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HIF-1α对脑缺血再灌注损伤细胞凋亡及凋亡相关基因的研究进展

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中国神经免疫学和神经病学杂志2017年5月第24卷第3期 Chin J Neuroimmunol 8L Neurol 2017 Vo1.2 L O.3 HIF—l a对脑缺血再灌注损伤细胞凋亡及 凋亡相关基因的研究进展 徐丹 陶陶 张继荣 古丽玲 摘要:缺氧诱导因子-1(hypoxia inducible{actor一1,HIF一1)是一种在低氧条件下发挥作用的重要转录调节因 子,HIF-1蛋白n亚基受细胞内氧分压的影响,常氧条件下HIF—la被降解而表达很少,低氧条件下HIF—la被激 活而大量表达,通过调节其下游多种效应分子的转录和表达而发挥作用,HIF一1的生物学功能由HIF-1a决定。 脑缺血再灌注时可导致脑组织缺血缺氧,诱导HIF~1a表达上调,有助于机体更好地耐受低氧环境而发挥脑保护 作用。本文就HIF一1a对其重要靶基因Bcl一2、Bax及Caspase一3在脑缺血再灌注损伤中的表达和调节作用做一 综述,为临床以HIF-la基因作为靶点治疗脑缺血再灌注损伤提供参考。 关键词:缺氧诱导因子一1,a亚基;脑缺血;再灌注损伤;细胞凋亡;bcl一2相关X蛋白;半胱氨酸天冬 氨酸蛋白酶3 中图分类号:R743.3 文献标识码:A 文章编号:1006—2963(2017)03—0219-04 缺氧诱导因子-1(hypoxia inducible factor一1, 进展降低了脑缺血的死亡率,但脑I/R损伤仍然 HIF一1)是Semenza等_】 于1992年首次发现的一 是影响脑缺血严重程度的重要因素。脑I/R损伤 种能与促红细胞生成素基因相结合的核转录因子。 时缺血中心区脑组织由于血氧供应急剧下降,导致 HIF一1是一种异二聚体复合物,由HIF—la和 能量供应不足,激活细胞死亡通路,神经细胞很快 HIF一1B亚基组成的DNA结合性蛋白分子。HIF一 发生不可逆坏死,而周边的缺血半暗带区神经元由 1B为基础表达蛋白,主要在细胞核内稳定表达; 于再灌注侧支循环的建立依然具有代谢活力,其后 HIF-la则受氧分压的调控,正常情况下HIF—la 续的死亡以细胞凋亡为主。Tominaga等 于 的半衰期仅约5 min,低氧条件下HIF一1a的降解 1993年首先发现并证实脑缺血可引起神经细胞凋 受到抑制,表达增加并激活下游多种靶基因而发挥 亡,随后研究人员亦发现脑缺血早期即可检测出凋 作用,HIF-1主要通过HIF一1a亚基参与组织细胞 亡细胞,于24 h达高峰 ]。细胞凋亡是涵盖基因 对低氧环境的适应性 ]。研究发现,轻度缺氧,即 调控、信号传导及凋亡效应的执行的复杂过程,对 细胞内氧浓度在1 ~3 范围时,HIF-1发挥抑 机体的生存和稳定发挥重要作用。 制凋亡的作用;而长期重度缺氧时,即氧浓度在 脑缺血使半暗带的脑血流量下降,减少了该区 0~O.5 范围内时HIF一1a则大量表达而诱导细 的氧供,诱导缺血半暗带区HIF—la积聚活化、表 胞凋亡Ⅲ3]。本文对HIF-1a在脑缺血再灌注(is— 达上调,有助于脑缺血后半暗带的血循环恢复和葡 chemia/reperfusion,I/R)损伤中抑制凋亡的作用 萄糖的运输、介导缺氧后的低氧适应,对脑组织发 研究进行综述。 挥着促进细胞存活抑制凋亡的保护作用 ]。由此 1 HIF-I ̄t与脑I/R损伤 可见,脑I/R在导致脑组织损伤的同时也启动了 自身的抗损伤机制,这种抗损伤过程可能与HIF一 HIF一1a在多种缺血缺氧性疾病与损伤中扮演 1a的表达上调有重要联系。HIF一1 的分布和作 十分重要的角色,研究表明HIF一1a与脑血管疾病 用十分广泛,但都与其调控下游靶基因来增强脑组 密切相关 。尽管近年来溶栓剂及血管内技术的 织对缺氧的耐受性有关。HIF一1 参与调控的下游 doi:10.3969/j.issn.1006—2963.2O17.03.016 基金项目:贵州省优秀科技教育人才省长专项基金项目[黔省专合字(2006)60号];贵州省卫生计生委科学技术基金项目[黔卫计发 (2014)41号];贵州省科学技术基金项目(黔科合J字[2007]2096号) 作者单位:550002贵州医科大学附属人民医院康复医学科[徐丹(现在贵州医科大学附属医院康复医学科读研究生)、陶陶、古丽玲];贵 州医科大学附属医院康复医学科(张继荣) 通讯作者:陶陶,Email:835707237@qq.corn 中国神经免疫学和神经病学杂志2017年5月第24卷第3期Chin J Neuroimmunol&Neurol 2017,Vo1.24,No.3 靶基因多达i00余种,均与能量代谢或供氧有关, 包括促红细胞生成素(EP0)、血管内皮生长因子 (VEGF)、葡萄糖转运蛋白(GLUT)及凋亡相关基 因等,HIF一1a能特异性结合这些基因上的低氧反 应元件(HRE),通过这些靶基因表达的蛋白产物 来启动机体对缺血缺氧的一系列病理生理机制,如 促进血管生成、调控无氧代谢、促进红细胞表达增 加、帮助细胞增殖迁移分化、抑制细胞凋亡等,从而 使缺氧的组织保持氧稳态I2 。研究人员对局灶 性脑缺血动物模型研究发现,缺血半暗带区HIF一 1 o=表达上调的同时VEGF表达亦增加,从而促进 血管生成来对抗缺血缺氧性损伤,而通过实验干预 减少HIF一1a的降解,则能诱导EPO及VEGF表 达上调,明显提高红细胞携氧能力,减轻缺血后脑 水肿及血管渗漏l8 ]。缺血脑组织神经元存活与否 与HIF一1 的稳定密切相关,HIF-1a能在机体受 到各种应激状态下对抗凋亡,促进神经元的存活, 发挥脑保护作用_1 。 2脑I/R损伤后HIF-I ̄与Bcl-2、Bax表达 细胞凋亡涉及多种蛋白分子的参与,而Bcl一2 家族蛋白是其中不可或缺的一类蛋白质,1984年 Tsujimoto等_1 从人类B细胞淋巴瘤细胞异位染 色体t(14;18)上首次克隆出Bcl一2基因,迄今为止 已发现并确定了Bcl一2家族的25个成员,并根据 其在细胞凋亡中发挥作用的不同分为促凋亡蛋白 和抗凋亡蛋白两大类,两类蛋白相互协调以决定细 胞是否走向凋亡_】 。生理状态下,不同家族成员 在各组织中的表达量不尽相同,但其结构非常相 似,具有高度同源性。Bel一2和Bax是家族中最重 要的一对调控细胞凋亡且互相对抗的因子,它们在 中枢神经系统均有表达。Bcl一2是家族中的最重要 的抗凋亡因子,主要在核膜、线粒体和内质网中发 挥作用。Bax则是促凋亡蛋白的典型代表,与Bcl一 2的同源性为21 ,它以非活性形式分布于胞浆中 或细胞骨架上,脑缺血早期神经细胞受到凋亡信号 刺激后,Bax发生构象改变,从胞浆中转位至线粒 体外膜,使线粒体通透性转变孔开放并释放出细胞 色素C,细胞色素C从线粒体释放至胞浆后与凋亡 蛋白酶激活因子一1(Apaf一1)和前体Caspase一9结合 形成“Cyto C—Apaf一1一proCaspase一9”凋亡复合体, 从而激活前体Caspase一9,活化的Caspase一9进而 激活其下游的前体Caspase一3,Caspase一3通过水 解多种蛋白底物而使细胞走向凋亡。细胞色素c 还可产生自由基,阻止线粒体产生ATP而诱导线 粒体损伤I1 。与此同时Bcl一2与Bax结合形成异 源二聚体,阻止线粒体通透性转变孔的开放,从而 抑制线粒体释放细胞色素c,最终抑制Caspase级 联放大反应而抑制凋亡_1 。随着I/R时间延长, 机体启动凋亡机制,Bax表达增加使细胞受损加 重,Bcl一2被降解而表达下调。Bcl一2抑制细胞凋亡 还可能与它调节细胞内细胞器的钙离子流或发挥 抗氧化作用有关 。研究表明Bcl一2家族蛋白对 线粒体释放细胞色素C具有最明显而重要的调控 效应¨】 。Bcl一2和Bax在细胞中根据二者的含量 不同形成不同的复合物而发挥截然相反的作用,当 Bcl一2的含量高于Bax二者结合形成异源二聚体 时,发挥抑制细胞凋亡的作用;而当Bax的含量高 于Bcl一2而形成Bax同源二聚体时,则促进细胞 凋亡 。 大量研究证实脑I/R后相互对抗的Bcl一2和 Bax的区域性表达与凋亡细胞具有同步性。Qian 等¨】s_研究发现,抑制HIF—la表达可使Caspase一9 和Caspase一3表达上调,并抑制PI3K/Akt通路而 使Bcl一2表达下调,降低Bcl-2/Bax比值。总之,脑 I/R损伤诱导HIF一1 积聚活化,一方面通过上调 EPO、VEGF及Bcl一2等抑制凋亡,另一方面抑制 促凋亡蛋白Bax及核转录因子(NF—KB)等,还能产 生抗氧化因子等来保护受损的脑组织_1 。 3脑I/R损伤后HIF—la与Caspase-3 细胞凋亡的实质是Caspase不可逆有限水解 底物的级联放大反应过程,Caspase家族在细胞凋 亡机制中起至关重要的作用。它们是一组天门冬 氨酸特异性的半胱氨酸蛋白酶,与白介素一1G转换 酶(interleukin一1J3 converting enzyme,ICE)具有同 源性,家族成员均以无活性的酶原形式存在。酶原 结构包括氨基端的原域,中间的大亚基(P20域)和 小亚单位(Pl0域)3个部分。根据原域的长度,酶 在凋亡途径中的位置和前体活化方式将Caspase 分为两类:起始者胱天蛋白酶,包括Caspase一8、一9 和一lO,它们位于级联活化反应的上游,由于原域较 长而能在凋亡信号的刺激下通过自剪接的方式自 我激活,然后顺序激活下游Caspase而启动凋亡; 效应者胱天蛋白酶,包括Caspase一3、一6和一7,位于 级联活化途径的下游,它们的原域相对较短,必须 通过起始者胱天蛋白酶的切割才被激活,活化后可 水解胞内多种重要的功能蛋白和结构蛋白,最终使 中国神经免疫学和神经病学杂志2017年5月第24卷第3期Chin J Neuroimmunol&Neurol !, . ! : 细胞走向凋亡。 Caspases蛋白酶调控凋亡主要与死亡受体途 径、线粒体依赖途径及内质网通路有关。其中,在 死亡受体途径中,死亡受体能与相应的“死亡配体” 特异性结合,将凋亡信号传人细胞内,使Caspase一8 在连接分子的媒介下通过自我剪切而活化,经过一 系列的反应并最终活化Caspase-3,促进细胞凋亡。 除此之外,研究发现活化的Caspase一8还能降低线 粒体内膜电位使Bcl一2家族成员裂解,促进线粒体 释放细胞色素c,起到凋亡放大作用l2 。在线粒 体依赖中,线粒体内释放细胞色素C是最关键的 一步 。Bcl一2家族蛋白和Caspase家族蛋白共 同参与了线粒体介导的细胞凋亡途径。由此可见, Caspase家族是多条凋亡通路的聚集点,是执行凋 亡的最后通路,Caspase蛋白酶不仅能自我活化还 能激活其下游的家族成员,因此凋亡信号通路一旦 启动,即以级联放大的形式发展,直到蛋白底物被 裂解,凋亡才结束。Caspase一3是各种细胞凋亡途 径的必经之路,在不同凋亡途径中扮演“凋亡执行 者”的角色。在各种凋亡信号刺激下,不同的家族 蛋白酶剪切并激活前体Caspase一3,使前体 Caspase-3在Asp28一Set29和Asp175一Ser176位置 处被剪切,形成P20和P10两个片段,两种亚单位 再结合形成有活性的Caspase-3,活化的Caspase一3 可通过以下3种机制使细胞解体:酶解细胞外基质 及骨架蛋白、裂解DNA修复蛋白、降解相关凋亡 抑制物l2 。 正常成年大鼠脑组织中通常具有Caspase蛋 白酶的抑制剂一X染色体连锁的凋亡抑制蛋白(X— linked inhibitor of apoptosis protein,XIAP),防止 前体Caspase被偶然激活使组织细胞受损。研究 证实脑缺血早期即可在缺血半暗带区检测出大量 活化的Caspase一3,与凋亡细胞的表达区域一致,并 于24 h表达最多,提示脑I/R损伤早期细胞凋亡 与Caspase一3的激活密切相关_2 。Caspase-3的异 常激活和表达上调是I/R损伤启动缺血脑区受损 神经元凋亡最重要的环节,Caspase一3通过各种途 径参与触发脑I/R后的细胞凋亡,而抑制Caspase一 3被激活可产生明显的神经保护作用 。 Caspase一3还可通过水解抗凋亡蛋白Bcl一2,使其失 去对线粒体通透性转变孔的抑制作用,从而发挥促 进凋亡的发生_2 。脑缺血时HIF-la不仅能通过 调节Bcl-2/Bax来抑制Caspase一3,还能通过 VEGF机制、TNF—o【通路及ERKl/2信号通路来 调控Caspase一3的活性,从而抑制Caspase级联放 大反应,最终减少神经细胞损伤_2 引。 综上所述,脑I/R损伤后,挽救缺血半暗带区 的神经细胞凋亡能有效减少神经细胞坏死和神经 功能缺损。大量动物实验研究已证实脑组织缺血 缺氧可使缺血半暗带HIF一1 表达增加,由于HIF一 1 Ct能调控下游一系列靶基因的转录与表达,因此 以HIF一1 作为脑缺血的治疗靶点所产生的疗效 可能比针对单个其下游的靶基因治疗更为显著。 值得注意的是,目前对HIF一1a的研究探索还停留 在动物模型阶段,而且低氧条件下HIF—la发挥神 经保护作用的同时也可能促进凋亡。深入研究 HIF一1 及其下游靶基因在脑I/R损伤中的表达和 调控机制,充分发挥其神经保护作用并避免损伤作 用,必将为今后的临床防治提供实际应用价值。[ [ [ [  1 2 3 4 参考文献 一~一一 一一 ~一一一~一一[ 5 ~一 ・ 222 ・ 坚旦 垒鱼壅芏塑鲎 堂苤壹 !生 塑24卷勇 3 Chin J Neuroimmunol&Neurol 2017,Vo1.24,No.3 [10D Ogunshola OO,Ahmad A.HIF-1 at the blood—brain barrier: a mediator of permeability?EJ].High Ah Med Biol,2012,13 (3):153—161. 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