低氧誘導因子在急性腎損傷中作用機制的研究進展

杜娜 鄒春波

225300 泰州，江蘇省泰州市人民醫(yī)院腎內(nèi)科

急性腎損傷(AKI)，是一種短期內(nèi)造成腎功能急劇下降并涉及多學科的臨床常見危重病[1]。長期以來，AKI一直被認為是一種可逆的綜合征。然而，在過去的幾年里，大量來自實驗動物和人類的數(shù)據(jù)被發(fā)表，表明AKI更有可能導致永久性的腎臟損傷，即慢性腎損傷(CKD)。AKI可以導致腎纖維化，同時可能導致其他臟器的損傷，如肺、心臟和肝臟。因此，盡管AKI在本質(zhì)上是可逆的，但根據(jù)血清肌酐濃度的標準，亞臨床腎損害和腎外損害可能持續(xù)存在并介導多臟器功能受損[2]。據(jù)報道，全球每年大約有兩百萬人死于AKI[3]，其住院死亡率為8.8%[4]，且死亡人數(shù)呈現(xiàn)逐年增加的趨勢，此外，AKI患者發(fā)展為CKD的風險較非AKI患者高9倍，死亡風險高2倍[3]。已有研究表明，低氧誘導因子(hypoxia inducible factor，HIF)在低氧條件下可通過誘導糖代謝、促進血管以及紅細胞的生成等一系列適應(yīng)性反應(yīng)來改善細胞氧供，從而達到保護腎臟的目的[5]。然而目前對于AKI的臨床治療仍進停留于對癥治療，一些研究項目的開展旨在通過HIF途徑尋找防止腎臟進一步損傷的潛在機制與治療手段，從而改善腎功能預(yù)后。

一、HIF簡介

1.HIF低氧防御機制 HIF是由一種α亞基(HIF-α)和β亞基(HIF-β)組成的轉(zhuǎn)錄異質(zhì)二聚體。HIF分為HIF-1α、HIF-2α、HIF-3α三種旁系同源亞型。在常氧條件下，脯氨酸殘基的低氧誘導因子α被脯氨酸羥化酶(PHDs)羥化。羥化后的HIF-α是VHL蛋白識別，最終被泛素化，以及蛋白酶體降解。然而，在缺氧條件下，脯氨酸羥化酶失去活性，低氧誘導因子α不被降解。穩(wěn)定的低氧誘導因子α與低氧誘導因子β結(jié)合。HIF-β是一種構(gòu)建型表達的芳香烴受體核轉(zhuǎn)運蛋白，并有ARNT1、ARNT2、ARNT3三個亞型，它們兩兩組合構(gòu)成HIF-1、HIF-2、HIF-3轉(zhuǎn)錄因子。異二聚體與各種靶基因調(diào)控區(qū)域的缺氧反應(yīng)元件結(jié)合，協(xié)同誘導機體對缺氧的適應(yīng)[6]。在腎臟中，HIF-1在腎小管細胞中表達，而HIF-2主要在內(nèi)皮細胞、間質(zhì)細胞以及一些腎小球細胞中表達[7-8]。在腎缺血時，尤其是在氧合嚴重受損的區(qū)域，HIF會被激活[5]，活化后的HIF可通過改善缺氧狀態(tài)保護腎臟，并誘導適應(yīng)性反應(yīng)，從而起到一定的腎保護作用。

2.HIF靶基因及其在腎臟中的功能 HIF是影響低氧基因表達的主要轉(zhuǎn)錄因子[9]。在缺氧條件下，HIF在靶基因的增強子或啟動子區(qū)域積累并與缺氧反應(yīng)元件結(jié)合，從而誘導轉(zhuǎn)錄[10-11]。HIF-1和HIF-2均通過刺激紅細胞生成、血管生成、厭氧葡萄糖代謝、鐵代謝、腺苷和NO代謝等多種細胞和組織反應(yīng)，促進氧的傳遞和細胞對缺氧的適應(yīng)[12-13]。其中紅細胞生成、血管生成和厭氧葡萄糖代謝分別受EPO、VEGF和糖酵解基因調(diào)控，是腎損傷和修復(fù)過程中最重要的缺氧反應(yīng)。

二、HIF在AKI中的潛在保護機制

1.HIF與lipocalin 2 中性粒細胞明膠酶相關(guān)載脂蛋白2(lipocalin 2，Lcn2)是腎損傷的重要標志物，積極參與疾病進展[14]。Lcn2在腎細胞中表達，在缺血缺氧[15]等刺激下，Lcn2顯著增加。一項實驗證明，小鼠腎缺血/再灌注損傷中，Lcn2水平與腎缺血/再灌注損傷呈正相關(guān)，損傷越重，Lcn2水平越高，而凋亡細胞數(shù)目卻有所下降，提示Lcn2可能在腎臟損傷中起到代償性作用，其腎臟保護作用可能與細胞自噬相關(guān)[16]。自噬是維持細胞穩(wěn)態(tài)的重要過程。越來越多的證據(jù)表明，自噬被不同類型的應(yīng)激激活，如缺血和炎癥，并參與AKI[17-18]。該實驗中進一步發(fā)現(xiàn)Lcn2缺乏明顯加重腎損傷，小鼠血清肌酐升高，形態(tài)損傷加重，腎小管上皮細胞死亡增加[16]。此外，該實驗還觀察到Lcn2缺乏的小鼠體內(nèi)細胞自噬能力減弱，自噬標志物LC3 II水平在缺血再灌注損傷后顯著降低，而下調(diào)HIF-1α會鈍化Lcn2誘導的自噬，而且還會增強細胞凋亡。因此，實驗證明HIF可能通過調(diào)節(jié)Lcn2誘導的細胞自噬來減少細胞凋亡，其研究結(jié)果有助于更好地理解Lcn2在腎缺血再灌注損傷中的保護作用，并提示HIF/Lcn2可能是治療AKI患者的一個有前途的治療靶點。

2.HIF與renalase renalase是一種黃素腺嘌呤二核苷酸依賴性胺氧化酶，最近被認為是一種細胞因子樣蛋白[19]。一些細胞可以合成和分泌腎鈉酶，腎近端小管是腎鈉酶產(chǎn)生的主要部位[20-21]。renalase降解循環(huán)兒茶酚胺，調(diào)節(jié)血壓，可在CKD所引發(fā)的心血管并發(fā)癥中起預(yù)防保護作用[22]。最近的研究結(jié)果表明，腎小管近端分泌的酶renalase，它不僅能降解循環(huán)兒茶酚胺類物質(zhì)，還能減輕腎缺血再灌注損傷[23]。在研究模型中，renalase的表達增加持續(xù)48 h，在小鼠腎臟缺血再灌注損傷過程中可顯著降低腎小管炎癥、壞死和氧化應(yīng)激反應(yīng)，用抗renalase單克隆抗體阻斷renalase可減輕上述效應(yīng)；研究進一步證明在體外通過低氧誘導的renalase表達上調(diào)的是通過HIF-1α機制介導的，通過運用HIF-1α抑制劑，體內(nèi)表達上調(diào)的renalase也能被運用HIF-1α抑制劑而降低[23]。總之，HIF可能通過誘導內(nèi)源性腎酶的表達在AKI的預(yù)防和治療中發(fā)揮潛在作用。

3.HIF與microRNA microRNA是一種內(nèi)源性產(chǎn)生的小RNA分子，可被負調(diào)控其表達，也可通過直接誘導其表達來達到治療的目的。最近的研究表明，microRNA在腎臟發(fā)育、生理和發(fā)病機制中發(fā)揮著重要作用[24]。microRNA在AKI中的作用首先通過條件敲除模型得到證實，如體外抑制miR-489可增加ATP耗竭后的腎小管細胞凋亡，提示miR-489可能具有保護作用[25]。阻斷miR-687可維持磷酸酶和緊張素同源物(the expression of phosphatase and tensin homolog，PTEN)的表達，抑制細胞周期激活和減輕腎細胞凋亡，從而保護小鼠腎臟免受損傷。這揭示了HIF-1/miR-687/PTEN信號通路在缺血-再灌注損傷中可能作為一個新的治療靶點[26]。一些microRNA可被直接誘導來達到治療目的。如HIF-1a誘導的miR-688可抑制線粒體裂變相關(guān)蛋白MTP18，從而抑制病理性線粒體分裂。實驗證明在缺血再灌注損傷誘導的AKI小鼠模型中，使用miR-688模擬物治療可減少線粒體碎片并改善腎功能。重要的是，Chun等人[27]在一組AKI患者中顯示miR-688上調(diào)。這些結(jié)果確定HIF-1α/microRNA-688/mTP18軸是治療AKI的重要靶點。miR-21可通過抑制上皮細胞損傷來保護腎臟。在一項研究中，探索了影響miR-21及其信號通路(PTEN/AKT/mTOR)在腎缺血/再灌注損傷中的體外和體內(nèi)作用，結(jié)果顯示，缺血再灌注損傷增加了miR-21以及HIF-2α在體內(nèi)和體外表達，HIF-1α、HIF-2α與其誘導的miR-21通過PTEN/AKT/mTOR通路相互作用，從而抑制上皮細胞損傷[28]。因此，在AKI中，通過HIF誘導特定的microRNA可能是治療AKI的有效策略。

4.HIF與lncRNA 長鏈非編碼RNA(long non-coding RNA，lncRNA)定義為長度為>200的核苷酸。lncRNA的特點是表達水平低，細胞系特異性高[29]。lncRNAs在轉(zhuǎn)錄調(diào)控、細胞生長和腫瘤發(fā)生等多種生物學過程中發(fā)揮著重要作用[30]。Yang等[31]研究表明，lncRNA p21是一種對缺氧敏感的lncRNA，對于缺氧條件下促進糖酵解過程發(fā)揮重要作用。AK058003是另一種缺氧誘導的lncRNA，據(jù)報道在體內(nèi)和體外都能促進胃癌細胞的遷移和侵襲。lncRNAs在糖酵解、細胞遷移和侵襲等方面的作用表明，lncRNAs可以作為治療癌癥的良好靶點[32]。然而，lncRNA在腎臟中的作用卻鮮有耳聞。最新研究表明，HIF-1調(diào)控的新型lncRNA可抑制腎小管上皮細胞在缺氧狀態(tài)下的凋亡細胞死亡[33]。HIF-1是缺氧條件下調(diào)控下游靶基因的主轉(zhuǎn)錄因子。使用高通量測序儀對HIF-1結(jié)合位點進行全基因組分析，明確各種下游靶點，使證明HIF-1的新作用成為可能。研究表明新型lncRNA的表達產(chǎn)物DARS-AS1(aspartyl-tRNA反義合成酶1)的表達僅在缺氧條件下上調(diào)，HIF-1與其啟動子區(qū)域結(jié)合，可抑制腎小管細胞凋亡。此項研究證明缺氧條件下HIF-1調(diào)控新型lncRNA，并闡明其表達產(chǎn)物DARS-AS1在抑制腎小管細胞凋亡中發(fā)揮重要作用。這表明HIF/lncRNA/DARS-AS1可能成為AKI的又一項新的治療靶點。

三、展望

缺血性和非缺血性AKI都會導致腎臟缺氧，進而激活HIF[5]。如上所述，在AKI中，HIF可通過多種機制來對腎臟起到保護性作用。HIF誘導的腎保護潛在機制涉及多種信號通路和代謝變化，包括HIF可通過調(diào)節(jié)特定載脂蛋白誘導的細胞自噬來減少細胞凋亡[16]；HIF誘導的內(nèi)源性腎酶可抑制腎臟炎癥、壞死、氧化應(yīng)激反應(yīng)及腎小管上皮細胞損傷[23]；通過阻斷microRNA減輕腎細胞凋亡，從而保護小鼠腎臟免受損傷[26]；另一些microRNA可被直接誘導，從而抑制病理性線粒體分裂，并改善腎功能[27]，或者通過抑制上皮細胞損傷來保護腎臟[28]。HIF調(diào)控lncRNA，誘導相應(yīng)酶產(chǎn)物的表達，從而抑制缺氧狀態(tài)下的腎小管上皮細胞凋亡[33]。除此之外，有研究證明，急性腎損傷后的恢復(fù)階段有HIF的表達上調(diào)，這說明HIF還可能與AKI發(fā)生后的修復(fù)有關(guān)。AKI時，健存的腎小管上皮細胞可通過去分化，進而再分化重建上皮結(jié)構(gòu)[34]。這其中可能涉及上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化過程(epithelial-mesenchymal transition，EMT)。研究表明HIF可以通過上調(diào)EMT相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子(如Twist)的表達，激活EMT相關(guān)信號通路(如Notch)，增加EMT相關(guān)炎癥因子如腫瘤壞死因子α(TNF-α)，還可直接或間接調(diào)節(jié)相應(yīng)的酶來誘導EMT[35]。因此，我們可以根據(jù)HIF在AKI恢復(fù)階段的再表達，以及HIF可通過多種途徑來誘導EMT，推測HIF可能通過調(diào)控EMT來參與AKI的修復(fù)，這可能為AKI的治療提供新的理論依據(jù)。