缺氧誘導(dǎo)因子與腎臟疾病

端愛(ài)萍 楊敬平 綜述 劉志紅 審校

Semenza等[1]首次在研究紅細(xì)胞生成素(EPO)的調(diào)控過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)并報(bào)道了缺氧誘導(dǎo)因子1(HIF-1)，該研究指出在缺氧條件下HIF-1能結(jié)合缺氧反應(yīng)元件，進(jìn)而促進(jìn)EPO的轉(zhuǎn)錄。后續(xù)的研究發(fā)現(xiàn)組織缺氧在急性和慢性腎臟病的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程中具有很重要的作用，組織和細(xì)胞對(duì)于缺氧反應(yīng)的主要蛋白是HIF-1。HIF-1不恰當(dāng)?shù)募せ钆c腎臟多種疾病的發(fā)展息息相關(guān)。本文總結(jié)HIF-1與急性腎損傷(AKI)及慢性腎臟病(CKD)等疾病的最新研究成果，闡述HIF-1參與調(diào)控腎臟疾病的機(jī)制，為進(jìn)一步研究提供理論依據(jù)。

HIF-1的結(jié)構(gòu)與調(diào)節(jié)

HIF-1在缺氧條件下穩(wěn)定表達(dá)。HIF-1是一種異源二聚體,主要由HIF-1α和HIF-1β兩個(gè)亞單位組成。其中，HIF-1β主要起結(jié)構(gòu)性作用，HIF-1α起功能性作用。正常氧情況下，HIF-1α翻譯后即被降解，其降解途徑是通過(guò)泛素-蛋白酶水解系統(tǒng)。HIF-1α氧依賴性降解結(jié)構(gòu)域上的脯氨酸殘基可被脯氨酰羥化酶(PHD)羥基化，使其能被E3泛素連接酶(VHL)識(shí)別并且泛素化，之后通過(guò)蛋白酶快速降解。缺氧條件下脯氨酰羥化酶會(huì)被抑制，阻斷HIF-1α的降解，HIF-1α轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核內(nèi)，與HIF-1β形成有活性的復(fù)合物，啟動(dòng)核內(nèi)靶基因的轉(zhuǎn)錄[2](圖1)。因此，轉(zhuǎn)錄后的降解決定HIF-1的蛋白水平，這種降解依賴的調(diào)節(jié)主要用于突發(fā)事件的適應(yīng)(如缺氧)。

圖1 HIF在缺氧和正常氧條件下的調(diào)節(jié)[3]HIF：缺氧誘導(dǎo)因子；PHD：脯氨酰羥化酶；pVHL：泛素連接酶；HRE:缺氧反應(yīng)元件；Pro-DH:羥基化的脯氨酸殘基

除了缺氧，HIF-1還受到其他因子的調(diào)控，包括線粒體復(fù)合物Ⅲ產(chǎn)生的活性氧(ROS)、一氧化氮、氯化鈷、腫瘤壞死因子α、血管緊張素Ⅱ等[4]。此外，炎癥反應(yīng)也可以調(diào)節(jié)HIF-1信號(hào)通路。Yamaguchi等[5]研究發(fā)現(xiàn)CCAAT/增強(qiáng)子結(jié)合蛋白δ(CEBPD)是HIF-1調(diào)節(jié)因子。CEBPD是炎癥反應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子。在AKI和CKD的缺氧損傷中，CEBPD在近端小管細(xì)胞中高表達(dá)，進(jìn)而提高HIF-1的水平。

HIF-1與腎臟疾病

腎臟疾病很多都會(huì)缺血缺氧。缺血缺氧能抑制HIF-1的降解，因此，HIF-1在多種腎臟疾病時(shí)激活。HIF-1在腎臟大部分類型的細(xì)胞中都有表達(dá)，如腎小管上皮細(xì)胞[6]，系膜細(xì)胞[7]，內(nèi)皮細(xì)胞[8]等。HIF-1在腎臟的功能包括調(diào)節(jié)炎癥、纖維化、凋亡等。在不同細(xì)胞和不同條件下，HIF-1的激活具有不同的作用。Higgins等[6]發(fā)現(xiàn)特異性敲除小鼠腎小管上皮細(xì)胞中的HIF-1，能有效緩解單側(cè)輸尿管結(jié)扎引起的腎臟纖維化進(jìn)程。HIF-1能促進(jìn)狼瘡性腎炎腎小球系膜細(xì)胞的擴(kuò)增，并且抑制其凋亡[9]。Kalucka等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在體外培養(yǎng)的腎小球內(nèi)皮細(xì)胞中特異性敲除HIF-1能增加因缺氧而引起的細(xì)胞死亡，并且減少巨噬細(xì)胞的黏附。但是在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中特異性敲除內(nèi)皮細(xì)胞中的HIF-1,并不能引起單側(cè)輸尿管結(jié)扎造成的纖維化模型中腎臟表型和腎臟功能的改變。HIF-1在不同腎臟疾病模型下具有不同的功能，目前的研究認(rèn)為在腎臟疾病的早期階段，HIF-1的激活可保護(hù)腎臟損傷，而在慢性腎臟病的階段，HIF-1的作用是具有爭(zhēng)議的[11]。

HIF-1與AKI 急性腎損傷是一種臨床綜合征，表現(xiàn)為腎小球?yàn)V過(guò)率(GFR)和尿量的急劇變化。目前臨床上產(chǎn)生AKI的原因有很多，通常包括缺血，腎毒性物質(zhì)和尿路梗阻等。在缺血性和非缺血性AKI時(shí)，往往會(huì)引起腎臟的缺氧進(jìn)而激活HIF-1。缺氧除了發(fā)生在AKI進(jìn)程中，還會(huì)出現(xiàn)在AKI的修復(fù)階段，這可能與細(xì)胞在生長(zhǎng)、增殖和修復(fù)過(guò)程中，氧氣的大量消耗有關(guān)[12]。在多數(shù)情況下HIF-1的激活能夠保護(hù)腎臟[13]。Kapitsinou等[12]，Weidemann等[14]，Wang等[15]分別在缺血再灌注和順鉑誘導(dǎo)的AKI模型中，對(duì)小鼠預(yù)處理穩(wěn)定HIF-1,通過(guò)上調(diào)HIF-1下游的靶基因如血紅素氧化酶1(HO-1)、多聚腺苷二磷酸核糖聚合酶1(PARP1)、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)等，緩解AKI引起的腎臟損傷，包括炎癥和貧血等。

此外，在AKI時(shí)微小RNA(miRNA)的表達(dá)水平也會(huì)受到HIF-1的影響而發(fā)生顯著變化。 Wei等[16]通過(guò)基因芯片的方法發(fā)現(xiàn)在缺血再灌注的小鼠中有13種miRNA顯著上調(diào)包括miR-21，miR-489，miR-210，miR-29等。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)HIF-1通過(guò)直接結(jié)合下游靶基因或者參與信號(hào)通路調(diào)節(jié)miRNA的表達(dá)，從而抑制炎癥，減少腎組織的損傷[17]。

HIF-1與CKD 通常認(rèn)為CKD是小管間質(zhì)不可逆的病理學(xué)過(guò)程，最終可進(jìn)展為終末期腎病(ESRD)。大量研究表明，腎小管間質(zhì)的慢性缺氧是CKD向ESRD轉(zhuǎn)變的共同途徑[18]。研究表明慢性腎臟缺氧與毛細(xì)血管減少有關(guān)[19]。毛細(xì)血管減少是腎間質(zhì)纖維化的重要特征之一，而且可能是腎臟纖維化與腎功能進(jìn)行性減退的重要因素之一。大量的研究顯示，在病理?xiàng)l件下HIF-1是腎臟纖維化的重要的調(diào)節(jié)因子[20]。但是，HIF-1在纖維化中的作用存在爭(zhēng)議，具體機(jī)制尚不明確。

有文獻(xiàn)報(bào)道HIF-1能促進(jìn)腎臟纖維化的發(fā)展。Wang等[21]研究發(fā)現(xiàn)，在左腎動(dòng)脈夾閉3周的大鼠模型，缺血缺氧能增加HIF-1的表達(dá)，同時(shí)伴隨腎小球和小管間質(zhì)的損傷。采用RNA干擾技術(shù)抑制HIF-1的表達(dá)，能減少Ⅰ型和Ⅲ型膠原的沉積以及α-平滑肌肌動(dòng)蛋白的表達(dá)，從而緩解腎間質(zhì)的損傷。此外，Kimura等[22]在小管上皮細(xì)胞VHL敲除的小鼠中也發(fā)現(xiàn)HIF-1對(duì)腎臟纖維化的發(fā)展具有促進(jìn)作用。作者對(duì)正常小鼠和VHL敲除的小鼠進(jìn)行5/6腎切除發(fā)現(xiàn)，VHL敲除的小鼠能夠上調(diào)纖維化因子，促進(jìn)腎臟的纖維化，同時(shí)蛋白尿/肌酐比也明顯高于對(duì)照組小鼠。

然而，F(xiàn)ang等[23]發(fā)現(xiàn)激活HIF-1能緩解腎臟的纖維化。在大鼠2/3腎切除的CKD模型中，作者采用L含羞草堿激活HIF-1，活化的HIF-1能上調(diào)miR-29c，miR-29c能下調(diào)纖維化蛋白Ⅱ型膠原α1(COL2A1)和原肌球蛋白1(TPM1)，從而緩解腎臟的纖維化。此外，在單側(cè)輸尿管梗阻(UUO)小鼠中也證實(shí)激活HIF-1能抑制炎癥和減少膠原的沉積從而緩解腎臟的損傷。相反，特異性失活HIF-1能促進(jìn)炎癥的發(fā)展[24]。

HIF-1調(diào)控腎臟疾病的可能機(jī)制

轉(zhuǎn)錄調(diào)控下游靶基因HIF-1作為轉(zhuǎn)錄因子，能直接結(jié)合到靶基因啟動(dòng)子區(qū)的缺氧反應(yīng)原元件(HRE)，直接調(diào)節(jié)下游靶基因的轉(zhuǎn)錄。HIF-1調(diào)節(jié)的靶基因超過(guò)800個(gè)，包括VEGF、HO-1、組織生長(zhǎng)因子、纖溶酶原激活物抑制劑1(PAI-1)、Wilms瘤基因1(WT-1)等，影響血糖和能量的代謝、血管再生、紅細(xì)胞生成、鐵的穩(wěn)態(tài)、細(xì)胞的遷移、血管運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)，以及細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞與細(xì)胞基質(zhì)的相互作用等，在病理和生理?xiàng)l件下，調(diào)節(jié)腎臟的功能[4]。研究發(fā)現(xiàn)在局灶節(jié)段腎小球硬化(FSGS)模型中，HIF-1能結(jié)合到I型膠原α2鏈的啟動(dòng)子區(qū)，與SMAD3形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合物，啟動(dòng)I型膠原的合成[25]。Norman等[26]也發(fā)現(xiàn)，金屬蛋白酶抑制劑-1(TIMP-1)的啟動(dòng)子區(qū)存在HRE，HIF-1能直接結(jié)合TIMP-1的啟動(dòng)子區(qū)，促進(jìn)TIMP-1的表達(dá)，從而引起腎臟的纖維化，而且這種作用不能被TGF-β1的抗體所抑制。

與其信號(hào)通路相互作用HIF-1作為轉(zhuǎn)錄因子，除可以轉(zhuǎn)錄調(diào)控下游靶基因直接發(fā)揮作用，還可以與其他信號(hào)通路相互作用，如TGF-β,Notch,NF-κB和 PI3K/Akt等，進(jìn)一步調(diào)節(jié)腎臟的功能。

有許多文獻(xiàn)表明HIF-1與TGF-β信號(hào)通路在腎臟纖維化中有一定的聯(lián)系[27]。HIF-1能直接激活結(jié)締組織生長(zhǎng)因子(CTGF)的轉(zhuǎn)錄，CTGF是TGF-β信號(hào)通路的一個(gè)中間體，二者協(xié)同影響腎臟的纖維化。在內(nèi)皮特異性敲除PHD2的小鼠模型中，敲除PHD2能增加HIF-1的水平，HIF-1含量的增加能顯著上調(diào)內(nèi)皮細(xì)胞中TGF-β的水平[28]。相反，TGF-β也能在轉(zhuǎn)錄、翻譯、降解方面調(diào)節(jié)HIF-1[27]。在轉(zhuǎn)錄水平，TGF-β處理的系膜細(xì)胞中，mTORC1和SMAD3能相互作用，增加HIF-1的表達(dá)。在翻譯水平，腎小管上皮細(xì)胞中，即使在正常氧的情況下，TGF-β-SMAD3信號(hào)通路也能促進(jìn)HIF-1的表達(dá)，可能的機(jī)制是TGF-β處理激活SMAD2/SMAD3，SMAD2/SMAD3的激活能抑制PHD2的表達(dá)，從而抑制HIF-1的降解，增加HIF-1蛋白的水平[29]。

在嚴(yán)重缺氧條件下，HIF-1能也與p53信號(hào)通路相互作用，促進(jìn)細(xì)胞的凋亡[30]。在正常氧情況下，腫瘤抑制蛋白p53被泛素蛋白連接酶Mdm2泛素化降解，這種作用同HIF-1的降解。在缺氧條件下，Mdm2的活性受到抑制，p53大量積累并且轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核內(nèi)，與HIF-1競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合轉(zhuǎn)錄共激活因子p300。在這種條件下，HIF-1和p53下游靶基因都上調(diào)。在嚴(yán)重缺氧的條件下，HIF-1的活性逐漸消失，p53的作用增強(qiáng)。這其中的機(jī)制是由于：(1)HIF-1α可以磷酸化和非磷酸化的狀態(tài)存在，磷酸化的HIF-1α傾向于與HIF-1β相互作用，而非磷酸化的HIF-1α更多的結(jié)合p53[31]。(2)HIF-1β能夠被含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶3和9(caspases 3和caspases 9)切割。caspases 3和caspases 9在嚴(yán)重缺氧條件下表達(dá)增多。因此，HIF-1α就不能與HIF-1β形成二聚體，啟動(dòng)下游基因的轉(zhuǎn)錄。(3)泛素蛋白連接酶Mdm2也能泛素化HIF-1α，引起HIF-1α的泛素化降解。

表觀遺傳學(xué)修飾表觀遺傳學(xué)是通過(guò)對(duì)DNA和蛋白質(zhì)的化學(xué)修飾來(lái)調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄。常見(jiàn)的表觀遺傳學(xué)修飾包括DNA甲基化、組蛋白的修飾、染色質(zhì)重塑、miRNA等非編碼RNA介導(dǎo)的調(diào)控。值得注意的是，一些組蛋白去甲基化的酶包含Jumonji結(jié)構(gòu)域，屬于鐵-氧化戊二酸加雙氧酶家族，而PHD也是屬于相同的家族，并且都需要氧氣才能發(fā)揮作用。在缺氧條件下，一些包含Jumonji結(jié)構(gòu)域的家族成員以HIF-1依賴的方式增加，有研究認(rèn)為這種增加是由于克服在缺氧條件下酶活性的丟失[32]。Zager等研究發(fā)現(xiàn)，缺血再灌注的損傷能上調(diào)內(nèi)皮素1(ET-1)，并且在ET-1的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)發(fā)現(xiàn)組蛋白修飾的增加(如 H3K4m3 和 H3K9/14ac)，染色質(zhì)重塑的酶(如染色質(zhì)重構(gòu)復(fù)合物核心催化亞基1)[33-34]。此外，miRNA和非編碼RNA的改變也能影響腎臟功能。雖然HIF-1在腎臟疾病中也具有重要作用，且HIF-1也能調(diào)節(jié)miRNA，如HIF-1能調(diào)節(jié)miR-155和miR-29影響腎臟的功能。然而， HIF-1調(diào)節(jié)腎臟細(xì)胞表觀改變的具體機(jī)制還不是很清楚。

小結(jié)：缺氧在腎臟疾病的發(fā)展中起很重要的作用。慢性缺氧是腎臟疾病轉(zhuǎn)變?yōu)镋SRD的共同途徑。HIF-1作為缺氧反應(yīng)的主要蛋白，在很多腎臟疾病中都上調(diào)，它能夠通過(guò)直接調(diào)控下游靶基因、與其他信號(hào)通路相互作用、表觀遺傳學(xué)修飾參與腎臟疾病的發(fā)展，因此，HIF-1可作為腎臟缺氧反應(yīng)治療的靶點(diǎn)。目前，至少有6種小分子的PHD抑制劑用于臨床，并且二期臨床顯示該抑制劑可以以劑量依賴的方式增加血紅蛋白的水平。然而，對(duì)于PHD抑制劑長(zhǎng)期使用的數(shù)據(jù)未見(jiàn)報(bào)道，因此對(duì)于PHD抑制劑的研究還需要長(zhǎng)期和大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)。

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