结构生物化学/蛋白质功能/HIF

缺氧诱导因子 (HIF)

缺氧诱导因子 (HIF) 是一种转录因子，负责调节机体对缺氧的反应。缺氧是指血液中氧气含量降低的状态。在缺氧状态下，机体正常的代谢途径和循环会受到干扰，最终导致细胞死亡，甚至人体死亡。研究 HIF 的翻译和降解是因为它与肿瘤生长有关。肿瘤缺氧表现出对癌症治疗（如放疗和化疗）的抗性，HIF-1 的表达增加促进肿瘤生长。因此，HIF 的调节是癌症研究进展的目标。

HIF 是一种异二聚体，包含 α 和 β 亚基。在已知的三个 HIF-α 亚型 (HIF-1α, HIF-2α, HIF-3α) 中，HIF-1α 最常见。

HIF-1α 在缺氧过程中的作用

在缺氧状态下，HIF-1α 通过促进糖酵解来促进无氧代谢。HIF-1α 通过上调葡萄糖转运蛋白和糖酵解酶的表达来增加葡萄糖的转运。HIF-1α 也上调丙酮酸脱氢酶激酶 1，它会增加丙酮酸转化为乳酸。这反过来又通过增加乳酸的产生，将活性从克雷伯循环和氧化磷酸化等依赖氧气的代谢途径中转移出来。此外，HIF-1α 也通过增加单羧酸转运蛋白 4 和膜结合碳酸酐酶 IX 来平衡乳酸和二氧化碳的潜在毒性积累，这些蛋白与乳酸和二氧化碳反应，防止它们的水平达到毒性水平。

HIF-1α 也负责激活血管生成。血管生成通过形成新的血管来恢复氧气和营养物质的供应。虽然这听起来像是好事，但血管生成的增加会导致肿瘤生长。

HIF-1α 的降解

研究表明，HIF 的降解在有氧和无氧的情况下都会发生。氧依赖性降解 (ODD) 包括 pVHL 和 SUMO 化修饰。氧非依赖性降解包括 HAF 和 RACK1。

pVHL-HIF-1α 降解途径

在有氧条件下，脯氨酰羟化酶 (PHD) 在 HIF-1α 的氧依赖性降解 (ODD) 结构域内两个保守的脯氨酸残基处对 HIF-1α 进行羟基化。在缺氧条件下，PHD 活性受到抑制，因此稳定 HIF-1α。此外，缺氧条件还会导致线粒体电子传递链的扰动，并增加胞质 ROS (活性氧) 的水平，这会改变 PHD 活性辅助因子 Fe2+ 的氧化状态。这种效应也会抑制 PHD 并促进 HIF-1α 的稳定。HIF-1α 羟基化有助于 pVHL 结合 HIF-1α ODD。然后，pVHL 将形成 E3 泛素连接酶复合体的底物识别模块，该模块将引导 HIF-1α 进行蛋白酶体降解。

pVHL (冯·希佩尔-林道)

在 pVHL (冯·希佩尔-林道) 途径中，氧气的存在使 HIF-1α 发生羟基化。羟基化使 HIF-1α 与 pVHL 结合，pVHL 然后形成 E3 泛素连接酶复合体，该复合体基本上将 HIF-1α 标记为降解。SSAT2 调节器也与 HIF-1α 和 pVHL 之间的相互作用结合并稳定相互作用。

SUMO 化修饰

SUMO 化修饰用于调节蛋白质的特性。这种多肽修饰已被用于研究与人类疾病阿尔茨海默病相关的淀粉样蛋白 β 肽水平。由于 SUMO 化修饰，人们发现家族性扩张型心肌病是由层粘连蛋白 A SUMO 化修饰的减少引起的，这会导致细胞死亡增加。

SUMO 化修饰使 HIF-1α 结合与 pVHL 途径中相同的 E3 连接酶，但在缺氧条件下进行。SUMO 蛋白与 HIF-1α 结合，将其标记为连接到 E3 连接酶，最终进行降解。

HAF (缺氧相关因子)

HAF (缺氧相关因子) 是一种多功能蛋白。在 C 末端，它有一个 E3 连接酶，该连接酶与 HIF-1α 的 ODD 结构域结合，将其标记为降解。这在有氧或无氧的情况下都会发生。在 N 末端，它促进一些 HIF-1α 目标的翻译，这与 C 末端的降解作用相矛盾。然而，HAF 选择性地激活了一些目标，但不是全部。这种双重功能为治疗调节提供了潜在的机会。

RACK1

RACK1 与 HIF-1α 结合，将其标记为 E3 连接酶以进行降解。与促进 pVHL 的 ODD 途径的 SSAT2 调节器相反，SSAT1 调节器稳定 RACK1 和 HIF-1α 之间的键。钙会影响这条途径。当钙调神经磷酸酶 A 使 RACK1 去磷酸化时，会抑制 HIF-1α 的降解，从而阻止它与 HIF-1α 结合。

HIF-1α 的翻译

在缺氧状态下，为了减少能量消耗，会抑制一般的蛋白质翻译。但是，HIF-1α 的翻译不会受到干扰。这种现象背后的确切机制和原因尚不清楚。一个提出的途径是通过不需要帽结合复合体来形成二级和三级结构并直接与核糖体结合的 RNA 序列。

增加 HIF-1α 的因素

• 降解调节器
  • 氧依赖性
    • EPF UCP (降解 pHVL)
    • VDU2 (去泛素化 HIF-1α)
    • SUMO 化修饰 (通过 RSUME)
    • 去 SUMO 化修饰 (通过 SENP1)
  • 氧非依赖性
    • 钙调神经磷酸酶 A (Ca2+ 依赖性通过 RACK1)
• 翻译调节器
  • RNA 结合蛋白，PTB 和 HuR
  • PtdIns3K 和 MAPK 途径
  • IRES 介导的翻译
  • 钙信号传导
  • miRNA

降低 HIF-1α 的因素

• 降解调节器
  • 氧依赖性
    • PHD，pVHL，OS-9 和 SSAT2
    • SUMO 化修饰
  • 氧非依赖性
    • RACK1 和 SSAT1
    • GSK3β
    • FOXO4
• 翻译调节器
  • 钙信号通路
  • miRNA

HIF 开关

现代研究揭示了 HIF 开关的存在，这些机制能够直接改变 HIF-α 亚型。HIF 开关的例子包括 Hsp70/CHIP 轴，它在糖尿病相关的缺氧和高血糖中促进 HIF-1α 的特异性降解。因此，这会导致与缺氧反应受损和细胞破坏相关的糖尿病并发症。组蛋白脱乙酰酶 SIRT1 是另一个 HIF 开关，它倾向于去乙酰化 HIF-2α，并在缺氧期间增加 HIF-2 的活性。最近的证据表明 SIRT1 在调节 HIF-1 中留下了痕迹。HAF 是一种重要的 HIF-α 亚型靶点调节剂，它特异性地附着并降解 HIF-1α，且不受氧气依赖。然而，它也增强了 HIF-2α 的转激活和稳定性。HAF 在暴露于慢性缺氧时会下降，但在延长缺氧暴露时会增加。无论如何，从 HIF-1α 到 HIF-2α 的转换对细胞来说是必要的。

尽管需要进行大量研究来帮助理解 HIF-1α 到 HIF-2α 的转换，但目前的知识在癌症的生长方面具有价值。已鉴定的 HAD 是一种关键成分，已被证明可以促进肿瘤的发生和发展。

参考文献

1. Yee Koh M. & Powis G. “HAF: the new player in oxygen-independent HIF-1α degradation.” Cell Cycle. 2009 年 5 月 1 日；8(9): 1359–1366。
2. Yee Koh M, Spivak-Kroizman TR, Powis G. “HIF-1 regulation: not so easy come, easy go.” Trends Biochem Sci. 2008 年 11 月；33(11):526-34. Epub 2008 年 9 月 21 日。

Mei Yee Koh, Garth Powis, Passing the baton: the HIF switch, Trends in Biochemical Sciences, Volume 37, Issue 9, September 2012. <http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0968000412000795>