israeli-亮丝
低氧诱导因子（
HIF-1
）及相关因子在缺血性卒中的作用
< br>
摘要：
低氧是脑血管疾病发病过程中一个重要的病理生
理因素，
尤其在缺血性卒中过程中起
着非常重要的作用。低氧是
在卒中过程中低氧应答时基因表达和恢复内环境平衡的调节中
心。低氧诱导因子（
HIF-1
）对缺血坏死后新生血管的形成和低氧诱导的细胞凋亡过程
都是
非常关键的因素。调控低氧诱导因子（
HIF-1
）水平将为缺血性疾病的治疗开辟新的途径。
关键词：低氧
低氧诱导因子（
HIF-1
）
卒中
Abstract:
low
oxygen
is
cerebrovascular
disease
process
is
an
important
pathophysiological
factors, especially in the process of
ischemic stroke plays a very important role. In
the process of
low
oxygen
is
low
oxygen
when
answering
stroke
gene
expression
and
restore
the
balance
in
environmental
regulation
center.
Hypoxia-inducible
factor
(HIF
-
1)
for
ischemia
after
the
formation
of
new
blood
vessels
necrosis
with
low
oxygen
apoptosis
induced
process
is
very
crucial
factors. Control HIF (HIF - 1) level for the
treatment of ischemic diseases will open a new
way.
Keywords: low oxygen
HIF (HIF - 1) stroke
1992
年
semenza
在人的
HEP 3B
细胞株的核提取物中发现一种蛋白
质，
这种蛋白能特
异性地结合于红细胞生成物（
EPO
）基因增强子的寡核苷酸序列，这种蛋白即被命名为低氧
诱导因子（
HIF-1
）
，随
着对其研究的不断深入，在实验中发现其与缺血
/
低氧状态下机
体的
各种应答机制关系密切。
【
1
】但目前由于受实验条件等各种原因的限制，低氧诱导因子
（
HIF-1
）在缺血性脑血管卒中的研究中还处于起步阶段。本文即对
其和其他相关因子在缺
血性脑血管卒中的发病机制中的作用作一概括总结。
1.
低氧诱导因子（
HI
F-1
）的结构基础与低氧应答的相关机制
1.1 HIF-1
的结构
HIF-1
是由一个
120KD
的
a
亚单位和一个
91-94
KD
的
β
亚单位构成，特点是一个异构
二聚体，两个亚单位均为碱性螺旋
-
环
-
螺旋蛋白，且含有
PAS
结构域【
2
】
，属于
bHLH-PAS
超家族的成员。其中
HI
F-1a
是
HIF-1
的特异性蛋白，
HIF-1
β
是
ARNT
的基因产物，
HIF-1
的
活性分以下几个层次
:HIF-1mRNA
表达水平调节，蛋白
表达水平调节，
HIF-1
的二聚化，
以及
DNA
结合活性调节，
HIF-1
a
的转录活性调节。常氧下
HIF-1
无
DNA
结合活性，但低
氧可诱导
HIF-1a
蛋白水平和
HIF-1DNA
结合活性的增加，但
HIF-1
β
不受低氧诱导。
1.2
HIF-1
活性的调控
HIF-1<
/p>
和
HIF-1a
是受细胞氧浓度的精确调
节，
HIF-1a
是
HIF-1
的活性亚基，又是氧调
节亚基。在非低氧条件下
HIF-1a
被泛素
-
蛋白酶体所降
解，而低氧可使
HIF-1a
迅速积累，
然后与
HIF-1
β
结合，形成二聚
体【
3
，
4
】
。
HIF-1
β
的蛋白表达是非氧依赖性的，可以在细
胞内持续表达。此外
H
IF-1
的活性还受多种因子的调节，如白细胞介素
1
β
，肿瘤坏死因子
（
T
NF
）
,NO
等因子的调节。
Bergeron
等通过对新生大鼠脑缺氧预处理
3 h
发现
,
缺氧预处理
可明显提高
HIF-1
α
和
HIF-1
β
的表达水平
,
从而保护新生大鼠脑组织免受缺血
/
缺氧损伤
【】
,
提示这种
脑保护的机制可能是通过缺氧处理后导致脑组织
HIF-1
表达
增高而实现。
Ran
等在
成年大鼠持续
性脑局灶缺血前
24
h
给予正常压力缺氧
3
h,
可迅速提高
HIF
的含
量及其靶基
因
EPO
、血管内皮细胞生
长因子
(vascular endothelial growth factors
,VEGF)
、诱生型一氧化氮
合酶
(
inducible nitrio synthesize enzyme,iNOS)
、
糖酵解酶的
mRNA
水平
;
持续
6
h
缺氧
,24 h
后
< br>可上调
EPO
和
VEGF
在蛋白水平的表达【】
。
1
.3
靶基因及其生物学效应
HIF-1
可与含有低氧反应元件和顺式作用转录调节序列的靶基因
结合
,
从而激活靶基因
的转录。
迄今发现
HIF - 1
的靶基因有几十个，
可以诱导多种酶的表达，
每种酶分别在器官、
< br>组织、细胞水平的低氧适应反应过程中起重要作用：如
EPO
刺激红细胞再生以提高机体血
液携氧能力；转铁蛋白为血红素合成提供铁原料；
VEGF
、
FLT-1
、
ANGII
等影响血管新
生。
iNOS
、
血红素氧合酶
( HO1 )
用于合成
NO
和
C
O
，
从而影响血管紧张度或参与缺血预
适应第二窗口期的组织保护作用；
Clutl
、
Glut3
、
LDH-
A
、
醛缩酶
、烯醇化酶、胰岛素
样生长因子结合蛋白
3 ( IGFBP3
)
等多种酶可促进糖酵解从而增加
ATP
产量；凋亡前基因
NiP3
【<
/p>
5
】影响细胞凋亡因子
P53
；铜蓝蛋白参与应急炎性反应等。
1.4
低氧诱导因子（
HIF-1a
）与脑缺氧损伤
大脑对低氧十分敏感，任何氧浓度降低的情况均可能诱导
HIF
-1
的快速大量表达，
HIF-1a
神经元的出现在时间上要早于神经元形态改变。
急性缺氧后
4
小时开始出现
HIF-a
的表达，
8
小时后逐渐减少，
2 4
小时后不能检测到。
< br>慢性缺养状态下，
3
～
4
周后出现大量
HI F-1a
缺血再灌注阳性的神经元。在大鼠短暂性全脑
缺血模型中，用免疫印迹
( Western
blot
)
法和免疫细化学分析方法监测发现，缺血
< br>15
分钟后
,
大脑皮质和海马有
HIF-1
mRNA
和
VEGF mRNA
在同一神经元的表达，在
4
～
7 2
小时再灌注期间持续表达【
6
< br>】
。在
线栓大脑中动脉
(
multi-conjugate adaptive optics
，
MCAO)
局灶脑缺血模型中发现
HIF -1
在
梗死边缘和扣带区皮质表达，其靶基因也在此区域表达，包括葡萄糖转运体蛋白
-1 ( glucose
transporterin-1
，
GLUT -1 )
、
乳酸脱氢酶
( 1actate
dehydrogenase
，
LDH)
、
磷酸果糖激酶等。
梗死区外凡有血流量下降的区域均出现
HIF-1
表达，提示脑缺血后
HIF-1a
表达区域可认
为是梗死
区周围慢性缺氧的区域。可见
HIF-1
在缺血性卒中过程中起
着一定的负反应作用。
2.
低氧诱导因子（
HIF-1
）的脑保护作用机制
2.1
低氧诱导因子（
HIF-1<
/p>
）对血管内皮生长因子的生物学调节
VEGF
是一种由二硫键连接的、
相对
分子质量为
3 6
×
1 0
～
4
2
×
1
0
的糖蛋白二聚体，
其对缺血再灌注组织的保护作用主要通过以下几个途径：
2.1
.1
促进内皮细胞的增殖和血管的生成
VEGF
是一种内皮细胞特有的有丝分裂原，
VEGF
及其受体在
HIF-1
的刺激下表达增多。
VEGF
可以通过其特异性受体
Flt -1
与
f
l k -1
／
KDR
直接作用于血
管内皮细胞刺激其增殖，
促使血管形成，
改善局部血供。
在这里
VEGF
促进血管生成的方式为血管新
生
,
有别于胚胎发育时的血管发生。
V
EGF
不仅贯穿血管新生
的整个过程
,
而且它还能在内皮细胞中诱导抗凋亡蛋白
Bcl
-2
的表达，抑制凋亡蛋白
caspase
< br>-3
的表达，维持内皮细胞的生存。此外
VEGF
还能刺激内皮细胞的迁移，对减轻内皮增厚，
防止血管再狭窄有重要意义
。
2. 1.2
增加血管通透性
VEGF
又被称为血管通透因子，它增加血管通透性的作用十分强<
/p>
烈，
尤其是微小血管。
使血浆大分子外渗
沉积在血管外的基质中，
为细胞的生长和新生毛细
管的建立提供
营养。其作用机制为
VEGF
与
Flt -1
受体结合，可使
NO
产生增加，
NO
可激
活环氧化酶进而可促进前列环素的产生，
后者可使血管通透性增加，
< br>促进许多血浆蛋白渗出
血管外，故有学者认为
VEGF<
/p>
可能导致缺血再灌注组织水肿，导致组织损伤，但有实验证
明
VEGF
使血管通透性增加，促进血浆蛋白外渗的作用要早于缺血再
灌注后的组织水肿，
故可认为
VEGF
不直接导致组织水肿。相反，有研究表明
VEGF
可以通过保护
内皮细胞进
而保护血脑屏障来减轻脑水肿。
2 .1.3
对神经系统的保护作用
目前研究比较多的是关于
VEGF
在脑缺血再灌注
中的保
护作用，许多试验表明
VEG
F
对神经组织有直接的保护作用。
VEGF
还可以刺激神经元轴
突生长，促进胶质细胞分裂、迁移、存活，另外还有促进神经再
生的作用。
综上
VEGF
是
HIF-1
的一个重要靶基因，也是血管生成的主要调节因子。脑缺血后，
HIF
-1
使
VEGF
表达增加
,
促进了微循环重建，增加缺血组织血流灌注和供氧量，加快脑缺
血缺氧的恢复过程【
7
】
。
VEGF
基因的表达虽受多种因子的调控，但缺氧是其最主要
的调节
因素。缺氧时
HIF-1
通过与
VEGF
基因
5
’
端的缺氧反应元件
( hypoxia
response
element
，
HRE
)
结合，
提高其转录。缺氧时
HIF-1a
仅
积聚，并且
DNA
结合活性增加，
HI
F-1a
仅
与
VEGF
基因的
HRE
结合后，
促进
了
VEGF
的转录和表达，
并增加缺氧
情况下
VEGF mRNA
的稳定性，
VEGF
进而作用于存在血管内皮细胞表面的血管内皮生长因子受体
-1 ( VEGFR-1 )
和血管内皮生长因子受体
-2 ( VEGFR-2 )
，从而激活了一系列的缺血转导通路，
诱导新生
血管的生成。缺乏
HRE
启动子的
VEGF
基因在低氧时表达并不增高
，致使新生的血管减
少，运动神经元变性增加，说明
VEGF
的上调是
通过
HIF-1
作用实现的。在缺氧反应的过
< br>程中，
VEGF
mRNA
的稳定性起着关键作用。
VEGF mRNA
的半衰期在正常条件下较短，
约
为
30
分钟，但在缺氧条件下可增加到
6
～
8
小时，这说明
VEGF
在缺氧条件下受
HIF-1
的调节不仅发生在转录水平
,
同时也发生在转录后的水平。<
/p>
激活的
HIF-1
促使
< br>VEGF
和
VEGF
受体表达增
加，
刺激缺氧组织建立有效的侧支循环，
并恢复内皮细胞的完整
性，
发挥自身搭
桥作用
,
诱导新生血管形成
,
并使新生血管从正常组织向半暗
带及缺血中心区延伸
,
增加受累
脑组织
再灌注及供氧量，从而减少脑的缺血再灌注损伤。通过基因或药物手段调节
HIF-1<
/p>
的活性，可防止脑缺血【
8
】
。
2.2
低氧诱导因子
（
HIF-1
）作用于促红细胞生成素而发挥脑保护作用
EPO
是一种相对分子质量为
3
0
×
1 0
～
3
9
×
1 0
的糖蛋白，
主要来源于肾小管问质细
胞和肝实质细胞。
HIF-1
作用于<
/p>
EPO3
’端的启动子，促进
EPO
的转录。
EPO
对缺血再灌注
组织的保护作用主要有以下几个方面：
2.2. 1
E P O
经典的作用是作用于骨髓巨核前体细胞
,
刺激红祖细胞及早幼红细胞形成成
熟的红细胞集落
并释放进入血液，提高血液内红细胞数量及携氧量。
2.2
.2
EPO
与细胞凋亡：
目前认为抗凋亡作用可能是
EPO
对组织器官缺血再灌
注保护
作用的重要机制，根据目前的研究，其机制为：
EPO<
/p>
与其受体
EPOR
结合，并启动细胞内<
/p>
的信号传导机制，
增加抗凋亡蛋白的表
达，发挥抗凋亡作用。另外，
EPO
还可降低血中有
促进凋亡作用的细胞因子。研究表明
EPO
—
EPOR
的细胞内信号传导机制具有组织特异性，
< br>
在不同的细胞及组织中不尽相同【
21.22
】
。
2.2.3 EPO
对血管的保护：
EPO
对血管的保护作用不仅是保持内皮细胞的完整性，
更重要
的是
EPO
还
能促进血管新生。
EPO
在体内、体外都有促血管生成作用，且
与
VEGF
有相似
的成血管潜能。
EPO
能通过促进血管内皮细胞增生、分化、迁移，来介导血管生成
,
从而对
维持和重建血供
,
促进损伤修复有重要意义。另外
,
根据研究，
EPO
在体内促血管生成作用可
能部分与促进骨髓内皮起源细胞
( EPC)<
/p>
迁移至成血管处分化为血管有关
.
。
2.2.4
此外，
EPO
可以通过上调抗氧化酶的表达及下调氧自由基的生成发挥其抗氧化作
用。
EPO
还可以抑制许多致炎因子的释放，从
而减轻炎性细胞的浸润，发挥对缺血再灌注
组织的保护作用。另外，在神经组织中
E P
O
还可抑制谷氨酸的释放，减轻谷氨酸与
N -
甲
基
-D-
天冬氨酸
(
NMDA)
受体结合，介导的钙钠通道开放
，大量持续的钙内流可以引起神经
元坏死。根据目前的研究，
E
PO
抑制谷氨酸释放的机制可能为抑制谷氨酸的转录与翻译
。
低氧条件下激活的
HIF-1
能诱导脑源性的
EPO
生成
，
其与血源性
EPO
比较
，
产生的量少，
但具有更高的活性，
脑源性
EPO
对缺血导致神经细胞损伤有重要的保护作用。
其机制如下：
①抗炎症作用。
小胶质细胞激活后可上调多种
表面受体，
释放大量重要的促炎症因子。
EPO
通过调节小胶质细胞激活以及控制细胞因子的释放，从而维持细胞内环境的稳定。此外，
EPO
通过抑制一些促炎因子，如白细胞介素
_ 6(
I L - 6)
、
TNF-a
和单
核细胞化学趋化因子
蛋白
-1
的产生以
及抑制炎症细胞聚集而直接参与细胞炎症反应【
9
】
。在脑和脊髓的创伤和
缺血损伤以及多发性硬化模型中，
< br>EPO
的抗炎作用已得到验证。细胞死亡有炎性坏死和细
胞凋亡两种方式。
EPO
对神经的保护作用在于对这两种方式的
阻断，
神经细胞
< br>EPO
受体
被激活后通过干扰非受体型酪氨酸激酶（
janus- amino tyrosine kinase
- 2
，
JAK-2)
和核转
录因子
-
κ
B (
NF -
κ
B )
，
能防止
N-
甲基
-D
-
天冬氨酸
( NMDA)
和
NO
诱导的凋亡。
EPO
在