缺氧诱导因子—1在类风湿关节炎中的作用机制

张凯 欧阳桂林 肖涟波

【摘 要】 缺氧诱导因子-1是组织细胞适应缺氧的主要转录因子，广泛存在于缺氧条件下的哺乳动物和人体内，可与靶基因上的缺氧反应元件结合，参与缺氧诱导的一系列基因表达调控。缺氧诱导因子-1在类风湿关节炎滑膜血管生成、滑膜细胞的迁移、骨破坏及其他方面发挥重要作用。文章对缺氧诱导因子-1在类风湿关节炎发病中的作用进行综述，以利于探寻治疗类风湿关节炎的新靶点，为类风湿关节炎的诊疗提供更加有效的途径。

【关键词】 关节炎，类风湿；缺氧诱导因子-1；血管生成；骨破坏；作用机制

doi：10.3969/j.issn.2095-4174.2015.05.016

类风湿关节炎（rheumatoid arthritis，RA）是一种慢性系统性自身免疫性疾病。其病理特征主要表现为关节滑膜炎症和骨破坏，全世界发病率约为1%。迄今RA的病因及发病机制尚未完全阐明，但大量研究表明，缺氧是RA的一个重要特征[1]。缺氧诱导因子-1（hypoxia-inducible factor-1，HIF-1）是哺乳动物和人在缺氧状态下产生的重要的核转录因子，可以调控多种靶基因的转录，发挥多种生物学效应。相关研究表明，HIF-1在RA中表达上调，在RA的病理过程中发挥着重要作用。现对HIF-1在RA发病机制中的作用作一探讨。

1 HIF-1的来源、结构

HIF-1最先由Semenza等于1992年在缺氧诱导的细胞核抽提物中发现，能与人红细胞生成素（erythropoietin，EPO）基因的3′增强子序列结合，促进其转录。HIF-1是一种异源二聚体转录因子，由α和β亚基组成，二者都属于基本的螺旋-环-螺旋（basic helix-loop-helix，bHLH）转录因子超家族成员，具有Per-AHR/ARNT-Sim（PAS）结构域。PAS结构域为约50个氨基酸重复序列，由His-X-X-Asp基序构成。HIF-1α为HIF-1所特有，受缺氧信号的调控，是HIF-1的活性亚基。HIF-1α的N末端有bHLH和PAS区，可介导异源二聚体的形成及与DNA的结合，中间有一个富含Pro、Ser、Thr的氧依赖性降解结构域（oxygen-dependent degradation domain，ODD），C末端有2个反式激活结构域（transactivation domain，TAD），即C-TAD和N-TAD，二者可与共活化剂（如P300）相互作用参与转录激活。此外，HIF-1α N末端和C末端各有一核定位信号（nuclear localization sequence，NLS），即N-NLS和C-NLS，其中C-NLS在缺氧时对HIF-1α进入细胞核具有重要作用。C-TAD和N-TAD之间有一抑制结构域，可降低TAD的活性，在常氧条件下其作用更明显。β亚基又称芳香烃受体核转运子（aryl hydrocarbon receptor nuclear transporter，ARNT），是HIF-1的结构性亚基，在细胞核内稳定表达。目前，在人类基因组中已发现HIF-α有HIF-1α、HIF-2α、HIF-3α共3个亚单位和1个β亚单位，即HIF家族共有HIF-1αβ，HIF-2αβ和HIF-3αβ 3个成员。HIF-1α和HIF-2α在结构上类似，但二者在不同类型的细胞中具有不同的生物学作用，而且HIF-1α表达较HIF-2α广泛[1-2]。HIF-3α是HIF-1诱导基因表达的主要负调控因子。HIF-1α亚基的表达和活性决定了HIF-1的生物活性；然而，HIF-1α的稳定性受氧浓度的影响，常氧状态下HIF-1α可被迅速降解，在低氧状态下才能稳定存在并聚集[3]。

2 HIF-1的调节

HIF-1α是调节机体内细胞对缺氧反应的核转录因子，在氧的动态平衡中扮演着重要的角色。HIF-1α的表达与调节有氧依赖调节和非氧依赖调节两种方式。

2.1 氧依赖的调节 一些关键酶参与对HIF-1α稳定性的调控，其中最主要的是天冬酰胺羟化酶和脯氨酸羟化酶（prolyl hydroxylase，PHD），它们均为氧依赖性羟化酶，随氧浓度的变化对HIF-1α表达起调节作用[4]。在正常氧分压下，ODD区两个脯氨酸残基Pro402和Pro564被PHD羟基化后，可促进肿瘤抑制基因蛋白（von Hippel Lindau suppressor gene protein，pVHL）通过β区域与羟基化的HIF-1α结合，介导HIF-1α经蛋白酶体途径降解；因此，HIF-1在常氧状态的寿命极短，在数分钟内被降解。而在缺氧状态下，PHD缺乏必要的共基质，其活性受到抑制，pVHL与HIF-1α亚基解离，使蛋白质的降解途径中断，引起HIF-1α在胞质中积聚，在C末端C-NLS的指导下进入细胞核与HIF-1β亚基构成活化的异源二聚体，促进缺氧反应元件（hypoxia response element，HRE）与之结合，启动靶基因的转录[5]。另外一个氧传感器是HIF-1抑制因子（factor inhibiting HIF，FIH-1），即天冬氨酸羟化酶，可将TAD上特定天冬酰胺（Asn803）羟基化负调节HIF-1的反式激活。HIF-1α的TAD的转录活性也是缺氧诱导的，并且需要辅助因子p300/CBP才具有转录活性。缺氧时Asn803未羟化的C-TAD可形成α螺旋，与p300/CBP的一富含半胱氨酸/组氨酸区（CH1）紧密结合激活靶基因的转录。常氧条件下Asn803发生羟基化，使α螺旋不稳定，破坏TAD与CH1的有效结合，从而抑制HIF-1的转录活性[6]。PHD和FIH-1都是α-酮戊二酸依赖的羟化酶，其在羟化过程中，由氧分子提供氧，α-酮戊二酸脱羧形成琥珀酸，并产生二氧化碳。在缺氧环境中氧依赖的PHD和FIH-1羟化活性作用被抑制，阻断了HIF-1α的降解和C-TAD与p300/CBP的结合，使HIF-1α蛋白含量和转录活性升高，在辅激活物的作用下，HIF-1α结合到HRE，并形成转录复合物刺激特定基因的表达[2]。

2.2 非氧依赖的调节 除了氧依赖的调节，在常氧条件下，HIF-1α可受到炎症细胞因子如白细胞介素（interleukin，IL）-1β、肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）-α[7]、IL-6[8]的调节。细胞因子、生长因子和激素通过与特定的膜受体结合作用于靶细胞触发细胞内磷脂酰肌醇-3-激酶（phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K）和丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信号传导通路诱导HIF-1α表达[9]。一些金属离子如镍和镉对HIF-1α的调节也具有重要作用。亚铁离子是PHD的辅酶，由于其与PHD结合不牢固，可被镍和镉等金属离子取代，从而抑制了PHD对HIF-1α的羟化作用，阻断了HIF-1α的降解途径，使其在常氧条件下仍可保持稳定[10]。此外，机械应力可参与对HIF-1α的调节，Wei等[11]研究表明，在人的牙髓细胞中，机械应力可促进HIF-1α和血管内皮细胞生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的表达。

3 HIF-1在RA中的作用

RA滑膜炎症组织是一个慢性缺氧环境。研究表明，与骨关节炎（osteoarthritis，OA）及正常人群相比，RA患者滑液的氧分压明显降低，甚至达到0 mm Hg[5]。缺氧可诱导HIF-1的表达，进而促进一些促血管生成因子、炎症细胞因子和基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）产生，在RA病理过程中发挥重要作用。

3.1 在血管生成中的作用 血管生成在RA的进展中具有重要作用。RA典型的病理特征是成纤维样滑膜细胞（fibroblast-like synovial cells，FLS）的异常增殖。FLS的异常增殖导致滑膜组织缺氧，进而导致增生的细胞与血管之间的距离增大，对氧和代谢需求也不断增加，最终诱导血管生成。然而新生血管的结构和功能异常，并不能改善组织的缺氧状态，这种持续的缺氧状态是介导RA关节滑膜炎症和骨破坏的重要因素。研究表明，RA滑膜产生许多重要的促血管生成物质，包括生长因子[如VEGF、成纤维细胞生长因子（fibroblast growth factor，FGF）、转化生长因子（transforming growth factor，TGF）、表皮生长因子（epidermal growth factor，EGF）、血小板衍生的生长因子（plateletderived growth factor，PDGF）和肝细胞生长因子（hepatocyte growth factor，HGF）]，细胞因子（IL-1、TNF-α、IL-6、IL-13、IL-17和IL-18），趋化因子（IL-8、CXC、CC和CX3C），细胞外基质降解分子（MMPs、层粘连蛋白和纤连蛋白）[5]。此外，还包括一些细胞黏附分子如整合素、选择素、钙黏蛋白、血管细胞黏附分子-1（vascular cell adhesion molecule 1，VCAM-1）和细胞间黏附分子-1（intercellular adhesion molecule 1，ICAM-1）[9]。

相关研究表明，HIF-1α在RA滑膜衬里下层和巨噬细胞中过度表达，滑膜组织中HIF-1α阳性细胞数目和血管数量相关性表明HIF-1和血管生成密切相关[12]。在缺氧微环境中，HIF-1可结合到上述血管生成调节因子的启动子上，上调其RNA转录和蛋白的表达。VEGF是重要的内皮细胞有丝分裂原，同时也是血管生成初期关键性的生长因子，在RA发病中起重要作用。Park等[13]研究发现，高迁移率族蛋白1（high-mobility group box protein 1，HMGB1）可与其受体TLR4结合上调HIF-1α促进VEGF的表达，诱导血管生成。CD147也可诱导RA滑膜细胞中HIF-1α和VEGF的表达增多，从而促进血管生成导致持续的滑膜炎[14]。Westra等[15]研究表明，在巨噬细胞中，HIF-1α及其下游效应分子受ERK、PI3K和CaMII信号通路的调节，使用CaMII抑制剂SMP-114抑制HIF-1α表达及VEGF的产生，从而抑制血管生成。Gao等[16]研究表明，在RA中Notch-1/HIF-1相互作用在缺氧诱导的血管生成中发挥重要作用。此外，由HIF-1直接调控产生的MMPs在细胞外基质重塑中具有重要作用，与血管发生的各种过程也有关[17]。

3.2 在细胞迁移中的作用 RA关节腔都处于缺氧状态，缺氧诱导的FLS的迁移和侵袭在RA的发病中起关键作用。已有研究表明，缺氧可上调RA-FLS迁移[5]。在缺氧条件下，PI3K/Akt/HIF-1α信号通路可介导RA-FLS发生上皮-间质转化（epithelial-mesenchymal transition，EMT），使FLS迁移和侵袭能力增加[18]。研究发现，HIF-1α还可上调CXC趋化因子受体4（CXC chemokine receptor 4，CXCR4），CXCR4与其配体基质细胞衍生因子-1（stromal cell derived factor-1，SDF-1）结合促进RA-FLS活化、迁移和增殖[19]。Hot等[20]研究发现，IL-17A与TNF-α联合可通过NF-κB通路活化HIF-1α，进而通过CXCR4依赖的机制介导FLS的迁移和侵袭。此外，在缺氧环境中，IL-17A还可通过活化NF-κB/HIF-1α途径上调MMP-2和MMP-9的表达促进RA-FLS的迁移和侵袭[21]。

3.3 在骨破坏中的作用 RA滑膜增生和血管翳形成后，软骨破坏和骨侵蚀分别发生在滑膜和关节软骨之间的界面及炎症性滑膜和相邻软骨下骨之间的界面，MMPs和蛋白聚糖酶可显著促进这一过程。将表达HIF-1α或HIF-1α小干扰RNA的质粒载体转染至RA-FLS发现，HIF-1α显著增强了MMP-1、MMP-3和IL-8的表达[5]。在缺氧环境中，IL-1β刺激FLS可引起MMP-1和MMP-13不同程度的表达升高，而这一作用有赖于HIF-1α的表达[22]。因此，HIF-1在软骨破坏和骨侵蚀中具有重要作用，是治疗RA的潜在靶标。

3.4 其他作用 RA关节腔是一个缺氧的环境，而增生的滑膜组织需要更多的氧和营养供应；因此，糖代谢从有氧代谢转变为无氧酵解，HIF-1可诱导葡萄糖转运体和糖酵解酶产生增多，如6-磷酸-1-激酶和葡萄糖转运体GLUT1/GLUT3[23-24]。HIF-1α可活化丙酮酸脱氢酶激酶1进而阻断线粒体氧化。HIF-1也可诱导促凋亡蛋白BNIP3的基因表达，促进线粒体自噬和减少氧化代谢[25]。上述变化有助于降低氧耗和增加能量供应，有利于RA缺氧环境中细胞存活和增殖。PTEN是一个抑癌基因，RA-FLS表达明显减少，PTEN减少可上调HIF-1依赖的转录活性及蛋白表达，从而使细胞增殖和存活。此外，HIF-1可通过增强Mcl-1表达保护滑膜巨噬细胞免遭凋亡[26]。由此可见，HIF-1在RA滑膜炎的发病中可通过多个途径抑制细胞凋亡，促进细胞增殖与存活。

HIF-1在RA炎症发展中具有重要作用。HIF-1可诱导促炎性细胞因子表达增多，如TNF-α、IL-1和IL-6。此过程有赖于HIF-1和NF-κB信号途径之间的相互作用[5]。最新研究表明，HIF-1α和IL-33在FLS中表达上调。HIF-1α可激活控制IL-33产生的信号通路，特别是p38和ERK途径；而IL-33又可以诱导更多的HIF-1α表达，由此形成的HIF-1α/IL-33调节循环有利于RA炎症的持续存在[27]。

另有研究表明，HIF-1α的过度表达可促进RA-FLS介导的炎性Th1和Th17细胞的增多，从而导致促炎细胞因子IFN-γ和IL-17的产生[28]。此外，HIF在RA中也影响铁代谢和免疫调节[5]。因此，HIF的诱导效应在RA发病和进展中具有重要功能。

4 小结与展望

综上所述，HIF-1在RA的进展中具有重要作用，是与RA病变发展相关的一个重要的分子开关；因此，抑制HIF-1可能成为治疗RA的一种新手段。许多药物如小分子抑制剂、寡核苷酸、小干扰RNA，可以在多个水平抑制HIF-1。但在人体内有一些生理性缺氧组织如胸腺、淋巴结和软骨，广泛地抑制HIF会导致这些正常组织的损伤。因此，针对HIF-1的靶向治疗必须定位在特定的组织或细胞。目前，针对RA的传统疗法或新的治疗方法都不能产生满意的效果；因而HIF-1作为一个潜在的治疗靶标，在治疗RA及其他更多的缺氧性疾病方面将开辟一个新的前景。

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收稿日期：2015-01-24；修回日期：2015-03-10