结构生物化学/蛋白质功能/HIF开关
缺氧是指组织和细胞氧气供应不足的状态。缺氧反应由缺氧诱导因子HIF-1和HIF-2促进。HIF靶基因激活非常特异，不指示哪个HIFα亚基是活性的。
组织中的氧分压远低于环境氧分压，因为氧气在细胞中释放时，血液中氧气含量急剧下降。低氧或缺氧是胚胎发育和伤口愈合的刺激因素，并维持干细胞的多能性。病理性缺氧可能是由于高海拔或局部缺血导致的，局部缺血是由于血液供应中断导致的。由于肿瘤微血管结构异常，实体瘤中也存在缺氧区域。作为对缺氧的反应，HIF转录因子反式激活许多基因，包括那些触发血管生成、无氧代谢和抗凋亡的基因。从结构上来说，HIFs是异二聚体，由三种主要的氧敏感HIFα亚基（1α、2α、3α）之一和一个组成型HIF1β亚基组成，它们结合形成HIF-1、HIF-2、HIF-3转录复合物。大多数研究集中在HIF-1α和HIF-2α。HIF-3α与HIF-1α和HIF-2α具有类似的基本螺旋-环-螺旋和Per-Amt-SIM（PAS）结构域，但它没有C末端转录激活结构域。HIF-1α和HIF-2α是非冗余的，它们具有不同的靶基因和调控机制。在某些情况下，HIF-1驱动对缺氧的初始反应，但在长期暴露后，HIF-2驱动缺氧反应。
在有氧条件下，HIF 1和2α在氧依赖降解结构域中两个保守的脯氨酸残基位置被特定的脯氨酸羟化酶羟基化。该反应需要氧气、2-酮戊二酸、抗坏血酸和铁（Fe2+）作为因子。冯·希佩尔-林道蛋白形成E3泛素连接酶复合物的底物识别模块，该复合物指导HIF-1和2α的多聚泛素化和蛋白酶体降解。在缺氧条件下，脯氨酸羟化酶活性被抑制，冯·希佩尔-林道蛋白结合被废除，HIF-1和2α被稳定。在常氧条件下，HIF-1和2α不能激活转录，因为存在一种氧气调节酶，即抑制HIF-1的因子。Asn羟基化也被抑制，这使得p300/CBP复合物能够与HIF 1和2α结合，从而导致HIF转录激活。
HIF-1α被认为是缺氧反应的主要调节因子，是确保缺氧应激期间存活的重要节点。HIF-2α被称为内皮PAS结构域蛋白，是一种内皮特异性HIF-α亚型，被认为比HIF-1α更专业化。由于HIF-2α在脑、心、肺、肾、肝、胰腺和肠等组织中表达，这表明它在缺氧反应中发挥作用。最近的研究表明，HIF-1和HIF-2通过复杂甚至拮抗的相互作用参与缺氧依赖性基因调控。可能需要在DNA结合之后进行机制以进行转录激活，因为研究表明，DNA结合并不一定对应于转录活性的增加。最近的研究证实内源性HIF-2α是EPO生成的主要驱动因素。HIF-1产生编码糖酵解酶、参与pH调节的酶、促进凋亡的酶的基因。HIF-2产生参与侵袭的基因，并被证明在不依赖HIF-1的情况下调节糖酵解途径中的酶。有趣的是，HIF-1和HIF-2有时能够替代另一种亚型特异性功能，这意味着它们激活特定靶基因的能力取决于特定环境。
多种机制汇聚表明，作为对不同缺氧强度和持续时间的反应，存在着依赖于环境的HIF-α亚型特异性激活。HIF-1和HIF-2激活之间的平衡允许协调调节人体生理中发生的复杂缺氧依赖性过程。
在早期胚胎发育过程中，生理性缺氧环境在其他非缺氧刺激（如肾素-血管紧张素系统、生长因子和免疫细胞因子）的帮助下激活HIFs，这些刺激都调节胎盘发育和成熟。胚胎血管通过血管生成形成，细胞分化为内皮细胞。使用发芽和非发芽血管生成来生成更多血管，这些血管可以重塑为成年的循环系统。通过对小鼠进行的研究表明，血管形成和突变过程中对HIF-1和HIF-2激活的差异需求。HIF-1α基因敲除小鼠表现出红细胞生成受损，并在神经褶形成和心血管系统中发现头部血管化。在不同的背景下，HIF-2α小鼠要么在E12.5死于肌肉缺陷，要么在出生后数月内死于多器官病理和代谢异常。HIF-1α或HIF-2α的缺失会抑制成年小鼠的肿瘤血管生成，这表明HIF-1驱动血管生成和血管生成的早期阶段。完整的血管系统的形成需要从很大程度上依赖HIF-1的转录平稳过渡到HIF-1和HIF-2驱动重叠功能的时期，然后到依赖HIF-2的血管成熟阶段。
骨骼可以通过膜内骨化和软骨内骨化两种机制形成。膜内骨化发生在颅骨扁平骨形成时，以及间充质细胞分化为成骨细胞时。软骨内骨化发生在其他骨骼发育过程中，它有一个两阶段的机制。间充质细胞转变为软骨细胞，这是软骨的主要细胞类型，它形成一个无血管且高度缺氧的基质模板或生长板。作为一种持续的压力，缺氧会影响一般的软骨细胞代谢和组织特异性软骨基质蛋白（如Ⅱ型胶原蛋白）的产生。然后，软骨基质通过基质降解和血管入侵被高度血管化的骨组织取代。软骨内骨化需要软骨细胞的肥大分化和无血管软骨组织通过基质降解和血管入侵转化为高度血管化的骨组织，主要通过血管内皮生长因子 (VEGF) 的激活。最近的研究表明，HIF 通路通过将血管生成与成骨作用结合并调节生长板中血管生成的时空发生，参与膜性骨化和软骨内骨化的两个阶段。HIF-1α 和 HIF-2α 均在生长板软骨细胞中表达，HIF-1α 在软骨细胞分化的所有阶段以类似水平表达，其活性在缺氧条件下增强。HIF-2α 独立于氧依赖性羟化作用，因为其水平随着软骨细胞分化而增加。HIF-1 通过增加无氧糖酵解和抑制凋亡，在缺氧软骨细胞中起着生存因子的作用。它还促进自噬，这可以延长软骨细胞的寿命。HIF-1 在细胞外基质合成中也至关重要，这涉及增殖区增殖软骨细胞所需的重要成分的表达。HIF-2 是许多基因（如 X 型胶原蛋白）的有效转录激活因子。HIF-2α 水平升高与骨关节炎的发展相关。这表明 HIF-1 在缺氧依赖性软骨形成和维持过程中很重要。HIF-2α 参与软骨内骨化和软骨破坏，这可能与缺氧关系不大。HIF-1 和 HIF-2 都需要发育骨骼血管。HIF-1 在严重缺氧条件下的早期阶段很重要，而 HIF-2 在后期阶段更为重要。
干细胞和癌症中的 HIF
[edit | edit source]肿瘤缺氧促进肿瘤消退和对治疗的抵抗。它通过将细胞转向无氧代谢、血管新生和抗凋亡来促进肿瘤细胞的存活。缺氧会触发遗传不稳定性、侵袭、转移和去分化增加，这些都会导致肿瘤的侵袭性。肿瘤 HIF-1α 水平升高与多种肿瘤类型的患者预后不良相关。
(a) 这显示了实体瘤内缺氧引起的氧梯度。在 (i) 中，血管闭塞或肿瘤快速生长会导致急性缺氧，从而激活 HIF-1α 和 HIF-2α。在 (ii) 中，仅激活 HIF-1α 以促进急性缺氧反应，这会导致 (iii) 中所示的血管生成或再灌注或细胞死亡。 (iv) 显示慢性缺氧可以通过介导向 HIF-2 依赖性转录的转换来增加缺氧相关因子和 HIF-2α 水平，从而触发肿瘤适应、增殖和进展。(b) 使用蓝线显示 HIF-1α 的时间调节，绿线显示 HIF-2α，红线显示 HAF 对慢性缺氧暴露的反应。虚线显示从 HIF-1α 到 HIF-2α 的转换发生的位置。
肿瘤 HIF-1 对急性或短暂缺氧提供即时反应，这是由于快速诱导和负反馈调节。HIF-2α 似乎在慢性缺氧暴露中更受青睐。在 RCC 的发展过程中清楚地观察到 HIF 开关，其中随着肿瘤级别的增加，从 HIF-1α 到 HIF-2α 表达的缓慢转变。
干细胞具有自我更新、多谱系分化潜能和长期生存能力。胚胎干细胞可以从囊胚的内细胞团中提取。成体干细胞存在于血液、骨髓和脂肪组织等组织中。正常和恶性干细胞都位于专门的区域，其中低氧等因素在维持多能性和生存能力方面起着至关重要的作用。已证明肿瘤细胞在缺氧条件下会经历去分化。因此，HIF-1 和 HIF-2 都通过激活 Notch 通路和激活其他干细胞特异性因子的转录来触发缺氧诱导的未分化表型。HIF-1 是非肿瘤性胚胎干细胞中缺氧诱导转录的主要驱动因素。它在缺氧条件下维持 GBM 干细胞的未分化表型是必需的。HIF-2 似乎对这部分没有作用。然而，它对于干细胞和非干细胞 GBM 细胞的增殖都是必需的；它对于 GBM 干细胞的存活尤其重要。HIF1 和 HIF2 都可以在 CSC 维护中发挥缺氧无关的作用。似乎 HIF2 与 HIF1 具有类似的功能；然而，它与 HIF1 的不同之处在于，它在生理氧张力下，独立于缺氧，在干细胞维持中发挥着独特的作用。
结论
[edit | edit source]人们已经进行了研究以了解 HIF 在生理和病理生理过程中的复杂调节。HIF-1 在早期血管和骨骼发育中起着重要作用。HIF 开关也见于实体瘤，其中 HIF-1 触发对缺氧的初始反应，然后 HIF-2 在慢性缺氧暴露期间触发缺氧反应。因此，对于细胞来说，在需要时从 HIF-1 切换到 HIF-2 至关重要。
参考文献
[edit | edit source]Mei Yee Koh, Garth Powis, 传递接力棒：HIF 开关，生物化学科学趋势，第 37 卷，第 9 期，2012 年 9 月。