低氧诱导因子HIF-1α与高血压关系的研究进展*

魏建行，李利华

(大理大学第一附属医院老年病科，云南 大理 671000)

高血压不仅与高盐饮食、吸烟、肥胖、遗传以及种族等有关，还与居住的地理环境密切相关。高海拔地区独特的地理位置以及气候特点(低气压、低氧、低温、紫外照射强等)，是导致高海拔地区人群的高血压发病率高于平原地区以及降压疗效不及平原地区的重要因素之一[1]。此外，因为自然选择而导致的高盐摄入可能也是导致高海拔地区高血压发病的重要因素。HIF-1α是和缺氧相关的重要因子之一，在低氧浓度环境中容易被激活，进而激活其靶基因。低氧环境下HIF1-α基因的表达显著增加，可以调控细胞的生长、增殖、迁移和凋亡等过程[2]，导致与血液粘稠度[3，4]和血管内皮功能调节有关的基因异常表达[5]，上述过程可能与高血压的发生发展有关。本综述旨在总结HIF-1α及其信号通路与血压调节的关系。

1 低氧诱导因子HIF-1α的结构及调节

1.1 低氧诱导因子HIF-1α的结构

缺氧可导致细胞代谢紊乱甚至细胞死亡。在缺氧应激中，机体形成了复杂的反应机制，其中缺氧诱导因子-1(Hypoxia inducible factor-1，HIF-1)及其信号通路起重要作用[6]。HIF是1992年Semenza等[6]发现的一种特殊蛋白，是由调节亚基α(HIF-1α、HIF-2α或HIF-3α中的一个)和构造亚基β(HIF-β，也称为ARNT)组成的异二聚体[7]。调节亚基α为功能和活性亚基，在不同氧浓度的影响下，使特异性脯氨酰羟化酶发挥作用，调节HIF-1的活性；β亚基是结构亚基，稳定存在于胞浆或核质中，不受氧浓度的调节[8]。HIF-1α遍布于哺乳动物的细胞中，是现在已知缺氧状态下仅有的发挥活性的转录因子，在多条信号通路中发挥作用，是介导缺氧信号的转导中枢。HIF-1α是螺旋-环-螺旋蛋白家族中的重要成员，是HIF-1在细胞质中的活性亚基，是低氧应激反应的关键因子[9]。其N端为含有bHLH的基本结构，是与DNA结合的必需结构。下游脯氨酸-丝氨酸-苏氨酸(Pro/Ser/Thr)的特殊结构参与异二聚体的形成及其与靶基因的结合[7]。HIF-1α的C末端含有三个结构域，一个是反式激活结构域-C(转录调控)，一个是反式激活结构域-N(转录激活)，还有一个是氧依赖降解结构域(含Pro/Ser/Thr)，能够通过泛素化途径降解HIF-1α[10]。C末端还具有核定位信号功能，协助HIF-1α蛋白和核孔蛋白结合到细胞核中。N末端激活区使HIF-1α与HIF-1β结合形成异二聚体HIF-1，并结合到缺氧反应的顺式作用元件进行转录。α亚基与脯氨酰羟化酶PHD1(也称EGLN2)、PHD2(也称EGLN1)和PHD3(也称EGLN3)共同构成氧依赖性降解结构域[11]。其降解主要取决于脯氨酸羟化酶(PHD)对α亚基中脯氨酸残基的羟基化，通过pVHL与泛素连接酶形成复合物并进行降解。在正常氧含量条件下，HIF-1α介导的泛素-蛋白酶体通路迅速抑制，检测不到HIF-1α的表达；在缺氧条件下(<5%)，通过降低泛素化和羟基化水平，抑制HIF-1α的降解，而羟基化、乙酰化、磷酸化等对HIF-1α蛋白表达有增强作用[12]。

1.2 低氧诱导因子HIF-1α的调节

低氧诱导因子HIF-1α的调节主要包括PHDs调节、pVHL调节、泛素连接酶和蛋白酶体以及转录后修饰调节等方式，其中PHDs可通过氧依赖性和非氧依赖性机制调节HIF-1α的稳定性和转录活性。低氧环境下，一方面，α亚基持续转录翻译，另一方面HIF-1α随时被降解。在正常氧浓度情况下，α亚基羟基化后，HIF-1α降解至极低水平。脯氨酰羟化酶(PHDs)是一类非血红素铁依赖性双加氧酶，具有激发HIF-1α羟基化的作用[13]。PHDs是调节HIF-1α的关键酶。PHDs家族包括PHD1、PHD2、PHD3、PHD4、PHD5和PDH6，目前对于PHD1、PHD2、PHD3研究较多。PHD1主要分布于细胞核内，而PHD2和PHD3主要位于细胞浆，其结构亚基C-末端具有高度相似性。PHD2 N-末端具有的锌指结构，为HIF-1α的稳态水平调节的关键感器[11]。PHD1和PHD2可以使HIF-1α的脯氨酸亚基(pro-564或 pro-402)羟基化，羟基化的HIF-1α可与抗肿瘤蛋白泛素连接酶复合物(pVHL-E3)结合。pVHL是抑癌基因VHL(von Hippel-Lindau)的表达产物，是一种靶向低氧诱导因子α(HIF-1α)的泛素连接酶[14]。pVHL通过与HIF-1α和HIF-2α的相互作用，在调节动物氧稳态中发挥重要作用。pVHL是一种以α亚基为靶位，进行蛋白酶体水解的多组分泛素连接酶的识别组分。pVHL与延长因子C/B结合并相互作用，形成多组分泛素连接酶复合物(VCB)，并结合到羟基化的HIF-1α上，导致其泛素化并通过泛素-蛋白酶体途径降解[14]。在pVHL中存在两个分别与延伸因子C和HIF-1α结合的亚结构域(α和β)。染色体中间消除分析显示pVHL与氧依赖性HIF-1α降解结构域(ODD)相互作用[15]。泛素蛋白通过泛素激活酶(E1s)、泛素结合酶(E2s)和泛素连接酶(E3s)的协同机制附着于它们的靶点。泛素蛋白和底物蛋白之间形成异肽键，随后泛素蛋白可进一步连接到附加的泛素蛋白上，导致聚泛素化。例如通过K48连接的泛素蛋白链可以使底物蛋白进行蛋白酶靶向降解，其降解调控包括脯氨酰羟基化酶的抑制，VHL介导的多泛素化和HIF-1α蛋白酶体降解[16]。最近的研究表明，在缺氧环境中，SUMO化修饰能够增强HIF-1α的稳定性和转录活性[17]。

2 与HIF-1α相关的信号通路及其靶基因调控

2.1 与HIF-1α相关的信号通路

在缺氧环境中，PI3K/Akt/HIF-1α信号通路在PI3K激活并在与Akt下游结合中发挥重要作用，可使Akt磷酸化的同时增加HIF-1α活性。HIF-1α活性增强，下游靶基因转录进一步启动，促进细胞增殖以及降低细胞凋亡数量[18]。低氧可抑制脯氨酸羟化酶活性，从而使得HIF-1α水平增高。SENP1/HIF-1α信号通路是其重要的调节途径，能促进缺氧条件下HIF-1α的SUMO修饰，提高其稳定性和转录活性[19]，并激活下游靶基因的表达。低氧能够刺激ERK磷酸化，ERK是细胞外信号调节激酶，属丝裂原活化蛋白激酶MAPK蛋白家族，起促进细胞增殖及抗凋亡作用。激活MAPK/HIF-1α信号通路，能够促进ERK磷酸化，从而提高HIF-1α的表达量[20]。最新研究认为，HIF-1α相关的信号通路可能与pVHL和热休克蛋白90(Hsp90)、环氧合酶-2(COX-2)等有关。pVHL的表达导致HIF-1α和血管内皮生长因子(VEGF)的表达降低，抑制血管生成。Hsp90相关的信号通路在肝癌、胰腺癌和乳腺癌等肿瘤发病中起重要作用[21]。在低氧条件下，Hsp90与HIF-1α的bHLH-PAS结构域结合，激活HIF-1α的表达，调控下游靶基因进而促进肿瘤细胞生长。在缺氧条件下，HIF-1α可大量表达，与COX-2启动子上的缺氧反应元件结合，促进COX-2的表达，而该通路在肿瘤细胞增殖、血管生成和抗凋亡等方面发挥着重要作用[22]。

2.2 HIF-1α信号通路的靶基因调控

在低氧时，细胞内HIF-1α的稳定表达，有助于调节其下游靶基因的转录和表达。HIF-1α的靶基因有40多种，其中EPO、VEGF、AM和肾上腺素能受体等基因与血压调节最为密切。在低氧环境中，HIF-1α激活VEGF、AM基因的表达；HIF-1α还能激活EPO基因的表达，增加红细胞生成量，提高红细胞携氧能力。高海拔地区人群HIF-1α的水平相对较高，可能会导致某些靶基因异常表达，增加血粘度，降低血管壁的弹性，促使动脉硬化的发生，导致高血压发病风险增加。

3 HIF-1α与高血压的关系

3.1 低氧与血压调节的可能机制

目前低氧引起高血压的机制并未完全阐明，目前主要集中在交感神经激活及氧化应激方面。

长期低氧可使交感神经激活，儿茶酚胺分泌增加，压力感受器及化学感受器的敏感性增强，而上述过程均受脑干孤束核的控制。研究表明，低氧刺激信号通过外周化学感受器传达脑干孤束核，整合后传递至延髓室旁核以及延髓腹外侧，以增加交感神经节前神经的电活动[23]。交感神经电活动的增强进一步刺激肾脏，致外周血管紧张素Ⅱ释放增加。长期慢性低氧还可以刺激下丘脑-垂体-肾上腺轴，导致外周皮质醇含量增加，继而提高交感神经的兴奋性(具体机制尚不清楚)[23]。因此，长期慢性缺氧时，交感神经在中枢及外周神经系统的调控下活性明显增加，同时伴随着血管结构的改变，使血压持续增高[24]。

长期慢性缺氧增加活性氧ROS的产生并清除一氧化氮，导致血管舒张功能受损，血管舒张受损可导致血压升高。研究表明，超氧化物歧化酶模拟物(Tempol)可预防低氧诱导的血浆内皮素ET-1水平和血压的升高[25]。缺氧已被证实可在心肌细胞和内皮细胞中诱导内皮素ET-1转录[24]。长期服用内皮素受体阻断剂，可预防并治疗由慢性低氧导致的血压增高。此外，活性氧ROS还可通过增加血管紧张素原的合成，促进肾素-血管紧张素系统(RAS)的激活。血管紧张素II因活性氧的增加导致ET-1的表达上调。总之，交感神经过度激活以及氧化应激机制在长期低氧导致血压升高过程中起重要作用。

3.2 HIF-1α参与血压调节的可能机制

与HIF信号通路相关的多个基因和血管的收缩、舒张密切相关。研究者观察到楚瓦什红细胞增多症(Chuvash polycythemia)患者与对照者相比其血压水平较低[26]，提示与HIF相关的基因可能和血压调节有关。一氧化氮是重要的血管舒张因子。最近的研究发现，HIF-1α和HIF-2α可以通过调节NO的平衡进而影响血压水平[27]。在巨噬细胞，Th1细胞因子诱导的HIF-1α可增加一氧化氮合成酶2(NOS2)的合成，进而增加NO合成[28]；而Th2细胞因子可间接通过精氨酸酶1降低左旋精氨酸水平，从而减少NO合成[27]。反过来，NO也可影响HIF-1α。在正常氧合下，NO能增加HIF-1α的稳定性[29]；在缺氧时，在不同细胞中则可增加[30]或抑制HIF-1α的活性[31]。此外，HIF-1α和HIF-2α之间的平衡是颈动脉体和肾髓质对氧感受以及心肺功能稳定的前提条件[32]。慢性间歇性缺氧可以打破上述平衡，进而通过促进氧化应激而损伤化学感受反射，致高血压的发生[33]。

肾脏水盐代谢在血压调节、高血压发病，尤其是盐敏感性高血压的发病中起重要作用。在高盐摄入下，HIF-1α能够激活血红素氧合酶1(HO-1)、环氧化酶2(COX-2)和一氧化氮合成酶(NOS)等抗高血压基因的表达，促进尿钠排泄。然而，在盐敏感性高血压动物模型中，HIF-1α对上述基因的调控作用则消失。Zhu等[34]通过PHD2 shRNA抑制PHD2的表达，发现HIF-1α表达增加，HO-1和COX-2的表达也增加，压力利钠作用增强，在急性盐水负荷和慢性高盐诱导下尿钠排泄均增加，从而使盐敏感性高血压得以缓解。Li等[35]利用诱骗寡核苷酸技术(decoy oligodeoxynucleotides，ODNs)抑制HIF-1α在单侧肾切除大鼠肾髓质中的结合活性，从而下调NOS、HO-1等HIF-1α靶基因的转录，诱导压力性钠通道复位，降低因肾脏灌注压增加导致的髓质血流增加，进一步导致钠潴留，诱导盐敏感性高血压的发生；而HIF-1α不被抑制的大鼠则血压无变化。值得注意的是，在没有高盐刺激时，即使抑制HIF-1α下游的基因有转录也不会导致高血压[36]。因此，HIF-1介导的信号通路可能通过调节肾脏髓质功能和水盐电解质平衡参与血压调节[35]，通过干预PHD2和/或HIF-1α的表达治疗盐敏感性高血压。然而，长期过度激活HIF-1α也并非好事，可导致肾脏慢性缺血/缺氧损伤，通过shRNA降低HIF-1α的表达可缓解肾脏的损伤[37]。此外，内皮HIF-1α的表达增加也可加重肾小球的损伤进而促进高血压肾损害的发生[38]。另外，目前一些小样本的临床研究发现，PHD抑制剂BAY 85-3934有降压作用，药效与依那普利相当，且不伴有肾素原水平的增加[39]。其他一些临床试验正在进行之中，这些试验结果将对了解PHD抑制剂在血压调节中的作用提供帮助[36]。

3.3 高海拔地区血压调节的特点及与HIF-1α的关系

高海拔地区居民的血压与环境因素和遗传因素有关。该地区居民具有长期居住高海拔地区、相对隔离、高盐摄入等特点，是研究人类低氧环境下血压变化机制的较好对象。高海拔地区血压的调节机制非常复杂，与停留时间长短和缺氧的严重程度等多种因素相关。在进入高海拔地区的较短时间内，缺氧可通过刺激一氧化氮合成促进红细胞中三磷酸腺苷释放，同时通过HIF-1介导其他机制共同促使血管扩张，对抗由化学感受器激活而诱导的交感神经系统激活，以暂时维持血压稳定。随着在高海拔地区停留时间的延长，交感神经系统激活在血压调节中起主要作用。持续缺氧是交感神经系统激活的主要原因。有研究发现，在高海拔地区居民心率偏快，血浆去甲肾上腺素水平明显升高，而肾素-血管紧张素-醛固酮系统活性却降低[40，41]。交感神经系统激活可增加心肌收缩力，加快心率，增加外周血管阻力。此外，长期缺氧还可导致继发性红细胞增多，血粘度增加，致外周血管阻力增加，使血压尤其是舒张压升高[41]。也有研究提示高海拔暴露导致ET-1分泌增加、大动脉弹性减弱和脉搏波传导速度增加等可能也与血压升高有关。当在高海拔地区居住较长一段时间后，肺通气和肺换气基本适应低气压、低氧环境，红细胞比容逐渐升高，血氧浓度也逐渐升高，上述提及的升高血压机制将部分被抑制致血压水平逐渐下降。然而，大多数人的血压仍持续偏高。

3.4 缺氧对降压药物可能存在的影响

高海拔地区居民舒张期高血压患者较多，合并红细胞增多比例较高，他们中的多数人盐摄入较多[42]。因此，高海拔地区和高原地区的高血压防治策略应不同于平原地区，特别是合并红细胞明显增多的高血压患者，应采取个体化的降压治疗。高海拔地区钠盐摄入较多可能是人类遗传进化的结果，因为缺氧引起的继发性红细胞增多可使血液粘稠，易致血栓，保持适量的钠盐摄入可通过水钠潴留在一定程度上降低血粘度，降低血栓形成的风险。然而，缺氧和高盐摄入可能存在显著交互作用，通过HIF-1α介导的机制参与高血压的发病。因此，避免摄盐过多对于预防和治疗高海拔人群的高血压可能至关重要。

目前仅有极少数研究评估了不同种类降压药物在高海拔地区的降压疗效。部分研究显示β受体阻断剂以及钙通道阻滞剂对高海拔地区高血压患者或急进高海拔地区的高血压患者具有较好的疗效[42]，而血管紧张素受体拮抗剂和血管紧张素酶抑制剂的降压疗效较弱，可能与随着海拔升高，缺氧加重，RAAS活性被抑制有关[43， 44]。对于那些摄盐较多的盐敏感性高血压患者，利尿剂通过利钠有助于血压控制，但也应该考虑到利尿导致血液粘度增高致血栓风险增加。

4 结论及展望

缺氧导致的HIF-1α信号通路激活可能通过影响交感神经系统和RAAS系统活性、合成NO和利钠等机制参与血压的调节。缺氧和高盐摄入可能存在交互作用，致盐敏感性高血压。不同种类降压药物在高海拔地区疗效差异较大，不同于平原地区。进一步开展高海拔地区甚至高原地区不同种类降压药物之间的疗效比较以及对血栓相关事件的影响研究，将可能提高这些地区的高血压防治水平。在上述基础上挖掘针对HIF-1α或下游的PHD的新型药物，通过稳定HIF-1α或抑制PHD的表达，进而调节血压，可能为高海拔地区的高血压防治提供新的靶点。