低氧诱导因子在肿瘤干细胞介导的肿瘤发生发展中的作用

王琳琳，魏敏杰，何苗

综述

低氧诱导因子在肿瘤干细胞介导的肿瘤发生发展中的作用

王琳琳，魏敏杰，何苗△

低氧及低氧诱导因子（HIFs）是肿瘤干细胞、转移起始细胞及其分化后代在肿瘤发生发展过程中，能够适应氧气和营养物质缺乏的主要调节因子。在白血病、胶质母细胞瘤、黑色素瘤、前列腺癌、乳腺癌、胰腺癌等肿瘤中均发现HIFs的表达上调，尤其集中表达在低氧区域。活化的HIFs可以诱导多种干性及多药耐药等基因的表达，对肿瘤及干性介导的肿瘤细胞的自我更新、能量代谢改变、侵袭转移、血管生成以及治疗抵抗均起着重要作用。因此，研究HIFs分子在干细胞介导的不同肿瘤细胞中的靶向调节作用和代谢通路的改变，将为肿瘤的靶向治疗提供新线索。

肿瘤干细胞；低氧诱导因子；代谢通路；靶向治疗

低氧是实体肿瘤的常见特征，由于肿瘤细胞快速分裂和血管微环境异常造成血液供应不足而导致缺氧［1-3］。低氧诱导肿瘤细胞产生低氧诱导因子（hypoxia-induced factors，HIFs），HIFs在癌组织的低氧局部调节转录，诱导下游基因的表达，使细胞适应低氧环境，获得较强的增殖、侵袭、转移能力，对放、化疗不敏感，并对预后造成影响［4］。因此，研究HIFs在不同肿瘤干细胞中的靶向调节作用和代谢通路的改变，对于提高现有治疗方法疗效和寻找新方法具有重要意义［5］。

1 HIFs的基本结构和功能

HIFs是重要的调控细胞缺氧反应的转录因子家族，是由结构亚单位（HIFβ）和功能亚单位（HIFα）构成的异二聚体。HIFα亚基具有生物活性，是可接受氧浓度变化调控的亚单位。已鉴定出HIFα有HIF-1α、HIF-2α和HIF-3α 3个亚型，其中对HIF-1α和HIF-2α的研究较多。HIFβ亚基的表达不受缺氧的影响，主要发挥保持HIFs结构稳定性的作用。在常氧条件下，HIFα产物的表达与降解处于动态平衡。HIFα通常由脯氨酸羟化酶（prolyl hydroxylase domain，PHD）蛋白烃基化而来，能够与希佩尔-林道病肿瘤抑制蛋白（Von Hippel-Lindau tumor suppressor protein，pVHL）相互作用。pVHL能够与泛素连接酶E3作用，从而导致HIFα多聚泛素化而快速降解［4］。

在低氧状态下，HIFα因无法烃基化故不能被降解，而是在细胞核内聚集，并与从胞浆转移到核内的HIFβ结合成异二聚体，形成有活性的HIF复合物。HIF复合物再与靶基因的缺氧反应元件（hypoxic response element，HRE）上的HIFα结合位点结合，启动靶基因的转录，引起细胞对缺氧的一系列反应［3-4］。

2 HIFs在肿瘤干细胞介导的肿瘤发生发展中的作用

研究表明，在肿瘤细胞的发生、发展过程中，常可检测到HIFs的活性增强及高表达［1，6］。肿瘤细胞对环境应激反应的表达产物中也可见HIFs的诱导表达。而且，HIFs与肿瘤细胞，尤其是肿瘤干细胞介导的肿瘤细胞的增殖、侵袭、转移能力，放疗、化疗敏感性，预后及复发均密切相关［7］。

除了低氧条件的作用，肿瘤细胞中HIFs活性的上调也与生长因子、细胞因子途径和氧化应激的持续刺激有关［8］。生长因子信号元件包括多种受体酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinases，RTKs），如表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor，EGFR）、胰岛素样生长因子-1受体（insulinlike growth factor-1R，IGF-1R）、干细胞因子（stem cell factor，SCF）受体、Notch受体、白细胞介素-6受体（IL-6R）以及转化生长因子β受体（TGF-βR）等。RTKs刺激激活其下游的信号通路，如PI3K/AKT/mTOR通路、RAS/MEK/ERK通路、核因子-κB（NF-κB）和信号转导和转录激活因子3（signal transducers and activators of transcription，STAT3）通路等，进而上调HIFs的表达，并增强其稳定性［9-10］。同时，由于pVHL、10号染色体磷酸酶张力缺失蛋白（phosphatase tensin deleted on chromosome 10，PTEN）和p53等肿瘤抑制蛋白的失活，HIFs降解减少，积累增加，进而导致HIFs调控的基因高表达［11］。

缺氧以及HIF-α的高表达可以引起多种基因表达的上调。由HIFs调节的基因表达产物包括：多能性诱导调节因子（Oct-3/4、Sox-2和Nanog）、上皮间质转化因子（EGFR、CXCR4）、葡萄糖转运蛋白（GLUT-1/2）、血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factors，VEGF）等。HIFs的调节还可影响代谢途径，如调节糖酵解酶、microRNAs（miRNAs）和耐药相关分子（ABCB2、bcl-xL和bcl-2）等。这些HIFs诱导的信号分子使得肿瘤干细胞、转移起始细胞及其分化后代的自我更新能力增强，通过增强有氧、无氧糖酵解提高能量供应，促进血管生成，最终影响肿瘤细胞的增殖、侵袭、转移能力，对放疗、化疗的敏感性，预后以及复发［11］。

2.1 HIF-1α对白血病干细胞及其分化后代的影响 白血病可能是由于造血干细胞（haematopoietic stem cells，HSCs）、癌前白血病干细胞（precancerous-LSCs，pre-LSCs）和髓系始祖细胞获得高度的自我更新和异常分化能力，致使其遗传或表观遗传性状改变所致［12］。骨内膜的低氧区域内，静息状态下的pre-LSCs可以使未成熟的白血病细胞维持在低循环状态，防止其受氧化应激、DNA损伤和细胞死亡的刺激。而LSCs及活化的pre-LSCs可以引起HIF-1α上调，使得未成熟的白血病细胞的代谢发生改变，以适应低氧、低营养物质的微环境。这也是白血病容易对治疗产生抵抗的主要原因［13］。以慢性粒细胞白血病（chronic myeloid leukaemia， CML）为例，CML小鼠模型实验显示，HIF-1α能够诱导具有酪氨酸激酶活性的BCR-ABL融合蛋白的产生，使CML细胞适应低氧、低营养物质的微环境；相反，使用HIF-1α抑制剂，则可以抑制LSCs细胞周期的进展，诱导细胞凋亡［14］。

2.2 HIFs在干性介导的多形性胶质母细胞瘤发生、发展中的作用 胶质母细胞瘤是最常见的恶性脑肿瘤之一，具有强侵袭性，且对放疗、化疗不敏感。胶质瘤干细胞（glioma stem cells，GSCs）也称胶质瘤起始细胞，其干性表达产物包括CD133、巢蛋白（nestin）、CD44、Oligo-2、Oct-3/4、Sox-2、Nanog 和Bmi-1等。这些干性标志物使得GSCs获得高度的自我更新能力和强致瘤性，而且可以驱动多形性胶质母细胞瘤（glioblastoma multiformes，GBMs）的发展和局部侵袭，也与GBMs对放疗、化疗的耐受性和疾病复发有关［4，15］。免疫组化分析表明，GBMs发生发展过程中，HIF-1α、HIF-2α以及它们的靶基因通常在肿瘤细胞坏死区的缺氧区附近呈高表达状态，包括糖酵解酶和VEGF等；而且，HIF-1α、HIF-2α在肿瘤细胞中的表达也与肿瘤的分级及GBMs组织标本的血管分布密切相关［16］。以上研究表明，HIF-1α、HIF-2α可通过诱导VEGF的高表达，介导胶质母细胞瘤的血管生成，促使GBMs的缺氧区快速复氧，从而促进GBMs的发生、发展［17］。

2.3 HIFs在干性介导的黑色素瘤发生、发展中的作用 黑色素瘤是恶性极强的皮肤肿瘤，预后不良。由于发展速度快，局部侵袭和转移能力强，对放疗、化疗耐受性强，黑色素瘤的复发率、病死率高。由于黑色素瘤干细胞亚型、数量、表型以及功能特性间存在差异，且瘤体内和瘤体间也存在异质性，当具有高度自我更新能力和异常分化潜能的黑色素瘤干细胞被移植到动物模型的皮肤、骨骼中时，能够产生类似人类组织病理学特点的黑色素瘤。实验中检测到黑色素瘤的干性表达产物包括CD133、nestin、CD271、Oct-3/4、Nanog、多药耐药蛋白-1（multi-drug resistance protein-1，MDR1）和三磷酸腺苷结合盒转运蛋白（ABCG2/ABCB5）［4，18］。在原发性和转移性黑色素瘤中，HIF-1α、HIF-2α及其靶基因产物的检出率高达80%，尤其是在肿瘤的坏死区边缘；此外，多能性相关的转录因子Oct-3/4的核染色实验发现，在低氧条件下，黑色素瘤细胞中HIF-1α、HIF-2α及其靶基因表达迅速上调，包括 Oct-3/4、Nanog、结缔组织生长因子（connective tissue growth factor，CTGF）、snail-1和VEGF，使得其自我更新能力、致瘤性、转移能力、对化疗药物的耐受力提高［19］。

2.4 HIFs在干性介导的前列腺癌发生、发展中的作用 前列腺癌（prostate cancers，PCs）是男性最常见的恶性肿瘤之一。转移性PCs已成为第二大强致死性癌症［20］。目前的抗激素治疗以及以多西紫杉醇为基础的一线化疗对转移性PCs大多只有缓解作用，大部分患者在12～19个月内死亡。在原发性PCs的发展和骨转移中，PCs细胞中的HIF-1α和HIF-2α表达水平和转录活性显著增加。PCs干细胞和转移起始细胞具有较高的自我更新能力，其干性表达产物包括CD133+、CD44+、乙醛脱氢酶（ALDH+）、ABCG2+和趋化因子受体4（CXCR4+）等，与PCs的发生、发展、转移和治疗抵抗密切相关［20-21］。

EGF-TGFα/EGFR-TGFβ/TGFβR的持续激活、PTEN基因表达的下调或缺失以及炎症细胞因子［如肿瘤坏死因子（TNF）-α］表达水平的增强，均会刺激PI3K/Akt/mTOR、NF-κB以及丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信号通路。这些信号通路可以诱导HIF-1α和HIF-2α高表达、基因产物局部积累以及核易位，进而导致上述干细胞基因产物的高表达，使得PCs细胞获得强恶性表型。尤其是多药转运体（multi-drug transporter）、ABCG2、抗凋亡因子以及Bcl-xL等耐药性相关分子，其高水平表达在PCs的治疗中不容忽视［22-24］。

2.5 HIFs在干性介导的乳腺癌发生、发展中的作用 乳腺癌是一种发生在乳腺上皮细胞的基底层和管腔中，由于遗传和表观遗传改变积累而形成的异质性疾病。乳腺癌若在肿瘤发生早期即被发现，经乳腺肿瘤切除，患者存活率相对较高。但对于晚期的、强侵袭性的和转移型乳腺癌，目前的抗激素治疗、人体第二表皮生长因子受体（human epidermalgrowth-actor receptor 2，HER2）靶向治疗以及放疗、化疗通常作用不大［25］。乳腺癌干细胞（BCSCs）及其早期始祖细胞具有异质性、强致瘤性，致使乳腺恶性肿瘤获得了高度的自我更新能力、强侵袭能力以及转移能力，其干性表达产物包括CD44+、CD24-、上皮细胞特异性抗原（epithelial-specific antigen，ESA+）、CD133+、ALDH1+、Oct-3/4、Nanog、Kruppel因子（Kruppel-like factor，KLF）及CXCR4+［26］。利用基因表达富集分析法（gene set enrichment analysis，GSEA）测得：在表达CD44+和CD24-干性表达产物的BCSCs亚群中，TGFβ、TNF-α、干扰素和NF-κB通路的相关基因表达增加，致使HIFs及其诱导的基因表达产物水平升高，特别是促进了上皮间质转化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）和多药转运蛋白表达的升高，如乳腺癌耐药蛋白（breast cancer resistance protein，BCRP）、DNA修复酶等，使得乳腺癌的侵袭转移能力和治疗抵抗能力大大增强［4，25-26］。

2.6 HIFs在干细胞介导的胰腺癌发生、发展中的作用 胰腺导管腺癌（pancreatic ductal adenocarcinomas，PDACs）是实质性肿瘤中恶性极强的一类肿瘤。放疗和一线化疗药物对于晚期和转移型PDACs只能起到缓解作用。PDACs的治疗效果差、预后不良，主要是由于原发型PDACs进展为转移型PDACs的速度较快，且对传统治疗的耐受性强所致。PDACs干细胞产生的干性表达产物包括CD133、CD44和ABCG2多药耐药转运体［27］。HIF-1α核染色实验显示，88%的PDACs组织标本中存在HIF-1α，43%的邻近间质中可以检测到，而仅有16%的正常胰腺组织中显示HIF-1α的存在。胰腺癌细胞中，IGF-1R和SCF/KIT轴通过激活PI3K/Akt和RAS/MEK/ERK信号通路，促进HIF-1α高表达。HIF-1α的表达上调，进一步激活其调控的基因表达，如致癌产物、耐药相关分子及VEGF等，从而导致PDACs发生肿瘤血管生成、侵袭转移能力升高及耐药性增强等一系列恶性化转变［28］。

3 HIFs在肿瘤治疗中的新策略与展望

HIF-1α和HIF-2α是肿瘤细胞适应低氧和营养缺乏的主要调节因子。HIFs通过诱导下游肿瘤相关基因的表达，实现对肿瘤干细胞自我更新能力及其异质性的调节，并引起其分化后代的信号转导通路及代谢途径的改变。因此，更加精确地掌握HIF-1α和HIF-2α的具体功能，以及与其他转录因子、生长因子的相互作用，将有助于在分子水平对癌症的治疗方面取得新的突破。针对肿瘤干细胞、转移起始细胞、其分化后代以及宿主细胞中的HIFs进行靶向治疗，将从改变能量代谢途径和抗肿瘤血管生成等方面影响肿瘤的生长发育及侵袭转移。与传统的抗激素治疗、放疗及化疗相比，HIFs的靶向治疗将从分子水平抑制癌细胞生长、促进凋亡，提高癌细胞清除率，从而克服治疗抵抗，防止疾病的复发，降低癌症患者的病死率。

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（2014-12-03收稿 2015-02-13修回）

（本文编辑 李鹏）

Role of hypoxia-induced factors in cancer development mediated by cancer stem cells

WANG Linlin，WEI Minjie，HE Miao△
Department of Pharmacology，School of Pharmacy，China Medical University，Shenyang 110001，China
△Corresponding AuthorE-mail：hemiao_cmu@126.com

Hypoxia and hypoxia-induced factors（HIFs）are main regulators for tumor stem cells，metastasis-initiating cells and their differentiated progenies to adapt to the environment which lacks oxygen and nutrient in the process of cancer development.HIFs are up-regulated in many tumors，including leukemia，glioblastoma，melanoma，prostate cancer，breast cancer and pancreatic cancer，in where they are especially highly expressed in hypoxic regions.HIFs activation can induce expression of numerous stem cell related genes and multidrug resistance genes，which may play important roles in tumour and stem cell-mediated self-renewing，energy metabolism alternation，invasion，metastasis，angiogenesis and treatment resistance of neoplastic cells.Consequently，it will provide new clues for cancer therapy after investigating the role of HIFs in targeted regulation and metabolic pathway modulation in various stem cell-mediated tumor cells.

neoplastic stem cells；hypoxia-induced factors（HIFs）；metabolic pathway；targeted therapy

R730.5

A DOI:10.11958/j.issn.0253-9896.2015.06.030

国家自然科学基金资助项目（81102472，81373427）；辽宁省高等学校杰出青年学者成长计划项目（LJQ2014084）；辽宁省大学生创新创业训练计划项目（201410159040，201410159012）

中国医科大学药学院药理教研室，沈阳（邮编110001）

王琳琳（1992），女，本科在读，主要从事药理学研究

△E-mail：hemiao_cmu@126.com