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1、低氧诱导因子与表观遗传修饰相关性的研究进展2024(全文)摘要许多儿科疾病都与低氧密切相关。低辄诱导因子(hypoxiainducib1.efactor,H1.F)是种依平衡调节中的关键因子，其表达水平主要受辄浓度的影响。在机体适应慢性低氧的过程中，不仅可以通过H1.F及其介导的下游信号通路改变对低气的应答，也可以通过调节整体甲基化或组蛋白修饰水平等表观遗传修饰以适应低氧环境。既往研究表明，HIF的转录活性和稳定性与包括甲基化/去甲基化、羟基化、去乙酰化、磷酸化以及乳酸化在内的多种组蛋白修饰相互关联。H1.F与表观遗传修饰相关性的研究值得深入探索，是调节HIF表达水平的重要潜在靶点。低氧诱导因
2、子(hyp。XiaindUCib1.efactor,HIF),是一种与低氧状态密切相关的因子，目前已知其间接或直接参与细胞及(或)组织低气环境下的肿痛转移、血管生成、炎症反应、组织修宴及纤维化等生理病理过程1,2,3。HIF由Q和B亚基组成，亚基的表达是辄依赖性的，而B亚基的表达水平不受氧浓度的影响。常氧状态3由于HIFy会被肿瘤抑制因子PVH1.识别后降解，HIF介导的下游信号传导通路会受到抑制4。而在缺叙状态下，包括HIF-Ia、HIF-2a和H1.F-3a在内的HIF-a亚基可被激活形成稳态并累积性表达【5),进而激活下游一系列靶基因，导致多种低辄应答相关的基因转录水平发生改变，这一过程
3、与表观遗传修饰和HIF的协调调控作用有关。多种儿科疾病，例如支气管肺发育不良、新生儿缺氧缺血性脑病、缺依性肺勖脉高压等均与低辄密切相关6,7,8。为了更好地了解低氧相关疾病的发病机制，探索HIF在低辄状态下的功能，需要了解HIF与表现遗传修饰的相互作用，本文就近年来关于二者的研究进展作一综述。1HIF表达水平的调节HIF的表达水平受多种因素和机制的调节，其中气浓度是最为关键的调节因素.HIF-Ia是HIF家族中母先被发现的轼平衡调节关键因子，是目前研究最为充分的HIF亚基9。常很下HIF-Ia位于细胞质中，经脯瑟酸羟化版(Pro1.y1.hydroxy1.asedomain,PHD)的羟化后被
4、肿病抑制因子pVH1.识别，进而被泛素化修饰，这种泛索-蛋白酶体途径降解迅速，半衰期不足5min,因此在常辄下，HIF的表达维持在较低水平。另一个H1.F的关键调节途径与氧微感的天冬酰胺残菸羟化醴缺乳诱导因子抑制因子(factorinhibitingHIF,FIH)方关，它可以邑化HIF-a亚基并抑制转录共激活因子p300和CERB结合蛋白(CREBbindingPrOtein,CBP)的招募，从而抑制HIF的转录活性10。在低辑条件下，HIF-IQ则无法被泛索连接醐VH1.识别，可与H1.F-1.形成二聚体进入细胞核内，进一步与辅因子CBPp300.Po1.II形成复合物，稳定性和转录活性都
5、显著增加，结合一个保守的低氧反应元件(hypoxiaresponsee1.ement,HRE)诱导基因表达，激活下游一系列通路基因的转录【111。2表观遗传修饰表观遗传修饰是在DNA序列不变的情况下产生新的遗传表型，这种表型的改变与DNA或其相关的蛋白质的修饰有关12。表观遗传有多种体现方式,包括DNA甲基化、染色质重塑、组俄白修饰、基因组印记、母体效应、基因沉默、核仁显性、休眠转座子激活和RNA编辑等。表观遗传学是遗传学中一个新兴的研究领域13。采用CRISPRCas9基因编辑技术可以修改生物体基因组特定的目标基因，但其面临着诸多技术挑战和伦理难题14。与基因突变、缺失等改变不同，表观遗传修
6、饰具有可逆性。近年来对表观遗传修饰的调节发展迅速，某些表现遗传变异可以通过药物进行调节，多种表观遗传学工具可以用于预防、诊断疾病和针对靶点治疗15。例如去甲基化药物阿扎胞件及其脱气衍生物5-抵杂2-脱找胞背,两者可与DNA甲基转移触(DNAmethy1.tranSferases,DNMT)结合形成稳定的复合物，从而抑制DNMT的活性，降低基因组的整体甲基化水平，重新激活由于高甲基化而失活的关键性抑癌基因，以达到抗肿病作用。目前:该药物在临床试验中，对慢性粒细胞白血病急变期和骨髓增生异常综合征的患者都具彳了良好的疗效，提示针对表现遗传修饰研制临床治疗药物的广阔前景16,17。3H1.F与多种表观
7、遗传因素相互作用既往研究表明，HIF的转录活性和稳定性与包括甲基化/去甲基化、羟基化、去乙酰化、磷酸化以及乳酸化在内的多种组蛋白修饰相互关联。下文会分别从上述五个表观遗传因索展开，探索H1.F与表观遗传的相关性。3.1 HIF与甲基化/去甲基化的相关性DNA的甲基化通常发生在位于基因的启动了和第一外显.f区域的CpG岛内，表现为由S-腺甘甲薇氨酸作为甲基供体，使CPG二核甘酸的5号胞喀陇残基甲基化18。一股情况下，DNA高甲基化会导致转录抑制，而低甲基化则反之导致转隶激活19HRE是由与活化后的HIF-Ia相结合的5,-TACGTG-3,位点和一些易变旁侧序列组成20,该5-TACGTG-3位
8、点便包含一个CPG二核甘酸，因此HIF-Ia依赖的基因调控对DNMT介导的胞喀除甲基化具有敏感性。此外，HIF调节中的低气应激因子PHD,其重要的亚基PHD2由名为EG1.N1.的低氧适应性基因编码，PHD2以氧依赖性负反馈调节H1.F-Ia的稳定性C而EG1.N1.也存在一个对胞嘘甲基化敏感的上游HRE21.甲基化陶可以通过降低HIF-Ia与HRE的结合以抑制HIF-Ia的转录活性。一项在人恶性胶质病U251MG细胞中的研究提示，赖纨酸甲基转移施G9aG1.P直接与H1.F-Ia亚基结合，催化H1.F-Ia在674号位点赖氨酸(K674)上的甲基化和二甲基化22。K674的甲基化可以抑制HI
9、F-Ia的转录活性及PTGS1.等卜游靶基因的表达，在这个过程中，甲基化醐通过降低H1.F-IQ的反式激活结构域功能以抑制H1.F-IQ转录。与甲基化相对应，去甲基化则反之上调HIF-I水平。一项研究着眼于SET7/9甲基转移酶和1.SD1.去甲基化前的协同作用，SET7/9可在H1.F-Ia上添加一个甲基，引发泛素-蛋白怖体系统对该蛋白的降解，而1.SD1.则去除甲基，使得HIF-Ia在缺气条件下稳定23。研究依据该协同作用将抑制H1.F-Ia甲基化的基因敲入H1.F-IQKA/KA小鼠的细胞，发现在该细胞中，在常氧和缺氧条件内H1.F-Ia水平均出现了上调，旦肿瘤发生的趋势增加。因此提示H
10、1.F-Ia甲基化缺陷可以导致HIF-Ia水平：调,引发下游包括血管生成以及肿病生长增加等不良后果。另一项研究则发现组蛋白去甲基化的JMJD1.A可以催化特定位点H3K9的去甲基化，且发现暴假干常压缺领(8%02)的大鼠细胞中JMJD1.Ar11RNA的表达增加,缺氧状态下细胞内JMJDIAmRNA和蛋白水平上调，而对该细胞给予siRNA干预使得H1.F-Ia水平下调时，该细胞的JMJD1.AmRNA上调被消除24。3.2 HIF与翔基化的相关性羟基化在HIF表达水平的调节中同样存在重要作用25。在常辄状态下,HIF的腼氨酸羟化能PHD便是通过羟化HIFy亚基上的脯氨酸残基，促进VH1.泛素连
11、接的的泛素化，从而导致HIF降解；而匕文所述的F1.H也是通过羟化天冬酰胺残基抑制HIF的转录活性。既往已有研究发现在包括结直肠癌的多种癌症中均可检测到HIF-Ia过表达26。目前才药物研究抑制HIF的过表达，利用的就是羟基化水平的上升可导致HIF的降解。Wei等27发现一种DNMT抑制剂Zebu1.arine虽然不直接影响VH1.或PHD2的蛋白水平，但在HCT1.16细胞中，通过免疫荧光染色发现Zebu1.arine可以诱导PHD2从细胞质转移到细胞核，而既往有报道称细胞核内PHD2的脯瑟酰羟化酸活性高于细胞质PHD21281,因此这种PHD2向核内的转移可以抑制HIF-IQ依赖的转录活性
12、。另外一项针对一种酪氨酸璘酸化抑制剂(tyrphostin)AG490的研究发现，AG490可以通过抑制HIF-IQ的羟基化，增加HIF-Ia蛋白的半衰期，上调内皮细胞、血管平滑肌细胞和肾近端小管上皮细胞中HIF-Ia蛋白水平，而不增加HIF-Ia的mRNA水平29。AG490也可上调H1.F-Ia的转录活性，使得下游的VEGF表达增加。3.3 H1.F与去乙酰化的相关性去乙酰化同样与H1.F的蛋白表达水平相关联。研究发现，一种在应激反应中调节细胞代谢的烟酰胺腺噤吟二核甘酸(NAD+1依赖的蛋白去乙酰化懒一沉默调节蛋白2(si1.entinformationregu1.ator2protein
13、,SIRT2)rf以在缺辄状态下过表达，使得HIF-Ia的709号位点赖翅酸(K709)去乙酰化，导致H1.F-Ia与PHD2的结合亲和力增加，H1.FTa的羟化、泛素化水平匕调30。一种增加细胞内NAD+/NADH比值的药物0-1.apaChonC也可以通过促进SIRT2介导的去乙酰化和随后的羟基化，导致HIF-Ia的降解。另一项针对褪黑素的研究发现，褪黑素可以抑制SIRT家族的另一个成员SIRT1.的去乙酰化，通过与上文SIRT2类似机制降低人近端小管细胞(HK-2)中H1.F-IQ的含量31。3.4 HIF与磷酸化的相关性HIF尤其是HIF-Ia的磷酸化也可以调节其在低班和常氧条件下的稳
14、定性,是个重要的表现修饰。Han等32的研究团队发现，HIF-Ia在缺氧条件下会发生特定丝奴酸残基(SCr451)的磷酸化，并在细胞内通过磷酸化功能获得与功能丧失。实验证实Ser451位点的磷酸化阻断了H1.F-Ia与PHD和PVH1.的相互作用,在维持H1.F-Ia发白的稳定性中起着重要作用.另一项研究在肝癌细胞系中发现，酪蛋白激隘16(CK16)可以使得HIF-2a的Ser383和Thr528位点磷酸化，促进其在细胞核内的积累，进而影响HIF通路下游缺气条件下肝癌细胞促红细胞生成素的分泌33)。3.5 H1.F与乳酸化的相关性组蛋白的乳酸化修饰是2019年Zhang等34报道的全新蛋白质翻
15、译后修饰类型。乳酸作为一种细胞糖酵解途径中重要的代谢产物，一直被认为是一类能贷来源和代谢废物，而其在生理和疾病方面的非代谢功能仍知之甚少。该团队发现了乳酸化这种全新的表观遗传修饰，在人类和小鼠细胞的核心组蛋白上发现了28个乳酸化位点，并证明组蛋白乳酸化可以直接剌激染色质的基因转录。该研究发现在缺辄诱导的MCF-7细胞中，细胞会通过抑制氧化璘酸化和增强糖醉解适应低氧，从而刺激乳酸的产生C而缺氧诱导细胞内乳酸产生会增加组景白K1.a,尤其是H4K51a水平的上调，在He1.a和RAW264.7细胞中也获得了类似的结果。此外，该团队也发现1.DH抑制剂可以减弱低氧刺激KIa匕调的作用.另外一项采用小
16、鼠卵母细胞和若床前胚胎的研究发现，两个蛆蛋白乳酸化位点H3K231a.H3K181a和组蛋白乳酸化泛抗体这三种修饰在大气氧浓度(20%02)、梯度较浓度(5%02至2%02)和体内条件下培养的胚胎中的免疫组织化学染色情况相似，而在缺辄条件下培养的胚胎(2%。2)中的修饰水平大大减少，而缺氧条件1.两个组蛋白乙酰化位点H3K18ac.H3K23ac在细胞核内的表达水平没方显著区别35。HIF作为与缺氧密切相关的因子，其与乳酸化的相关性也有待更多、更进步的研究。4小结H1.F作为种何平衡调节的关健因子,与呼吸系统疾病、心血管系统疾病、神经系统疾病以及肿病均存在相关性，自发现以来一直受到医学领域研究者的关注，其发现者也因揭示了细胞如何感知和适应氧气供应，获得了2019年诺贝尔生理学或医学奖。目前已才大批有关HIF与各种表观遗传修饰相关的研究成果，但是由于与H1.F相关联的基因和信号通路非常庞杂,可探索的表观遗传修饰及机制仍然花很多。本文综述了近年来HIF与表观遗传修饰相关的研究进展，旨在为日后研究HIF与其他尚未阐明的表观遗传修饰机制奠定基础，也希望未来能够介由这些表观遗传修饰与HIF的作用机制，发现或合成更多靶向药物，从而减轻或者治疗缺氧状态所导致的机体疾病。
