中都起到關(guān)鍵的作用，上調(diào)卵巢癌細(xì)胞中LINC00662，通過其與miR-375直接結(jié)合來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞中HIF-1α的表達(dá)，促進(jìn)糖酵解，增強(qiáng)卵巢癌細(xì)胞侵襲能力，導(dǎo)致患者預(yù)后不良［34］。

2.2 HIF-1α基因、蛋白表達(dá)水平與胃癌的關(guān)系

HIF-1α表達(dá)與胃癌侵襲、腫瘤表型和預(yù)后不良顯著相關(guān)［35］。其高表達(dá)與胃癌患者5年生存率、癌灶浸潤(rùn)深度、淋巴管/血管浸潤(rùn)風(fēng)險(xiǎn)以及TNM分期關(guān)系密切［36］。同時(shí)，HIF-1α表達(dá)顯著增加了胃癌患者發(fā)生淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移、腹膜播散和肝轉(zhuǎn)移的風(fēng)險(xiǎn)［37］。不僅如此，作為miR-138-5p的靶基因，HIF-1α影響糖酵解過程，可能參與調(diào)節(jié)低氧誘導(dǎo)的5-FU耐藥［38］。有研究［39］表明，STAT3、SIRT3和HIF-1α蛋白均在胃癌組織中表達(dá)，通過介導(dǎo)STAT3表達(dá)影響SIRT3/HIF-1α調(diào)控軸，從而抑制胃癌細(xì)胞糖代謝水平。HIF-1α作為miR-186的下游靶基因，當(dāng)miR-186被敲除時(shí)，糖酵解標(biāo)志物，包括葡萄糖攝入量、乳酸量、ATP和NADH等均增加。miR-186通過靶向HIF-1α調(diào)節(jié)復(fù)雜的信號(hào)級(jí)聯(lián)來(lái)影響葡萄糖代謝。HIF-1α激活HK2，能夠增加糖酵解的能量供應(yīng)，miR-186降解可部分減少糖酵解的能量供應(yīng)并抑制腫瘤細(xì)胞增殖［40］。

2.3 HIF-1α基因、蛋白表達(dá)水平與胰腺癌的關(guān)系

胰腺癌是最致命的惡性腫瘤之一，由于早期癥狀隱匿且不典型，治療靶點(diǎn)有限，我國(guó)胰腺癌患者5年生存率很低，僅為7.2%［41］。胰腺癌免疫組織化學(xué)研究［42］顯示，與癌旁組織相比，BZW1在腫瘤組織中過度表達(dá)。在胰腺癌細(xì)胞中，BZW1過表達(dá)能明顯增加HIF-1α和C-Myc蛋白水平，過表達(dá)HIF-1α可以顯著恢復(fù)敲除BZW1對(duì)胰腺癌細(xì)胞的糖酵解、存活和增殖的影響。USP25缺失會(huì)破壞HIF-1α轉(zhuǎn)錄活性，損害糖酵解，誘導(dǎo)腫瘤缺氧核心的細(xì)胞死亡。因此，USP25/HIF-1α軸是胰腺導(dǎo)管腺癌代謝重編程和生存的重要機(jī)制，可以用于胰腺癌的治療［43］。

2.4 HIF-1α基因、蛋白表達(dá)水平與膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的關(guān)系

中樞神經(jīng)系統(tǒng)組織中普遍存在低氧環(huán)境，HIF-1α在膠質(zhì)母細(xì)胞中高表達(dá)。有研究［44］表明，在缺氧條件下，HIF-1α在野生型 Tregs細(xì)胞外酸化率顯著增加。N-Myc和HIF-1α通過調(diào)節(jié)糖酵解基因促進(jìn)了神經(jīng)母細(xì)胞瘤的“Warburg效應(yīng)”［45］。在缺氧條件下，HIF-1α降解減少而進(jìn)一步穩(wěn)定，隨著乳酸產(chǎn)生增多穩(wěn)定的HIF-1α與N-Myc結(jié)合使葡萄糖的攝取進(jìn)一步增加［44］，促進(jìn)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤增殖。也有研究［46］證實(shí)，精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶 （protein arginine methyltransferases，PRMT3） 可以調(diào)節(jié)多種基因的表達(dá)，在缺氧條件下可促進(jìn)HIF-1α表達(dá)并增加其穩(wěn)定性。因此，PRMT3的靶向藥物可抑制HIF-1α表達(dá)和糖酵解，進(jìn)而抑制膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞生長(zhǎng)，為膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的治療提供了新的方向。

綜上所述，HIF-1α可以調(diào)控糖代謝途徑中的關(guān)鍵酶，調(diào)節(jié)信號(hào)通路以及多種基因及蛋白質(zhì)的表達(dá)水平來(lái)影響腫瘤細(xì)胞的糖酵解。腫瘤細(xì)胞中HIF-1α高表達(dá)與腫瘤的發(fā)生及不良預(yù)后相關(guān)。腫瘤細(xì)胞在微環(huán)境中不斷調(diào)整自身的新陳代謝來(lái)滿足能量需求，這種代謝變化是細(xì)胞內(nèi)多種生長(zhǎng)信號(hào)、癌基因以及糖酵解關(guān)鍵酶等多個(gè)生物學(xué)環(huán)節(jié)共同導(dǎo)致的?，F(xiàn)階段HIF-1α在腫瘤細(xì)胞糖酵解中作用的研究多為體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)，今后應(yīng)對(duì)潛在的代謝途徑進(jìn)行全面研究，明確HIF-1α在腫瘤細(xì)胞糖酵解中的作用機(jī)制，以便使基于HIF-1α的糖酵解通路以及相關(guān)調(diào)節(jié)因子的靶向治療成為腫瘤治療的新方向。