HIF-1α調(diào)控惡性腫瘤糖代謝的相關機制及研究進展

劉福樂 王鋼

【摘要】 糖代謝與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展、侵襲及轉(zhuǎn)移密切相關，是惡性腫瘤的重要特征。HIF-1α是腫瘤細胞糖代謝表型轉(zhuǎn)變的關鍵性因子，許多關鍵通路都通過HIF-1α與糖酵解相關聯(lián)。針對HIF-1α-糖酵解通路及其調(diào)控因子的靶向治療將成為腫瘤治療新的方向。本文對近年來以HIF-1α及其上游調(diào)控因子為主要核心的惡性腫瘤糖代謝的分子機制及靶向治療的研究進展進行綜述。

【關鍵詞】 HIF-1α 惡性腫瘤 糖代謝

Mechanism and Research Progress of HIF-1α Regulating Glucose Metabolism in Malignant Tumors/LIU Fule， WANG Gang. //Medical Innovation of China， 2021， 18（27）： -176

[Abstract] Glucose metabolism is closely related to the occurrence， development， invasion and metastasis of tumors， and is an important feature of malignant tumors. HIF-1α is a key factor in the phenotypic transition of carbohydrate metabolism in tumor cells， and many key pathways are related to glycolysis through HIF-1α. Targeted therapy for HIF-1α-glycolysis pathway and its regulatory factors will become a new direction for tumor therapy. This article summarized the research progress of the molecular mechanism and targeted therapy of carbohydrate metabolism in malignant tumors with HIF-1α and its upstream regulatory factors in recent years.

[Key words] HIF-1α Malignant tumor Glucose metabolism

First-author’s address： Liaoning Maternal and Child Health Hospital， Liaoning Women and Children Hospital， Shenyang 110005， China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2021.27.043

糖代謝與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展密切相關，近年在原有的靶向治療的基礎上，單獨或輔以糾正糖代謝相關因子的治療方法的研究取得了進展，但迄今為止，針對糖代謝的腫瘤治療方案仍關注較少，以細胞代謝為標靶的藥物研究成為新的研究目標[1-2]。腫瘤細胞普遍存在糖酵解的異常激活同線粒體的呼吸抑制，用以滿足其惡性增殖的需要。這種糖代謝的改變和腫瘤細胞線粒體功能受損，微環(huán)境缺氧狀態(tài)，均與糖酵解途徑上游調(diào)控因子的異常激活密不可分。針對糖酵解通路及其上游調(diào)控因子，腫瘤細胞缺氧微環(huán)境的標靶治療將會為腫瘤治療提供新的方法策略[3]。

實體腫瘤普遍生長的微環(huán)境--低氧，低氧反應主要是通過關鍵因子-低氧誘導因子（hypoxia-inducible factors，HIFs）來介導的。HIFs（尤其HIF-1）對哺乳動物細胞適應低氧環(huán)境起到十分重要的作用，同時它對腫瘤細胞適應低氧的微環(huán)境也至關重要。HIF-1α是腫瘤細胞糖代謝表型轉(zhuǎn)變的關鍵性因子，c-MYC等轉(zhuǎn)錄因子、PI3K-Akt-mTOR等通路均通過HIF-1α與糖酵解相關聯(lián)。為了更深入地探討以調(diào)控糖代謝異常為標靶的腫瘤治療，本綜述歸納了近期的以HIF-1α及其上游調(diào)控因子為主要核心的惡性腫瘤糖代謝的分子機制及靶向治療的研究進展。

1 HIF-1簡介

1.1 結構 HIF-1是由螺旋-環(huán)-螺旋（basic helix-loop-helix，bHLH）結構組成，是由α亞基、β亞基的異源二聚體結構構成的轉(zhuǎn)錄因子家族中的一員。其中β亞基參與組成結構，不受氧含量影響。而α亞單位則在乏氧條件下變化，在缺氧和常氧狀態(tài)下反應不同，是HIF-1在腫瘤發(fā)生過程中起作用的主要位點。研究證實，常氧條件下，轉(zhuǎn)錄后的HIF-1α的ODD區(qū)域，即有氧條件下降解的結構域的多肽序列內(nèi)保守蛋白殘基p402和p564被脯氨酸羥化酶（PHD）羥化，同時，532位的Lys殘基被乙酰轉(zhuǎn)移酶-1（ARD-1）?；M而與希佩爾林道病腫瘤抑制蛋白（von hippel Lindau protein，pVHL）相互作用，pVHL識別羥化的Pro殘基，結合泛素化結合酶E3，最終導致蛋白酶體對HIF-1α的降解。

1.2 功能 人類有很多種類的癌細胞里都可見到HIF-1α與HIF-2α蛋白的表達增高，而且它們和腫瘤的預后有明確的關聯(lián)[4]。實驗數(shù)據(jù)證明，作為適應乏氧狀態(tài)的關鍵轉(zhuǎn)錄因子HIF-1α可以調(diào)控下游的100多種基因的表達，包括與蛋白生成物和腫瘤關系密不可分的4類靶基因：調(diào)控血管生成的因子（VEGF）、葡萄糖轉(zhuǎn)運與糖酵解酶（GLUT）、對腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移相關的因子以及與腫瘤增殖和凋亡相關的蛋白[5]，這些基因受到影響后調(diào)控組織、細胞在缺氧條件下內(nèi)環(huán)境的相對平衡，不僅調(diào)控經(jīng)典的包括細胞存活、凋亡，紅細胞生成和血管生長等生物學行為，還影響腫瘤的微環(huán)境及代謝狀態(tài)，核苷、氨基酸、糖的能量代謝，同時調(diào)控藥物抵抗等變化反應，在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中起重要作用。

2 HIF-1α參與惡性腫瘤糖代謝調(diào)控

2.1 惡性腫瘤糖代謝與其侵襲性特征 巴斯德效應總結了厭氧和需氧間能量代謝的轉(zhuǎn)換，細胞代謝中無氧酵解的流通量依賴于線粒體供給的能源;而Warburg假說提出缺氧條件下當線粒體功能受到抑制，細胞則更多地依靠增強無氧酵解來提供能源，葡萄糖不通過線粒體的三羧酸循環(huán)進行有氧氧化而代謝，而是代謝至丙酮酸之后再依靠乳酸脫氫酶（LDH），生成乳酸，代謝出體外。

癌細胞糖酵解增強的效應與多種信號因子改變均有關聯(lián)，包括線粒體功能、腫瘤微環(huán)境、原癌蛋白對糖酵解限速酶的調(diào)節(jié)、P53功能缺陷造成的蛋白重組、各種代謝產(chǎn)物的堆積使糖酵解的易化作用、細胞內(nèi)pH值的變化等。（1）腫瘤細胞線粒體功能異常。癌細胞線粒體結構改變常影響其功能改變，因為線粒體DNA為超螺旋環(huán)狀結構，容易斷裂，而且修復機制欠缺容易產(chǎn)生突變造成功能變異。另外，電子從電子轉(zhuǎn)運復合體特別是復合體Ⅰ、Ⅲ中逸出后，與分子氧互相作用又形成超氧化物自由基和其他類型活性氧，更容易造成線粒體DNA對突變誘導敏感性反應加強，使其結構更容易受到破壞[6];線粒體基因缺失還造成腫瘤細胞對糖酵解能量產(chǎn)生和代謝的依賴性加強。（2）腫瘤細胞糖酵解通路的調(diào)控異常。磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3K）-Akt即蛋白激酶B-哺乳動物雷帕霉素（mTOR）通路、轉(zhuǎn)錄因子c-MYC、HIF-1等參與了糖酵解的正向調(diào)節(jié)，而P53則對糖酵解進行反向調(diào)節(jié)。癌細胞中PI3K-Akt-mTOR通路、c-MYC、HIF-1的變態(tài)活化及P53基因缺陷都可造成糖酵解通路相關蛋白的異?；罨?。

糖代謝異常造成了癌細胞的能源供給同蛋白產(chǎn)生利用的一致性，癌細胞依靠糖酵解這一方式取得能量是它在缺氧環(huán)境下存活增殖的有利條件?？梢钥焖傺a充生長繁殖旺盛的癌細胞的能源供給。有氧酵解一方面使癌細胞獲得充足的能源，另一方面提高腫瘤的生長、侵襲和轉(zhuǎn)移能力，使腫瘤的惡性程度增強。

PET技術利用惡性腫瘤的Warburg效應進行診斷。現(xiàn)在，已經(jīng)制成多種正電子核素顯像劑，臨床上最常用到的是18氟標記的脫氧葡萄糖（18F-FDG）。18F-FDG被用來鑒別腫瘤的良、惡性程度。PET對腫瘤分期、分型、侵襲程度、轉(zhuǎn)移的鑒別，腫瘤生物學行為的判別和治療預后評估等方面的應用獲得普遍關注和認同。有學者研究腫瘤18F-FDG濃聚的具體機制，發(fā)現(xiàn)糖代謝的關鍵因子GLUT1及HK-2與18F-FDG的聚集有密切關聯(lián)[7]。

2.2 HIF-1α調(diào)控糖代謝從而影響惡性腫瘤的特

性 糖酵解通路的許多關鍵酶都是HIF-1α的目標因子。HIF-1α被認為是癌細胞糖酵解活化的介導條件。HIF-1α激活葡萄糖轉(zhuǎn)運受體、糖酵解關鍵酶升高，并使葡萄糖的攝取和糖酵解方式對葡萄糖的利用率上調(diào)。此外，HIF-1α通過激活PDK1蛋白，阻礙線粒體ROS升高，避免ROS大量增加致使細胞凋亡，這種代謝變化考慮與腫瘤細胞適應低氧環(huán)境有關[8]。

在乳腺癌細胞的實驗中證實，HIF-1α在非轉(zhuǎn)移性的細胞系中下調(diào)且糖攝取減低，而轉(zhuǎn)移性細胞系中則恰恰相反，揭示HIF-1α的改變造成warburg效應。而使HIF-1α調(diào)整至常量會使腎腫瘤細胞的無氧糖酵解受到阻礙。在胰腺腫瘤細胞中上調(diào)HIF-1α會耐受乏氧和低糖造成的凋亡和增殖阻礙，而抑制HIF-1α表達則胰腺癌細胞對缺氧和低糖引起的凋亡和增殖阻礙更敏感，降低了胰腺癌組織中Glut-1和醛縮酶A的mRNA和糖攝取相關蛋白增加，會使在體腫瘤細胞的成瘤性下降。同時，在此過程中微血管密度未發(fā)生任何變化。這些實驗說明HIF-1α對癌細胞生物學的行為是依靠對糖代謝的改變達成的，是潛在的治療腫瘤的有效途徑[9-10]。

3 HIF-1α的功能調(diào)控

3.1 PHD對HIF-1α的調(diào)控 PHD是屬于鐵（Ⅱ）/

2-酮戊二酸依賴性酶超家族的一種新型的二氧化酶。其生物活性性質(zhì)依賴于氧的存在，起到了細胞中分子氧傳感器的作用。HIF-1α的羥化反應由氧分子、2-酮戊二酸和鐵共同作用而進行。PHD催化HIF-1α結構域ODDD區(qū)的羥化反應，在PHD的調(diào)控下，HIF-1α羥化反應加速，進而更多地與VHL結合，使HIF-1α最終通過泛素化系統(tǒng)被解離[11]。

3.2 MAPK和PI3K信號轉(zhuǎn)導途徑 在乏氧狀態(tài)下，PI3K信號轉(zhuǎn)導通路激活，上游的目標基因與酪氨酸激酶受體相連接，誘導PI3K信號轉(zhuǎn)導通路活化，可刺激HIF-1α蛋白量增加，增強其作為轉(zhuǎn)錄因子與靶基因DNA的特定區(qū)域結合增加，從而激活轉(zhuǎn)錄，進一步增加HIF-1α目標基因的表達水平。實驗證明，PI3K抑制劑既能顯著下調(diào)HIF-1α蛋白的表達，又可以減低HIF-1α的活性。

細胞外信號調(diào)節(jié)激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）/MAPK信號轉(zhuǎn)導通路是將細胞外信號傳至細胞內(nèi)而發(fā)揮作用的重要激酶級聯(lián)通路，是調(diào)節(jié)HIF-1α轉(zhuǎn)錄活性的重要通路，它是細胞外因子如生長因子等依靠PI3K或MAPK信號途徑傳導入細胞從而調(diào)控核內(nèi)HIF-1α的表達量，激活HIF-1α下游靶基因的轉(zhuǎn)錄，從而提高其表達水平。

3.3 VHL 被羥化的HIF-1α同VHL（von Hippel-Lindau）腫瘤抑制蛋白連接，連接后的HIF-1α可被認定成泛素化的作用區(qū)域，泛素化后被導向蛋白酶體作用并解離。而細胞在乏氧環(huán)境中，HIF-1α不能羥化，所以VHL無法對其進行識別，所以不被泛素化和蛋白酶體作用的HIF-1α更穩(wěn)定，不易解離，只是其生成產(chǎn)物在細胞中呈指數(shù)狀態(tài)急劇增多。

4 腫瘤糖代謝異常的靶向治療

4.1 抑制HIF-1α的針對腫瘤糖代謝異常的靶向治療 通過改變腫瘤細胞能量代謝來治愈癌癥是研究腫瘤能量代謝的目標，HIF-1α抑制劑可通過阻礙腫瘤細胞糖酵解過程達到抗腫瘤的治療目的。HIF-1小分子抑制劑可在HIF-1 mRNA水平，蛋白合成水平，調(diào)節(jié)穩(wěn)定性水平，干擾亞基聚合等環(huán)節(jié)引起HIF-1的表達減低、DNA結合或反式激活來阻礙HIF-1表達[11]。

PX-478依靠VHL-和p53-獨立機制阻礙轉(zhuǎn)錄;RNA拮抗劑EZN-2968可抑制HIF-1α的mRNA產(chǎn)物生成。眾所周知，PX-478和EZN-2968是劑量依賴型藥物使HIF-1α、VEGF分泌減少，使異種移植動物模型腫瘤縮小，并且在一期臨床試驗中獲得滿意效果[12-13]。其他抑制劑：格爾德霉素利用HSP90同HIF-1α連接降低使蛋白形成中的疊加受到破壞，導致蛋白分子解離[14];mTOR抑制劑雷帕霉素是通過信號途徑的上、下游區(qū)域進行障礙，這兩種藥物都有很多的副作用。

托泊替康，一種拓撲異構酶抑制劑，可抑制HIF-1α的聚集，它能阻止HIF-1α的mRNA的核糖體到達結合部位來抑制轉(zhuǎn)錄[15-16]。103D5R也有HIF-1α抑制作用，但其抑制HIF-1α的分子及通道機制尚不清楚，但其與托泊替康的效果大致相同[17-18]?，F(xiàn)在103D5R的研究的體外階段才初步完成。

目前，研究工作者研究各種類型的細胞HIF-1的siRNA和反轉(zhuǎn)錄RNA，期望從基因治療方面找到HIF-1α抑制劑：應用HIF-1α的siRNA轉(zhuǎn)染膠質(zhì)瘤細胞，使腫瘤細胞在體和離體環(huán)境中體積明顯縮小，而HIF-1α反義引物的質(zhì)粒遞呈能夠降低鼠類EL-4腫瘤的微血管密度;報道證實HIF-1α反義引物轉(zhuǎn)染的BxPc-3細胞可使胰腺癌細胞生長和侵襲轉(zhuǎn)移能力下降[19-20]。最新研究證實，HIF-1抑制劑Gramicidin A使腎癌細胞系生長增殖受到阻礙，芳香化酶抑制劑對乳腺癌進展有阻止效果[21-22]。

盡管前述這些新的科研成果還不能應用于人類本身，但它們對人類治愈腫瘤具有積極重要的意義，同理研發(fā)新的HIF-1抑制劑也是勢在必行[23]。

4.2 抑制GLUT及HK-2的靶向治療 GLUT1及HK-2均為參與葡萄糖代謝的極為關鍵的因子，因此以兩者為治療靶點的研究日益增多。已經(jīng)有報道根皮素等干擾GLUT1活性的藥物輔助常規(guī)化療藥柔紅霉素，可以抑制腫瘤細胞的無氧糖酵解，增強常規(guī)化療藥的作用[24]。作為糖代謝的關鍵酶，HK-2的靶向抑制劑3-溴丙酮酸干擾了酶的活性，中斷糖酵解途徑，減少腫瘤細胞的能量供應從而引起凋亡，對于常規(guī)腫瘤化療抵抗的病例大大提高了治療的敏感性。并且對正常組織無明顯的毒副作用[25]。此外，葡萄糖類似物的靶向治療以底物競合的方式與HK-2結合，引起腫瘤細胞的凋亡，作為輔助化療藥物能明顯改善治療效果。

綜上所述，糖代謝異常是惡性腫瘤的重要特征，與腫瘤的發(fā)生發(fā)展，侵襲及轉(zhuǎn)移密切相關，HIF-1α對調(diào)控惡性腫瘤糖代謝發(fā)揮了極其重要的作用，針對HIF-1α-糖酵解通路及其調(diào)控因子的靶向治療將成為腫瘤治療新的方向。

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（收稿日期：2021-08-09） （本文編輯：程旭然）