低氧誘導(dǎo)因子-1α在腦缺血再灌注損傷中的作用

賈穎 周藝蕉 楊春燕

腦組織是人體對缺血缺氧最敏感的器官，腦缺血是指供給腦組織的血流不足以提供足夠的氧氣和營養(yǎng)或去除有毒代謝產(chǎn)物，導(dǎo)致局部腦組織及其功能損害，從而形成的一種病理狀態(tài)。為防止腦缺血所導(dǎo)致的周圍腦組織損傷進(jìn)一步加重，臨床上常采用動脈溶栓、機(jī)械取栓、球囊擴(kuò)張、支架置入等血管內(nèi)治療方法恢復(fù)周圍腦組織的血液供給。隨著研究的進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)上述血管再通治療會引起腦缺血再灌注損傷（Cerebral ischemia reperfusion injury，CIRI），包括腦血管通透性增高、血腦屏障（BBB）破壞、細(xì)胞水腫和凋亡等。低氧誘導(dǎo)因子-1α（HIF-1α）被 認(rèn)為是CIRI的重要調(diào)節(jié)劑，并負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)神經(jīng)細(xì)胞的許多病理生理過程，包括炎癥反應(yīng)過程中的細(xì)胞凋亡、能量代謝和基因轉(zhuǎn)錄等[1]。HIF-1α作為一種通用的分子主開關(guān)，它通過調(diào)控誘導(dǎo)型一氧化氮合酶（iNOS）、血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）、血管生成素-1（Ang-1）、促紅細(xì)胞生成素（EPO）、胰島素樣生長因子-2（IGF-Ⅱ）、糖酵解酶（GE）和葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白-1（GLUT-1）等恢復(fù)血液循環(huán)、葡萄糖運輸及介導(dǎo)缺氧后的低氧等，發(fā)揮促進(jìn)細(xì)胞存活、抑制凋亡的保護(hù)作用[2]。因此，在CIRI中通過調(diào)控HIF-1α及其下游靶基因的表達(dá)減輕腦損傷，是臨床治療腦缺血缺氧相關(guān)疾病的重要目標(biāo)基因途徑。現(xiàn)針對HIF-1α在CIRI中的作用及相關(guān)機(jī)制進(jìn)行綜述。

1 HIF-1α 的生物學(xué)特性

低氧誘導(dǎo)因子（HIF）是一種異源二聚體轉(zhuǎn)錄因子，在介導(dǎo)缺氧適應(yīng)性反應(yīng)中起關(guān)鍵作用。它是由氧敏感的HIF-α亞基和HIF-β亞基組成，HIF-β亞基又稱為芳烴受體核轉(zhuǎn)運蛋白（ARNT），HIF-α亞基在哺乳動物中發(fā)現(xiàn)3種同工型：HIF-1α、HIF-2α和HIF-3α，HIF-1α可以在所有類型細(xì)胞中表達(dá)，被認(rèn)為是體內(nèi)低氧調(diào)控的主要功能亞基，對于維持哺乳動物細(xì)胞中的氧穩(wěn)態(tài)尤為重要；HIF-2α由EPAS1基因編碼，與 HIF-1α 結(jié)構(gòu)和功能類似，主要在胎盤、肺、肝和心臟等少數(shù)組織中表達(dá)，并且在血管生成和紅細(xì)胞生成中起著核心作用；HIF-3α作為多個剪接變體存在，可以通過負(fù)反饋的方式抑制HIF-1α和HIF-2α的活性，其功能研究較少[3]。

HIF-1α的穩(wěn)定性及活性受其翻譯后修飾調(diào)節(jié)，包括羥基化、泛素化、乙?；土姿峄?，這種調(diào)節(jié)主要是通過氧依賴性降解域（ODDD）的獨特結(jié)構(gòu)。在正常氧壓條件下，HIF-1α的ODDD上兩個脯氨酸殘基的羥基化和賴氨酸殘基的乙?；|發(fā)其與pVHL E3連接酶復(fù)合物的結(jié)合，導(dǎo)致HIF-1α通過泛素-蛋白酶體途徑迅速降解。在低氧壓條件下，泛素-蛋白酶體的降解途徑被抑制，HIF-1α在胞漿中聚積并轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核中，與HIF-1β形成異源二聚體，在轉(zhuǎn)錄共激活因子CREB-結(jié)合蛋白/p300 等的作用下，結(jié)合到靶基因啟動子的低氧反應(yīng)元件上，相互作用并調(diào)節(jié)下游靶基因的表達(dá)上調(diào)[4]，促進(jìn)糖酵解、氧利用、紅細(xì)胞增生，增加葡萄糖轉(zhuǎn)運體等，起到對缺氧組織的保護(hù)效應(yīng)。然而，HIF-1α的過表達(dá)也可導(dǎo)致氧自由基生成增多，過量的氧自由基促進(jìn)細(xì)胞凋亡，加重器官功能損害。

2 HIF-1α在CIRI中的作用

CIRI由缺血期的原發(fā)性損傷和再灌注期的繼發(fā)性損傷組成，可形成腦水腫和其他繼發(fā)性病變。HIF-1α在CIRI中發(fā)揮重要作用，包括改善線粒體功能，降低細(xì)胞氧化應(yīng)激，激活腦保護(hù)信號通路和下游保護(hù)基因，并與非編碼 RNA 相互作用等[5]。

2.1 對線粒體功能的保護(hù)作用線粒體是有氧呼吸的主要場所，也是缺血性損傷的主要靶點。線粒體功能障礙在CIRI中起著非常重要的作用[6]。在缺血期間，氧含量降低會損害線粒體ATP的產(chǎn)生并誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)Ca2+的增加。在再灌注期間，細(xì)胞內(nèi)Ca2+的濃度進(jìn)一步增加，導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)和線粒體中的鈣過載。同時，缺氧會破壞線粒體電子傳遞鏈（ETC）導(dǎo)致活性氧（ROS）產(chǎn)生增加。ROS和Ca2+的增加導(dǎo)致線粒體內(nèi)膜中非選擇性、高導(dǎo)電性通透性轉(zhuǎn)換孔（PTP）的開放，以及線粒體膜通透性的變化。PTP開放進(jìn)一步增加線粒體Ca2+和ROS水平，并刺激線粒體中蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的氧化[7]。鈣超載和氧化應(yīng)激可能導(dǎo)致線粒體功能障礙，進(jìn)而誘導(dǎo)腦細(xì)胞出現(xiàn)凋亡或壞死。一方面，細(xì)胞內(nèi)氧濃度的降低可以通過在缺血期間抑制PHD蛋白（脯氨酸羥化酶）來激活HIF-1α；另一方面，HIF-1α可以調(diào)節(jié)線粒體特異性基因的表達(dá)水平以適應(yīng)缺氧應(yīng)激，改善線粒體功能[8]。Du等[9]研究發(fā)現(xiàn)，HIF-1α可通過減少腦缺血再灌注時產(chǎn)生的ROS和Ca2+來抑制PTP，從而減輕腦細(xì)胞凋亡。Nanayakkara等[10]提出HIF-1α通過調(diào)節(jié)Frataxin表達(dá)水平來應(yīng)對缺血缺氧性損傷。Frataxin水平的增加減輕了線粒體ROS產(chǎn)生，保持了線粒體膜的完整性。此外，HIF-1α 還可以通過激活不同的腦保護(hù)信號通路，如PI3K/AKT和Janus激酶2/STAT3通路來改善線粒體呼吸功能，以保護(hù)缺血再灌注后的大腦組織[11]。因此，優(yōu)化線粒體和HIF-1α互利作用所需的氧水平可能為CIRI治療提供新的方向。

2.2 維持細(xì)胞氧化還原平衡ROS通常被認(rèn)為是有氧代謝的天然副產(chǎn)物，并且在細(xì)胞信號傳導(dǎo)和體內(nèi)平衡中具有重要作用，然而當(dāng)線粒體受到刺激時，ROS水平會急劇增加，導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p害。在CIRI中，缺血期開始產(chǎn)生ROS，再灌注期ROS大量產(chǎn)生（缺血期ROS異常增加導(dǎo)致琥珀酸的積累，ETC復(fù)合物活性降低；再灌注期琥珀酸被迅速氧化產(chǎn)生大量ROS）。細(xì)胞中過量的ROS積累是CIRI的主要原因之一，過量的ROS可使腦細(xì)胞正常的生物膜結(jié)構(gòu)受損、細(xì)胞內(nèi)蛋白功能抑制、核酸以及染色體破壞，最終導(dǎo)致不可控制的腦損傷[12]。 HIF-1α 通過多種機(jī)制減輕CIRI，如激活HIF及其下游的信號通路，從而激活了參與調(diào)節(jié)細(xì)胞氧化還原狀態(tài)以及減少細(xì)胞中ROS產(chǎn)生和凋亡的靶基因。Deshwal等[13]研究顯示，HIF-1α介導(dǎo)線粒體和NADPH氧化酶家族產(chǎn)生的 ROS 并調(diào)節(jié)細(xì)胞的氧化還原狀態(tài)，從而降低CIRI的嚴(yán)重程度。此外，Thomas等[14]研究顯示，HIF-1α介導(dǎo)從氧化代謝到糖酵解的轉(zhuǎn)變，從而減少線粒體氧化劑的產(chǎn)生，降低ETC活性并減弱線粒體ROS產(chǎn)生，避免細(xì)胞死亡。因此，這些研究支持 HIF-1α 對維持細(xì)胞氧化還原平衡的有益作用，但仍需要進(jìn)一步研究。

2.3 HIF-1α信號通路自首次報道HIF-1α的靶基因（EPO）以來，已鑒定出數(shù)百個下游靶基因，證明了HIF-1α信號通路的復(fù)雜性和重要性[15]。在CIRI中，HIF-1α可以調(diào)節(jié)和參與許多信號通路。Fan等[16]研究顯示，機(jī)體可能通過Nrf2/HO-1和HIF-1α/VEGF信號通路上調(diào)抗氧化應(yīng)激活性并促進(jìn)血管生成修復(fù)內(nèi)皮屏障，有效改善病灶缺氧，從而保護(hù)腦細(xì)胞。Yan等[17]研究表明異氟醚預(yù)處理后可能通過Akt/mTOR/s6K激活上調(diào)HIF-1α表達(dá)，從而提供潛在的神經(jīng)保護(hù)作用，防止CIRI的發(fā)生。Li等[2]在大鼠中風(fēng)模型研究中顯示，HIF-1α通過上調(diào)缺血后的EPO減輕神經(jīng)元凋亡，發(fā)揮腦保護(hù)作用。Luo等[18]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)再灌注開始時用右美托咪定處理后可通過上調(diào)HIF-1α來誘導(dǎo)Bcl-1和p62表達(dá)，從而抑制神經(jīng)元自噬，保護(hù)大腦免受缺血再灌注損傷。此外，血紅素加氧酶-1、IGF-Ⅱ、GLUT-1等位點也參與 HIF-1α對CIRI的保護(hù)作用。

在CIRI中，HIF-1α還可以通過直接或間接調(diào)節(jié)多種信號通路發(fā)揮作用[14]。在線粒體方面，HIF-1α可以直接或間接影響線粒體功能，減少線粒體損傷，減輕CIRI的嚴(yán)重程度。HIF-1α可以通過HIF-1α/Bcl-2和BNIP3信號通路誘導(dǎo)線粒體自噬，從而促進(jìn)CIRI后神經(jīng)細(xì)胞存活[19]。然而，HIF-1α介導(dǎo)的保護(hù)作用僅限于缺血再灌注的早期，持續(xù)自噬也可能會促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞死亡。在氧化應(yīng)激方面，HIF-1α也起著重要作用，如HIF-1α可以上調(diào)Nrf2，然后激活抗氧化酶，通過增強(qiáng)內(nèi)在ROS清除來保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞[16]。在炎癥方面，缺氧時IκBα磷酸化導(dǎo)致IκBα的降解和NF-κB的激活。然而HIF-1α的激活可以抑制NF-κB通路并誘導(dǎo)HO-1，從而減少促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生，抑制組織炎癥并降低CIRI的嚴(yán)重程度[20]。此外，HIF-1α還可以調(diào)節(jié)多種信號通路，如GSK3β/線粒體PTP、ERK1/2、Bcl-2、PI3K/AKT和mTOR等參與多種細(xì)胞功能的調(diào)控，從而可以降低CIRI的嚴(yán)重程度。

2.4 HIF-1α與非編碼RNA之間的關(guān)系MicroRNA （miRNA或miR）是一種小型非編碼RNA分子，長度約為22個核苷酸。它們主要與mRNA的3'非翻譯區(qū)結(jié)合以控制穩(wěn)定性和翻譯，從而降低蛋白質(zhì)水平。人類基因組中超過30%的基因被miRNA所調(diào)控。一些研究報道m(xù)iRNA在腦血管疾病中起著非常重要的作用。Li等[21]研究miRNA在CIRI神經(jīng)元凋亡中的作用，發(fā)現(xiàn)在CIRI的體內(nèi)和體外模型中，miR-186的水平顯著降低。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)miR-186通過與該mRNA的3'非翻譯區(qū)相互作用直接靶向HIF-1α，當(dāng)敲低HIF-1α則克服了因細(xì)胞缺血再灌注損傷及miR-186下調(diào)而導(dǎo)致的細(xì)胞凋亡。因此，miR-186能夠通過部分下調(diào)HIF-1α來減少神經(jīng)元的缺血及再灌注損傷。Wang等[22]研究顯示敲低miR-34a通過激活HIF-1α信號通路在大鼠CIRI中發(fā)揮保護(hù)作用。該研究顯示在腦缺血再灌注過程中miR-34a的表達(dá)水平顯著升高，當(dāng)抑制miR-34a表達(dá)可有效減輕CIRI，增加尼氏小體數(shù)量，減少病灶區(qū)凋亡細(xì)胞數(shù)量。Yi等[23]在研究KCNQ1OT1（鉀離子電壓門控通道）通過靶向抑制 miR-140-3P加劇CIRI時，證明miR-140-3p 和HIF-1α之間存在相互作用，包括HIF-1α參與了miR-140-3p的細(xì)胞保護(hù)作用。此外，有研究證明 HIF-1α可與miRNA（如miR-140-3p和miR-144-3p） 相互作用，在CIRI時發(fā)揮抗氧化應(yīng)激及細(xì)胞保護(hù)作用[24]。盡管與HIF-1α相關(guān)的已知miRNA數(shù)量正在增加，但大多數(shù)研究都集中在癌細(xì)胞系上，而對其在神經(jīng)系統(tǒng)尤其是CIRI中的作用知之甚少。

3 HIF-1α參與天然化合物對CIRI的腦保護(hù)作用

多項研究表明，某些天然化合物可緩解 CIRI，其治療效果通過HIF-1α介導(dǎo)。Cao等[25]研究證明柚皮苷可以通過調(diào)節(jié)HIF-1α/AKT/mTOR信號通路來預(yù)防缺血再灌注誘導(dǎo)的神經(jīng)細(xì)胞體外損傷，這可能為CIRI治療提供新的思路。Janyou等[26]研究發(fā)現(xiàn)二氫辣椒素可增加HIF-1α及其下游靶基因VEGF的表達(dá)，在不增加BBB滲漏的情況下誘導(dǎo)功能性血管生成，并在CIRI后14天改善神經(jīng)功能。Hou等[1]研究表明姜黃素也對CIRI具有保護(hù)作用且與抑制HIF-1α和自噬密切相關(guān)。其他幾種天然化合物，如人參皂甙Rg1、川芎嗪、當(dāng)歸、紅景天苷、黃連解毒湯和葛根素，可以通過影響HIF-1α表達(dá)水平影響線粒體、ROS、血管生成和細(xì)胞存活等，防止CIRI的發(fā)生。

4 HIF-1α在腦缺血預(yù)處理和后處理中的作用

缺血預(yù)處理（IPC）指在組織長時間缺血前對其進(jìn)行短暫的缺血處理，是一種內(nèi)源性的對器官隨后出現(xiàn)持續(xù)性缺血損傷的保護(hù)作用。大腦擁有能夠防御缺血性損傷的內(nèi)源性機(jī)制，這些先天的生存途徑可以被IPC激活，從而暴露于亞致死應(yīng)激源觸發(fā)基因和蛋白質(zhì)表達(dá)的變化，導(dǎo)致機(jī)體耐受性基因表達(dá)。然而，大腦缺血耐受的機(jī)制尚未完全闡明，但Lee等[27]已研究證實IPC介導(dǎo)的神經(jīng)保護(hù)作用可能涉及對HIF-1α及其下游蛋白VEGF的調(diào)節(jié)。Feng等[28]發(fā)現(xiàn)低氧預(yù)適應(yīng)可能通過上調(diào)HIF-1α的表達(dá)來增強(qiáng)對缺氧缺血性腦損傷的耐受性并減少神經(jīng)細(xì)胞的凋亡。Li等[29]也發(fā)現(xiàn)長期暴露于中度缺氧，通過HIF-1α獨立機(jī)制對CIRI產(chǎn)生強(qiáng)大的保護(hù)作用。因此，IPC或低氧預(yù)適應(yīng)可減輕缺血再灌注后的腦損傷，而HIF-1α是其中的關(guān)鍵因子。但在臨床實際中，由于各種缺血性腦疾病如急性腦梗死等發(fā)病時間難以預(yù)測，IPC方法并不適用。在患者腦組織出現(xiàn)缺血后且再灌注前進(jìn)行短暫、多次的缺血再灌注處理也可有效減輕CIRI，被稱為缺血后處理（IPTC）。與IPC相比，IPTC更具靈活性且可能在臨床實踐中發(fā)揮更重要的作用。HIF-1α是與缺血缺氧性腦損傷密切相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子，實驗表明IPTC往往伴隨HIF-1α及其下游靶基因iNOS和VEGF的表達(dá)增強(qiáng)，提示HIF-1α在IPTC中也發(fā)揮一定作用[30]。此外，Zong 等[31]研究顯示，IPTC可顯著減輕CIRI，其機(jī)制與抑制HIF-1α過表達(dá)、降低炎癥反應(yīng)有關(guān)。因此，HIF-1α在 IPC和IPTC 中發(fā)揮關(guān)鍵作用，可能成為CIRI治療的重要目標(biāo)。

5 HIF-1α與CIRI腦保護(hù)作用的其他研究

隨著對CIRI相關(guān)機(jī)制和HIF-1α及其下游基因的不斷研究，HIF-1α相關(guān)CIRI干預(yù)也在不斷探索。Wang等[5]在大鼠模型中研究發(fā)現(xiàn)，HIF-1α的激活可以阻斷右美托咪定對缺血再灌注大鼠神經(jīng)元凋亡的抑制作用，證明右美托咪定可以抑制CIRI后神經(jīng)元凋亡，從而產(chǎn)生神經(jīng)保護(hù)作用，且這種神經(jīng)保護(hù)作用與HIF-1α表達(dá)抑制有關(guān)。Li等[32]研究重組腺病毒介導(dǎo)HIF-1α表達(dá)的腦保護(hù)作用，結(jié)果顯示HIF-1α可以緩解局灶性CIRI的神經(jīng)功能缺損，具有明顯的神經(jīng)保護(hù)作用，這種保護(hù)作用可能與CIRI周圍HSP90表達(dá)增加和Caspase-3表達(dá)降低有關(guān)（抑制神經(jīng)細(xì)胞凋亡），因此，HIF-1α可作為治療缺血性腦損傷的候選基因。Zhang等[33]研究發(fā)現(xiàn)依達(dá)拉奉可以有效降低缺血同側(cè)腦組織中ROS的產(chǎn)生和HIF-1α及VEGF蛋白水平，發(fā)揮腦保護(hù)作用。Wang等[19]研究高壓氧改善大鼠CIRI的機(jī)制，發(fā)現(xiàn)早期高壓氧治療可以減少CIRI引起的腦損傷，可能是通過抑制自噬及其上游分子HIF-1α來防止缺血半暗帶中的神經(jīng)元死亡，這一機(jī)制可能是高壓氧誘導(dǎo)神經(jīng)保護(hù)、改善神經(jīng)功能的重要途徑之一。

6 結(jié)語

CIRI是腦血管疾病發(fā)生后出現(xiàn)的一種嚴(yán)重并發(fā)癥，對患者神經(jīng)功能造成不可逆損傷，具有較高的致殘率和死亡率。然而，HIF-1α可以通過各種復(fù)雜的機(jī)制減輕 CIRI，包括參與糖酵解、線粒體功能、細(xì)胞存活、細(xì)胞凋亡和氧化應(yīng)激等，具體機(jī)制仍不清楚。HIF-1α作為在機(jī)體內(nèi)廣泛分布的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，通過控制下游上百個靶基因的表達(dá)對機(jī)體結(jié)構(gòu)、功能和代謝產(chǎn)生重要的調(diào)節(jié)作用。因此，HIF-1α可能通過不同的機(jī)制在CIRI進(jìn)展的不同階段發(fā)揮作用，同時也可能是治療CIRI的有效靶點。但HIF-1α及其靶基因的種類及功能十分復(fù)雜，還需要更深入研究 HIF-1α在 CIRI 病理生理學(xué)中的作用及其潛在機(jī)制。