低氧诱导因子在急性肾损伤中作用机制的研究进展

杜娜 邹春波

225300 泰州，江苏省泰州市人民医院肾内科

急性肾损伤(AKI)，是一种短期内造成肾功能急剧下降并涉及多学科的临床常见危重病[1]。长期以来，AKI一直被认为是一种可逆的综合征。然而，在过去的几年里，大量来自实验动物和人类的数据被发表，表明AKI更有可能导致永久性的肾脏损伤，即慢性肾损伤(CKD)。AKI可以导致肾纤维化，同时可能导致其他脏器的损伤，如肺、心脏和肝脏。因此，尽管AKI在本质上是可逆的，但根据血清肌酐浓度的标准，亚临床肾损害和肾外损害可能持续存在并介导多脏器功能受损[2]。据报道，全球每年大约有两百万人死于AKI[3]，其住院死亡率为8.8%[4]，且死亡人数呈现逐年增加的趋势，此外，AKI患者发展为CKD的风险较非AKI患者高9倍，死亡风险高2倍[3]。已有研究表明，低氧诱导因子(hypoxia inducible factor，HIF)在低氧条件下可通过诱导糖代谢、促进血管以及红细胞的生成等一系列适应性反应来改善细胞氧供，从而达到保护肾脏的目的[5]。然而目前对于AKI的临床治疗仍进停留于对症治疗，一些研究项目的开展旨在通过HIF途径寻找防止肾脏进一步损伤的潜在机制与治疗手段，从而改善肾功能预后。

一、HIF简介

1.HIF低氧防御机制 HIF是由一种α亚基(HIF-α)和β亚基(HIF-β)组成的转录异质二聚体。HIF分为HIF-1α、HIF-2α、HIF-3α三种旁系同源亚型。在常氧条件下，脯氨酸残基的低氧诱导因子α被脯氨酸羟化酶(PHDs)羟化。羟化后的HIF-α是VHL蛋白识别，最终被泛素化，以及蛋白酶体降解。然而，在缺氧条件下，脯氨酸羟化酶失去活性，低氧诱导因子α不被降解。稳定的低氧诱导因子α与低氧诱导因子β结合。HIF-β是一种构建型表达的芳香烃受体核转运蛋白，并有ARNT1、ARNT2、ARNT3三个亚型，它们两两组合构成HIF-1、HIF-2、HIF-3转录因子。异二聚体与各种靶基因调控区域的缺氧反应元件结合，协同诱导机体对缺氧的适应[6]。在肾脏中，HIF-1在肾小管细胞中表达，而HIF-2主要在内皮细胞、间质细胞以及一些肾小球细胞中表达[7-8]。在肾缺血时，尤其是在氧合严重受损的区域，HIF会被激活[5]，活化后的HIF可通过改善缺氧状态保护肾脏，并诱导适应性反应，从而起到一定的肾保护作用。

2.HIF靶基因及其在肾脏中的功能 HIF是影响低氧基因表达的主要转录因子[9]。在缺氧条件下，HIF在靶基因的增强子或启动子区域积累并与缺氧反应元件结合，从而诱导转录[10-11]。HIF-1和HIF-2均通过刺激红细胞生成、血管生成、厌氧葡萄糖代谢、铁代谢、腺苷和NO代谢等多种细胞和组织反应，促进氧的传递和细胞对缺氧的适应[12-13]。其中红细胞生成、血管生成和厌氧葡萄糖代谢分别受EPO、VEGF和糖酵解基因调控，是肾损伤和修复过程中最重要的缺氧反应。

二、HIF在AKI中的潜在保护机制

1.HIF与lipocalin 2 中性粒细胞明胶酶相关载脂蛋白2(lipocalin 2，Lcn2)是肾损伤的重要标志物，积极参与疾病进展[14]。Lcn2在肾细胞中表达，在缺血缺氧[15]等刺激下，Lcn2显著增加。一项实验证明，小鼠肾缺血/再灌注损伤中，Lcn2水平与肾缺血/再灌注损伤呈正相关，损伤越重，Lcn2水平越高，而凋亡细胞数目却有所下降，提示Lcn2可能在肾脏损伤中起到代偿性作用，其肾脏保护作用可能与细胞自噬相关[16]。自噬是维持细胞稳态的重要过程。越来越多的证据表明，自噬被不同类型的应激激活，如缺血和炎症，并参与AKI[17-18]。该实验中进一步发现Lcn2缺乏明显加重肾损伤，小鼠血清肌酐升高，形态损伤加重，肾小管上皮细胞死亡增加[16]。此外，该实验还观察到Lcn2缺乏的小鼠体内细胞自噬能力减弱，自噬标志物LC3 II水平在缺血再灌注损伤后显著降低，而下调HIF-1α会钝化Lcn2诱导的自噬，而且还会增强细胞凋亡。因此，实验证明HIF可能通过调节Lcn2诱导的细胞自噬来减少细胞凋亡，其研究结果有助于更好地理解Lcn2在肾缺血再灌注损伤中的保护作用，并提示HIF/Lcn2可能是治疗AKI患者的一个有前途的治疗靶点。

2.HIF与renalase renalase是一种黄素腺嘌呤二核苷酸依赖性胺氧化酶，最近被认为是一种细胞因子样蛋白[19]。一些细胞可以合成和分泌肾钠酶，肾近端小管是肾钠酶产生的主要部位[20-21]。renalase降解循环儿茶酚胺，调节血压，可在CKD所引发的心血管并发症中起预防保护作用[22]。最近的研究结果表明，肾小管近端分泌的酶renalase，它不仅能降解循环儿茶酚胺类物质，还能减轻肾缺血再灌注损伤[23]。在研究模型中，renalase的表达增加持续48 h，在小鼠肾脏缺血再灌注损伤过程中可显著降低肾小管炎症、坏死和氧化应激反应，用抗renalase单克隆抗体阻断renalase可减轻上述效应；研究进一步证明在体外通过低氧诱导的renalase表达上调的是通过HIF-1α机制介导的，通过运用HIF-1α抑制剂，体内表达上调的renalase也能被运用HIF-1α抑制剂而降低[23]。总之，HIF可能通过诱导内源性肾酶的表达在AKI的预防和治疗中发挥潜在作用。

3.HIF与microRNA microRNA是一种内源性产生的小RNA分子，可被负调控其表达，也可通过直接诱导其表达来达到治疗的目的。最近的研究表明，microRNA在肾脏发育、生理和发病机制中发挥着重要作用[24]。microRNA在AKI中的作用首先通过条件敲除模型得到证实，如体外抑制miR-489可增加ATP耗竭后的肾小管细胞凋亡，提示miR-489可能具有保护作用[25]。阻断miR-687可维持磷酸酶和紧张素同源物(the expression of phosphatase and tensin homolog，PTEN)的表达，抑制细胞周期激活和减轻肾细胞凋亡，从而保护小鼠肾脏免受损伤。这揭示了HIF-1/miR-687/PTEN信号通路在缺血-再灌注损伤中可能作为一个新的治疗靶点[26]。一些microRNA可被直接诱导来达到治疗目的。如HIF-1a诱导的miR-688可抑制线粒体裂变相关蛋白MTP18，从而抑制病理性线粒体分裂。实验证明在缺血再灌注损伤诱导的AKI小鼠模型中，使用miR-688模拟物治疗可减少线粒体碎片并改善肾功能。重要的是，Chun等人[27]在一组AKI患者中显示miR-688上调。这些结果确定HIF-1α/microRNA-688/mTP18轴是治疗AKI的重要靶点。miR-21可通过抑制上皮细胞损伤来保护肾脏。在一项研究中，探索了影响miR-21及其信号通路(PTEN/AKT/mTOR)在肾缺血/再灌注损伤中的体外和体内作用，结果显示，缺血再灌注损伤增加了miR-21以及HIF-2α在体内和体外表达，HIF-1α、HIF-2α与其诱导的miR-21通过PTEN/AKT/mTOR通路相互作用，从而抑制上皮细胞损伤[28]。因此，在AKI中，通过HIF诱导特定的microRNA可能是治疗AKI的有效策略。

4.HIF与lncRNA 长链非编码RNA(long non-coding RNA，lncRNA)定义为长度为>200的核苷酸。lncRNA的特点是表达水平低，细胞系特异性高[29]。lncRNAs在转录调控、细胞生长和肿瘤发生等多种生物学过程中发挥着重要作用[30]。Yang等[31]研究表明，lncRNA p21是一种对缺氧敏感的lncRNA，对于缺氧条件下促进糖酵解过程发挥重要作用。AK058003是另一种缺氧诱导的lncRNA，据报道在体内和体外都能促进胃癌细胞的迁移和侵袭。lncRNAs在糖酵解、细胞迁移和侵袭等方面的作用表明，lncRNAs可以作为治疗癌症的良好靶点[32]。然而，lncRNA在肾脏中的作用却鲜有耳闻。最新研究表明，HIF-1调控的新型lncRNA可抑制肾小管上皮细胞在缺氧状态下的凋亡细胞死亡[33]。HIF-1是缺氧条件下调控下游靶基因的主转录因子。使用高通量测序仪对HIF-1结合位点进行全基因组分析，明确各种下游靶点，使证明HIF-1的新作用成为可能。研究表明新型lncRNA的表达产物DARS-AS1(aspartyl-tRNA反义合成酶1)的表达仅在缺氧条件下上调，HIF-1与其启动子区域结合，可抑制肾小管细胞凋亡。此项研究证明缺氧条件下HIF-1调控新型lncRNA，并阐明其表达产物DARS-AS1在抑制肾小管细胞凋亡中发挥重要作用。这表明HIF/lncRNA/DARS-AS1可能成为AKI的又一项新的治疗靶点。

三、展望

缺血性和非缺血性AKI都会导致肾脏缺氧，进而激活HIF[5]。如上所述，在AKI中，HIF可通过多种机制来对肾脏起到保护性作用。HIF诱导的肾保护潜在机制涉及多种信号通路和代谢变化，包括HIF可通过调节特定载脂蛋白诱导的细胞自噬来减少细胞凋亡[16]；HIF诱导的内源性肾酶可抑制肾脏炎症、坏死、氧化应激反应及肾小管上皮细胞损伤[23]；通过阻断microRNA减轻肾细胞凋亡，从而保护小鼠肾脏免受损伤[26]；另一些microRNA可被直接诱导，从而抑制病理性线粒体分裂，并改善肾功能[27]，或者通过抑制上皮细胞损伤来保护肾脏[28]。HIF调控lncRNA，诱导相应酶产物的表达，从而抑制缺氧状态下的肾小管上皮细胞凋亡[33]。除此之外，有研究证明，急性肾损伤后的恢复阶段有HIF的表达上调，这说明HIF还可能与AKI发生后的修复有关。AKI时，健存的肾小管上皮细胞可通过去分化，进而再分化重建上皮结构[34]。这其中可能涉及上皮间质转化过程(epithelial-mesenchymal transition，EMT)。研究表明HIF可以通过上调EMT相关转录因子(如Twist)的表达，激活EMT相关信号通路(如Notch)，增加EMT相关炎症因子如肿瘤坏死因子α(TNF-α)，还可直接或间接调节相应的酶来诱导EMT[35]。因此，我们可以根据HIF在AKI恢复阶段的再表达，以及HIF可通过多种途径来诱导EMT，推测HIF可能通过调控EMT来参与AKI的修复，这可能为AKI的治疗提供新的理论依据。