HIF-1a及TGF-β1與哮喘關(guān)系研究進展

周麗萍 綜述 王榮麗 審校

HIF-1a及TGF-β1與哮喘關(guān)系研究進展

周麗萍 綜述 王榮麗 審校

支氣管哮喘的本質(zhì)是氣道炎癥及氣道重塑。哮喘的發(fā)病機制復雜，細胞因子在哮喘的發(fā)病機制中占有重要地位，其中起主要作用的有缺氧誘導因子1a(HIF-1a)、轉(zhuǎn)化生長因子-β1(TGF-β1)等,下面就HIF-1a及TGF-β1與哮喘關(guān)系的研究進展作一綜述。

HIF-1a的概述

一、HIF-1a的結(jié)構(gòu)和功能

HIF-1是在機體缺氧狀態(tài)下產(chǎn)生的一種氧依賴性的轉(zhuǎn)錄激活因子，廣泛參與機體的炎癥和免疫反應(yīng)，普遍存在于人和哺乳動物細胞內(nèi)。HIF-1在常氧下也有表達，在缺氧狀態(tài)下表達增加。HIF-1是由HIF-1a和HIF-1β兩個亞基構(gòu)成的異質(zhì)二聚體。HIF-1β不受氧濃度調(diào)節(jié)和影響，而HIF-1a受氧濃度調(diào)節(jié)。HIF-1a廣泛存在于人體腦、肺、腎、心等組織內(nèi)，常氧環(huán)境下，HIF-1a處于低表達狀態(tài)，同時其活性受到抑制并通過泛素-蛋白酶解系統(tǒng)降解；低氧及炎癥環(huán)境下，HIF-1a的降解受阻，HIF-1a在體內(nèi)總量增加，誘導VEGF、促炎細胞因子、趨化因子、粘附分子等基因的表達，以調(diào)節(jié)機體適應(yīng)低氧環(huán)境。HIF-1a在哮喘的氣道炎癥反應(yīng)及氣道重塑中具有重要作用，它主要是通過調(diào)節(jié)免疫、促進炎癥反應(yīng)、誘導新生血管形成及生長等來實現(xiàn)的。

二、HIF-1a的相關(guān)信號轉(zhuǎn)導途徑

HIF-1a主要是通過羥化、乙?；⒘姿峄葋硗瓿煞g后修飾。HIF-1a調(diào)控系統(tǒng)中研究最多的信號轉(zhuǎn)導途徑是PI3K/AKT途徑、絲裂源激活蛋白激酶(MAPK)途徑等，它們在維持HIF-1a穩(wěn)定性中占有重要的地位。

1 PI3K/AKT途徑：磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)和蛋白激酶B(PKB)共同構(gòu)成了 PI3K/AKT信號轉(zhuǎn)導通路。PKB是原癌基因c-akt的產(chǎn)物，又稱為akt,PI3K由調(diào)節(jié)亞基p85及催化亞基p110組成。當細胞膜表面的酪氨酸激酶受體(RTK)被細胞外信號激活后,調(diào)節(jié)亞基p85被激活，并活化催化亞基p110，使PI3K激活,PI3K被激活后可催化三磷酸磷脂酰肌醇(PIP3)的產(chǎn)生,PIP3產(chǎn)生后可通過結(jié)合PKB的PH結(jié)合區(qū)域，將其錨定于質(zhì)膜而活化,活化的PKB可磷酸化多種轉(zhuǎn)錄因子，從而調(diào)節(jié)細胞生理活動，激活相關(guān)基因表達。HIF-1a是一種磷酸化蛋白,缺氧條件下，各種細胞外信號通過PI3K/PKB途徑激活PKB，使HIF-1a表達上調(diào)并磷酸化。PI3K/AKT信號通路可通過調(diào)節(jié)HIF-1a及VEGF的表達來參與哮喘發(fā)生發(fā)展過程。研究顯示[1]：哮喘小鼠氣道平滑肌肌動蛋白和I型膠原蛋白表達水平的變化與蛋白激酶B的磷酸化水平是相一致的，哮喘小鼠氣道內(nèi)給予akt抑制劑可減少氣道炎癥，下調(diào)氣道平滑肌肌動蛋白、I型膠原蛋白、纖維蛋白I的表達，并增加鈣粘蛋白的表達，阻斷PI3K/Akt信號通路可減輕哮喘氣道炎癥并減弱哮喘氣道重塑的早期階段。

2 MAPK途徑：MAPK途徑是以絲裂原激活的蛋白激酶為代表的信號轉(zhuǎn)導途徑。MAPK是一類絲/蘇氨酸蛋白激酶，普遍存在于人和哺乳動物體內(nèi)。當MAPK被細胞外信號激活后，它可通過多種途徑參與組織炎癥、應(yīng)激反應(yīng)及細胞凋亡等。MAPK途徑中研究較多的是p38 MAPK。p38 MAPK磷酸化作用增強可能是哮喘激素耐藥的機制之一[2]。MAPK參與了HIF-1a翻譯后磷酸化修飾過程。HIF-1a是MAPK信號通路中重要的靶點之一，MAPK信號通路可通過級聯(lián)信號轉(zhuǎn)導增加HIF-1a活性來調(diào)節(jié)相應(yīng)基因及蛋白的表達[3]。

3 HIF-1a在哮喘中的作用機制：哮喘患者體內(nèi)存在缺氧微環(huán)境。缺氧誘導因子是缺氧應(yīng)答調(diào)控因子，常氧下有表達，缺氧條件下表達增加，在免疫和炎癥反應(yīng)中發(fā)揮著重要作用[4]。缺氧狀態(tài)下炎性介質(zhì)釋放，并通過PI3K/AKT途徑、MAPK途徑、核因子κB(NF-κB)等途徑上調(diào)HIF-1a的表達。越來越多的證據(jù)表明,缺氧誘導因子在過敏性氣道炎癥和氣道重塑的過程中扮演著重要的角色,但其機制尚不清楚。Chen X等人通過使用屋塵螨提取物刺激體外培養(yǎng)的鼻粘膜上皮細胞證實HIF-1a可通過PI3K/Akt/HIF-1a途徑誘導VEGF、轉(zhuǎn)化生長因子β1和纖維母細胞生長因子2的表達[5]。缺氧誘導因子可通過調(diào)節(jié)各種類型的免疫細胞來參與哮喘的發(fā)病過程[6]。HIF-1a具有調(diào)節(jié)Th17/Treg細胞平衡的功能，當體內(nèi)HIF-1a表達增加時，可出現(xiàn)Th17/Treg細胞失衡，表現(xiàn)為TH17細胞增殖增強，而Treg細胞的增殖受到抑制，當HIF-1a表達低下時，TH17細胞增殖受到抑制，Treg細胞增殖活化[7]。HIF-1a在哮喘和鼻炎表達增加，能促進過敏性氣道炎癥[8]。大量證明HIF-1a與氣道過敏性疾病密切相關(guān),抑制HIF-1a或VEGF-A的表達能抑制體內(nèi)過敏性炎癥反應(yīng)。

TGF-β1概述

一、TGF-β1的結(jié)構(gòu)和功能

TGF-β主要包括包括抑制素、活化素、TGF-β1、TGF-βs和骨形成蛋白等。它是調(diào)節(jié)細胞生長和分化的TGF-β超家族中的一員，廣泛存在于哺乳動物中。TGF-β1是由兩個結(jié)構(gòu)相同或相近的亞單位借二硫鍵連接的雙體。人TGF-β1的基因定位于染色體19q13.1，含有7個外顯子,編碼的前體分子C'端有九個保守的半胱氨酸。TGF-β1主要參與細胞增殖與分化、免疫功能抑制及細胞外基質(zhì)形成、分泌，它是細胞生長的多功能雙重調(diào)節(jié)劑，在氣道炎癥及氣道重塑中具有重要的作用。

二、TGF-β1的相關(guān)信號轉(zhuǎn)導途徑

TGF-β1的相關(guān)信號轉(zhuǎn)導通路主要包括Smad途徑、非Smad途徑及Wnt/β-catenin途徑。TGF-β基因超家族的受體介導的信號轉(zhuǎn)導途徑中最重要的是Smad途徑。TGF-β有Ⅰ型和Ⅱ型兩種受體，TGF-β可通過Smad途徑調(diào)節(jié)相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄和表達。在Smad途徑中，TGF-β同時結(jié)合兩個Ⅰ型受體和兩個Ⅱ型受體，形成四聯(lián)復合物，Ⅱ型受體被激活，接著Ⅰ型受體發(fā)生磷酸化，并活化，同時膜相關(guān)蛋白與Smad2和Smad3結(jié)合，并將Smad2、Smad3提呈給活化的Ⅰ型受體，此時Smad2及Smad3被磷酸化，并與Smad4結(jié)合形成三聚體轉(zhuǎn)移致細胞核，與Smad結(jié)合原件結(jié)合，調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達。Chen M等人將大鼠氣道平滑肌進行體外培養(yǎng)，在使用TGF-β1刺激前予以不同濃度的雷公藤甲素進行干預(yù)，結(jié)果雷公藤甲素顯著抑制TGF-β1誘導的氣道平滑肌增殖，并且抑制了TGF-β1介導的Smad2、Smad3磷酸化過程，說明雷公藤甲素可能通過抑制Smad信號通路來抑制TGF-β1相關(guān)的氣道平滑肌細胞細胞增殖，可減輕哮喘的氣道重塑[9]。由此可見，Smad信號通路參與了哮喘的發(fā)病過程。

MAPK途徑不僅與HIF-1a相關(guān)，同時也與TGF-β1密切相關(guān)。TGF-β1可通過MAPK途徑來調(diào)節(jié)細胞增殖、分化、轉(zhuǎn)化及凋亡等，MAPK至少有12種，分屬于ERK家族、P38家族、JNK家族。當細胞外信號(如轉(zhuǎn)化生長因子β1)通過多種途徑激活細胞內(nèi)絲裂原激活的蛋白激酶(MAPK)時，活化的MAPK可轉(zhuǎn)移至細胞核內(nèi)，通過磷酸化作用激活多種效應(yīng)蛋白，進而調(diào)節(jié)細胞增殖、轉(zhuǎn)化、分化、凋亡以及炎癥應(yīng)激反應(yīng)等。研究表明MAPK途徑與哮喘的發(fā)病過程密切相關(guān)，我們可以通過MAPK/Akt通路來調(diào)節(jié)哮喘的氣道微環(huán)境[10]。抑制NF-κB和p38 MAPK活性可以有效地抑制卵清蛋白激發(fā)的哮喘[11]。

MAPK途徑轉(zhuǎn)導的信號可促進細胞增殖，而Samd途徑轉(zhuǎn)導的信號則抑制細胞增殖。TGF-β不僅具有維持細胞穩(wěn)態(tài)的作用，還對抗由生長因子經(jīng)MAPK途徑激活的增殖反應(yīng)。當大量生長因子刺激細胞時，MAPK途徑激活后通過多種途徑使 Smad1/2/3等分子發(fā)生磷酸化，使Smad1/2/3向核內(nèi)聚集的能力減弱，Samd通路受到抑制，此時細胞增殖占主導地位。

三、TGF-β1在哮喘中的作用機制

哮喘的本質(zhì)是氣道炎癥及氣道重塑，TGF-β1能通過多種途徑(Smad途徑、MAPK途徑等)參與哮喘的氣道炎癥及氣道重塑。正常人體內(nèi)TGF-β1低表達，當有炎癥刺激或應(yīng)激反應(yīng)時，體內(nèi)TGF-β1表達顯著增加。TGF-β1由體內(nèi)多種細胞分泌。在哮喘患者體內(nèi)，TGF-β1能抑制淋巴細胞、嗜酸性粒細胞、肥大細胞等炎性細胞的功能，并抑制相關(guān)炎性細胞因子的釋放，同時TGF-β1又能促進炎性反應(yīng)及炎性因子的釋放，在哮喘的發(fā)病過程中具有抗炎、促炎雙重作用，但哮喘的發(fā)生發(fā)展過程是由多種細胞因子調(diào)控的，并非由TGF-β1單獨作用，在TGF-β1抗炎的同時，炎性介質(zhì)刺激細胞，導致MAPK途徑等多種途徑激活，Samd通路部分受到抑制，TGF-β1的抗炎作用也受到抑制，此時炎性細胞增殖及炎性介質(zhì)釋放占主導地位，加重氣道炎癥反應(yīng)及氣道高反應(yīng)性。TGF-β1能促進成纖維細胞生長，具有強力的致纖維化作用，在內(nèi)穩(wěn)態(tài)環(huán)境下TGF-β1可促進組織修復,當氣道反復受到抗原刺激或出現(xiàn)慢性炎癥時,TGF-β1可持續(xù)增高，并通過各種途徑致使氣道平滑肌細胞增生、膠原合成、基質(zhì)沉積等，最終引起組織纖維化和氣道重建，在哮喘氣道炎癥及氣道重塑中占有重要地位。研究顯示TGF-β1參與了哮喘氣道間充質(zhì)細胞的招募過程[12]。患有嚴重哮喘的兒童氣道TGF-β1的表達增加[13]，降低TGF-β1有助于哮喘患者氣道上皮細胞的修復[14]。D Ierodiakonou等人研究表明：TGF-β1與哮喘的嚴重程度顯著相關(guān)，并與哮喘氣道高反應(yīng)性、氣道阻塞程度、氣道炎癥及氣道重塑相關(guān)[15]。Liu等人用卵清蛋白(OVA)致敏小鼠，并在激發(fā)前30分鐘予以高良姜精進行干預(yù)，發(fā)現(xiàn)高良姜精干預(yù)組肺泡灌洗液及肺組織中TGF-β1及VEGF的表達下降，為了確定高良姜精在氣道重塑中的信號機制，他們在將氣道平滑肌細胞進行體外增殖，并予以高良姜精進行干預(yù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對照組在激發(fā)1小時內(nèi)，TGF-β1可激活氣道平滑肌細胞的ERK、JNK和Akt通路，高良姜精干預(yù)組ERK、JNK和Akt通路的激活受到抑制，表明TGF-β1可通過多條途徑參與哮喘的氣道重塑，高良姜精可通過抑制MAPK/Akt的磷酸化來減輕哮喘氣道重塑[16]。aveolin-1(微囊蛋白1)是氣道平滑肌細胞表面的重要結(jié)構(gòu)之一，具有物質(zhì)轉(zhuǎn)運、信號轉(zhuǎn)導等作用。XU Hui等人在實驗中將卵清蛋白誘導的哮喘小鼠的氣道平滑肌細胞進行體外培養(yǎng)，并將其分為TGF-β1組、哮喘組、對照組、渥曼青霉素(PI3K/AKT通路的抑制劑)+ TGF-β1組，結(jié)果TGF-β1組氣道平滑肌細胞增殖較哮喘組及對照組顯著增加；渥曼青霉素+TGF-β1組氣道平滑肌細胞增殖較TGF-β1組降低；哮喘組氣道平滑肌細胞微囊蛋白1的表達較對照組減少，而且它在TGF-β1組的表達低于哮喘組；哮喘組氣道平滑肌細胞磷酸化蛋白激酶B的表達較對照組增加，在TGF-β1組的表達高于哮喘組，然而它在渥曼青霉素+ TGF-β1組的表達較TGF-β1組降低；說明TGF-β1能促進哮喘氣道平滑肌增殖，并且與PI3K/AKT途徑相關(guān)，而微囊蛋白1可通過PI3K/AKT信號通路抑制TGF-β1相關(guān)的氣道平滑肌細胞增殖[17]。

HIF-1a與TGF-β1在哮喘發(fā)病機制中的相關(guān)性

細胞內(nèi)的信號轉(zhuǎn)導通路并不是各自獨立存在的，不同途徑之間存在著多種交互的聯(lián)系。研究報道HIF-1a可通過多種途徑調(diào)控著VEGF、TGF-β1等靶基因的表達，這些因子均與氣道炎癥及重塑有關(guān)。HIF-1a和 TGF-β/Smads信號通路之間存在著交互作用，機體缺氧時，TGF-β1可通過MAPK信號通路增強HIF-1a表達，HIF-1a與Smad復合體可協(xié)同促進它們所調(diào)控的基因表達。HIF-1a可通過調(diào)控VEGF間接影響TGF-β1的表達，當VEGF增加可通過某些機制促進 TGF-β1 的產(chǎn)生，TGF-β1能夠反過來調(diào)節(jié)VEGF的表達。由此可見HIF-1a與TGF-β1在哮喘的氣道炎癥及氣道重塑中相互作用、相互影響。研究發(fā)現(xiàn)[18]：HIF-1a與TGF-β1呈顯著正相關(guān)，兩者協(xié)同參加了哮喘的發(fā)病過程。說明HIF-1a與TGF-β1在哮喘發(fā)病過程中具有相關(guān)性。

綜上所述,HIF-1a及TGF-β1是哮喘發(fā)病機制中至關(guān)重要的細胞因子，它們可通過多種途徑(如：PI3K/AKT途徑、MAPK途徑、Smad途徑等)參與哮喘的發(fā)病過程。它們之間相互作用、相互交聯(lián)、相互影響，對HIF-1a及TGF-β1的進一步研究有助于為哮喘的治療尋找新的靶點，為哮喘的治療開辟新的道路。

[1] Wang J,Li F,Yang M,et al.FIZZ1 promotes airway remodeling through the PI3KAkt signaling pathway in asthma[J].Exp Ther Med,2014,7(5):1265-1270.

[2] Bao A,Li F,Zhang M,et al.Impact of ozone exposure on the response to glucocorticoid in a mouse model of asthma: involvements of p38 MAPK and MKP-1[J].Respir Res,2014,15(1):126.

[3] 李繼強,陳謙學.缺氧誘導因子1α相關(guān)信號通路與腫瘤關(guān)系的研究進展[J].醫(yī)學綜述,2015,21(24):4460-4464.

[4] Mo JH,Kim JH,Lim DJ,et al.The role of hypoxia-inducible factor 1α in allergic rhinitis[J].Am J Rhinol Allergy,2014,28(2):e100-e106.

[5] Chen X,Li YY,Zhang WQ,et al.House dust mite extract induces growth factor expression in nasal mucosa by activating the PI3K/Akt/HIF-1α pathway[J].Biochem Biophys Res Commun,2016,469(4):1055-1061.

[6] Rangasamy T,Semenza GL,Georas SN.What is hypoxia-inducible factor-1 doing in the allergic lung?[J].Allergy,2011,66(7):815-817.

[7] 劉巧維.HIF-1α與Th17/Treg失衡對煙霧暴露哮喘大鼠氣道炎癥的影響及西羅莫司治療作用的研究[D].中國人民解放軍軍醫(yī)進修學院,2013.

[8] Huerta-Yepez S,Baay-Guzman GJ,Bebenek IG,et al.Hypoxia inducible factor promotes murine allergic airway inflammation and is increased in asthma and rhinitis[J].Allergy,2011,66(7):909-918.

[9] Chen M,Lv Z,Huang L,et al.Triptolide inhibits TGF-β1-induced

cell proliferation in rat airway smooth muscle cells by suppressing Smad signaling[J].Exp Cell Res,2015,331(2):362-368.

[10] Ma Y,Zhang JX,Liu YN,et al.Caffeic acid phenethyl ester alleviates asthma by regulating the airway microenvironment via the ROS-responsive MAPK/Akt pathway[J].Free Radic Biol Med,2016,101:163-175.

[11] Dai YL,Shao GL,Wang F.Extract of Brassica rapa suppresses ovalbumin-induced asthma by down-regulating NF-κB and p38 MAPK activity[J].Bangladesh J Pharmacol,2015,10(1):101-112.

[12] Gao P,Zhou Y,Xian L,et al.Functional effects of TGF-β1 on mesenchymal stem cell mobilization in cockroach allergen-induced asthma[J].J Immunol,2014,192(10):4560-4570.

[13] Brown SD,Baxter KM,Stephenson ST,et al.Airway TGF-β1 and oxidant stress in children with severe asthma: association with airflow limitation[J].J Allergy Clin Immunol,2012,129(2):388-396.e8

[14] Ling KM,Sutanto EN,Iosifidis T,et al.Reduced transforming growth factor β1 (TGF-β1) in the repair of airway epithelial cells of children with asthma[J].Respirology,2016,21(7):1219-1226.

[15] Ierodiakonou D,Postma DS,Koppelman GH,et al.TGF-β1 polymorphisms and asthma severity,airway inflammation,and remodeling[J].J Allergy Clin Immunol,2013,131(2):582-585.

[16] Liu YN,Zha WJ,Ma Y,et al.Galangin attenuates airway remodelling by inhibiting TGF-β1-mediated ROS generation and MAPK/Akt phosphorylation in asthma[J].Sci Rep,2015,5:117-158.

[17] 徐慧,戴元榮,李鳳琴,等.哮喘大鼠Caveolin-1通過PI3K/AKT途徑對氣道重塑的影響[J].中華全科醫(yī)學,2015,13(6):890-892,封3.

[18] 鄭昌華,李彬斐,李昌崇,等.哮喘大鼠HIF-1α、轉(zhuǎn)化生長因子-β的表達及調(diào)控[J].浙江醫(yī)學,2010,32(6):840-842,890.

2017-02-14]

10.3969/j.issn.1009-6663.2017.11.042

646000 四川 瀘州，西南醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院呼吸一科

王榮麗，E-mail：scybwrl@sina.com