缺氧诱导因子_1与脑出血的研究进展

文章编号:1003-2754(2008)02-0245-03 中图分类号:R743.34

缺氧诱导因子-1与脑出血的研究进展

尤艳利综述, 周 爽审校

收稿日期:2007-10-14;修订日期:2008-03-25基金项目:国家自然科学基金资助(No .30672714)作者单位:(上海第二军医大学中医系,上海200433)

缺氧诱导因子-1(H ypox ia i nduc i ble factor -1,H IF -1)是低氧诱导细胞所产生的一种转录因子,由Se m enza 和W ang 于1992年在缺氧诱导的细胞核提取物中发现[1],在低氧诱导的哺乳动物细胞中广泛表达,通过调控一系列与缺氧适应有关基因的表达以保持机体的氧稳态。H IF-1(尤其是H IF -1A )的表达水平与糖酵解、细胞周期阻滞、细胞生存与增殖、血管新生、血管舒缩、红细胞生成等许多生命活动密切相关。近年来,脑出血后H IF-1在大脑中表达的意义成为研究的热点。本文就H I F-1的结构功能和活性调节及其在脑出血后的作用综述如下。

1 H I F-1的结构

H IF-1属于b H L H (碱性螺旋环螺旋)-PAS (PER 、ARNT 、SI M )转录因子家族成员,由H I F-1A 亚基、H IF-1B 亚基以异源二聚体形式组成。H IF-1B 是许多转录因子所共有的亚基,不受细胞氧浓度的调节;H IF -1A 为H IF-1所特有,其蛋白稳定性和转录活性均受细胞内氧浓度的调节,但H IF -1A 必须与H IF-1B 形成异二聚体才能成为有活性的H IF -1。因此,H IF-1的生理活性主要取决于H I F-1A 亚基的活性和表达。

H IF-1A 的氨基端方向依次排列着碱性区域、H LH 和PA S ,共同构成转录因子DNA 结合结构域(DNA-bind i ng do -m ain ,DBD )。H IF-1A 羧基端有两个相对独立的反式激活结构域(transac tivati on do m a i n ,TA D ),分别称之为TAD-N 和TAD-C 。TAD 间序列具有抑制该分子在常氧条件的反式激活作用,称之抑制结构域,能够降低H IF -1的活性[2]。H IF -1A 分子中部是氧依赖降解结构域(oxygen -dependen t degrada -ti on do m a i n ,ODD ),含有3个独立的调控组件,第2、3个区域的羧基侧有PES T 样序列,与胞内蛋白质快速降解密切相关。

2 H I F-1活性的调节

H IF-1活性调节分4个层次:H IF -1mRNA 表达水平的调节、H I F-1蛋白表达水平调节、H IF -1的二聚化和DNA 结合活性调节、H IF -1A 转录活性调节。H IF-1A 的活性调节受到多种因素的影响,氧状态是很重要的因素之一。

2.1 常氧活性调节 常氧状态时,H I F-1A 存在于细胞质中,其表达和活性主要由翻译后修饰调节。翻译后修饰有多种方式,其中羟基化占主导地位。H IF -1A 氧依赖降解区域多肽序列内保守性的脯氨酸残基被羟化,而后林道病抑制蛋白(profili n von H ippel L i ndau ,pVHL )识别羟化的脯氨酸残基,并对H IF -1A 进行降解

[3]

。这种羟基化作用由多聚羟化

酶1-3(pro l y l hydroxy lase dom ai n1-3,PHD 1-3)介导。H IF -1抑

制因子(factor i nh i b iting H IF -1,F I H-1)是另一种羟基化酶。研究表明在常氧条件下,对于逃脱了上述P HD /VHL 蛋白酶降解途径的H IF -1,F I H-1起二级负向调控点作用[4]。F I H-1通过羟基化H I F-1A TAD-C 区域的天门冬氨酰残基803(A sp803),阻断CBP /p300与H IF -1A C-TAD 的相互作用,抑制H IF-1A 的激活。其他翻译后修饰有多种,如:捕获缺失蛋白1可使逃脱羟基化的H IF-1A ODD 区域的赖氨酸残基532(L ys532)乙酰化,促进PVHL 与H IF -1的结合[5];磷酸化主要是通过激酶的磷酸化活化通路,促进H I F-1A 的翻译,提高H IF-1促转录活性[6]。硝基化也是一种翻译后修饰,位于H IF-1A C -TAD 上的半胱氨酸残基800的S -硝基化可以募集p300/CBP ,增加H IF -1的转录活性。

2.2 低氧活性调节 目前认为,在缺氧状态下H IF -1A 的活性调节并不在H IF-1A mRNA 水平,而在H I F-1A 蛋白翻译后水平。当细胞处于低氧状态时,H IF -1A 不能被羟化、无法与VH L 结合,因而H IF -1A 不能被泛素化而降解,使其表达量在细胞内呈指数式增加。另外,H IF -1A 的转录活性也受氧浓度的影响,低氧条件下,羟化被抑制,H I F-1A 的TAD-C 能够同CBP 、p300等活化因子结合,MA PK 通过作用于p300-CBP 复合物来激活H IF -1A ,诱导低氧转录[7]。Fath [8]等在H IF-1上也发现了乙酰化修饰,乙酰化可作用于H IF-1A /p300复合物进而增加缺氧条件下它与VH L 的相互作用,从而促进H IF-1的泛素化和降解,抑制H IF-1的转录激活。

2.3 非氧依赖活性调节 H IF -1的活性除了氧浓度依赖性调节外,还有非氧依赖性调节:(1)金属离子和一氧化氮(NO ):在缺氧状态下NO 通过PI3K 和MA PK 信号通路来实现对H I F-1的降解,而铁、钴、锰和镍金属化合物以及离子鳌合物可以促进H IF-1的激活[9]。镉则降解H IF -1A 。(2)活性氧(RO S):低氧时线粒体释放RO S 增加,一方面可通过抑制PHD 活性实现正向调节;另一方面可通过H IF -1氧化还原活性调节位点实现负向调节。在H ep3B 和H eL a 细胞中,加入H 2O 2可使低氧条件下H IF -1的稳定性降低。黄嘌呤氧化酶产生的O 2-能抑制低氧诱导的肾髓质细胞H I F-1表达增加[10]。(3)细胞因子:Q ian 等[11]证实,NF-?B 可通过ERK 信号转导途径诱导H IF-1A 表达,使用ERK 抑制剂可抑制IL -1B

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介导的H I F-1A 表达上调,说明IL-1B 可能通过激活多个信号转导途径诱导最终导致H IF -1A 表达上调。(4)其他:Am ir 等[12]发现哺乳动物septi n 基因家族成员(M SF -A )和H I F-1系统之间有一种相互作用,以阻止H IF -1的遍在蛋白化和降解,从而激活H IF -1的转录。

3 H I F-1及其靶基因与脑出血

3.1 H IF -1的靶基因 目前发现H IF-1的靶基因有60多种,根据其功能分4类,代表性的靶基因有:(1)刺激红细胞的生成,促进氧转运:促红细胞生成素(erythropo i eti n ,EPO )编码基因、转铁蛋白及其受体等。(2)促进缺血区血管生成以增加血液供应:血管内皮生长因子(vascular endothe li a l g row th factor ,VEG F)、VEG F 受体、血红素加氧酶、内皮素-1和诱导型NO 合酶编码基因等。(3)增加糖酵解酶的表达和葡萄糖载体的生成以增强细胞对缺氧的代谢适应:葡萄糖载体蛋白1,3、腺苷酸激酶和糖酵解酶的编码基因等。(4)促进相关的组织细胞增殖,参与生存应激反应:肾上腺髓质素、p53、胰岛素样生长因子ò编码基因等。其中与脑出血后半暗带的形成、可逆性损伤脑组织的恢复及后续的神经细胞的凋亡关系比较密切有VEGF 、EPO 、GLUT 3、HO-1及p53等。

3.2 H IF-1在脑出血后脑组织的表达 最近研究表明,H IF-1在脑出血灶周神经组织中有大量表达。Jiang 等[13]研究脑出血小鼠模型,发现,H IF-1A 在正常脑组织中不表达,脑出血造模后4h H IF-1A 蛋白水平开始升高,第3天达到高峰,到第7天时低于第1天的水平,且第3天的高峰期可以被水蛭素阻断。国内学者[14,15]分别用大鼠和家兔复制脑出血模型,并对H IF -1A 的表达情况进行研究,结论与Jiang 的基本一致。刘庆新等[16]以高血压脑出血患者血肿周围脑组织H IF-1A 的表达:脑出血后4h 血肿周围脑组织即可见散在H IF-1A 表达,24~48h 达到高峰,49~72h H IF-1A 高表达持续存在。且H IF-1A 的表达与凋亡细胞数之间成正相关。

尽管脑出血后H I F-1A 表达水平升高的机制还没完全明了,但一般认为与下列因素有关:(1)血肿压迫周边脑组织、血管痉挛、脑微循环障碍、脑血流自动调节障碍和再灌注期的/无再流0等原因导致灶周局部脑血流下降,形成血肿灶周缺血半暗带,在程度和时间上达不到导致脑缺血性损伤的关键水平时,已可引起对缺氧敏感的H IF -1A 的蓄积[17]。(2)血液成分及血肿或血肿周围组织释放活性物质的影响:脑出血后在血肿形成的过程中会出现凝血级联反应的激活、凝血酶的产生、红细胞溶解等一系列的脑组织自我保护性反应,这些均能造成H I F-1A 表达水平的升高。给小鼠脑基底节区注入凝血酶素和溶解的红细胞[15],发现二者均能上调H IF -1A 蛋白的表达水平,且这种上调作用并不随氧浓度的变化而变化。

3.3 H IF -1在脑出血中的意义 脑出血后血肿周围组织缺血缺氧、脑水肿的形成和血液成分及活性物质的释放等

因素均可诱导神经细胞H IF -1A 表达增加,H IF -1A 表达后能介导一系列基因的表达调控,从而在出血性脑损伤中发挥重要作用。已有研究证明,给予动物缺氧预处理后可减轻脑出血后脑损伤的程度,这与H IF-1A 的诱导产生有关[18]。根据目前研究,H IF -1的脑保护作用机制主要包括以下几方面:(1)上调V EGF,促进脑出血后微循环的重建。VEG F 是H IF -1的一个重要的靶基因,在脑出血发生后,脑出血灶周脑组织中V EGF 高表达,且与H IF -1A 存在正相关关系[19]。H IF -1A 与V EGF5'端增强子结合后使VEG F 的转录和表达增强,诱导VEG F 对缺氧的反应,促进血管生成,从而有利于脑出血后脑损伤组织的恢复。另外,H IF -1还可增加VEGFmRNA 的稳定性并增加VEGF 的转录活性,改善血管通透性,消除组织水肿[20]。(2)促进无氧糖酵解,改善脑缺血后能量代谢障碍。H IF-1通过促进G LUT 1和糖酵解酶等靶基因和蛋白的表达,产生相对多的ATP ,满足神经细胞的各种生物学需要,维持脑缺血半暗带细胞的功能[21],减轻脑损伤。同时也使神经细胞适应低氧环境下的代谢,并产生缺氧耐受。(3)上调EPO,发挥脑保护作用。研究表明EPO 能通过促进血管内皮细胞增生和增加基质金属蛋白酶-2介导早晚期血管生成,而且EPO 在促进毛细血管生成的同时并不削弱内皮细胞之间的紧密连接,因而不会增加渗出,对脑出血后再灌注期/无灌流现象0的改善具有非常重要的临床意义。EPO 还可以通过清除自由基、抗凋亡、提高神经突触传递以及类似神经营养因子样作用直接发挥神经营养和神经保护作用[22,23]。

至于H IF -1A 与神经细胞凋亡的关系,已有相当多的研究表明H I F-1诱导V E G F 的产生和促使GLUT 1的过度表达可保护凋亡,H IF -1以及其他一些靶基因的活化已被证明参与铁鳌合物的抗凋亡效应。但在H IF-1缺陷的胚胎干细胞和大脑皮层神经元中低氧并不能诱导神经细胞的凋亡。p53和前凋亡蛋白N i p3均是H IF-1依赖型的,这些基因对于促进神经元迟发性死亡具有重要作用[24]。缺血/缺氧时可以诱导不同的效应,轻中度缺氧可使H I F-1复合物稳定,引起应答基因表达。但在持续缺氧时,稳定的H I F-1复合物使细胞内p53水平增加,促进有关病理基因的激活表达,从而导致神经元凋亡[25]。脑出血后大脑存在不同程度缺氧的情况下,H I F-1通过作用于相关靶基因而在细胞凋亡方面发挥不同的效应,从而在脑出血中具有双重作用,具体机制还需进一步的研究和探讨。

4 展 望

近年来对H IF -1的靶基因和活性调节研究较多,上调H IF-1的活性,可以提高细胞在低氧和局部缺血状况下的生存能力,增加缺氧组织的血管生成;相反,抑制H IF -1的活性,则能够阻止血管生成,降低缺氧或炎症组织的存活能力,H IF-1的活性调节剂应用于疾病防治的研究也正在开展。但H IF-1A 各种水平的调控机制仍不十分明确,还有待于进一步

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探索。有关H IF-1在神经系统中的研究也逐渐成为热点, H IF-1A在脑出血灶周的表达不仅为判断脑出血血肿灶周缺血半暗带及继发性缺血损伤提供了依据,亦为研究脑出血后血管重建、可逆性损伤脑组织的恢复提供了新的思路。H IF-1作为缺氧状态下血管生成的核心调控因子,通过调节其他生长因子的表达参与血管生成的全过程,因而可以通过针刺、高压氧等手段上调H IF-1A的表达水平,人为地诱导血管新生来促进缺血周边组织的侧枝循环以改善供血,为临床治疗脑出血提供一种新的思路和方法。

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