细胞信号通路详解之HIF1α通路

动物细胞中，对氧气的感知和反应是一个非常重要的过程，在包括癌症、心血管疾病和中风在内的多种疾病的病理生理学中占有重要地位。该过程主要由HIF（缺氧诱导因子）及其调节子pVHL (VonHippel-Lindau tumor suppressor protein)调控。HIF1是具有螺旋-环-螺旋结构(helix-loop-helix)的转录因子，可激活那些编码参与低氧稳态反应蛋白质的基因。它还可以诱导控制葡萄糖代谢、细胞增殖和血管形成的蛋白质表达。缺氧直接或间接调节了参与细胞分化的几种基因。包括Epo（促红细胞生成素）、LDHA（乳酸脱氢酶-A）、ET1（内皮素-1）、transferrin（转铁蛋白）、transferrin receptor（转铁蛋白受体）、VEGF（血管内皮生长因子）、Flk1、FLT1（Fms相关酪氨酸激酶1）、PDGF-Beta（血小板衍生生长因子-β）、bFGF（碱性成纤维细胞生长因子）和其他影响糖酵解的基因（参考文献1）。

图源见水印

HIF1是由两个基本的螺旋-环-螺旋PAS（Per-ARNT-Sim）蛋白-HIF1-Alpha和HIF1-Beta组成的异二聚体。HIF1-Alpha在缺氧条件下会累积表达，而HIF1-Beta则是组成型表达。HIF1-Alpha是肿瘤细胞低氧反应的重要媒介，并控制许多对实体瘤扩张非常重要的因子（包括血管生成因子VEGF）的上调。HIF1-Beta是一种芳烃受体核转运子（ARNT，Aryl hydrocarbon Receptor Nuclear Translocator），是异源生物应答的重要组成部分（参考文献2）。

在氧气存在的情况下，HIF会被一个包含pVHL的E3泛素连接酶降解。当HIF来源的肽段核心区域的保守脯氨酸残基被羟基化时，就会与人pVHL结合。人类基因组包含EGL9 (Egg Laying Nine-9)同源物，分别称为EGLN1、EGLN2和EGLN3，也分别被称为PHD2、PHD1和PHD3 (Prolyl Hydroxylase Domain-Containing Proteins)。脯氨酰羟化酶可以对HIF1-α进行翻译后修饰，从而使其与VHL复合物相互作用。脯氨酰羟化酶中有一个含铁结构，因此铁螯合剂可以抑制其活性。脯氨酰羟化酶的所有三种蛋白都可以在ODD中两个脯氨酸位点之一（Pro-402和Pro-564）上羟化HIF1-Alpha。HIF2-Alpha和HIF3-Alpha中也存在类似的脯氨酰残基。

在有氧的情况下，EGLN蛋白会被激活，并能使HIF1-Alpha的ODD结构域羟基化，从而使pVHL结合并多聚泛素化HIF（参考文献3）。VHL是一种较大复合物的一部分，该复合物包括Elongin-B、Elongin-C、Cul2、RBX1 (Ring-Box 1)和泛素结合酶（E2）。该复合物与泛素激活酶（E1）一起介导HIF1-Alpha的泛素化（Ub）。HIF1-Alpha被Ub修饰后会被降解，这个过程可以被蛋白酶体抑制剂阻止。

在缺氧条件下，HIF1-Alpha亚基无法被pVHL识别，因此它们会得以积累并与HIF1-Beta形成二聚体，随后转移到细胞核内，在核内它们与辅因子CBP/p300和Pol II复合物等相互作用，并与HRE（缺氧反应元件）结合，由此激活靶基因的转录。HIF1-Alpha激活的基因包括：VEGF-促进血管生成；GLUT1（葡萄糖转运蛋白-1）-激活葡萄糖转运；LDHA（乳酸脱氢酶）-参与糖酵解途径；和Epo-诱导红细胞生成。HIF1-Alpha还可以激活NOS（一氧化氮合成酶）的转录，从而促进血管生成和血管舒张。研究表明，其他的一些蛋白，如ARNT2和MOP3（Pas超家族3的成员）也是可以与HIF1-Alpha形成异源二聚体的（参考文献4）。

HIF1-Alpha也可以被ERK2调节，ERK2可以磷酸化HIF1-Alpha。HIF1-Alpha还与分子伴侣HSP90（Heat Shock Protein-90）相关。HSP90拮抗剂还可以抑制HIF1-Alpha的转录活性，并显著降低低氧诱导的VEGF mRNA的积累和低氧依赖性的血管生成活性。近来，有研究发现了抑制HIF1-α活化的因子FIH (Factor Inhibiting HIF1-Alpha)，其可能代表了HIF进一步的调控机制。

缺氧还会诱导p53蛋白的积累。在缺氧条件下，p53可以与HIF1-Alpha直接相互作用，并通过促进MDM2介导的泛素化和蛋白酶体降解来抑制缺氧诱导的HIF1-Alpha表达。此外，在缺氧条件下，HIF1-Alpha可以通过与JAB1（Jun激活结构域结合蛋白-1）和ODD结构域的直接相互作用，从而阻止了与p53的相互作用，进而阻断了p53介导的降解。HIF1-Alpha还可以与HNF4alpha2 (Hepatocyte Nuclear Factor-4-Alpha 2)相结合，后者可与HIF1-Alpha一起响应缺氧条件从而激活Epo基因。

缺氧与人类诸多重大疾病的病理生理都有关联，包括心肌和脑缺血、癌症、肺动脉高压、先天性心脏病和慢性阻塞性肺疾病等（参考文献5）。

参考文献：

1. Jiang BH, Zheng JZ, Leung SW, Roe R,Semenza GL. Transactivation and inhibitory domains of hypoxia-inducible factor1alpha. Modulation of transcriptional activity by oxygen tension. J. Biol.Chem. 1997 Aug 1;272(31):19253-60. PubMed ID: 9235919

2. John F. O'Rourke, Ya-Min Tian, Peter J.Ratcliffe, and Christopher W. Pugh Oxygen-regulated and transactivating domains in endothelial PAS protein 1: comparison with hypoxia-inducible factor-1alpha. J.Biol. Chem. 1999 Jan 22;274(4):2060-71. PubMed ID: 9890965

3. Masson N, Willam C, Maxwell PH, Pugh CW,Ratcliffe PJ Independent function of two destruction domains inhypoxia-inducible factor-alpha chains activated by prolyl hydroxylation. EMBOJ. 2001 Sep 17;20(18):5197-206. PubMed ID: 11566883

4. Damert A, Ikeda E, Risau W. Activator-protein-1 binding potentiates the hypoxia-inducible factor-1-mediated hypoxia-induced transcriptional activation of vascular-endothelial growth factor expression inC6 glioma cells. Biochem. J. 1997 Oct 15;327 ( Pt 2):419-23. PubMed ID: 9359410

5. Semenza GL. Hypoxia-inducible factor 1: oxygen homeostasis and disease pathophysiology. Trends Mol. Med. 2001Aug;7(8):345-50 PubMed ID: 11516994