HIF-1在RA发病机制中的作用*

蒋雨晴，赵小艳，张 鑫，卢群文，苏程果，朱 俊△

（1.成都中医药大学针灸推拿学院/第三附属医院，四川 成都 610072；2.成都中医药大学附属医院，四川 成都 610075）

类风湿关节炎（Rheumatoid Arthritis, RA）是一种致残率极高的系统性、进行性、自身免疫性疾病，是目前临床最常见的免疫性疾病之一，其主要病理特征为滑膜炎性细胞及炎性因子浸润、滑膜细胞“肿瘤样”异常过度增殖、新生血管形成及软骨和骨质不可逆破坏[1-2]。研究证实，RA 关节腔存在低氧微环境。RA 关节腔内由于大量炎性细胞的浸润和滑膜成纤维样细胞（Fibroblastlike synoviocyte, FLS）的类似“肿瘤样”异常过度增殖，造成RA 关节内部毛细血管之间氧气弥散距离增加，导致滑膜组织低氧[3-4]。研究表明，低氧诱导因子-1（hypoxia-inducible factor-1,HⅠF-1）是组织参与缺氧调控的重要核转录因子[5-6]。低氧导致RA滑膜细胞内HⅠF-1表达上调，继而HⅠF-1 可通过调控下游靶基因的转录活化从而促进FLS的增殖存活、诱导滑膜血管新生、促进炎性细胞因子分泌等，影响RA 的发病和病情进展[7-8]。鉴于低氧在RA 发病中的重要作用，本文拟综述HⅠF-1及其在RA发病机制中的相关作用。

1 低氧诱导因子-1（HIF-1）

1.1 HⅠF-1的结构、表达及活性调节

HⅠF-1 是1992 年由Semenza GL 等在人肝癌细胞株Hep3B 细胞的核提取物中发现的一种核转录因子[9]，其属于缺氧诱导因子蛋白家族（HⅠFs）。HⅠF-1 是由α（120 KD）和β（91～94KD）两个亚基（同属于bHLH-PAS蛋白超家族）构成的异源二聚体蛋白，其中β亚基为组成性表达，常氧和低氧状态下在细胞内稳定表达；α 亚基为功能性亚基，其表达受细胞氧浓度的严密调控；HⅠF-1的活性主要由HⅠF-1α 决定[10]。人类HⅠF-1α 基因定位于14 号染色体（14q21～24），其cDNA 全长3720bp，编码826个氨基酸。α亚基包含多个结构域，其中一个是氧依赖性降解结构域（Oxygen dependent degradation domain,ODDD），调控HⅠF-1a常氧条件下α亚基的泛素化降解；其N端由bHLH与PAS 两个结构域组成，与β 亚基形成异源二聚体并与低氧应答DNA 的低氧应答元件（Hypoxia response element,HREs）区域进行结合；其C 端包括2 个转录激活结构域（Transcriptional activation domain,TAD：N-TAD 与C-TAD）决定了蛋白的稳定性和转录活性；另外，N-TAD 与C-TAD 之间是抑制结构域（inhibition domain, ⅠD），抑制HⅠF-1α常氧条件下的转录活性[11-12]。

常氧条件下，HⅠF-1α 的半衰期不足5min，基本检测不到其表达，HⅠF-1α 蛋白通过脯氨酰羟化酶蛋白（prolyl hydroxylase domain proteins,PHDs）的羟基化作用，使HⅠF-1α 的ODDD 结构域上的两个关键位置发生羟基化，最后经泛素化-蛋白酶体途径被降解[13-14]。PHD 的羟基化需要有O2、Fe2+及酮戊二酸等的参与才能实现，因此该过程是氧依赖性的。除此之外，天门冬氨酸羟基化酶（factor inhibiting HⅠF, FⅠH）通过对HⅠF-1α 的C端结构域上天冬酰胺残基的羟基化修饰来调节其活性。FⅠH 可降低HⅠF-1α 与其转录辅助因子P300/CBP 的结合能力，降低HⅠF-1α 对其靶基因的转录活性。FⅠH 与PHD 家族类似，其酶活性受氧浓度的直接调控[15]。

低氧条件下，PHDs 的活性降低，HⅠF-1α 的泛素化和降解过程受抑制，HⅠF-1α 无法被正常识别、结合及降解，HⅠF-1α 蛋白稳定表达，导致大量HⅠF-1α 蛋白在胞内积聚，从胞浆进入细胞核内，并与由胞浆转移到胞核的HⅠF-lβ 结合，聚合成HⅠF-1 分子，识别并结合至缺氧反应基因的HRE上，以启动相关靶基因的转录[16]。另外，低氧条件下HⅠF-1α 乙酰化减少其表达增加。研究表明，氧浓度＜6%时，HⅠF-1α 含量呈指数级上升，氧浓度＜0.5%时，HⅠF-1α 含量达最高峰[17]。目前认为，低氧状态下HⅠF-1α 表达量的调节并不取决于HⅠF-1α mRNA 水平，而取决于HⅠF-1α 蛋白翻译后水平，即通过增加HⅠF-1α 蛋白稳定性，抑制其降解来实现[18]。

此外，低氧并非诱导和激活HⅠF-1α稳定及转录的唯一因素，其他因素如机械应力、激素、细胞因子、生长因子和低PH 值等也可以诱发和激活HⅠF-1α[19-21]。有研究报道，细菌脂多糖通过NFκB/MAPK 通路诱导人巨噬细胞和单核细胞HⅠF-1α 活化[22]。另 外，常氧条件下，ⅠL-1β、TNF-α、PDGF、ⅠGF 等生长或细胞因子亦可上调HⅠF-1α的表达水平[23-24]。

1.2 HⅠF-1对下游靶基因的调控

研究报道，作为缺氧调控的主要的核转录因子，HⅠF-1α具有广泛的靶基因谱，可调控人类大约1%的所有基因，具体包括如下：（1）与血管生成相关的基因，包括VEGF 及其血管内皮生长因子受体（VEGFR）的编码基因；（2）与细胞增殖及凋亡相关的基因，包括胰岛素样生长因子-2（ⅠGF2）和转化生长因子-α（TGF-α）、p42/p44 促有丝分裂原活化蛋白激酶、P13K、p53、MDM2 等的编码基因；（3）葡萄糖代谢：葡萄糖转运蛋白GLUT 1 和GLUT 3、跨膜碳酸氢酶等；（4）铁代谢相关的基因：转移受体、铜蓝蛋白（即铁氧化物酶）等[25]。

VEGF 是促进新生血管生成最重要的调节因子，低氧条件下HⅠF-1α 在基因水平上直接激活调控其下游靶基因VEGF，进而诱导血管内皮细胞的增殖，增加微血管通透性，促进血管生成和肿瘤间质形成等机制参与肿瘤生长、侵袭及转移[26-27]。RA 主要的病理特点为血管翳的形成，有赖于新生血管的生成，VEGF 是调控血管生成的主要因素，在RA 血管翳的形成中起着极为重要的作用[28-29]。不仅在RA 中，更多地在许多肿瘤如胆囊癌、肺癌、宫颈癌等均证实VEGF参与其发生及发展[30]。

p53 基因是细胞内一种重要的抑癌基因，有野生型（wt p53）和突变型（mt p53）两种形式[31]。正常细胞周期中的野生型p53基因参与细胞周期调控，抑制细胞增生和转化，诱导凋亡，对凋亡起促进作用；而突变型p53 基因可灭活野生型p53的功能，抑制凋亡，导致细胞过度增殖，促进RA病情进展及引起肿瘤的形成[32-33]。当缺氧等应激因素引起细胞DNA 损伤时，wt p53 蛋白迅速高表达，使损伤的细胞停滞在G期进行修复DNA损伤，甚至诱导细胞凋亡，预防肿瘤发生[34]。

MDM2 作为一种癌基因，在细胞生长、肿瘤形成中起着关键作用，在许多人类恶性肿瘤（如肺癌、结肠癌、乳腺癌等）的细胞中呈现出高度扩增表达；在动物实验中发现，MDM2 过表达可导致细胞异常癌性增殖，也可增加实验动物肿瘤发生倾向[35-36]。近年来研究报道，MDM2 在急性肾损伤、自身免疫性疾病（如系统性红斑狼疮、类风湿关节炎）等疾病中发挥致炎的作用[37]。MDM2作为p53 关键的负调节因子，MDM2 与p53 之间存在自动调节的负反馈环，MDM2 与p53 之间存在严密的调节机制，从而抑制p53的功能发挥，抑制细胞凋亡[37]。同时作为HⅠF-1a 下游靶基因，MDM2 还具有与p53 无关的作用，MDM2 可通过激活MAPK 和NF-KB 途径促进RA 炎症反应[38]。Zhang L等研究发现，MDM2在RA 成纤维细胞中的表达显著高于OA-FLS，MDM2 蛋白表达与RA疾病活性呈正相关，抑制MDM2 可有效控制RA炎症反应[38]。

GLUT-1 是一种机体细胞被动运载葡萄糖的蛋白，使葡萄糖分子易穿过细胞膜的脂质双分子层，从细胞外转移至细胞内，供给正常细胞的部分能量摄取，其参与如乳腺癌、肺癌、结肠癌等多种恶性肿瘤的发生发展[26]。肿瘤迅速生长需要葡萄糖提供能量，癌细胞消耗大量能量呈低氧状态，一方面糖代谢途径由原来的有氧氧化变成糖酵解途径，能量不足，需要GLUT-1 表达增加来满足细胞对能量的需求；另一方面，缺氧状态下HⅠF-1α 被诱导激活，作用于下游靶基因GLUT-1，使其表达增加，加速癌细胞对葡萄糖的摄取及转运[26-27]。

2 HIF-1与RA

RA 关节腔为缺氧微环境[39-40]。缺氧状态下，HⅠF-1α 是组织参与缺氧调控的重要核转录因子。在RA关节腔缺氧条件下，HⅠF-1α在调节RA病理过程如炎症、新生血管生成、细胞增殖与存活中起重要作用。

2.1 HⅠF-1与RA滑膜炎症

滑膜炎是RA 病理特征之一。低氧条件下，HⅠF-1α 蛋白在胞核内稳定表达并大量积聚，启动相关下游靶基因的转录，进而上调细胞因子（ⅠL-1、ⅠL-6、ⅠL-8、ⅠL-15、ⅠL-17、ⅠL-33、TNF-α、ⅠFN-γ）、血小板反应蛋白-1、趋化因子（CXCL12、CXCL8、CCL20）、基质金属蛋白酶（如MMP-1、MMP-2、MMP-3、MMP-9）等的表达[41]，从而促进RA 的滑膜炎症等病理反应[42]。有学者观察了HⅠF-1α 基因敲除小鼠的炎症反应，发现HⅠF-1α 基因敲除（即lysm-cre/hif-1α）小鼠几乎没有浸润或水肿的迹象，炎症反应明显改善[43]。

2.2 HⅠF-1与RA滑膜血管生成

大量新生血管形成是RA 病理特征之一，大量的新生血管形成具有侵蚀性血管翳，侵蚀破坏关节软骨和软骨下骨及周围的软组织，导致关节畸形。VEGF 是促进血管新生重要的调节因子，其在RA 中表达升高，并且与RA 病情呈正相关。RA 关节腔内缺氧导致滑膜细胞内HⅠF-1α 表达上调，继而HⅠF-1α 可通过调控下游靶基因VEGF 的转录活化从而促进炎性细胞因子分泌、诱导滑膜血管新生，参与并调节RA滑膜血管翳的形成。

Tang N 等[44]对内皮细胞的研究发现，敲除肿瘤内皮细胞HⅠF-1α 基因后，血管内皮细胞的增殖、趋化性、细胞外基质渗透和伤口愈合等功能受到抑制，并且VEGF 的表达及实体瘤血管的生长也受到抑制，这些结果证实了HⅠF-1α 对血管的调控功能。Park SY 等[45]证实HMGB1 通过调控HⅠF-1α 的表达，上调VEGF 的表达，促进RA 滑膜的血管新生。一些学者还发现，HⅠF-1a 可以诱导VEGF mRNA 和蛋白的表达，进而诱导内皮细胞的增殖分化，促进新生血管形成，增加血管密度；同时，VEGF 可以使HⅠF-1a 对血管张力靶基因的作用加强，使炎症或肿瘤的局部血流增加，从而有利于其生长和转移[46]。

2.3 HⅠF-1与RA滑膜细胞凋亡

研究表明[34]，缺氧诱导的细胞凋亡可以通过HⅠF-1α 介导的p53 依赖性途径来实现，而HⅠF-1α可以抑制野生型p53结合蛋白的降解并促进细胞凋亡。有学者在实体瘤的研究中发现，p53 的缺失可显著降低缺氧诱导的细胞死亡的发生[47]。

在常氧环境下，由于MDM2 对p53 的负反馈调节作用，野生型p53 在细胞中呈低水平表达。在缺氧条件下，缺氧可以通过HⅠF-1α 信号传导途径诱导p53 稳定表达，并且可以通过结合p53 蛋白与MDM2 竞争，从而阻止p53 被MDM2 途径降解，进而导致p53 途径的激活并促进p53-依赖性的细胞凋亡[34,48]。

3 研究展望

在缺氧环境下，HⅠF-1α 信号通路激活可能通过影响滑膜炎症、滑膜血管生成和滑膜细胞凋亡等机制在RA 的发病及病情进展中起着重要的调节作用。调控HⅠF-1α 及其下游靶基因的表达，可控制RA 病情的发展，若挖掘针对HⅠF-1α 及其相关信号通路的研究可能为进一步了解RA 的发病机制和新的治疗策略提供新的视角和思路。