1、收稿日期： 修回日期：基金项目：国家重点基础研究发展计划（计划）（）作者简介：王苹苹（），女，硕士生通讯作者：陈学群（），女，教授，博士生导师，从事低氧脑内分泌免疫网络研究；：低氧细胞应激的信号通路王苹苹，孔繁平，陈学群，杜继曾 综述（浙江大学医学院基础医学系，浙江杭州）摘 要 低氧诱导因子（，）由和两个亚基组成，在低氧下其能激活多种靶基因的转录，在细胞、组织生长发育和生理应激，以及某些病理过程中具有重要的作用。近年来，有关在细胞低氧应激时的信号转导通路，特别是介导的基因转录调控的研究取得了巨大进展。关键词 低氧诱导因子；低氧；反应元件；转录因子中图分类号 文献标志码 文章编号 （），（，）
2、， ；（），（）：氧是机体进行新陈代谢的必需物质，缺氧对机体和细胞是一种强烈的应激。细胞通过氧感受器和信号转导通路特异地调节某些基因或蛋白的表达来适应低氧。是哺乳动物维持氧平衡最主要的调节因子。近年来，低氧研究主要集中在介导的基因转录调控方面。低氧可以增加的稳定性，促进与低氧反应元件（，）的结合，从而诱导低氧靶基因的激活。此外，通路和其它信号通路间也存在交叉调节，形成了细胞低氧应答的特异性和多样性。 低氧诱导因子 的基本结构 是由分子量为的和分子量为的或称芳香烃受体核转位蛋白（第卷 第期年浙江大学学报（医学版）（） ，）种亚基组成的异源二聚体，亚基均属于（）（）家族蛋白，末端均含有同源区。区和
3、末端中间区对于二聚化以及与靶基因的结合必不可少。亚基的中部有一个氧依赖降解结构域（，）；端是反式激活区，包括个反式激活域（，）即（）和（）；个序列间的区域为抑制结构域（，；），抑制的转录激活。亚基包括、和，这种的亚型都由氧来调节其蛋白的稳定性，在低氧条件下可以与结合调节靶基因的转录。和在结构上有的氨基酸序列是相同的，能识别同样的结合区，但各自又有独特的生物学效应。有研究表明，参与长期慢性的低氧反应，而则与急性低氧反应有关。不诱导激活的靶基因，大鼠有个仅包含和区的蛋白（），对调节的基因表达可能起负反馈抑制作用，可以和结合形成没有功能的二聚体，这个二聚体在细胞核内不能与靶基因的低氧反应元件结合，形
4、成了一种细胞特异或环境特异的应对低氧的策略。 蛋白的功能调节 位于细胞质中，在常氧下极易降解，半衰期不足；但在低氧下稳定性和转录活性都显著增加，其主要有条氧依赖的途径调节蛋白稳定性和转录活性：（）是一种氧依赖性酶，可将末端反式激活结构域内位的天冬氨酸残基羟基化，阻止与转录辅助激活因子（）结合，从而抑制的转录激活功能。脯氨酸羟化酶（，）也是氧依赖性酶，可以使的位（的位）和位的脯氨酸残基被羟基化，然后肿瘤抑制蛋白（，）与亚基的结合，募集多种泛素蛋白，共同组成泛素连接蛋白酶复合体，使亚基泛素化，并经泛素连接蛋白酶复合体途径降解。不同组织中的表达不同，与不同蛋白的亲和力也不尽相同，这可能导致了低氧应答
5、的多样性。在低氧下，和的活性被抑制，不被降解，导致胞内蛋白水平迅速增加。在蛋白末端有核定位信号（），辅助蛋白快速和核孔蛋白结合入核。在缺氧及正常细胞的胞浆和核中均存在，其与的末端激活域结合，形成二聚体后与结合开始转录。在转录后可被（）修饰，这是一个被特异性连接酶催化和被特异性蛋白酶（）逆转的动态过程。这些生理过程现在并未研究清楚，有些报道也有矛盾之处。活性的增加和抑制都有报道，而且低氧可以增加的修饰，而修饰能通过脯氨酸残基的羟基化来增强和的结合，导致的泛素化降解。相反，参与的去修饰可以避免其在低氧下被降解。同样能被修饰，调节与其它蛋白的关系。但是，这种修饰对和蛋白的相互作用机制目前尚不清楚。最
6、近，研究者发现了很多可以调节活性的蛋白质和小分子物质。可以被介导的亚硝基化修饰，从而增强常氧条件下的蛋白稳定性和活性。热休克蛋白（，）可以氧依赖的结合在的区，阻止的泛素化降解。（）与竞争结合在的结构域，从而增加的降解。（）是的抑制物，它可以阻断与的结合，促进的结合，激活泛素化降解。 浙江大学学报（医学版）第卷 低氧反应元件是一个复杂的调节元件，由保守的结合位点（，）和高度可变的旁侧序列组成。亚基稳定后向核内转移，与亚基二聚化形成结合在低氧反应元件上。与通路调控相比，目前对序列的特征了解还很少，只知道在低氧转录激活作用中是最小的一个顺式调节元件。多个研究表明，在有功能的序列中特定核苷酸有特定的位
7、置，也就是说的核心序列呈现非随机性，不一定就是（）（）（）（）（）（）（）。在位置的概率是倍，而出现在位置的概率是倍。有一些研究报道了序列与它调控功能之间的关系，比如突变分析位置发现低氧诱导作用按的顺序下降。回文序列之所以低氧诱导作用低可能是该序列竞争结合了一些抑制因子，如的同源二聚体。内皮素（，）的的低反应性也认为序列位置的核苷酸有重要关系。血管内皮生长因子（，）基因转录起始点上游大约的侧翼区域有的。区域内存在和结合的辅助序列（，）。两者是低氧转录激活的顺式作用元件，调控在低氧条件下的转录。基因的端上存在一个低氧反应元件，识别，特异性地结合在这个反应元件上，调节基因在低氧下的转录水平。最近的
8、研究发现，人类肝癌细胞（）转染含有类胰岛素样生长因子结合蛋白（，）调控区，分别暴露于和氧浓度，结果发现结合在斑马鱼胚胎的基因调控区的上。处的和处对于低氧诱导的表达都是重要的。位于上游处，在诱导斑马鱼的激活中是必不可少的。并不是直接与作用的，也不影响它邻近与的结合。常氧条件存在一种核蛋白与相结合，而这种物质以及它的作用目前尚不清楚。但是，在铁转运蛋白中是由个邻近的形成，在各种糖分解的酶以及葡萄糖转运体中是由邻近或个组成的。一个是必要的，但是不足以激活低氧反应，高度可变的旁侧序列结合其它不一定与低氧有关的转录因子，使调节达到顶峰，这对于增强低氧反应或形成的细胞特异性有重要作用。在乳酸脱氢酶（，）基
9、因的中有转录激活因子和反应元件结合蛋白（）的结合位点。结合转录因子（，）和元件对于的高表达是必要的。基因中发现的结合位点，在基因中有肝细胞核因子（，）的结合位点。的多样性可能增强了低氧反应性和不同组织的反应特异性，丰富了靶基因的多样性。 在不同疾病中的作用通过激活靶基因的转录，在低氧相关的生理状态和病理过程中发挥作用，目前已知有多种基因受调节。 在缺血诱导的血管生成中的作用的活性对于组织缺血后的恢复是十分必要的。可以上调与血管系统相关蛋白的基因表达，如促进血管生成的及其受体；使血管收缩的物质，如诱导型一氧化氮合酶（，）、和血红素氧化酶（，）等来增加血流，降低缺血损伤。在基因敲除的股动脉结扎模型
10、中，发现等血管生长因子没有被激活，缺血后再灌注能力降低。在其它的损伤模型中也发现，的促血管生成作用，包括心肌肥大、心肌梗塞、伤口愈合和视网膜血管再生等模型，而在 第期 王苹苹，等低氧细胞应激的信号通路 这些模型中的促血管生成作用并不明显。这些结果表明，尤其是在缺血组织中介导促血管生成的作用。此外，在胚胎发育中，对胚胎血管系统的建立和发育也至关重要。 在缺血后细胞代谢中的作用 在动脉粥样硬化疾病中，心脏、脑和肌肉这些组织都可能处于缺血状态，的激活对它们适应缺血起关键作用。参与重建细胞代谢途径来实现对心脏和脑组织的保护。因为氧作为线粒体呼吸电子传递链的受体，低氧适应的关键是将代谢途径转到非氧化的碳
11、代谢和产生途径，如糖酵解。能启动葡萄糖转运体和来介导这个通路的转换。的另一个靶基因丙酮酸脱氢酶激酶（，）编码的蛋白可以抑制乙酰辅酶的合成，阻断三羧酸循环，降低氧消耗。缺失的细胞在低氧后产量降低，产生更多的氧自由基，促使其凋亡。最近的研究显示，的激活还能影响磷酸戊糖途径，这条途径能将糖酵解的中间产物转化为合成核苷酸的重要原料磷酸核糖。这些研究结果表明，依赖的代谢通路的转换，能促进细胞在低氧下存活，而且将葡萄糖代谢转换成和合成所需的一个步骤，这对于低氧肿瘤细胞的存活和生长可能有重要意义。 在癌症发生中的作用 肿瘤细胞的快速增殖导致血液供应不足使肿瘤细胞经常处于低氧环境，所以肿瘤组织中通常高表达。此
12、外还有一些非低氧依赖激活的途径，比如在肾癌细胞中的突变，在结肠癌中通路的突变导致稳定性的提高。研究显示，调节的不同靶基因在多种肿瘤的发生发展过程都有关键作用，包括增殖（家族、家族）、血管生长（、）、凋亡自噬（、）、代谢（、）、损伤（）、胞内基质重构（、）、细胞迁移和逃逸（）。然而，不同的亚基在肿瘤发生中有不同的功能，在敲除的细胞研究中显示，可能是而不是对于肿瘤发生是必需的，一种可能的解释是抑制了的功能。另外，低氧能与结合，诱导的稳定和细胞凋亡。相反，间接抑制的活性而提高肿瘤细胞对辐射和化学物质的抵抗。目前以为靶点的研究给癌症治疗提供了新的策略。 在细胞自噬中的作用 低氧（氧浓度）和缺氧（氧浓度
13、）都能诱导细胞的自噬甚至是凋亡，然而这两种情形有不同的分子机制。低氧引起的自噬是依赖的途径，而缺氧引起的自噬则是非依赖的途径。在低氧下（氧浓度），激活和（）的转录，进而抑制和的功能，导致细胞凋亡。另外，位于线粒体外膜的表达基序，其被识别并结合，导致线粒体产生自噬。的转录还可以被转录因子激活，而和共同被所调节。 在炎症反应中的作用 发生炎症的时候，局部血管通透性增强，导致更多的免疫细胞到达炎症部位。因为血流减慢，炎症细胞和抗原耗氧量增加导致炎症部位形成局部低氧环境。在关节炎、动脉硬化和自身免疫性疾病患者的相应炎症部位都发现了低氧环境和的激活。免疫细胞对低氧的应答和信号通路密切相关。在巨噬细胞、中
14、性粒细胞和一些非免疫细胞中发现，可以激活。低氧可以抑制的活性，导致的激活，进而磷酸化，解离出的导致下游基因的转录激活，如炎症因子。在巨噬细胞中直接调节的转录。缺乏的巨噬细胞即使在低氧下也不能形成稳定的蛋白，但是，只有的激活同样不能使稳定，这些结果显示，的激活需要和低氧的共同调节。而在低氧下的激活则不需要。缺乏的巨噬细胞表现出迁移能力降低，吞噬细菌能力减弱，炎性细胞因子的分泌降低。 在机体系统性低氧中的作用 除了上述病理状态下的低氧或缺氧，在机体的生理低氧状态中也发挥重要作用，如进入高原或者剧烈运动后，造血器官通过增加红细胞 浙江大学学报（医学版）第卷数目来增加血液的携氧能力，而这个过程是由的靶
15、基因所介导的。人和小鼠上的研究表明，成年个体水平和造血能力受通路调节。家族性红细胞增多症是一种血红蛋白和红细胞异常增多的遗传病，研究表明，这种疾病是由于发生突变使不能在常氧下降解，从而激活导致的。最近，关于世居高原的藏族人和汉族人的基因组研究发现了通路的进化，等位基因的显低氧下和被抑制，使入核，与（）结合，促进靶基因的转录；还能和结合，增强信号的转录。此外，还能竞争抑制的转录活性，并可以通过和抑制图 低氧信号通路和、信号通路的交叉调节 著差异发生在和基因上，或者是靠近这些基因的位置。由此推测，藏族人的和受到青藏高原物理环境的选择压力而产生了突变，赋予藏人适应青藏高原的能力。最直接的表现就是藏族
16、人对慢性高原病有强的抵抗力，而慢性高原病的发生与低氧靶基因介导的造血能力提高有关。青藏高原动物和实验动物小鼠的比较研究发现，低氧激活小鼠肝脏高表达，但没有激活高原属兔和根田鼠肝脏表达，而低氧靶基因、和转录展示出“多模式化”调节方式，高原动物青海湖裸鲤进化速率分析发现，低温因素对进化的影响大于低氧因素对其影响，其靶基因的转录受低氧调节，表现出组织特异性差异，在低氧下脑和肝脏表达明显比肌肉和心脏低。 信号通路和其它信号通路的相互调节信号通路的相互调节是当前研究的热点，也是细胞对不同的外部信号应答的重要方式。研究表明，和信号通路对低氧反应通路有调节作用（图）。转录因子家族在细胞生长、分化、凋亡和代谢
17、中有关键作用。基因的过度表达促进肿瘤细胞的转化和增殖。和细胞低氧反应的相互调节通路至少有条。首先，低氧激活后通过下调靶基因抑制，导致细胞周期停滞。第二，参与低氧抑制的细胞周期及修复相关的基因表达，通过在激活的启动子区竞争的结合位点，从而抑制的反式激活。第三，低氧依赖的激活可能负性调节。是一个潜在的肿瘤抑制因子，通过与转录抑制蛋白及 第期 王苹苹，等低氧细胞应激的信号通路 的伴侣分子相互作用来抑制，从而抑制异二聚体复合物表达。和都可以诱导抑制的活性。还可以与作用，激活基因的转录活性，从而促进细胞的生长。低氧的细胞反应和通路的相互调节同样复杂，并且存在于多个层次。首先，低氧通过上调配体和转录水平，
18、增强信号。其次，和胞内结构域（）之间可以发生直接作用。被募集到的转录复合物上，结合相应的启动子来激活靶基因。和的相互作用可能是低氧稳定的基础。第三，不仅使羟基化也使羟基化。抑制信号，相比于，更容易与结合，因此影响了介导的转录活性的抑制。综上所述，低氧可以出现在很多生理和病理过程中，在细胞、组织和器官的低氧损伤和适应过程中有关键的调控作用。目前很多研究针对蛋白稳定性的调节，关于蛋白质翻译后修饰如何影响结合、转录以及与其它相关蛋白间的相互作用，以及低氧信号转录的精确过程尚待进一步研究。： ，（）： ，（）： ，（）： ，（）： ，：，（）： ，（）： ，（）： ，（）： ，（）： ，（）： ，（）： ，：，（）： ，（）： ，：，（）： ，：，（）： ， 浙江大学学报（医学版）第卷，（）： ，：，（）： ，：，（）： ，（）： ，（）： ：，（）： ，（）： ，（）： ，（）： ，（）： ，（）： ，（）： ，（）： ：，（）： ，（）： ，（）： ，：，（）： ，（）： ，（）： ，（）： ， 第期 王苹苹，等低氧细胞应激的信号通路 ，（）： ，：？
