馬曉璞 侯麗娟 張世龍 王新朝 李文華

[摘要] 低氧誘導(dǎo)因子-1是參與調(diào)節(jié)機體氧平衡的重要核轉(zhuǎn)錄因子。作為一種蛋白質(zhì)，它的主要亞基HIF-1α受到多種翻譯后的化學(xué)修飾，如泛素化、類泛素化等的影響，從而使其蛋白的穩(wěn)定性、入核以及對下游基因的促轉(zhuǎn)錄活性受到調(diào)節(jié)。因此，研究HIF-1α翻譯后的修飾，不僅有助于理解類似轉(zhuǎn)錄因子自身的調(diào)控，更能對HIF-1作為一個高原病的治療靶標(biāo)提供思路。

[關(guān)鍵詞] SUMO修飾；高原低氧；HIF-1

[中圖分類號] R34???[文獻標(biāo)識碼] A???[文章編號] 2095-0616（2012）21-50-03

Action of HIF SUMO in altitude hypoxia adaptation

MA?Xiaopu??HOU?Lijuan??ZHANG?Shilong??WANG?Xinzhao??LI?Wenhua

Medical School， Tibet Institute of Nationalities， Xianyang 712082，China

[Abstract] Hypoxia-inducible factor-1 is a nuclear transcription factor involved in regulating the body's oxygen balance. As a protein， and its major subunits HIF-1α by a wide variety of post-translational chemical modifications， such as ubiquitination， class， ubiquitination， etc.， making it the stability of the protein， into the nucleus as well as on the downstream genes promoting transcriptional activity is regulated. Therefore， the study of post-translational modifications of HIF-1α， not only help to understand similar regulation of the transcription factor， thinking more of HIF-1 as a treatment of altitude sickness target.

[Key words] SUMO modification；Altitude hypoxia；HIF-1

高原地區(qū)海拔3 000米以上的地區(qū)為低氣壓、低氧分壓，易導(dǎo)致機體缺氧。從細(xì)胞和分子水平上來看，機體對缺氧的適應(yīng)性反應(yīng)是由氧感受器感受氧分壓的下降開始，通過一系列的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，最終激發(fā)相應(yīng)低氧誘導(dǎo)適應(yīng)性基因的表達，用以維持組織氧供并增強細(xì)胞在缺氧情況下的生存能力。其中，低氧誘導(dǎo)因子-1是這些基因表達的主要調(diào)控者[1]。小泛素類蛋白（small ubiquitin-related modifier，SUMO）能共價修飾該種蛋白質(zhì)，并調(diào)節(jié)其功能和定位[2]。HIF SUMO化在高原低氧適應(yīng)中作用報道不多，筆者在這方面進行了總結(jié)。

1?低氧誘導(dǎo)因子1（hypoxia inducible factor 1，HIF-1）

HIF-1是20世紀(jì)90年代初，在研究低氧誘導(dǎo)的促紅細(xì)胞生成素（erythropoietin，EPO）基因表達時，從細(xì)胞核提取物中發(fā)現(xiàn)的，是一種關(guān)鍵的平衡氧穩(wěn)態(tài)和調(diào)節(jié)缺氧反應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子[3]。在細(xì)胞低氧應(yīng)答反應(yīng)中起核心作用，其中PHD-VHL-HIF 軸有細(xì)胞氧平衡中心調(diào)控者的作用[4-5]。

2?SUMO（small ubiquitin-related modifier）

蛋白質(zhì)修飾在細(xì)胞行為和個體生理活動中起著極其重要的作用，相關(guān)研究是近年來生物醫(yī)學(xué)研究的熱點之一。泛素化修飾是最廣泛的蛋白翻譯后修飾之一，參與了包括蛋白轉(zhuǎn)運、降解、細(xì)胞信號調(diào)控等諸多細(xì)胞生物學(xué)過程。細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)泛素化系統(tǒng)的調(diào)控和作用機制極為復(fù)雜，泛素連接酶底物的鑒定更是研究的關(guān)鍵點和瓶頸。泛素化與其他翻譯后修飾間的相互調(diào)控也已成為當(dāng)前生命科學(xué)的研究熱點[6]。通過對SUMO蛋白3種亞型的研究，發(fā)現(xiàn)SUMO-1在哺乳動物的缺氧應(yīng)激反應(yīng)中有著重要的作用。本課題將重點圍繞SUMO-1缺氧應(yīng)激反應(yīng)的機制來研究SUMO與高原低氧和HIF-1的關(guān)系。

3?SUMO化與高原低氧

SUMO是一類結(jié)構(gòu)與泛素類似的小分子蛋白，底物分子與SUMO共價結(jié)合的過程叫做SUMO化（SUMOylation）。SUMO與泛素在氨基酸序列上雖然只有18%相同，但在二級結(jié)構(gòu)上有驚人的相似。因此SUMO化與泛素化途徑基本相似，不同的是，SUMO化本身是一個動態(tài)可逆的過程，它并不促使蛋白質(zhì)降解，反而是加強蛋白質(zhì)的穩(wěn)定或調(diào)節(jié)蛋白在細(xì)胞內(nèi)的定位和分布，以及影響蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)錄活性[7]。

通過SUMO-1在細(xì)胞核內(nèi)定位等方法，已有實驗結(jié)果表明，低氧能夠上調(diào)SUMO?1的表達[8]。而細(xì)胞對高原缺氧應(yīng)激的直接反應(yīng)之一是在細(xì)胞內(nèi)積聚低氧誘導(dǎo)因子-1，由此猜想SUMO蛋白對HIF?1的表達具有調(diào)控作用。那么SUMO對HIF-1有怎樣的調(diào)控作用，又是怎樣發(fā)揮作用的呢？

4?SUMO化調(diào)控HIF?1穩(wěn)定性及機制

目前發(fā)現(xiàn)，SUMO化可通過競爭性抑制泛素化通路，提高多種核內(nèi)蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性。HIF?1發(fā)生SUMO化的靶點在HIF-1α亞基的氧依賴降解區(qū)域（oxygen-dependent degradation domain，ODDD）的Lys391，Lys477，Lys532上。同時ODDD也是乙?；土u基化作用的靶點，經(jīng)乙?；土u基化修飾后的HIF?1可被pVHL識別并經(jīng)泛素?蛋白酶體途徑完成降解[9]。兩者的結(jié)果完全相反，HIF SUMO化增加了HIF-1α的穩(wěn)定性，HIF泛素化降低了HIF-1α的穩(wěn)定性。此外，在低氧狀態(tài)下，高水平的SUMO可以明顯抑制一種泛素化降解通路E3酶MDM2的降解，提高其穩(wěn)定性。這一作用可能與p53有關(guān)[10]。另外，SUMO化能夠抑制泛素化酶E2-25K的活性，也可能與抑制HIF-1通過泛素?-蛋白酶體途徑降解有關(guān)。Shao等研究表明在低氧狀態(tài)下SUMO化HIF?1可以提高其穩(wěn)定性[11]。低氧環(huán)境下，一種叫做RSUME（RWD-containing sumoylation enhancer）的蛋白表達應(yīng)激性增高，可促進SUMO的表達以及HIF?1的SUMO化。通過免疫共沉淀等方法證實，接受低氧刺激的小鼠體內(nèi)SUNO?1和HIF-1蛋白的表達水平急劇增加，它們共同定居于核內(nèi)，SUMO?1能使HIF-1α發(fā)生SUMO化，進而增加HIF-1α的穩(wěn)定性及在核內(nèi)表達，導(dǎo)致HIF-1轉(zhuǎn)錄活性增強[12]。

5?SUMO對HIF轉(zhuǎn)錄活性的影響

薛慶於等[8]利用篩選和建立的穩(wěn)定表達SUMO?1細(xì)胞系，通過低氧培養(yǎng)，證明了在低氧應(yīng)激過程SUMO-1可以穩(wěn)定或者上調(diào)HIF-1α。即應(yīng)用一系列不同缺失突變體的VEGF?Luc報告質(zhì)粒分別轉(zhuǎn)染HEK293細(xì)胞、得到穩(wěn)定表達GFP和GFP-SUMO-1的HEK293細(xì)胞，并進行低氧和常氧培養(yǎng)。在低氧應(yīng)激培養(yǎng)條件下，SUMO-1可以明顯上調(diào)HIF?1的轉(zhuǎn)錄活性，而且這種轉(zhuǎn)錄上調(diào)的機制是通過促進HIF-1與低氧反應(yīng)元件（hypoxia response element，HRE）的結(jié)合產(chǎn)物。相反，在去SUMO化酶SENP1缺陷的 MEF細(xì)胞，低氧處理幾乎不積累HIF-1α[13]。

通過研究催化SUMO修飾的酶來研究SUMO與HIF-1的內(nèi)在關(guān)系， SUMO化是一個動態(tài)的過程，即由SUMO修飾所特異的E1，E2和E3酶來催化，可逆反應(yīng)則由一組被稱為SENP的SUMO特異性蛋白酶來完成[14-16]。至今已鑒定了6個存在于人體細(xì)胞中的SENP家族成員，每一個成員具有不同的細(xì)胞內(nèi)定位和底物特異性[17]。雖然對其生化特性進行了大量研究，但SENP在參與的細(xì)胞生命活動過程中的作用并未十分了解。早前，有研究認(rèn)為SUMO與大量底物（或者酶作用物）的結(jié)合可調(diào)節(jié)從酵母到哺乳動物的眾多細(xì)胞反應(yīng)過程。大多數(shù)SUMO靶位點在細(xì)胞核中，包括轉(zhuǎn)錄因子、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子和染色體重構(gòu)因子，這些蛋白質(zhì)經(jīng)SUMO化修飾可以改變其在細(xì)胞的定位和生物學(xué)活性[18]。田華等[19]研究顯示，在大鼠肺動脈中度缺氧暴露后的SUMO化HIF-1α，通過VEGF的HIF-1α靶基因的轉(zhuǎn)錄，改善缺氧引起的肺動脈高壓。SUMO化調(diào)節(jié)HIF1α活性有利于創(chuàng)傷愈合中血管新生。

6?展望

低氧可以上調(diào)SUMO-1的表達，SUMO-1并不引起靶蛋白降解，而是通過翻譯后修飾，保護蛋白免受泛素化降解、影響細(xì)胞內(nèi)的定位和蛋白與蛋白之間的相互作用。由SUMO-1介導(dǎo)的HIF-1α的翻譯后修飾，可以調(diào)控HIF-1α的穩(wěn)定性，并參與細(xì)胞內(nèi)信號通路的調(diào)節(jié)[20]。但這種增強通過何種機制實現(xiàn)，有待進一步研究。盡管關(guān)于SUMO化修飾對HIF?1α穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)錄活性的影響結(jié)果仍存在爭議[21]，可以肯定的是：SUMO化可使HIF?1的轉(zhuǎn)錄活性發(fā)生改變。我國西藏高原地區(qū)，低氣壓、低氧分壓，易引起人體缺氧，導(dǎo)致高原病發(fā)生。在高原適應(yīng)者機體會出現(xiàn)無氧代謝能力增強、毛細(xì)血管數(shù)量和密度增加等一系列與低氧誘導(dǎo)因子激活有關(guān)的適應(yīng)性改變。由于HIF-1生成減少或降解增加是許多高原病的產(chǎn)生的原因，在高原低氧適應(yīng)中的作用巨大，深入研究SUMO與高原低氧和HIF的關(guān)系顯得極為重要，HIF-1α SUMO化可能是治療高原病的分子靶點。另外HIF-1與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)，抑制HIF?1活性可能是治療癌癥的良策。相信對高原低氧、SUMO蛋白和低氧誘導(dǎo)因子關(guān)系的日漸闡明，將為認(rèn)識低氧性疾病和腫瘤的機制及治療提供新的觀點和措施，為臨床醫(yī)學(xué)、高原醫(yī)學(xué)和航天醫(yī)學(xué)做出重要貢獻。

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（收稿日期：2012-09-02）