缺氧诱导因子-1α与心血管疾病的研究进展
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·综 述· 缺氧诱导因子一1 与心血管疾病的研究进展 中国老年学杂志2018年6月第38卷
陈斌 陶敏康品方 王洪巨 (蚌埠医学院第一附属医院心内科,安徽蚌埠233000) [关键词] 缺氧诱导因子一1 ;心血管疾病;凋亡;自噬 [中图分类号]R363.2 [文献标识码]A [文章编号]1005-9202(2018)ll-2788-04;doi:10.3969/j.issrL1005-9202.2018.11.087 心肌细胞需要充足的血氧供应才能维持心脏持续 有效地舒缩做功。缺氧诱导因子(HIF)一1是一种普遍 存在于哺乳动物细胞内维持机体氧稳态的主要调控转 录因子,通过调节血氧利用、葡萄糖代谢、血管生成、组 织重塑等过程,在缺血性心脏病、心力衰竭等心脏病理 生理中起关键作用。HIF-1由OL和B两个亚基组成, HIF-lot亚基受机体氧分压影响,常氧条件下HIF一1仅 快速降解,缺氧条件下HIF-1 0【分解减少而大量表达, 通过调节下游多种效应分子转录和表达发挥各种生物 学功能。本文综述HIF一1 与心血管疾病的研究进展。 l HIF-1 0【 1.1 HIF.1d的结构HIF.1基因是由120 kD的OL亚 基和91~94 kD的B亚基两个亚单位组成的一种异源 二聚体…。HIF一1的B亚基定位于人1号染色体q21 区,在细胞内稳定表达而起结构性作用。HIF一1 o【亚基 位于人14号染色体,是HIF一1的活性亚基。HIF一1 0【 蛋白有感受缺氧信号的C端反式激活结构域和N端 反式激活结构域,这些结构域是调节缺氧诱导蛋白稳 定、核定位、转录和激活的重要功能调节域,两者中间 还有一个富含脯氨酸.丝氨酸一苏氨酸的氧依赖性降解 结构域。 1.2 HIF.1OL的表达和分解人类HIF基因编码HIF一 1 0【多肽分子,HIF一1 表达水平取决于富含的GC启动 子活化程度。在大多数细胞中,HIF.1 0【蛋白在常氧条 件下仅有5~10 min半衰期,其脯氨酸残基被脯氨酸 羟化酶羟基化,随后被von Hippel—Lindau因子识别并 通过氧依赖性一泛素蛋白酶途径降解,在细胞内维持较 低水平。但在缺氧条件下,脯氨酸羟化酶活性受到抑 制,上述降解途径被抑制,同时还通过抑制氧依赖性调 节蛋白抑制因子HIF.1表达使HIF.1OL转录增强。 基金项目:国家自然科学基金(81550036);蚌埠医学院研究生科研创新 计划(Byyex1640,Byycxz1605) 通信作者:王洪巨(1966-),男,教授,主任医师,博士,博士生导师,主要 从事心血管疾病临床研究。 第一作者:陈斌(1990一),男,在读硕士,住院医师,主要从事冠心病 研究。 HIF—loL和HIF一1B结合形成异源二聚体转移到细胞 核,与靶基因启动子序列中的缺氧应答元件结合调节 细胞凋亡、血管生成、能量代谢等过程。 2 HIF-1仅与细胞凋亡、自噬 细胞凋亡是心肌缺8/再灌注损伤发生机制中的 重要环节之一,是一种基因控制的编程性死亡,组织缺 氧时HIF一1仅通过控制基因表达调节细胞凋亡 。细 胞处于轻度缺氧状态(1%~3%O 浓度)时HIF一1 发 挥抑制凋亡作用保证心肌存活,但当细胞处于长期重 度缺氧(0%~0.5%O 浓度)时HIF一1仪大量表达诱 导细胞凋亡 而减少对周围心肌细胞的损害。 细胞轻度缺氧时,HIF.1 上调糖皮质激素调节蛋 白激酶(SGK)1表达使处于缺氧微环境中的心肌梗死 细胞免于凋亡,还可以协同磷脂酰肌醇3激酶 (PI3K)/蛋白激酶B(Akt)上调表达预防体内外缺血 再灌注诱导的细胞凋亡 。HIF一1 0【能通过增强丙酮 酸脱氢酶激酶一1表达抑制三羧酸循环,调节细胞代谢 减少心肌氧耗,减少细胞凋亡;也可以通过抑制心肌细 胞钙内流减少细胞凋亡。此外HIF一1 还可抑制含半 胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(Caspase)蛋白表达而 终止其级联放大过程减少细胞凋亡发生 J。细胞重 度缺氧时,HIF-1 0l通过上调BNIP3、Bcl-2家族等促进 细胞凋亡,诱导促凋亡分子HGTD.P表达使线粒体PT 孔增加,释放细胞色素C和Capase-9诱发凋亡。也可 以通过下调心肌细胞中p-Akt的表达诱发心肌细胞凋 亡 。HIF一1 0【、Caspase-3、Bax表达上调协同作用促使 内皮细胞凋亡 。在高糖、缺氧情况下,HIF一1OL和 FoxO3a介导BNIP3表达诱导心肌细胞凋亡 。 自噬是一种高度保守的过程,通过该过程将细胞 受损内容物递送至溶酶体进行降解,并给细胞提供急 需的能量。缺氧通过HIF.1 o【依赖性机制诱导心肌细 胞自噬而导致心肌受损甚至坏死 J,细胞缺氧时HIF一 1 BNIP3/Beclin.1通路激活,HIF一1 通过上调 BNIP3、Beclin.1表达,使LC3一I转化为LC3-Ⅱ,诱导 细胞发生自噬 …,促使心肌细胞死亡¨ 。HIF-1还可 以通过激活Bel-2/BNIP3和BNIP3同源基因BNIP3L 的表达诱导自噬发生¨ 。而细胞缺氧时HIF一1/Akt
/ 陈斌等缺氧诱导因子一1 与心血管疾病的研究进展第11期 哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)/p70核糖体蛋白 s6激酶(P70S6K)通路与自噬增强密切相关¨ 。低氧 环境下HIF.1 o【通过调控微管相关蛋白1轻链3一Ⅱ的 表达激活细胞自噬¨引。Zhang等¨ 研究证明抑制 HIF.1OL能抑制细胞自噬。但也有研究发现HIF一1 0【能 通过抑制自噬来保护心脏间充质细胞免受葡萄糖-氧 剥夺引起的损伤¨ 。因此HIF.1 对自噬是促进还是 抑制及其对细胞的作用尚需进一步研究。 3 HIF-lot与糖脂代谢 全球39%的成年人超重,四分之一患有代谢综合 征,除受生活方式因素影响,包括HIF一1 o【在内的基因 表达也是导致代谢综合征甚至冠心病发生的主要原 因。HIF.1仅是一种有效的代谢调控因子,其靶基因参 与葡萄糖、脂质代谢的调节,可以降低血清胆固醇、改 善脂蛋白组成、减少异位脂质沉积、增加机体葡萄糖耐 量和胰岛素敏感性ll”。HIF.1et通过调节人源葡萄糖 转运蛋白(Glut)-1和Glut4 mRNA的表达增加组织对 胰岛素的敏感性,加速组织葡萄糖摄取和糖酵解过程, 并通过抑制胰岛素受体底物(Irs)2和脂肪细胞决定和 分化因子(Srebp)1C mRNA转录减少肝脏脂质合成。 缺氧条件下HIF.1仅还能使糖酵解途径代替需氧的氧 化过程,使缺氧组织获得更多能量。HIF.1Ot增强胰岛 素敏感性机制还可能与3一羟基-3-甲基戊二酸单酰辅 酶A还原酶(HMG.CoA)还原酶活性升高降低胆固醇 生物合成有关 。 4 HⅡi'-lot与缺血性心脏病 缺血性心脏病是全世界人口死亡的主要原因,狭 窄的冠状动脉使心肌血液灌注不足而无法获取充足的 血氧及营养物质。在缺氧情况下HIF一1if_通过促进糖 酵解、减少线粒体氧化应激、激活己糖激酶Ⅱ及抑制线 粒体通透性转换孔开放等途径使心脏免于急性心肌缺 血再灌注损伤¨引。而慢性持续缺血缺氧时HIF一1 Ot促 进冠状动脉侧支循环的建立、缺血预适应等方面具有 重要意义 。 4.1 HIF.1 0【与内皮生长因子(VEGF)HIF—lOt是氧 平衡的主要调节剂,通过上调VEGF表达,促进新生血 管生成以建立重要的侧支循环,在缺氧心肌中起组织 重塑作用 ¨。 细胞缺氧时HIF.1 稳定表达,与细胞核内的 VEGF基因缺氧应答元件结合,促进侧枝血管生成以 改善心肌血供。干预实验已证明抑制HIF-1Ot的降解 能促使VEGF表达上调,还能明显提高红细胞携氧能 力,减轻缺血组织损伤 引。VEGF可能通过以下机制 促进血管生成:①促进骨髓源性的内皮前细胞聚集和 活化;②产生血管基底膜分解所需要的蛋白酶及特定 的整合素,促进内皮细胞增殖和迁移;③提高微小血管 的通透性,促使血浆大分子外渗沉积,形成营养新生内 皮细胞的微环境;④促进血管内皮细胞的细胞分裂,促 使内皮细胞增殖及远处迁移效应;⑤HIF.1OL高表达还 能通过抑制血小板反应蛋白一2(血管生成抑制物)促进 血管生成 。 4.2 HIF—la与核苷酸代谢HIF-1OL通过调节核苷 酸代谢增加心脏对缺氧的耐受 J,在细胞缺血期间 HIF一1 Or.促使次黄嘌呤积累,为心肌供能物质三磷酸腺 苷(ATP)的合成提供原料,并且通过降低黄嘌呤氧化 酶活性以减少活性氧(ROS)产生,减少心肌损害。缺 氧预处理时HIF.1 0【依赖性CD39和CD73表达增多, 使心肌细胞腺苷水平升高,改善心肌能量代谢同时还 参与扩张冠脉血管增加血流量,并激活Akt信号通道 保护心脏 引。HIF一1 Ot调节编码葡萄糖转运蛋白和糖 酵解酶的基因转录,增加糖酵解过程使细胞在缺氧条 件下维持较高ATP水平供能心肌。此外心肌代谢产 生的肌酐增加缺氧心肌细胞中的ATP含量并通过 HIF.1增强心肌对缺氧的适应性反应 。HIF-1OL还 能增加葡萄糖转运蛋白.1、磷酸甘油酸激酶-1等葡萄 糖代谢基因表达,并升高磷酸/肌酸比增强糖酵解,改 善细胞能量状态 。 四肢暂缺血再灌注可以预防长时间冠状动脉闭塞 和再灌注后的心脏损伤,而HIF.1 是这种远端缺血预 处理所必需的,这与HIF.1 能促使诱导型NO合成酶 高表达有关,增加的NO舒张冠脉血管改善心肌缺 血 引。但也有研究表明慢性缺氧患者血清FIIF—let可 能是预测心脏损伤的生物标志物【2 ,急性心肌梗死组 患者HIF一1 峰值水平与术后24小时心肌肌钙蛋白 (cTn)I峰值水平、心肌梗死面积呈正相关 …,甚至有 研究表明心肌缺血再灌注损伤是由升高的HIF一1Ot引 起的 ¨。 5 HIF.1et与心力衰竭 在心力衰竭中,HIF—lOt对负荷过重引起的肥大心 脏有保护作用,然而FIIF'-I 也在终末性心力衰竭中起 致病作用,反映了HIF一1 在心力衰竭病理生理过程中 起着复杂的作用 。 对急性失代偿性心力衰竭患者的研究表明, HIF一1Or.水平与N端前脑钠肽(NT-proBNP)水平呈正相 关,与左心室射血分数和收缩压负相关,高HIF一1Ot显 著增加急性失代偿性心力衰竭患者住院死亡率 。 HIF.1 o【抑制肌质网Ca.ATP酶2 mRNA的表达与心力 衰竭的病理生理过程密切相关 引。在慢性心力衰竭 大鼠下丘脑室旁核内HIF.1 o【表达增加,其通过上调室 旁核的谷氨酸能N.甲基.D一天冬氨酸受体,使交感神 经兴奋性增强,提示HIF.1 Ot可能从神经调节方面促进 慢性心力衰竭的持续进展。
2790· 6展望 为维持心肌持续高效运作,心肌需要通过各种途 径保证血氧供耗均衡。一旦调节失衡则导致包括心肌 肥大、心力衰竭等在内的严重心脏功能障碍。HIF.1仪 在组织氧合不足时即被活化,与机体的氧供调节密切 相关 。已知HIF-1能干预超过200个基因的表达, 调控心肌细胞的自噬和凋亡过程,其主要作用于血管 内皮细胞、血管平滑肌细胞和巨噬细胞,通过介导 VEGF、NO、ROS和血小板衍生因子(PDGF)等表达,在 内皮细胞功能恢复、血管生成、能量代谢中发挥重要作 用,影响缺血性心脏病和心力衰竭等心脏疾病的发生 发展。通过HIF.1 调节编码血管生长和抗凋亡蛋白 的基因,促进血管生成增加心肌供血以保护心肌细胞, 使缺血缺氧心肌功能得以保留,其相关研究特别是基 因治疗有广阔前景。 7参考文献 1 Jain K,Suryakumar G,Prasad R,et a1.Uprogulation of cytoprotective de— fense mechanisms and hypoxia-·responsive proteins imparts tolerance to a- cute hypobafic hypoxia[J].High Alt Med Biol,2013;14(1):65-77. 2 Harris AJ,Thompson AR,Whyte MK,et a1.HIF-mediated innate im- mune responses:cell signaling and therapeutic implications[J].Hypoxia (Auck1),2014;2:47-58. 3 Yang J,He F,Meng Q,et a1.Inhibiting HIF-1 aipha decreases expression of TNF—alpha and Caspase*3 in specific brain regions exposed kainic acid-induced status epilepticus[J].Cell Physiol Biochem,2016;38(1): 75—82. 4 Liu s,Ai Q,Feng K,et a1.The cardioproteetive effect ofdihydromyricetin prevents ischemia·-reperfusion··induced apoptosis in vivo and in vitro via the PI3K/Akt and HIF—lalpha signaling pathways[J].Apoptosis,2016; 21(12):1366-85. 5 Liu XL,Lu J,Xing J.Stabilization of HIF-1 alpha modulates VEGF and Caspase-3 in the hippocampus of rats following transient global ischemia induced by asphyxiai cardiac arrest[J].Life Sci,2016;151:243-9. 6 Yeh YL,Ting WJ,Shen CY,et a1.Hypoxia augments increased HIF- 1 alpha and reduced survival protein p-Akt in gelsolin(GSN)-dependent cardiomyoblast cell apoptosis[J].Cell Biochem Biophys,2016;74(2): 221.8. 7吴胜春,石晓明,杨永宾,等.低氧状态下血管内皮细胞HIF—ld表 达及与细胞凋亡的关系[J].中国现代医学杂志,2014;24(10): 6一l0. 8 Chen YF,Pandey S,Day CH,et a1.Synergistic effect of HIF-1aipha and FoxO3a trigger cardiomyocyte apoptosis under hyperglycemic ischemia condition[J].J Cell Physial,2018;233(4):3660-71. 9 Ning HJ,Yuan HB,Xu HT,et a1.Propofol reduces hypoxia induced auto— pha ̄c cell death through downregulating HIF l alpha in alveolar epitheli- al type II cells of rats[J].Mol Med Rep,2017;16(2):1509—15. 10 Zhou J,Yao W,Li C,et a1.Administration of follicle—stimulating hot- mone induces autophagy via upregulation of HIF··1 aipha in mouse granu- losa cells[J].Cell Death Dis,2017;8(8):e3001. n邓燕.野百合碱诱导肺动脉高压大鼠右室心肌细胞自噬及调控 机制的研究[D].南宁:广西医科大学,2017. 12 Bellot G,Garcia—Medina R,Gounon P,et a1.Hypoxia—induced autophagy is mediated through hypoxia—inducible factor induction of BNIP3 and BNIP3L via their BH3 domains[J].Mol Cell Biol,2009;29(1O): 中国老年学杂志2018年6月第38卷 2570—81. 13 Shen Y,¨u Y,Sun T,et a1.LincRNA—p21 knockdown enhances radio. sensitivity of hypoxic tumor cells by reducing autophagy through HIF-1/ Ak mT0R/P7Os6K pathway[J].Exp Cell Res,2017;358(2): l88-98. 14马文科,戴舒惠,杨悦凡,等.高原低氧环境下小鼠皮层神经元自 噬与凋亡的相关性研究[J].中华神经外科疾病研究杂志,2017;16 (4):317-20. 15 Zhang W,Yuan W,Song J,et a1.LncRNA CPS1-IT1 suppresses EMT and metastasis of colorectal cancer by inhibiting hypoxia.induced auto.. phagy through inactivation of HIF-l alpha[J].Biochimie,2018;144: 21_7. 16 Lv B,Hua T,Li F,et a1.Hypoxia-inducible factor 1 aipha protects rues— enehymal stem cells against oxygen-·glucose deprivation·-induced injury via autophagy induction and PI3K/AKT/mTOR signaling pathway[J]. 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