低氧誘導(dǎo)因子-1α在糖尿病腎病中作用機制的研究進展

張雅慧，白 瓊

北京大學第三醫(yī)院 腎內(nèi)科，北京 100191

糖尿病腎病(diabetic kidney disease, DKD)是糖尿病常見的微血管并發(fā)癥,是導(dǎo)致終末期腎衰竭的主要原因[1]。隨著全球糖尿病患病率大幅上升,DKD成為全球面臨的重要公共衛(wèi)生問題[2]。DKD的發(fā)病機制復(fù)雜,確切機制未明。近年來,有關(guān)DKD發(fā)病機制的研究不斷深入,低氧誘導(dǎo)因子1α(hypoxia inducible factor 1α, HIF-1α)在其中發(fā)揮的作用是近年的研究熱點。本文就HIF-1α 在DKD發(fā)病機制中的作用進行綜述,為后續(xù)研究提供參考和思路。

1 HIF-1α的生物學功能

HIF-1是由α和β兩個亞單位組成的異二聚體,只有α和β兩個亞單位聚合后才能發(fā)揮轉(zhuǎn)錄因子的作用。HIF-1β亞基是HIF-1的結(jié)構(gòu)性亞基,在細胞內(nèi)的表達水平相對穩(wěn)定[3]。HIF-1α是HIF-1的功能性亞基,在常氧條件下,HIF-1α亞基在不斷合成的同時,又不斷經(jīng)泛素-蛋白酶小體途徑水解,一般很少檢測到[3]。低氧條件下,HIF-lα降解受阻,細胞漿內(nèi)積聚增多,向細胞核內(nèi)轉(zhuǎn)移,與HIF-1β結(jié)合成HIF-1分子[3]。在低氧條件下HIF-lα表達增高并誘導(dǎo)多種靶基因表達,從而調(diào)節(jié)細胞增殖、血管新生和重構(gòu)、細胞調(diào)亡、能量代謝以及鐵轉(zhuǎn)運等。

2 HIF-1α在DKD中的變化和作用

腎臟中HIF-1α表達水平存在組織差異性,高糖促進人系膜細胞中HIF-1α的表達及活性,誘導(dǎo)腎小球硬化;但高糖抑制人近端腎小管HK-2 細胞HIF-1α的穩(wěn)定和功能,激活HIF-1α能夠減少DKD的腎小管間質(zhì)損傷[4]。但有相反觀點認為,低氧高糖狀態(tài)下,細胞中HIF-1α表達上調(diào)使腎組織和細胞對纖維化敏感[5],腎近端小管HIF-1α的長期激活能夠促進腎小管間質(zhì)纖維化[6]。抑制HIF-1α能減弱高糖細胞中低氧誘導(dǎo)的纖連蛋白的表達,從而減輕纖維化[6]。

3 HIF-1α參與DKD的機制

在高糖狀態(tài)下,HIF-1α的活性及表達水平發(fā)生改變,參與DKD的發(fā)生發(fā)展[3,5],可能涉及以下機制。

3.1 HIF-1α/VEGF通路

血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)是HIF-1α下游靶基因調(diào)控表達的分子之一。在低氧條件下,HIF-1α穩(wěn)定性增強,并獲得反式激活活性,激活的HIF-1α易位到細胞核,與HIF-1β結(jié)合形成異二聚體HIF-1, HIF-1 與低氧反應(yīng)元件(hypoxia response element, HRE)結(jié)合,誘導(dǎo)下游靶基因VEGF的轉(zhuǎn)錄[3]。在腎小球處,足細胞分泌VEGF,逆流通過濾過屏障后作用于腎小球內(nèi)皮細胞(glomerular endothelial cells,GECs);在腎小管處,腎小管上皮細胞(renal proximal tubule epithelial cells,RPTECs)也能分泌VEGF作用于自身[7]。VEGF與GECs、RPTECs表面的VEGFR2結(jié)合,激活通路下游的效應(yīng)蛋白活化,進一步觸發(fā)下游的Src/Vav2/rac1/PAK1信號、PI3K/AKT信號通路、PLC依賴的PKC通路等[7],促進血管內(nèi)皮細胞的增殖和新生血管生成[8]。

HIF-1α/VEGF 信號通路也被證明參與細胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)的調(diào)節(jié)[9]。HIF-1α轉(zhuǎn)錄抑制能夠增加TGF-β誘導(dǎo)的異常ECM生成,穩(wěn)定的HIF-1α蛋白表達可能在一定程度上通過蛋白磷酸酶2的活性負調(diào)控TGF-β誘導(dǎo)的ECM生成[9]。

高糖通過改變HIF-1α的穩(wěn)定性及活性,影響腎組織細胞中VGEF的轉(zhuǎn)錄[10]。同時,高血糖和晚期糖基化終末產(chǎn)物通過降低GECs上VEGFR2的表達,導(dǎo)致GECs對VEGF的反應(yīng)性降低[10]。VEGF的生物學效應(yīng)降低損害內(nèi)皮修復(fù)功能并減弱血管生成能力,使細胞外基質(zhì)表達增加。內(nèi)皮修復(fù)功能損害、細胞外基質(zhì)蛋白質(zhì)積累在DKD的發(fā)生發(fā)展中起關(guān)鍵作用[10]。內(nèi)皮修復(fù)功能損害及毛細血管生成減少會影響血液供氧,導(dǎo)致腎組織細胞凋亡和成纖維細胞激活,增加細胞外基質(zhì)的產(chǎn)生,細胞外基質(zhì)沉積導(dǎo)致腎小球基底膜增厚和腎小管間質(zhì)基質(zhì)增多,最終導(dǎo)致腎小球硬化和腎小管間質(zhì)纖維化。細胞實驗中,高糖抑制近端腎小管HK-2細胞的HIF-1/HRE反應(yīng),導(dǎo)致VEGF產(chǎn)生減少,促進腎小管間質(zhì)纖維化[11]。

此外,在高糖低氧病理條件下,上游基因的改變也可能參與HIF-1α/VEGF通路的調(diào)控。微小RNA-217(microRNA-217,miR-217)促進人巨細胞病毒感染的內(nèi)皮細胞的增殖和遷移,并促進血管生成;介導(dǎo)Sirt1/HIF-1α通路來調(diào)節(jié)高糖暴露的大鼠腎小球系膜細胞的炎性反應(yīng)和纖維化。HIF-1α是miR-217的靶基因,miR-217可能通過影響HIF-1α/VEGF通路在DKD的血管生成中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用,抑制miR217可上調(diào)該通路,促進血管生成,減輕炎性反應(yīng)[8]。

3.2 HIF-1α/HO-1通路

血紅素加氧酶-1(heme oxygenase-1, HO-1)是一種應(yīng)激誘導(dǎo)酶,可催化血紅素降解為一氧化碳、鐵和膽綠素[12]。HO-1也是HIF-1α的下游靶基因之一[12]。在低氧、高糖條件下,高糖低氧上調(diào)腎臟細胞中HIF-1α的表達,HIF-1α作為細胞內(nèi)的核轉(zhuǎn)錄因子,導(dǎo)致下游靶基因HO-1的表達增加。此外,HO-1還存在自身的正反饋效應(yīng),HO-1過度降解血紅素,血紅素降解產(chǎn)物在細胞內(nèi)堆積導(dǎo)致鐵過載,促進氧化應(yīng)激和脂質(zhì)過氧化,增加活性氧自由基的產(chǎn)生,進一步誘導(dǎo)HO-1表達增加,導(dǎo)致惡性循環(huán)的發(fā)生[13]。

HIF-1α/HO-1通路表達上調(diào)導(dǎo)致下游鐵攝取和轉(zhuǎn)運相關(guān)基因的表達,造成鐵過載,過量的鐵通過產(chǎn)生活性氧自由基、脂質(zhì)過氧化和鐵死亡等方式造成腎臟損害[5,13-14]。

然而,HIF-1α/HO-1途徑也表現(xiàn)出有利的一面。HIF-1α通過HO-1途徑改善DKD腎小管上皮細胞線粒體功能障礙,限制線粒體依賴性細胞凋亡,HIF-1α/HO-1通路是介導(dǎo)DKD腎小管細胞線粒體動力學的關(guān)鍵通路[15]。

3.3 HIF-1α與線粒體自噬

線粒體通過自噬選擇性去除線粒體,以維持細胞的線粒體含量并確保質(zhì)量控制,維持線粒體穩(wěn)態(tài)[16]。線粒體自噬由兩種信號通路介導(dǎo):PINK1/Parkin途徑和線粒體自噬受體途徑,后者包括FUNDC1參與的線粒體自噬及BNIP3/NIX介導(dǎo)的線粒體自噬等[16]。線粒體自噬在DKD發(fā)病機制中具有重要作用,在高糖處理的小鼠腎小管上皮細胞和 DKD 患者的腎活檢組織中,觀察到線粒體自噬水平降低[16-17]。

HIF-1α可在低氧條件下誘導(dǎo)自噬受體介導(dǎo)的線粒體自噬。低氧條件下HIF-1α與HIF-1β結(jié)合形成HIF-1,HIF-1通過直接結(jié)合其啟動子上的HRE,增強下游靶基因BNIP3和BNIP3L(NIX)的表達[18],誘導(dǎo)線粒體自噬[19]。HIF也與PINK1/Parkin 介導(dǎo)的線粒體自噬有關(guān),已在卵巢顆粒細胞中發(fā)現(xiàn)HIF-1α能夠促進PINK1和Parkin的激活,進而促進線粒體自噬[20];在肝細胞癌的研究中亦發(fā)現(xiàn)HIF-1α可以通過促進STOML2基因介導(dǎo)的PINK1穩(wěn)定來調(diào)節(jié)PINK1和線粒體自噬[21]。

在DKD中,代償期時低氧上調(diào)HIF-1α表達,通過誘發(fā)BNIP3/NIX介導(dǎo)的線粒體自噬,抑制細胞凋亡和氧自由基產(chǎn)生,發(fā)揮保護作用[23]。但持續(xù)的高糖低氧環(huán)境破壞HIF-1α穩(wěn)定,可抑制線粒體自噬[24]。線粒體自噬障礙導(dǎo)致DKD腎臟中受損線粒體積累,氧自由基和細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)失衡,促進DKD進展。

3.4 HIF-1α與炎性反應(yīng)

炎性反應(yīng)是DKD的發(fā)生和發(fā)展中的重要環(huán)節(jié)[25]。研究發(fā)現(xiàn)DKD患者或動物模型中促炎基因和纖維化相關(guān)基因的表達顯著升高,并伴有外周血中炎性細胞因子水平升高[26-27]。臨床試驗亦證實非甾體選擇性鹽皮質(zhì)激素受體拮抗劑(mineralcorti-coid receptor antagonist,MRA)可以通過抑制炎性反應(yīng)來延緩 DKD 的進展[25]。

HIF-1α參與DKD的炎性反應(yīng),與促進多種細胞因子產(chǎn)生導(dǎo)致的免疫反應(yīng)相關(guān),并過表達多種纖維化相關(guān)因子導(dǎo)致腎間質(zhì)纖維化的發(fā)生。在高糖環(huán)境下,HIF-1α表達上調(diào)促進系膜細胞的炎性反應(yīng)和纖維化相關(guān)細胞因子TGF-β1、內(nèi)皮素和纖連蛋白的表達,應(yīng)用YC-1(HIF-1α特異性抑制劑)能夠促進腎小管上皮細胞中的炎性反應(yīng)和細胞因子IL-1β及IL-18的產(chǎn)生[28]。高劑量的MK-8617(HIF-1α脯氨酰羥化酶抑制劑)可通過激活 HIF-1α/KLF5/TGF-β1通路促進腎小管間質(zhì)纖維化[29]。在DKD的早期階段,HIF-1α發(fā)揮腎臟保護作用,但HIF-1α的持續(xù)激活導(dǎo)致腎臟炎性反應(yīng)和腎間質(zhì)纖維化進展的發(fā)生。

NF-κB是先天免疫、炎性反應(yīng)和細胞凋亡相關(guān)基因(如TNFα、ICAM和iNOS)的主要調(diào)節(jié)因子,其與HIF-1α存在交互作用,低氧條件下HIF-1α的激活調(diào)節(jié)NF-κB的轉(zhuǎn)錄水平,NF-κB也參與刺激HIF-1α mRNA的表達[28]。

4 問題與展望

HIF-1α是適應(yīng)低氧反應(yīng)的主要調(diào)節(jié)因子,能夠調(diào)節(jié)體內(nèi)糖代謝過程。高糖水平是影響HIF及其目標基因轉(zhuǎn)錄的另一重要因素。在高糖低氧環(huán)境下,HIF-1α的表達水平異常,與DKD的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。但目前對于HIF-1α在DKD腎臟各組織細胞中的表達水平變化意見不一,還有待后續(xù)更多的研究來明確。

HIF-1α為重要的核轉(zhuǎn)錄因子,其下游靶基因如VEGF、HO-1、BNIP3表達異常通過影響血管生成、ECM沉積,鐵代謝及線粒體自噬參與DKD的發(fā)生發(fā)展。但對于HIF-1α在DKD發(fā)病機制中的作用還有待深入,尚不明確各靶基因的信號通路之間是否存在聯(lián)系,以及其他HIF-1α下游靶基因的參與也有待進一步探索。此外, HIF-1α與炎性反應(yīng)密切相關(guān),但針對HIF-1α在DKD炎性反應(yīng)中的研究較少,相關(guān)的具體分子通路也有待進一步研究。