HIF-1 与肿瘤血管生成的相关性研究进展.doc

1HIF-1 与肿瘤血管生成的相关性研究进展作者：王勇郭淑琴张云良程晓东 【摘要 】缺氧诱导因子-1（hypoxia-induciblefactor1，HIF-1）是由 α亚基和 β亚基组成的异二聚体转录因子，在肿瘤发生发展过程中起着重要的作用本文结合 HIF-1 的结构和功能特点，详细综述了 HIF-1 对肿瘤血管生成的主要调节机制，对以 HIF-1 为作用靶点的肿瘤临床治疗前景作了简要展望 【关键词】HIF-1 ；肿瘤；调节机制；治疗靶点 现代研究认为，恶性肿瘤的显著特征是肿瘤细胞的大量增殖和转移其中，细胞大量增殖导致的组织缺氧是肿瘤的基本微环境，缺氧可以刺激肿瘤细胞一系列基因产物的表达诱导微血管生成，新生微血管不仅为肿瘤细胞带来营养成分，带走代谢产物，同时肿瘤细胞也可以通过新生的毛细血管发生转移近年的研究表明[1]，缺氧诱导因子-1（hypoxia-induciblefactor1， HIF-1）可在基因水平上直接调控血管内皮生长因子（vascularendothelialgrowthfactor，VEGF）的表达，并促进肿瘤生长本文就 HIF-1 与肿瘤的相关性研究作一简要综述。

1HIF-1 的结构和功能 HIF-1 最先由 Semenza 和 Wang 于 1992 年发现，将其作为被缺氧诱导的连接在 EPO 基因诱导元件上的一个核因子[2]HIF-1 是2由 α亚基和 β亚基组成的异二聚体转录因子，由 A、B、C 、D 四条链组成其中 A、B 链是 DNA 分子，均由 14 个碱基组成C 链为β亚基，与已知的芳香烃受体核转位蛋白（aryldrocarbonreceptornucleartranslocator，ARNT）相同，其开放阅读框有 2367bp 和 2322bp2 种，分别编码 789 和 774 个氨基酸，分子量为 80kDD 链是 α亚单位，人类 HIF-1α基因定位于 14q21-24，含有 826 个氨基酸，分子量为 120kD，是 HIF-1的调节和活性亚基[3]HIF-1α 和 HIF-1β的共同特点：N 端具有基本螺旋-环-螺旋（basichelix-loop-helix ， bHLH）结构的碱性蛋白，其后紧随 PAS（Per-ARNT-Sim）区域，bHLH 和 PAS 区域主要介导异源二聚体的形成，以及负责与 DNA 的缺氧反应元件（hypoxiaresponseelements，HRE ）结合 [4]，另外在 C 端具有一个或多个反式激活域（trans-activationdomains，TAD ） ，负责与转录起始复合物结合参与转录活化[5]。

HIF-1α 的 C-TAD 与 N-TAD 之间 576～785 位氨基酸序列为抑制结构域，能降低 TAD 的活性，在常氧细胞中该抑制明显另外，HIF-1α 还包含两个核定位信号（nuclearlocalizationsignal，NLS ）：N- 端核定位信号和 C-端核定位信号，C-NLS 在 HIF-1α核定位方面发挥更为重要的作用HIF-1α常氧状态下极不稳定，半衰期小于 5～10 分钟，HuangLE等[6]1998 年发现，在 HIF-1α401～603 区域，有一个氧依赖降解区（oxygen-dependentdegradationdomain，ODD） ，其中一部分与 N-TAD 重合，负责 HIF-1α的降解当环境氧的浓度超过 5%3时，通过激活泛素–蛋白酶体路径，作用于 HIF-1α的 ODD 区，使其迅速降解如果截去 ODD 区，可以使 HIF-1α在有氧状态下保持稳定，并且仍可与 ARNT 形成二聚体及与 DNA 结合，此时即使环境不缺氧，它也具有完整的转录活性HIF-1α 羧基端含有 PEST–样基序，因富含脯氨酸、谷氨酸、丝氨酸和苏氨酸，其主要作用是加速常氧下 ODD 介导的 HIF-1α蛋白经泛素 –蛋白酶复合体途径降解。

HIF-1 的两个亚单位中，HIF-lβ 与细胞的多种功能有关而不仅限于O2 代谢，HIF-1α 则仅与 O2 代谢有关HIF-1β 在细胞中组成性表达，而 α亚基是 HIF-1 的调节和活性亚基HIF-1α 蛋白常氧状态下极不稳定，但能在缺氧条件下保持稳定，并且是组织缺氧的内在标志[7] 2HIF-1 调节肿瘤血管生成的相关机制 大量的研究表明，在多数恶性肿瘤组织内，HIF-1 都有一定程度的表达，然而，HIF-1 在不同肿瘤中高表达的机制不尽相同，而这些不同的机制下诱导的 HIF-1 的表达参与了肿瘤的不同的恶性生物学行为Birnal 等[8]进一步研究发现 HIF-1α的表达亦与肿瘤细胞的增殖、浸润及转移能力相关，其表达越高，预后越差大量新生血管形成及糖酵解增强是实质性恶性肿瘤的两个主要特征，正是这两个特征使得肿瘤细胞能够适应缺氧环境HIF-1 下游基因既参与血管生成，又参与无氧糖酵解，因此，HIF-1 在瘤细胞适应缺氧环境过程中起中心介导作用，是诱导肿瘤血管生成的核心分子[9]HIF-1 调节血管生成的主要机制可分为 VEGF 依赖途径和 VEGF 非4依赖途径两类 2.1VEGF 依赖途径 HIF-1 通过诱导 VEGF 表达，特异地结合位于血管内皮细胞上的特异受体 Flt-1 和 KDR，促进内皮细胞生长，增加血管通透性，进而促进血管生成。

VEGF 是血管生长的主要因子，各种类型细胞中VEGF 的表达随氧气浓度的降低而升高，如低氧培养的细胞VEGFmRNA 水平和蛋白明显升高，恢复正常氧张力时则回降；坏死区周围肿瘤细胞的 VEGFmRNA 呈高度表达，说明局部低氧是肿瘤微环境内 VEGF 基因表达的主要诱因Maxwell 等[10]在小鼠皮下种植 HIF-1β突变的肝癌细胞，发现移植瘤生长缓慢，免疫组化示微血管密度显著减少，采用原位杂交技术发现 VEGFmRNA 表达近缺失Ravi 等[11] 发现经转染 HIF-1α表达载体的 HCT116 结肠癌细胞，VEGF 蛋白表达显著增加，异种移植瘤生长速度加快，血管化作用增强研究发现，HIF-1 通过增强 VEGF 的转录活性与增加 VEGF mRNA 稳定性两个方面调节 VEGF 的稳定表达[12]进一步研究表明，HIF-1 对 VEGF 的调控首先在于其与 HRE 的结合，激活 C-TAD，使之与 p300/CBP 环腺苷酸反应元件结合蛋白 CH1 的结合力增强，通过此核磷酸蛋白将转录信号传递给 VEGF 基因，促进VEGF 的转录及表达[13]体外细胞培养表明，通过转基因手段强制表达 HIF-1 后，在低氧和正常氧分压条件下 VEGF 的表达均明显增加。

有研究表明，去除 VEGF 的增强子或诱导 HIF-1 结合位点序列5内出现点突变则 HIF-1 对 VEGF 调控作用就不复存在，此时VEGFmRNA 水平显著降低，即使在低氧 条件下，VEGFmRNA 也未被诱导表达[14,15]另外，缺氧状态下 VEGFmRNA5’非转录区存在内部核糖体插入位点（internalribosomeentrysite，IRES） ，能保护 VEGFmRNA 进行蛋白质翻译[16] 这些表明 HIF-1 在 VEGFmRNA 的稳定表达方面起到了一定作用另外，HIF-1 可以上调 VEGF 受体 Flt-1 的转录，Flt-1 的大量表达，加强了 VEGF 的生物学效应[17]最新研究还提示，VEGFmRNA 的 3’非转录区富含腺核苷酸-鸟核苷酸（AU） ，缺氧时高表达的 RNA 结合蛋白 HuR 与富含 AU 的元件具有特别亲和力，HuR 则可使 VEGFmRNA 在有氧状态下也不被降解，HuR表达与 HIF-1 密切相关[18] 2.2VEGF 非依赖途径 VEGF 非依赖途径主要是 HIF-1 通过促进其他因子表达或癌基因发生作用[19] 体外细胞实验证实，HIF-1 可诱导人内皮细胞环氧合酶-2（COX-2）的表达，而 COX-2 及其合成产物前列腺素等可通过除 VEGF 以外的碱性成纤维细胞生长因子、血小板源生长因子、表皮生长因子及胰岛素样生长因子等多种途径调节血管生成。

国内学者分别将合成的具有 HIF-1 特异结合位点的 DNA 片段红细胞生成素 3’-增强子（EPO3’-enhancer）及 HIF-1 结合位点突变的DNA 片段，经脂质体包裹转入鼠主动脉内皮细胞与肺微血管内皮细胞，应用 RT-PCR 对 COX-2 的表达进行半定量观察发现在缺氧6时，主动脉和微血管内皮细胞 COX-2 的表达都有增加，但经转入EPO3’DNA 片段的内皮细胞，缺氧对 COX-2 的诱导作用被显著减弱，转入将 HIF-1 结合位点突变的 DNA 片段则无此抑制作用据此推测缺氧诱导 COX-2 表达时，HIF-1 在其信息传递中可能起着关键作用氯化钻（CoCl2 ）是特异性的 HIF-1 诱导剂，在其作用下体外培养的人脐静脉内皮细胞 COX-2mRNA 水平显著提高，提示 CoCl2 可使 COX-2 基因转录明显增强，而向细胞导人 EPO3’-增强子野生片段可阻断 CoCl2 诱导的 COX-2 转录，若导入点突变片段则无阻断作用进而推断 COX-2 基因序列中可能存在类似的HIF-1 结合序列，HIF-1 诱导 COX-2 基因表达增强可能主要通过HIF-1 与该序列的结合实现，由于 EPO3’-增强子片段对 HIF-1 竞争性结合抑制，导致被转入细胞对缺氧反应的减弱。

Naomoto 等[20]的研究也证实了 HIF-lα可能通过 COX-2 途径在多种肿瘤的血管生成中起重要作用但是缺氧条件下，HIF-1 调节肿瘤血管生成还是以 VEGF 依赖途径为主 3HIF-1 与肿瘤治疗 肿瘤组织内的缺氧环境可以诱导 HIF-1α的表达，继而诱导下游多种靶基因的转录和表达增强，尤其 HIF-1α诱导 VEGF 表达途径，在促使肿瘤的微血管的生成，肿瘤细胞的生长代谢以及恶性转化过程中起到了重要的枢纽作用目前，HIF-1α 在肿瘤治疗方面的研究大致可分为药物治疗和基因治疗两类接下来我们结合这两种研究思路，总结并展望一下以 HIF-1 为靶点的肿瘤治疗前景 73.1 药物治疗 目前，正在研究的抑制 HIF-1 活性药物大体可分为两类：①阻断相关信号转导通路；②小分子 HIF-1 活性抑制剂可溶性鸟苷酸环化酶抑制剂 YC-1 能够有效抑制 HIF-1α表达，且能够抑制 VEGF 的表达，减弱血管化作用[21]热休克蛋白 90 抑制剂格尔德霉素，通过抑制热休克蛋白 90 与 HIF-1α结合而使 HIF-1α稳定性消失[22]苯甲酸类似物是一类新的 HIF-1 抑制剂，能够有效地抑制缺氧时人类肝癌 Hep3B 细胞中 HIF-1α蛋白集聚和其靶基因的表达 [23]。

雷帕霉素可通过下调 HIF-1α和 VEGFmRNA 的水平而抑制肝癌的生长和转移[24] 非甾体消炎药和缺氧性细胞毒素 TX-402，亦可通过阻断或抑制 HIF-1 的表达来抑制血管生成在脑胶质细胞瘤中，一种新发现的小分子 HIF-1α抑制剂 103D5R[25]以及 ras 癌基因抑制剂[26]，可通过减少 HIF-1α蛋白合成而抑制其下游靶基因的表达最新研究表明，组蛋白脱乙酰基酶抑制剂丁酸钠在低氧环境下，能够通过抑制 HIF-1 介导的血管生成抑制 HT1080 人纤维肉瘤细胞的生长[27] 3.2 基因治疗 肿瘤的基因治疗的关键在于肿瘤特异性的载体的开发，通过其结合肿瘤特异性表位以实现基因治疗Ruan 把自杀基因 Bax 反义RNA 导入 HRE 的下游，在缺氧状态下转染了自杀基因质粒的细胞优先凋亡[28] 另外可以通过利用反义 RNA 来抑制 HIF-1 的活性，利用 RNA 干扰配合放疗 [29]反义 HI。