結構生物化學/蛋白質功能/HIF開關
缺氧是指組織和細胞氧氣供應不足的狀態。缺氧反應由缺氧誘導因子HIF-1和HIF-2促進。HIF靶基因啟用非常特異，不指示哪個HIFα亞基是活性的。
組織中的氧分壓遠低於環境氧分壓，因為氧氣在細胞中釋放時，血液中氧氣含量急劇下降。低氧或缺氧是胚胎髮育和傷口癒合的刺激因素，並維持幹細胞的多能性。病理性缺氧可能是由於高海拔或區域性缺血導致的，區域性缺血是由於血液供應中斷導致的。由於腫瘤微血管結構異常，實體瘤中也存在缺氧區域。作為對缺氧的反應，HIF轉錄因子反式啟用許多基因，包括那些觸發血管生成、無氧代謝和抗凋亡的基因。從結構上來說，HIFs是異二聚體，由三種主要的氧敏感HIFα亞基（1α、2α、3α）之一和一個組成型HIF1β亞基組成，它們結合形成HIF-1、HIF-2、HIF-3轉錄複合物。大多數研究集中在HIF-1α和HIF-2α。HIF-3α與HIF-1α和HIF-2α具有類似的基本螺旋-環-螺旋和Per-Amt-SIM（PAS）結構域，但它沒有C末端轉錄啟用結構域。HIF-1α和HIF-2α是非冗餘的，它們具有不同的靶基因和調控機制。在某些情況下，HIF-1驅動對缺氧的初始反應，但在長期暴露後，HIF-2驅動缺氧反應。
在有氧條件下，HIF 1和2α在氧依賴降解結構域中兩個保守的脯氨酸殘基位置被特定的脯氨酸羥化酶羥基化。該反應需要氧氣、2-酮戊二酸、抗壞血酸和鐵（Fe2+）作為因子。馮·希佩爾-林道蛋白形成E3泛素連線酶複合物的底物識別模組，該複合物指導HIF-1和2α的多聚泛素化和蛋白酶體降解。在缺氧條件下，脯氨酸羥化酶活性被抑制，馮·希佩爾-林道蛋白結合被廢除，HIF-1和2α被穩定。在常氧條件下，HIF-1和2α不能啟用轉錄，因為存在一種氧氣調節酶，即抑制HIF-1的因子。Asn羥基化也被抑制，這使得p300/CBP複合物能夠與HIF 1和2α結合，從而導致HIF轉錄啟用。
HIF-1α被認為是缺氧反應的主要調節因子，是確保缺氧應激期間存活的重要節點。HIF-2α被稱為內皮PAS結構域蛋白，是一種內皮特異性HIF-α亞型，被認為比HIF-1α更專業化。由於HIF-2α在腦、心、肺、腎、肝、胰腺和腸等組織中表達，這表明它在缺氧反應中發揮作用。最近的研究表明，HIF-1和HIF-2透過複雜甚至拮抗的相互作用參與缺氧依賴性基因調控。可能需要在DNA結合之後進行機制以進行轉錄啟用，因為研究表明，DNA結合並不一定對應於轉錄活性的增加。最近的研究證實內源性HIF-2α是EPO生成的主要驅動因素。HIF-1產生編碼糖酵解酶、參與pH調節的酶、促進凋亡的酶的基因。HIF-2產生參與侵襲的基因，並被證明在不依賴HIF-1的情況下調節糖酵解途徑中的酶。有趣的是，HIF-1和HIF-2有時能夠替代另一種亞型特異性功能，這意味著它們啟用特定靶基因的能力取決於特定環境。
多種機制匯聚表明，作為對不同缺氧強度和持續時間的反應，存在著依賴於環境的HIF-α亞型特異性啟用。HIF-1和HIF-2啟用之間的平衡允許協調調節人體生理中發生的複雜缺氧依賴性過程。
在早期胚胎髮育過程中，生理性缺氧環境在其他非缺氧刺激（如腎素-血管緊張素系統、生長因子和免疫細胞因子）的幫助下啟用HIFs，這些刺激都調節胎盤發育和成熟。胚胎血管透過血管生成形成，細胞分化為內皮細胞。使用發芽和非發芽血管生成來生成更多血管，這些血管可以重塑為成年的迴圈系統。透過對小鼠進行的研究表明，血管形成和突變過程中對HIF-1和HIF-2啟用的差異需求。HIF-1α基因敲除小鼠表現出紅細胞生成受損，並在神經褶形成和心血管系統中發現頭部血管化。在不同的背景下，HIF-2α小鼠要麼在E12.5死於肌肉缺陷，要麼在出生後數月內死於多器官病理和代謝異常。HIF-1α或HIF-2α的缺失會抑制成年小鼠的腫瘤血管生成，這表明HIF-1驅動血管生成和血管生成的早期階段。完整的血管系統的形成需要從很大程度上依賴HIF-1的轉錄平穩過渡到HIF-1和HIF-2驅動重疊功能的時期，然後到依賴HIF-2的血管成熟階段。
骨骼可以透過膜內骨化和軟骨內骨化兩種機制形成。膜內骨化發生在顱骨扁平骨形成時，以及間充質細胞分化為成骨細胞時。軟骨內骨化發生在其他骨骼發育過程中，它有一個兩階段的機制。間充質細胞轉變為軟骨細胞，這是軟骨的主要細胞型別，它形成一個無血管且高度缺氧的基質模板或生長板。作為一種持續的壓力，缺氧會影響一般的軟骨細胞代謝和組織特異性軟骨基質蛋白（如Ⅱ型膠原蛋白）的產生。然後，軟骨基質透過基質降解和血管入侵被高度血管化的骨組織取代。軟骨內骨化需要軟骨細胞的肥大分化和無血管軟骨組織透過基質降解和血管入侵轉化為高度血管化的骨組織，主要透過血管內皮生長因子 (VEGF) 的啟用。最近的研究表明，HIF 通路透過將血管生成與成骨作用結合並調節生長板中血管生成的時空發生，參與膜性骨化和軟骨內骨化的兩個階段。HIF-1α 和 HIF-2α 均在生長板軟骨細胞中表達，HIF-1α 在軟骨細胞分化的所有階段以類似水平表達，其活性在缺氧條件下增強。HIF-2α 獨立於氧依賴性羥化作用，因為其水平隨著軟骨細胞分化而增加。HIF-1 透過增加無氧糖酵解和抑制凋亡，在缺氧軟骨細胞中起著生存因子的作用。它還促進自噬，這可以延長軟骨細胞的壽命。HIF-1 在細胞外基質合成中也至關重要，這涉及增殖區增殖軟骨細胞所需的重要成分的表達。HIF-2 是許多基因（如 X 型膠原蛋白）的有效轉錄啟用因子。HIF-2α 水平升高與骨關節炎的發展相關。這表明 HIF-1 在缺氧依賴性軟骨形成和維持過程中很重要。HIF-2α 參與軟骨內骨化和軟骨破壞，這可能與缺氧關係不大。HIF-1 和 HIF-2 都需要發育骨骼血管。HIF-1 在嚴重缺氧條件下的早期階段很重要，而 HIF-2 在後期階段更為重要。
幹細胞和癌症中的 HIF
[edit | edit source]腫瘤缺氧促進腫瘤消退和對治療的抵抗。它透過將細胞轉向無氧代謝、血管新生和抗凋亡來促進腫瘤細胞的存活。缺氧會觸發遺傳不穩定性、侵襲、轉移和去分化增加，這些都會導致腫瘤的侵襲性。腫瘤 HIF-1α 水平升高與多種腫瘤型別的患者預後不良相關。
(a) 這顯示了實體瘤內缺氧引起的氧梯度。在 (i) 中，血管閉塞或腫瘤快速生長會導致急性缺氧，從而啟用 HIF-1α 和 HIF-2α。在 (ii) 中，僅啟用 HIF-1α 以促進急性缺氧反應，這會導致 (iii) 中所示的血管生成或再灌注或細胞死亡。 (iv) 顯示慢性缺氧可以透過介導向 HIF-2 依賴性轉錄的轉換來增加缺氧相關因子和 HIF-2α 水平，從而觸發腫瘤適應、增殖和進展。(b) 使用藍線顯示 HIF-1α 的時間調節，綠線顯示 HIF-2α，紅線顯示 HAF 對慢性缺氧暴露的反應。虛線顯示從 HIF-1α 到 HIF-2α 的轉換髮生的位置。
腫瘤 HIF-1 對急性或短暫缺氧提供即時反應，這是由於快速誘導和負反饋調節。HIF-2α 似乎在慢性缺氧暴露中更受青睞。在 RCC 的發展過程中清楚地觀察到 HIF 開關，其中隨著腫瘤級別的增加，從 HIF-1α 到 HIF-2α 表達的緩慢轉變。
幹細胞具有自我更新、多譜系分化潛能和長期生存能力。胚胎幹細胞可以從囊胚的內細胞團中提取。成體幹細胞存在於血液、骨髓和脂肪組織等組織中。正常和惡性幹細胞都位於專門的區域，其中低氧等因素在維持多能性和生存能力方面起著至關重要的作用。已證明腫瘤細胞在缺氧條件下會經歷去分化。因此，HIF-1 和 HIF-2 都透過啟用 Notch 通路和啟用其他幹細胞特異性因子的轉錄來觸發缺氧誘導的未分化表型。HIF-1 是非腫瘤性胚胎幹細胞中缺氧誘導轉錄的主要驅動因素。它在缺氧條件下維持 GBM 幹細胞的未分化表型是必需的。HIF-2 似乎對這部分沒有作用。然而，它對於幹細胞和非幹細胞 GBM 細胞的增殖都是必需的；它對於 GBM 幹細胞的存活尤其重要。HIF1 和 HIF2 都可以在 CSC 維護中發揮缺氧無關的作用。似乎 HIF2 與 HIF1 具有類似的功能；然而，它與 HIF1 的不同之處在於，它在生理氧張力下，獨立於缺氧，在幹細胞維持中發揮著獨特的作用。
結論
[edit | edit source]人們已經進行了研究以瞭解 HIF 在生理和病理生理過程中的複雜調節。HIF-1 在早期血管和骨骼發育中起著重要作用。HIF 開關也見於實體瘤，其中 HIF-1 觸發對缺氧的初始反應，然後 HIF-2 在慢性缺氧暴露期間觸發缺氧反應。因此，對於細胞來說，在需要時從 HIF-1 切換到 HIF-2 至關重要。
參考文獻
[edit | edit source]Mei Yee Koh, Garth Powis, 傳遞接力棒：HIF 開關，生物化學科學趨勢，第 37 卷，第 9 期，2012 年 9 月。