局灶性腦缺血損傷后HIF-1α雙重調(diào)節(jié)作用的研究進展

低氧誘導(dǎo)因子-1α(hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α)主要在胞漿中表達，其表達量與氧濃度密切相關(guān)。正常生理狀態(tài)下，HIF-1α通過泛素-蛋白酶體途徑迅速降解。在低氧狀態(tài)下，氧-依賴性脯氨酸羥化酶(PHDs)活性抑制[1]，HIF-1α降解所依賴的PHDs-VHL-蛋白酶體通路被阻斷，致使HIF-1α蓄積并轉(zhuǎn)移到細胞核，進而與低氧誘導(dǎo)因子-1β(hypoxia-inducible factor-1β，HIF-1β)構(gòu)成異源二聚體轉(zhuǎn)錄因子HIF-1。與輔激活蛋白p300/CBP結(jié)合后，HIF-1α通過與目的基因上的缺氧反應(yīng)元件(HRE)：堿基序列為5′-RCGTG-3′結(jié)合誘導(dǎo)其表達[2]。

1 HIF-1α目的基因

目前研究發(fā)現(xiàn)HIF-1α擁有70多個不同功能的目的基因，包括對缺血性腦損傷具有保護作用的基因，如血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)、促紅細胞生成素(EPO)、糖酵解酶(GEs)、葡萄糖轉(zhuǎn)移酶(GLTs)等，HIF-1α通過誘導(dǎo)上述基因表達改善血流供給，提高氧利用率及降低氧損耗，增強神經(jīng)元對局灶性腦缺血的適應(yīng)能力[3]。HIF-1α的目的基因還包括半胱天冬酶(caspases)、誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(iNOS)、BNIP3、p53等，這些基因具有促進受損神經(jīng)細胞凋亡的生理作用。因此，HIF-1α具有缺血性腦損傷保護和促進神經(jīng)細胞死亡的雙重作用，這兩種作用的“選擇”取決于缺血性腦損傷嚴重程度及持續(xù)時間。近幾年，有研究提出神經(jīng)細胞的種類、病理刺激的類型等影響HIF-1α在局灶性腦缺血損傷中的調(diào)節(jié)作用。

2 HIF-1α對缺血性腦損傷的保護作用

對病情較輕的缺血性腦損傷，尤其是缺血病死灶周圍半暗帶，HIF-1α通過誘導(dǎo)VEGF、EPO等基因的轉(zhuǎn)錄表達，提高機體對低氧環(huán)境的適應(yīng)能力。

VEGF是一種生長因子，與內(nèi)皮細胞表面的VEGF受體結(jié)合，刺激內(nèi)皮細胞的轉(zhuǎn)移、增殖和分化，促進新血管的生成。HIF-1α作為VEGF轉(zhuǎn)錄的激活因子，通過與VEGF啟動子HRE結(jié)合誘導(dǎo)其轉(zhuǎn)錄表達。陳懿等[4]研究發(fā)現(xiàn)，缺血側(cè)大腦皮層和紋狀體部位VEGF表達上調(diào)，血流灌注狀況明顯好轉(zhuǎn)，缺血性腦組織病變減輕。王玉梅等[5]研究發(fā)現(xiàn)，VEGF上調(diào)表達能改善慢性缺氧大鼠模型腦組織氧分壓，促進血管重建，提高氧供。提示局灶性腦缺血發(fā)生后，VEGF上調(diào)表達能幫助神經(jīng)細胞適應(yīng)低氧環(huán)境，減輕組織損傷。腦缺血發(fā)生后，通過誘導(dǎo)一些目的基因表達，主要是EPO，提高紅細胞運輸氧能力。EPO是紅細胞生成的主要調(diào)節(jié)者，在許多哺乳動物(包括人類)腦組織均存在EPO mRNA和EPO蛋白，EPO在神經(jīng)元細胞、星形膠質(zhì)細胞、內(nèi)皮細胞等細胞中均有表達。劉慧麗等[6-7]研究發(fā)現(xiàn)EPO與EPO受體(EPOR)特異性結(jié)合，誘導(dǎo)紅細胞增殖、神經(jīng)元再生及神經(jīng)血管重建。HIF-1α通過與EPO啟動子的HER結(jié)合上調(diào)EPO轉(zhuǎn)錄表達。Yang等[8]發(fā)現(xiàn)腦缺血損傷后HIF-1α對EPO表達具有重要調(diào)節(jié)作用。Yeo等[9]體外研究發(fā)現(xiàn)低氧時HIF-1α對血管內(nèi)皮細胞EPOR的表達有影響。但HIF-1α誘導(dǎo)EPO表達的作用機制至今仍不明確，有待于進一步的實驗研究。

3 HIF-1α促細胞死亡的作用

局灶性腦缺血發(fā)生后，HIF-1α表達上調(diào)可能是一把雙刃劍，它既對缺血性腦損傷具有保護作用，也能促進神經(jīng)細胞死亡。細胞死亡有凋亡和壞死兩種方式，取決于缺血性腦損傷的嚴重程度[10]。

局灶性腦缺血病死灶周圍細胞凋亡是神經(jīng)元細胞死亡的主要途徑。細胞凋亡是一種程序性細胞死亡，是一個復(fù)雜的級聯(lián)反應(yīng)過程。局灶性腦缺血后，HIF-1α通過誘導(dǎo)激活多種促凋亡基因的轉(zhuǎn)錄表達，參與神經(jīng)細胞的凋亡過程。這些基因各自編碼具有與凋亡有關(guān)的蛋白，包括：Caspases、p53、一氧化氮(NO)和Bcl-2蛋白家族等。

Caspases(caspases-3、caspases-8、caspases-9和caspases-10)是一組半胱氨酸蛋白酶，在細胞凋亡過程中發(fā)揮重要作用。Caspases是以具有內(nèi)在活性的蛋白酶原形式被合成，之后在自身催化作用下，經(jīng)水解分裂激活。caspases-3認為是細胞凋亡的中心“劊子手”，Billinger等[11]研究發(fā)現(xiàn)活化的caspases-3能破壞細胞骨架蛋白導(dǎo)致特定的DNA斷裂，可作為檢測細胞凋亡的標志。caspases-9與Bcl-2蛋白家族相互作用，促使存儲在線粒體內(nèi)釋放促凋亡蛋白，進而引起細胞凋亡。caspases-8不但能直接引發(fā)細胞凋亡，還能激活Bid(屬于Bcl-2蛋白家族成員)途徑，在線粒體中通過與其他Bcl-2蛋白家族成員結(jié)合，參與細胞凋亡[12]。

p53是一種重要的促神經(jīng)細胞凋亡誘導(dǎo)因子，通過誘導(dǎo)目的基因轉(zhuǎn)錄表達引發(fā)細胞死亡，這些基因能編碼促凋亡蛋白p53、PUMA、Noxa等。Frum等[13]研究發(fā)現(xiàn)p53與鼠/人雙微基因-2(murine/human double minute-2，M/HDM2)結(jié)合后，從細胞核中轉(zhuǎn)移到細胞質(zhì)，之后在蛋白酶體作用下被泛素化和降解。在低氧時，p53將被磷酸化或乙?；?，之后在HIF-1α作用下，穩(wěn)定性提高。穩(wěn)定的p53能促進凋亡蛋白的表達，包括Bax、PUMA、Noxa、Bid等。Bax屬于Bcl-2蛋白家族成員，是重要的細胞凋亡調(diào)節(jié)因子。Niizuma等[14]認為Bax是神經(jīng)細胞重要的促凋亡蛋白，說明p53在細胞凋亡過程中的重要性。Bax隨著線粒體膜的破壞而進入線粒體，致使細胞色素C從線粒體內(nèi)膜空間釋放，進而caspases-9和caspases-3相繼被活化。p53與HIF-1α競爭性地結(jié)合p300/CBP，導(dǎo)致HIF-1α功能受到一定抑制。

BNIP3是Bcl-2家族中一種促凋亡蛋白，局灶性腦缺血發(fā)生后，受HIF-1α誘導(dǎo)表達上調(diào)。雖然HIF-1α調(diào)節(jié)BNIP3表達的作用機制仍未完全清楚，但Wu等[15]通過體內(nèi)試驗研究發(fā)現(xiàn)，BNIP3轉(zhuǎn)錄啟動子中含有HRE結(jié)構(gòu)，提示HIF-1α能誘導(dǎo)BNIP3轉(zhuǎn)錄表達。與Bax不同，BNIP3誘導(dǎo)細胞凋亡不依賴caspases，BNIP3能結(jié)合并抑制抗凋亡蛋白Bcl-2和Bcl-x，造成線粒體功能障礙，如線粒體膜通透孔的異常開放[16]，最終導(dǎo)致細胞凋亡。

哺乳動物體內(nèi)的一氧化氮合酶(NOS)分為3種亞型：神經(jīng)元型NOS(nNOS)、內(nèi)皮型NOS(eNOS)和iNOS。局灶性腦缺血發(fā)生后，iNOS被HIF-1α直接誘導(dǎo)產(chǎn)生，繼而誘發(fā)缺血性損傷區(qū)域炎癥[17]。Lin等[18]研究發(fā)現(xiàn)過量NO影響細胞色素氧化酶的活性，抑制線粒體呼吸作用，進而導(dǎo)致神經(jīng)細胞死亡。

神經(jīng)細胞壞死主要發(fā)生在缺血性腦損傷嚴重或缺血持續(xù)時間較長的情況，尤其是在缺血中心區(qū)域。細胞壞死是細胞死亡的一條快速途徑，一般只發(fā)生在病理狀態(tài)下，與缺血導(dǎo)致的細胞內(nèi)鈣增多有關(guān)[19]。鈣離子內(nèi)流激活一些與細胞壞死有關(guān)的蛋白，包括鈣蛋白酶。胡強等[20]研究報道鈣蛋白酶參與HIF-1α穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)及其降解過程的調(diào)節(jié)。PHDs活性受到抑制時，通過鈣蛋白酶誘導(dǎo)HIF-1α降解的途徑將被激活。Hui等[21]通過體外實驗研究，發(fā)現(xiàn)頸動脈體Ⅰ型細胞內(nèi)鈣離子含量增加能誘導(dǎo)HIF-1α表達上調(diào)。Ginouvès等[22]研究發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的HIF-1α導(dǎo)致細胞壞死。但HIF-1α誘導(dǎo)神經(jīng)細胞壞死的作用機制仍不明確，需要進一步研究。

4 結(jié) 語

HIF-1α在局灶性腦缺血損傷調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用，通過誘導(dǎo)多種目的基因的轉(zhuǎn)錄表達，起到缺血性腦損傷保護和促神經(jīng)元細胞死亡的雙重作用。雖然近些年對HIF-1α對局灶性缺血性腦損傷的調(diào)節(jié)作用進行多方面的研究，但其作用機制仍不確切。因此闡明HIF-1α的調(diào)節(jié)機制仍需要更多研究，如HIF-1α表達及穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)機制仍未完全清楚；關(guān)于具體何種因素決定HIF-1α發(fā)揮保護作用還是促細胞死亡作用的問題，仍需要進一步探究；HIF-1α和神經(jīng)元細胞壞死之間的關(guān)系等，這些未解決的難題為今后研究提供了方向。