缺氧诱导因子1α与基因表达

【关键词】  缺氧

　　目前已知，在哺乳动物细胞中广泛存在一个氧气敏感基因表达调控系统，调节着一系列特定基因的表达。缺氧诱导因子1α（Hypoxia inducible factor -1α，HIF-1α）作为缺氧应答的全局性调控因子能够广泛激活缺氧相关生理反应的众多基因，精确调节细胞代谢中的氧气浓度。

　　1  HIF-1α的蛋白和基因结构
   
　　HIF-1α最先由Semenza等在缺氧诱导的Hep3B细胞核抽提物中发现，该物质是一种DNA结合蛋白分子，能与人红细胞生成素（Erythropoietin,EPO）基因的3’端增强子序列结合，促进其转录。以后又观察到这种因子对多种缺氧反应基因（Hypoxia responsive genes,HRG）的转录都有调控作用，并可能参与低氧反应的其它信号传导过程，遂命名为HIF－1［1］。
   
　　HIF-1主要以二异源二聚的形式存在，由120kD的α亚基（HIF-1α）和具有91，93，94kD3种分子量β亚基（HIF-1β）组成，异源四聚体少见。HIF-1α为HIF-1所特有，似乎对结合作用特异性的贡献更多一些。HIF-1β又称为芳香烃受体核易位子或核转运蛋白（Aromatic hydrocarbon receptor nuclear translocator,ARNT），为哺乳动物芳香烃受体复合物的亚基，可与其它碱性螺旋－环－螺旋(Basic-helix-loop-helix,bHLH)蛋白形成二聚体，参与Dioxin 通路的信号传导［2,3］ 。HIF-1α既是HIF-1的调节亚基又是活性亚基，氧气对HIF-1活性的调节主要通过该亚基［4］。 HIF-1α和HIF-1β均为bHLH转录因子超家族成员，并具有PAS（Per-AHR/ARNT-sim）［4］。PAS结构为50个氨基酸重复序列，由His-X-X-Asp基序构成［2，4］，bHLH和PAS结构与二聚化有关。HIF-1α的N端包含bHLH和PAS结构域，主要介导异源二聚体的形成及其与DNA的结合，而C端包含的反式激活结构域（Transactivation domain,TAD），主要参与转录激活作用。HIF-1α存在两个TAD，分别为TAD－N（531～575位氨基酸）和TAD－C（786至826位氨基酸），在人和鼠中100％保守。TAD－N和TAD－C之间576～785位氨基酸序列的抑制结构域能降低TAD活性,在非缺氧细胞中尤其如此［5］。已从Hep3B细胞cDNA文库中克隆出HIF-1α全长序列,其中人的HIF-1αcDNA全长为3720bp,开放阅读框2478bp,编码826个氨基酸,5’和3’ 非翻译区分别为28和1211bp。小鼠HIF-1αcDNA序列全长3746 bp，开放阅读框2430 bp，编码810人氨基酸，5’和3’ 非翻译区分别为125和1188bp，与人的HIF-1αcDNA序列有90％的同源性。人的HIF-1α基因位于第14号染色体上（14q21-14）,小鼠HIF-1α基因位于第12号染色体。进一步研究HIF-1α的基因组序列，发现人的HIF-1α包含15个外显子，14个内含子，15个外显子大小从85到1321bp，14个内含子大小可能从84和4.8Kp。剪接位点分析发现所有内含子5’端为GT，3’为AG，人和鼠的外显子剪接位点完全相同［2,6］。

　　2  HIF-1α对VEGF表达的调控机制
   
　　VEGF是一种血管内皮细胞的促有丝分裂因子，可使血管内皮细胞（Vscular endothelial cells,ECs）分裂、增殖，加速血管再内皮的进程。在抑制血管内膜增生和血栓形成及稳定VSMCs表型等生物学效应方面起着重要的作用［7］。VEGF基因表达受到多种因素的调节，但在缺氧状态下诱导VEGF的表达是一种常见现象。这是因为HIF－1参与了VEGF表达的调控。
   
　　HIF-1α是一种基因转录因子，广泛参与哺乳动物细胞中缺氧诱导产生的特异应答，在缺氧诱导的基因表达调节中起着关键作用。通过作用于靶基因的缺氧反应元件（Hypoxia response element,HRE），HIF-1α参与缺氧、血管紧张素原（Angiotension,AGT）、血小板源性生长因子（PDGF）等诱导的一系列基因表达的调控［8］。
   
　　研究认为［9,10］，所有HIF-1α调控的基因都具有以下的特征：启动子或增强子中包含有不超过100bp的缺氧反应元件（HRE），其中有一个或一个以上的HIF-1结合位点。HRE又称反式作用DNA序列，其核心序列为5’-CGTG-3’，也有人认为是5’-TACGTGCT-3’。HRE具有的HIF-1α结合位点是其活性所必需。VEGF基因中均存在与HIF-1α结合的位点，位于VEGF的5’端，即5’-CGTG-3’序列。在VEGF5’端有长达2274个碱基对，其表达受控于HIF-1α。依据是：①将HIF-1α或HIF-1β在培养的细胞中强制性表达后置于1％或20％的氧中，可使VEGF基因的表达明显增加，且呈剂量依赖关系；②VEGF基因5’端序列的缺失可使由HIF-1α引发的转录反应的量明显减少；③利用缺氧的Hep3的B细胞核的提取物，获取的天然HIF-1，经过特异性DNA结合实验证实，在VEGF的增强子内存在HIF-1的结合位点；④HIF-1位点的一段3bp段被替代后，可使缺氧及HIF-1α诱导的转录反应消失，也不能与HIF-1结合；⑤通过导入HIF-1的显性－阴性突变型可使缺氧引起的受VEGF增强子调控的转录反应受到明显抑制，且呈剂量依赖方式。因此，在缺氧等因素作用下，细胞转录的调节是通过HIF-1α与VEGF5’增强子结合来实现的。VEGF表达的增强可被1％的氧、氯化钴（CoCl2）及铁离子螯合剂所诱导，而这种诱导可被放线菌铜（蛋白质合成抑制剂）所阻断。
   
　　HIF-1α调控VEGF转录先与相应的DNA结合,进而激活HIF-1α的羧基端转录活性区,激活的HIF-1α通过信号传导蛋-核磷酸蛋白(P300/Bp-CH1)将信号传给VEGF（或其它相关基因），从而发挥HIF-1α的转录活性，在转录水平调控VEGF基因的表达［11］。

　　3  HIF-1α对凋亡及其相关基因的调控
    　　
　　HIF-1α是一种双向调节细胞增殖与凋亡的转录因子。研究表明，HIF-1α可调节增殖细胞的凋亡过程。Carmeliet等［12］在有HIF-1α存在的胚胎干细胞（ES细胞）中观察到ES细胞中P53、P21水平上调，而Bcl-2则相反，且TUNEL(Terminal deoxytrans ferase-mediated deoxyuridine nick end-labelling , TUNEL)阳性细胞增多，同时增殖细胞核抗原（proliferating cell nclear antigen, PCNA）表达显著下降。表明HIF-1α与凋亡及其相关基因密切相关，可抑制细胞增殖。因此，有学者将其阳性表达作为细胞发生增殖的标记物［13］。晚近研究进一步证明，在缺血缺氧下大鼠缺血组织尤其是血管平滑肌细胞中有大量HIF-1α表达，其中TUNEL阳性细胞与其呈平行表达趋势［14,15］。HIF-1α能引起增殖细胞凋亡机制已被证明与Bcl-2家族前凋亡成员Nip3有关，Nip3的启动子部分含有一个HIF-1α的反应元件（Resonse element），在缺血缺氧或其它条件下编码Nip3 的基因表达上调，Nip3表达活跃，从而启动Bcl-2诱导的细胞凋亡过程［16］。
    　　
　　HIF-1α双向调节VEGF与增殖期细胞凋亡的生物学特性已引起肿瘤、神经及心血管等血管相关学科研究人员的极大兴趣。HIF-1α这种双向调控基因表达的分子生物学特性在移植血管内膜增生机制或基因治疗探讨中提示人们，在将来的研究设计中思路不应该过于狭窄。

【参考文献】
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　　［2］ Wang GL,Jiang BH,Rue EA,et al.Hypoxia-inducible factor 1 is a basic-helix-loop-helix-PAS heterodimer regulated by cellular O2 tensin［J］ .Proc Natl Acad Sci USA,1995,92(12):5510-5514.
　　
　　［3］ Wiener CM,Booth GL,Semenza G.In vivo expression of Mrna encoding hypoxia-inducible factor 1［J］.Biochem Biophys Res Commun ,1996,225(2):485-488.

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作者单位：辽宁省血栓病中西医结合医疗中心，辽宁 沈阳 110101