低氧诱导因子与铁代谢紊乱促肿瘤发展研究进展

廖春雨，李清钰，原玉柱，赵永睿，张 曦，肖 莉，孙丽新

（1.中国药科大学江苏省药效研究与评价服务中心，江苏 南京 210009；2.湖州师范学院生命科学学院浙江省媒介生物学与病原控制重点实验室，浙江 湖州 313000）

一直以来，恶性肿瘤的治疗策略备受关注。铁作为人体必需的微量元素，对机体具有重要作用，铁代谢紊乱导致铁蓄积，诱导细胞病变，促进肿瘤发生、增殖和转移［1］。低氧诱导因子（hypoxia-inducible factors，HIF）作为检测和适应细胞氧水平的中央调节因子，在低氧时被激活并促进肿瘤血管生成、肿瘤细胞存活及转移等［2-4］。近年来，多项研究表明，铁代谢与HIF相互作用在不同疾病或组织中起着重要作用，尤其是肿瘤。铁代谢与HIF在肿瘤细胞增殖、迁移与能量代谢及肿瘤血管和免疫微环境等方面均具有重要影响。该综述为协同调控铁代谢与HIF途径为治疗肿瘤提供新思路。

1 铁代谢与HlF的相互作用

铁代谢在维持生物体内正常生理活动中起着关键作用，铁代谢相关蛋白对机体铁含量进行调控［5］。组织中铁含量升高时膜铁转运蛋白（ferroportin，FPN）上调，输出多余细胞铁，防止细胞氧化损伤［6］。肝细胞是铁以铁蛋白为形式储存的重要部位，分泌铁调素以调节血浆铁水平。血浆铁含量较高时，铁调素水平升高，且与FPN结合并诱导其降解，减少铁从细胞中输出以降低血浆铁含量［7］，血浆铁与铁调素的关系如同血糖与胰岛素的关系。

HIF是调节氧平衡的主要转录因子之一，由受低氧信号调控的α亚基和稳定表达的芳香烃受体核转运蛋白β亚基组成，其中α亚基主要包含HIF-1α和HIF-2α［8］。常氧状态下，HIF-α持续合成，但其脯氨酸残基在二价铁（Fe2+）、2-氧戊二酸和氧等辅助因子作用下，被脯氨酸羟化酶（prolyl hydroxylases，PHD）羟基化，并与冯希佩尔-林道病蛋白（Von Hippel-Lindau protein，VHL）结合，经泛素-蛋白酶体途径快速降解。在低氧或缺铁时，羟基化反应受阻导致HIF-α不易降解而积聚于细胞内，最后HIF-α从胞质进入细胞核，并与HIF-β结合形成二聚体［9］。

一般HIF诱导铁代谢相关蛋白十二指肠细胞色素B（duodenal cytochrome B，DCYTB）、二价金属离子转运蛋白1（divalent metal-ion transporter 1，DMT1）、转铁蛋白受体（transferrin receptor，TFR）和FPN1的表达［10-13］，抑制铁调素表达［14］，该调控对机体各部位铁含量具有重要作用。在星形胶质细胞中，雌激素诱导HIF-1α表达，从而促进DMT1和FPN1表达，降低铁含量，但HIF-2α表达无明显变化［10］。此外，HIF-1α通过直接结合低氧反应元件来调节铁调节蛋白（iron regulatory protein，IRP）并上调TFR［15］。HIF-2α具有调节肠道铁吸收的生理作用，未进食时，肠绒毛微血管血流量较小，处于低氧状态，肠细胞HIF-2α水平上调并与低氧反应元件结合，诱导铁吸收相关基因表达，如DCYTB，DMT1和FPN1，促进餐后消化过程中铁的摄取。特异性敲除小鼠肝细胞中的VHL后，HIF-2诱导肠道DMT1和DCYTB表达，协调促红细胞生成素合成与铁代谢［11］。

铁通过不同机制诱导或抑制HIF-α表达。生理条件下铁通过2种独立机制调节HIF-α表达：①铁促进铁反应元件依赖性的HIF-2α转录物的翻译，也可能促进HIF-1α转录物的翻译［16-17］；② 铁激活PHD，催化VHL依赖性的HIF-α蛋白的降解［18］。正常情况下，即VHL和PHD活性存在时，铁催化HIF-α蛋白的降解为主要机制。铁离子螯合剂去铁胺上调抗氧化酶、HIF-1α及其靶蛋白水平，减少ob/ob小鼠附睾脂肪中的铁蓄积，减小肥大脂肪细胞体积［19］。人肺移植中气道组织缺血和低氧导致气道吻合并发症发生，去铁胺降低铁含量上调HIF-1α水平，促进气道吻合微血管再生［20］。Schwartz 等［12］报道，在肝铁调素敲除小鼠的十二指肠细胞中，HIF-2α及其靶基因被激活，FPN，DCYTB，DMT1和TFR1的mRNA和蛋白水平均上调，但HIF-1α无明显变化。此外，敲除小鼠肠道FPN，低铁和贫血诱导的HIF-2α活化被阻断；在肠道DMT1敲除小鼠的十二指肠细胞中，HIF-2α被活化。Schwartz等［13］还发现，他莫昔芬（tamoxifen）治疗缺铁性贫血小鼠导致肠上皮铁潴留，且缺铁性贫血终末期肠道缺氧，从而激活HIF-2α的特异性铁靶基因DCYTB和DMT1，但对HIF-2α调节的炎症基因和TFR1无影响。这表明低氧时肠上皮铁水平是控制HIF-2α表达的主要刺激因素。在血液病和肿瘤等疾病中IRP1是操纵HIF-2α作用的治疗靶点。IRP1抑制时，HIF-2α的靶标表达增强，如DCYTB，DMT1和FPN，而IRP2抑制时并不发挥此作用［21-22］。

2 铁代谢紊乱与HlF失调促进肿瘤进展

近年来多项研究表明：铁代谢与HIF相互联系，HIF诱导DCYTB，DMT1，TFR和FPN1的表达并抑制铁调素表达，从而影响铁含量［10-14］。在VHL和PHD活性存在时，Fe2+抑制HIF的表达［18］。多数肿瘤出现铁代谢紊乱，导致铁蓄积［1］。低氧也是肿瘤发展的关键因素，诱导肿瘤组织HIF表达［2-4］。铁代谢和HIF对肿瘤的多个方面产生影响，主要包括肿瘤细胞增殖、迁移和侵袭及能量代谢、肿瘤血管生长和肿瘤免疫微环境等（图1）。

图1 低氧诱导因子（HlF）协同铁代谢促进肿瘤发展.DCYTB：十二指肠细胞色素B；DMT1：二价金属离子转运蛋白1；TFR：转铁蛋白受体；FPN1：膜铁转运蛋白1；VHL：冯希佩尔-林道病蛋白；PHD：脯氨酸羟化酶.

2.1 促进肿瘤细胞增殖、迁移和侵袭

铁是肿瘤细胞生存必需的矿物质，铁代谢失调是许多肿瘤发生及发展的标志。在肿瘤细胞中，铁代谢途径被重新编程以促进细胞铁储存，从而促进肿瘤细胞生长和转移。铁调素与铁含量呈正相关，可下调铁含量。相较于相邻非肿瘤组织，肝癌组织中铁调素含量明显增高［23］。抑制TFR1的表达可以激活铁调素，促进铁硫簇的生物合成，诱导铁蛋白形成，降低肿瘤细胞的铁水平并限制肿瘤细胞增殖［24-25］。泛素特异性蛋白酶35与细胞的有丝分裂和增殖相关，该酶被抑制时可靶向FPN促进铁死亡，从而抑制肺癌细胞生长和集落形成，延缓肿瘤生长［26］。HIF-2α的激活导致小鼠结肠肿瘤中的脂质和铁调节基因上调，并增强细胞对铁死亡的敏感性，从而抑制肿瘤生长［27］。铁蛋白的自噬和吞噬导致胶质母细胞瘤铁死亡，升高胶质母细胞瘤铁水平可能为有效治疗手段［28］。以上研究表明，铁代谢在肿瘤进展中发挥着重要作用，对铁代谢进行调控，使铁含量趋于正常或继续升高铁水平以促进细胞铁死亡均可能成为有效的肿瘤治疗策略，但如何调控不同肿瘤中铁含量仍有待探索。

低氧是实体瘤恶化和转移的诱导因素，激活HIF转录因子家族并促进肿瘤细胞存活、生长和转移［27，29］。HIF的表达与肿瘤发展密切相关，低氧肿瘤组织中HIF-1水平明显高于正常组织［30］，HIF-2α的表达与肺腺癌患者生存率呈负相关［31］。研究发现，小核仁RNA宿主基因11与HIF-1α的VHL识别位点结合，阻断HIF-1α的泛素化及降解，上调其靶基因表达并促进低氧条件下结直肠癌细胞的侵袭和转移［32］。在胶质瘤组织中，HIF-1α与铁蛋白轻链启动子区域结合，诱导铁蛋白轻链表达。抑制铁蛋白轻链表达可以抑制上皮间质转化并减少胶质瘤细胞的迁移和侵袭，降低细胞存活率并促进细胞凋亡［33］。可见，抑制HIF与铁蛋白轻链表达可协同抗肿瘤。因此，基于HIF与铁代谢的相互调控，抑制HIF表达协同调控铁代谢途径可能为更有效的治疗策略。

2.2 促进肿瘤细胞能量代谢异常

在生物体内，铁主要被线粒体消耗，参与血红素和铁硫簇合成，与线粒体能量代谢有关［34］。铁离子螯合剂去铁胺靶向线粒体，抑制肿瘤细胞中铁硫簇/血红素的线粒体呼吸，抑制肿瘤细胞增殖和迁移并诱导细胞死亡［24］。铁耗竭阻止HIF-1α被PHD羟基化，使其不被降解，从而使细胞葡萄糖代谢转为糖酵解［35］。在黑色素瘤细胞中，线粒体自噬受体的消耗可增强铁蛋白的吞噬作用，升高铁水平，促进PHD2介导的HIF-1α降解，下调HIF-1α及其诱导的细胞糖酵解，发挥抗肿瘤作用［36］。甘氨酸亚铁可能通过下调人肺癌A549细胞中的HIF-1α逆转Warburg效应，调节细胞能量代谢［37］。因此，铁离子螯合剂抑制线粒体能量代谢，协同HIF抑制剂以下调细胞糖酵解，可能为更有效的肿瘤治疗策略，该策略可减弱铁离子螯合剂诱导的HIF表达，并同时抑制细胞能量代谢和糖酵解。

2.3 促进肿瘤血管发育

HIF-1过表达激活血管内皮生长因子转录，刺激新血管发育，促进肿瘤干细胞活性、增殖和转移［38-39］。另外，激活HIF靶基因转录的选择性降低可损伤异种移植物中的细胞生长、血管生成和肿瘤形成［40］。HIF-1α转录上调可促进肝癌相关血管的生成，促进肝癌细胞存活和繁殖［39］。肺癌细胞中升高的铜蓝蛋白水平将Fe2+转变为Fe3+，使PHD1和PHD2失活，导致HIF-2α表达增强，促进肿瘤血管生成，且该系列变化与细胞处于常氧或低氧条件无关。研究者使用微RNA模拟转染miR-145-5p，降低铜蓝蛋白表达，从而促进HIF羟基化，降低HIF-2α水平，抑制肿瘤发展。上述研究阐明肺癌中HIF-2α过度激活的独特机制，该机制由调节肿瘤血管生成的铁-PHD偶联的铁失衡介导［41］。

2.4 抑制肿瘤免疫微环境

肿瘤的免疫微环境包括T淋巴细胞、B淋巴细胞、髓源抑制性细胞、自然杀伤细胞和巨噬细胞等。线粒体中的铁导致免疫代谢异常，从而促进胰腺肿瘤进展［42］。在炎症严重的肿瘤中，炎症细胞释放大量铁，从而诱导T和B淋巴细胞死亡，促进肿瘤进展［34］。另外，低氧是实体瘤微环境的重要特征，它激活HIF转录因子家族。HIF调节肿瘤免疫微环境中免疫细胞的基因表达，抑制化疗和放疗疗效［27，29］。HIF-1通过激活其靶基因的转录（如白细胞介素10和前列腺素E2）以促进肿瘤细胞转移，从而抑制肿瘤对免疫细胞的反应和靶向治疗［43-44］。HIF-1α对调控肿瘤细胞代谢和乳酸水平的髓源抑制性细胞活化也至关重要，阻断HIF-1α可逆转胰腺癌放疗后的T细胞反应，发挥抗肿瘤作用［45］。自然杀伤细胞中，HIF-1α条件性缺失可抑制肿瘤生长、激活标志物、上调效应分子表达，延长自然杀伤细胞的抗肿瘤反应［46］。因此，抑制肿瘤细胞铁含量和HIF表达可通过细胞免疫微环境途径发挥抗肿瘤作用。

3 铁离子螯合剂与HlF抑制剂协同抗肿瘤

铁离子螯合剂广泛用于治疗铁过载，但通常缺乏有效性并具有脱靶毒性，故采用新型制剂或联合用药更具优势。基于铁螯合化学-光热疗法的“双重治疗纳米前药”方法，研究者采用偶联物结合铁离子螯合剂地拉罗司（deferasirox）和拓扑异构酶2抑制剂多柔比星，这使药物发挥pH敏感性的铁螯合/光热疗/化疗的抗肿瘤作用［47］。去铁胺靶向线粒体具有显著的抗肿瘤疗效［24］。铁螯合剂Dp44mT与顺铂组合的纳米颗粒显著阻止原位乳腺肿瘤的生长和转移［48］。

肾癌发生与铁蓄积有关，特别是肾透明细胞癌亚型。VHL-HIF-α轴作为铁代谢的主要调控靶点，是肾癌中唯一的调控因子。Greene等［49］研究发现，铁离子螯合剂去铁氧嘧啶和去铁胺可抑制肾癌细胞中HIF-1α和HIF-2α的蛋白水平和转录活性。HIF-2 mRNA表达受抑制的程度和时间与细胞凋亡的受抑制程度有关，铁离子螯合剂阻滞细胞凋亡和G1期是抑制肾癌细胞生长的潜在机制。肿瘤细胞的VHL活性消失可阻断缺铁介导的VHL依赖性HIF-α蛋白稳定化，并使缺铁对铁反应元件依赖性HIF转录物翻译的抑制作用占据优势，从而导致铁离子螯合剂抑制HIF表达，而VHL活性恢复足以阻滞该作用［16-18，49］。正常情况下，铁离子螯合剂降低铁含量，诱导 HIF 表达［20，50-51］，限制其抗肿瘤作用。Lang等［52］发现，去铁胺和HIF-1α抑制剂利非西胍（lificiguat）合用可显著增强去铁胺的体外抗肿瘤功效，并通过TFR1靶向脂质体将2种药物共同递送到小鼠胰腺肿瘤模型中，使药物协同产生抗肿瘤作用，该联合治疗靶向制剂有望成为肿瘤治疗的新策略。

4 结语

铁代谢紊乱与低氧是多数实体瘤发生与发展的标志。在肿瘤细胞中铁蓄积导致能量代谢障碍、氧化应激损伤并抑制免疫应答，从而促进肿瘤的发生与发展［29］。此外，低氧条件下HIF被激活，从而激活其靶基因，促进肿瘤血管生长和糖酵解，抑制免疫细胞反应，促进肿瘤生长、侵袭和转移等［27，29，38］。多数研究表明，HIF 被诱导可导致铁蓄积［10-13］；铁离子螯合剂降低铁含量，从而上调HIF表达［20，50-51］。然而，部分研究结果与之相反，铁离子螯合剂抑制HIF表达［49］。这可能是由于不同组织或疾病中，通过不同靶点或途径从而产生不同结果，因此具体机制还有待进一步研究。同时控制铁代谢与HIF 2个途径来干扰肿瘤的发生与发展，提高疗效，这将有可能成为一种新的治疗策略，比如铁离子螯合剂与HIF抑制剂的联合使用［52］，但该方面的研究尚未成熟，疗效仍需检验。在多数肿瘤中铁含量升高，可继续上调铁含量，增强细胞对铁死亡的敏感性［28-29］，或下调铁含量使其达到正常水平来进行治疗［24-25］，选择何种策略仍需探索。

综上所述，铁代谢与HIF相互影响，并在肿瘤中起着不可忽视的作用，靶向铁代谢与HIF协同发挥抗肿瘤作用有望成为重要的研究方向与治疗策略，但彼此之间复杂的机制与关系尚需深入研究。