2019诺贝尔生理学奖：低氧诱导因子-1（HIF-1）信号通路的生理学和病理学意义

发布日期：2019-10-09　　浏览次数：20743

低氧诱导因子-1（HIF-1）信号通路的生理学和病理学意义

一、2019年诺贝尔生理学或医学奖简介

北京时间10月7日17时30分，2019年诺贝尔生理学或医学奖授予了美国癌症学家William G. Kaelin Jr、英国医学家Sir Peter J. Ratcliffe和美国医学家Gregg L. Semenza（图1）,以表彰他们在发现细胞如何感知和适应氧气供应中所做出的杰出贡献[1]。                                              

              图1. 2019年诺贝尔生理学或医学奖获得者

氧气的重要性早已被世人熟知，但细胞到底如何适应氧气的变化还仍旧未知。美英三位科学家在分子水平上阐明了细胞感知和适应氧气供应变化的机理。Semenza的科学贡献主要在于发现低氧诱导因子-1（Hypoxia-inducible factor-1, HIF-1）是由HIF-1α和HIF-1β组成的感知低氧的关键因子，并启动EPO等基因的表达适应氧气水平的变化[2,3]。Ratcliffe的科学贡献之一是发现VHL蛋白可通过氧依赖性的蛋白水解作用负调控HIF-1[4]。另外，Ratcliffe和Kaelin同时发现常氧条件下使HIF-1α亚基上的脯氨酸发生羟基化作用，并被VHL识别经蛋白酶体通路降解[5,6]。

以上三位科学家的工作开创性地揭示了氧气适应过程的作用机制，使人类对于不同氧气水平如何调节一些基础性生理机制有了更加深刻的认识。氧气感知与很多疾病的发生存在紧密联系，为应对贫血、癌症、心脑缺血、感染等疾病奠定了基础。

二、HIF-1信号通路介绍

转录因子HIF-1是由HIF-1α和HIF-1β组成异二聚体结构。HIF-1β在细胞内稳定表达，而HIF-1α的表达则依赖于细胞内的氧水平。常氧下HIF-1α处于表达与降解的动态平衡。HIF-1α的表达调控涉及到翻译后修饰。HIF-1α蛋白的ODD结构域可以调节HIF-1α的降解，它通过第402位和第564位脯氨酸残基的羟基化调节HIF-1α与VHL的相互作用，VHL能够与E3泛素化连接酶识别导致HIF-1α在26s蛋白酶的作用下发生泛素化降解。在低氧条件下，ODD结构域脯氨酸的羟基化被抑制，阻止HIF-1α 的泛素化降解，从而提高HIF-1α蛋白水平。胞浆内积聚的HIF-1α移位入核与HIF-1β形成完整的HIF-1转录因子复合物，并结合到靶基因启动子区的低氧反应元件（Hypoxic response element, HRE）上，从而调控相关基因的转录表达（图2）。

目前已经证实的HIF-1靶基因超过100个，包括促红细胞生成素（Erythropoietin, EPO）、血管内皮生长因子（Vascular endothelial growth factor, VEGF）、血红素氧合酶-1（Heme oxygenase 1, HO-1）、诱导型一氧化氮合酶（Inducible nitric oxide synthase, iNOS）、葡萄糖转运蛋白-1（Glucose transporters 1, Glut-1）、胰岛素样生长因子-2（Insulin-like growth factor 2, IGF-2）、内皮素1、转铁蛋白等。HIF-1的靶基因参与了细胞代谢、生存与增值、细胞凋亡、血管发育、离子代谢、神经发育等生物学过程。

                        图2. HIF-1信号通路示意图

三、HIF-1信号通路的生理学和病理学意义

图3. HIF-1信号通路生物学作用

HIF-1是低氧条件下广泛存在于机体内的一种转录因子，对于维持内环境稳态起着关键性作用。如图3所示，HIF-1信号通路在肿瘤、贫血、炎症反应、心脑缺血、胚胎发育等生理和病理生理过程中具有重要生物学意义[7][8]。

1. 肿瘤：低氧是实体瘤的常见特征，肿瘤由于血管微环境异常造成血液供应不足而导致低氧。低氧最先刺激HIF-1的表达，通过其信号转导通路诱导下游基因（尤其是VEGF）的表达，使细胞适应低氧环境，继续增殖，并具有高侵袭与转移能力以及对放射和化学疗法的耐受性。

2. 贫血：慢性肾病贫血的主要病因是EPO减少和红细胞寿命的缩短。脯氨酸羟化酶抑制剂稳定HIF-1的表达水平，继而提高EPO表达的水平。脯氨酸羟化酶抑制剂成为口服有效的小分子EPO刺激剂。2018年12月，罗沙司他（Roxadustat）率先在中国获得批准，用于慢性肾脏病透析患者的贫血治疗。

3. 炎症反应：低氧与炎症紧密相连，在关节炎及心肌局部缺血所致的炎性损伤中，脯氨酸羟化酶抑制剂DMOG可以减轻炎症反应。此外DMOG还可以减轻由脂多糖诱导的炎症因子IL-1β、IL-6和TNF-α的表达。有研究表明，DMOG可减轻缺血心肌的炎症反应及细胞的凋亡，改善心室重构，且该保护作用依赖于HIF-1信号通路的激活。

4. 脑缺血损伤：大脑对缺血及伴随的缺氧十分敏感，HIF-1对脑缺氧缺血损伤具有脑保护作用。在小鼠局灶性脑缺血前先给予常压低氧预处理，结果发现脑梗死面积与对照组相比减少约30%。在预低氧脑组织中，除了核内HIF-1a表达增高外，EPO和VEGF二者的mRNA和蛋白水平也均表达增高，提示HIF-1在耐受脑缺血中可能发挥重要作用。进一步研究发现脯氨酸羟化酶PHD-2蛋白表达增高，提示缺氧预处理后的脑保护作用可能是通过PHD-2而增强HIF-1表达，进而产生脑保护效应。

5. 发育：胚胎发育过程时，氧气浓度为1-5%，胚胎组织处于生理性低氧微环境中。研究发现基因敲除（HIF-1α^-/-）小鼠在胚胎期10.5天时，由于心脏发育畸形、心血管和红细胞发育缺陷而死亡。条件性敲除特定谱系内的HIF-1α基因，则会不同程度的影响软骨及脂肪形成、淋巴细胞生长和分化等，进而影响培养正常发育。HIF-1α^-/-小鼠在发育过程中出现不良现象，但是当低氧诱导的HIF-1活性过强时，也可能导致培养发育失调及畸胎。

综上所述，HIF-1及其信号通路除了上述的主要作用外，还参与肥胖、糖尿病、应激等过程的调节。值得一提的是，HIF-1作为一种多功能的转录调节因子，HIF-1及其信号通路的激活具有双向作用，适度的激活可以促进细胞存活和增加对损伤性刺激的保护作用；而过度激活则加重组织细胞的损伤。而且，HIF-1α的激活在机体的不同组织中调节机制不尽相同，不同类型的细胞对低氧的敏感性也不同。因此，如何针对不同组织细胞的损伤，实现对HIF1及其信号通路的靶向和特异性调节，有待进一步的深入研究，从而为临床多种疾病的治疗提供新的切入点。

参考文献：

1. https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2019/press-release/?related=1.

2. Semenza GL, Nejfelt MK, Chi SM, Antonarakis SE (1991) Hypoxia-inducible nuclear factors bind to an enhancer element located 3' to the human erythropoietin gene. Proc Natl Acad Sci U S A 88: 5680-5684.

3. Wang GL, Jiang BH, Rue EA, Semenza GL (1995) Hypoxia-inducible factor 1 is a basic-helix-loop-helix-PAS heterodimer regulated by cellular O2 tension. Proc Natl Acad Sci U S A 92: 5510-5514.

4. Maxwell PH, Wiesener MS, Chang GW, Clifford SC, Vaux EC, Cockman ME, et al. (1999) The tumour suppressor protein VHL targets hypoxia-inducible factors for oxygen-dependent proteolysis. Nature 399: 271-275.

5. Ivan M, Kondo K, Yang H, Kim W, Valiando J, Ohh M, et al. (2001) HIFalpha targeted for VHL-mediated destruction by proline hydroxylation: implications for O2 sensing. Science 292: 464-468.

6. Jaakkola P, Mole DR, Tian YM, Wilson MI, Gielbert J, Gaskell SJ, et al. (2001) Targeting of HIF-alpha to the von Hippel-Lindau ubiquitylation complex by O2-regulated prolyl hydroxylation. Science 292: 468-472.

7. Semenza GL (2011) Oxygen sensing, homeostasis, and disease. N Engl J Med 365: 537-547.

8. Semenza GL (2014) Oxygen sensing, hypoxia-inducible factors, and disease pathophysiology. Annu Rev Pathol 9: 47-71.