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2019 年诺奖得主最新综述:低氧信号传导机制对肾脏医学的新启示

肝脏和肾脏对促红细胞生成素(EPO)产生的调节(缺氧的经典生理反应之一)是人类的氧气感应机制的基础,目前该机制已成为许多治疗方法的靶标之一。

氧敏感信号由依赖于 2 – 氧戊二酸酯的双加氧酶产生,该酶将分子氧作为共底物来催化缺氧诱导因子(HIF)中特定脯氨酰和天冬酰胺基残基的翻译后羟基化,调节对缺氧的转录反应,而在不同位点的羟基化会促进 HIF 降解并失活。

在缺氧条件下,上述过程会受到抑制,使 HIF 能够逃脱降解,并在整个人类基因组的数千个基因座上形成活性转录复合物。
 
因此,HIF 脯氨酰羟化酶抑制剂可以稳定 HIF 并刺激包括 EPO 基因在内的 HIF 靶基因的表达,这些分子还可以激活患病肾脏中的内源性 EPO 基因表达,利用这一机制在临床上用于治疗肾性贫血。

2019 年诺贝尔生理学或医学奖的获得者为哈佛医学院的 William G. Kaelin, Jr. 教授,牛津大学的 Peter J. Ratcliffe 教授以及美国约翰霍普金斯大学的 Gregg L. Semenza 教授,以表彰他们在解析细胞感知及适应氧气变化机制中的贡献。

就在 2019 年 9 月 5 日,诺奖得主之一 Peter J. Ratcliffe 教授国际顶尖期刊 Nature Reviews Nephrology 发表了综述文章 Mechanisms of hypoxia signalling: new implications for nephrology概述了缺氧信号传导的生物学背景,总结了有关低氧信号通路分子网络的信息以及相关新疗法,并着重介绍了与临床应用有关的一些悬而未决的问题
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2019 年诺贝尔生理学或医学奖获得者 Peter J. Ratcliffe 教授为该文的通讯作者
图片来源:Nature Reviews Nephrology

关键点(Key points):

 

(1)缺氧诱导因子(HIFs)转导了对缺氧的转录反应,涉及数百至数千个靶基因。
(2)氧敏感信号调节 HIF 活性是由 2 – 氧戊二酸酯依赖性双加氧酶产生的,该酶催化特定 HIF 脯氨酰和天冬酰胺基残基的羟基化,从而在有氧条件下使 HIF 失活。
(3) 2 – 氧戊二酸酯类似物对 HIF 脯氨酰羟化酶的抑制作用可模拟缺氧并激活 HIF 转录反应的许多成分。
(4)肾皮质间质成纤维细胞产生促红细胞生成素对 HIF 途径的激活非常敏感。
(5)在患病的肾脏中,促红细胞生成素的产生减少,但是可以通过 HIF 脯氨酰羟化酶抑制剂来增加。
(6)HIF 的激活具有产生许多其他肾脏和全身作用的潜力,在临床上使用 HIF 脯氨酰羟化酶抑制剂时需要加以考虑。
 
大多数生物利用氧气来促进细胞呼吸和其他重要功能,因此需要适应性反应来维持氧气的体内平衡。人类对于氧气的需求也是处于一个微妙的平衡状态,缺乏氧气会窒息而死;氧气过量又会导致中毒。
 
较为原始的小型生物中通过调节新陈代谢的调节和运动控制来维持氧气的体内平衡。相比之下,较高等的动物则进化出了复杂的氧输送系统,如肺、心血管系统等来实现精确的动态控制。

人类通过控制呼吸速率使氧气以合适速率进入肺泡,然后氧扩散到血液中,与血红蛋白结合,并通过循环系统输送到人体所有器官。氧气从血管扩散到呼吸细胞。在包括肾脏区域在内的许多组织中,氧扩散梯度很复杂,并且氧的分布非常不均匀。
 
缺氧(Hypoxia),可以定义为氧水平不足以维持正常细胞功能的状态,它不固定于特定的氧浓度,因为许多组织发挥生理功能需要不小于 5%的氧水平,但有些组织的最低氧水平为 1%。
 
氧的扩散梯度很复杂,因此维持氧气稳态的机制必须在很宽的氧气浓度范围内起作用,并能够应对和适应从几秒钟(如呼吸的动态控制)到几天、几周或甚至几个月(如代谢)的挑战。

氧气感应过程的第一个证据来自十九世纪末期的海拔生理学家,他们发现血液中的血细胞比容增加是对大气中氧气分压降低的适应性变化。Erslev 等人在 20 世纪中叶发现促红细胞生成素(EPO)激素会对血细胞比容的激素产生控制。
 
随后又发现由肾脏 (较小一部分由肝脏) 合成的促红细胞生成素 (EPO) 与一个高度敏感的反馈回路相关,可以控制红细胞的生产以应对血氧供应的变化。
 
现在发现,EPO 氧气感应途径可以控制众多生理反应并直接或间接调节数千个基因。

缺氧诱导因子(HIF)是一种异二聚体,包含诱导型 α 亚基(HIF-α,缺氧敏感成分)和组成型表达的 β 亚基(HIF-β,关键转录因子)。控制一系列 HIF 活性的氧敏感信号是由一系列调节酶产生的,这些酶催化 HIF-α 亚基中特定脯氨酰基和天冬酰胺基残基的羟基化。
 
催化这些反应的酶是双氧合酶,可分裂分子中的氧并将氧原子结合到其底物中。因此,在缺氧期间这些酶的活性会被抑制。在缺氧的环境下,HIF 能够结合并激活许多哺乳动物细胞内的特定基因。

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2 – 氧戊二酸酯依赖性双加氧酶催化氧化的一般机理,图片来源:Nature Reviews Nephrology

早期动物中的基本系统包括单个 HIF-α,单个 HIF-β 和单个 HIF 脯氨酰羟化酶(控制 HIF-α 稳定性)。而脊椎动物进化辐射早期的基因复制事件产生了多种同工酶,其中一些同工酶随后在进一步进化中丢失了。

有趣的是,这些 HIF 基因都不负责生产促红细胞生成素。
这些结果表明,缺氧引起的红细胞生成,背后有着更为复杂的原因。而在人们后续阐明的调控通路中,发现 HIF-1 扮演了核心的地位,调控了诸多关键基因。
 
作为一种关键的调控蛋白,在缺氧环境下,HIF-1 会启动基因表达。而在富氧环境中,这一蛋白又会被降解。HIF-α 的降解需要 VHL 蛋白参与。在富氧的环境下,VHL 会直接结合 HIF-1α,并指导后者的泛素化降解。

HIF 转录因子
 
人类 HIF-1 是一种蛋白质复合物,可与 EPO 基因座处的调控 DNA 序列结合。在缺氧条件下,HIF-1α 的稳定化使得能够形成 HIF-1 异二聚体,该异二聚体与基因启动子及其包含核心序列(RCGTG)的转录增强子中的缺氧响应元件(HRE)结合。
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缺氧诱导因子 HIF-1α 和 HIF-2α 的不同调节模式,图片来源:Nature Reviews Nephrology

人类和大多数脊椎动物物种都有两个 HIF-1α、HIF-2α 和 HIF-3α 旁系蛋白。
 
在大多数细胞和组织中,最丰富的二聚体分子伴侣是 HIF-1β,其失活导致 HIF 活性几乎完全丧失。在肾中,HIF-2α 在间质细胞、内皮细胞和肾小球中强烈表达,但在肾小管细胞中却不存在。HIF-1 和 HIF-2 均转导针对缺氧的正向转录反应,严重缺氧会更强烈地诱导 HIF-1α。
 
缺氧诱导因子(HIF)会激活一系列基因,这些基因通过反馈回路控制 HIF 通路的活性。调控模式包括通过 microRNA(miRNA)和反义转录物如 HIF1A 反义 RNA 2(HIF1A-AS2)下调 HIF-α、HIF 脯氨酰羟化酶(PHD2 和 PHD3)的转录诱导、HIF-3 抑制同工型的表达竞争与 HIF-1 结合的 α 亚基,以及可以调节 HIF 对染色质结合 DNA 中靶基因的结合或活性的组蛋白修饰酶。

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低氧基因调节的反馈机制,图片来源:Nature Reviews Nephrology

HIF 天冬酰胺基羟化酶
 
在第二种依赖氧气的控制机制中,另一种 HIF 羟化酶以天冬酰胺残基(HIF-1α 中的 Asn803;HIF-2α 中的 Asn851)为目标,通过羟基化引入一个极性基团,阻止了分子间的相互作用,因此阻止了相关 HIF 靶基因的转录激活。

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HIF 同工型表达谱和靶基因选择性。图片来源:Nature Reviews Nephrology

抑制羟基化后,缺氧诱导因子 HIF-α 同工酶的细胞类型特异性和组织特异性蓄积及其 DNA 结合选择性为 HIF-1 和 HIF-2 产生了截然不同的功能输出。
| HIF 同工型表现出组织特异性表达谱。
HIF-1α 在正常组织和细胞类型中广泛表达,而 HIF-2α 在正常组织中的表达仅限于内皮、肾、肠、肺、肝和颈动脉中的特定细胞。
| 许多机制介导 HIF 靶基因的选择性。
HIF-1 优先靶向启动子附近的位点以激活基因转录,而 HIF-2 与 DNA 的结合经常发生在启动子远端或增强子位点。
c | 表观遗传机制通过 DNA 甲基化或染色质状态改变来干扰 HIF/DNA 结合,从而定义针对缺氧的细胞特异性转录程序。
d | HIF 与其他转录因子合作,在特定位点结合并调节基因表达。
e | DNA 后结合机制,包括募集共激活因子如组蛋白乙酰转移酶 p300 来调节 HIF 转录活性。

弄清楚生物氧气感知通路,不仅在基础生命科学上有价值,还有望带来创新的干预或治疗方法。
 
比如倘若能通过调控 HIF-1 通路,促进红细胞生成,就有望治疗贫血,如抑制 HIF 脯氨酰羟化酶(PHD 抑制剂)活性的小分子有效地激活了 HIF 途径,目前正在后期临床试验中用于治疗肾性贫血。而干扰 HIF-1 的降解,则能促进血管生成,治疗循环不良。
 
另一方面,由于肿瘤的生成离不开新生血管,而 HIF-1 调控了包括 VEGF(能促进血管生成)的诸多关键基因,如果能降解 HIF 或相关蛋白,就有望抑制恶性肿瘤的发展。

促红细胞生成素在肾脏疾病中的作用
 
EPO 是 HIF 的靶基因,而 HIF 脯氨酰羟化酶抑制剂(激活 HIF)可以诱导 EPO 的产生。
 
然而,临床研究发现肾脏低氧细胞生物学领域中一些尚未解决的问题。尤其是,鉴于 HIF 激活途径高度复杂,是否实现 EPO 生成和促红细胞生成的相对选择性诱导以及是否实现相对选择性尚不清楚。

肾脏疾病中促红细胞生成素产生的消灭和再激活
 
肾间质成纤维细胞位于皮质 – 髓质交界处,产生的 EPO 足以维持正常的血细胞比容。
 
在肾脏疾病中,该过程失效,在贫血中,这些产生 EPO 的成纤维细胞的数量会增加,而且随着贫血或缺氧严重程度的增加,位于肾皮质表面的细胞会诱导更多 EPO mRNA 表达,而 EPO 的产生却没有随之增加。
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正常和患病肾脏中促红细胞生成素的调节,图片来源:Nature Reviews Nephrology
 
促红细胞生成素(EPO)是由皮质间质成纤维细胞在肾脏中产生的,称为肾生成 EPO 的细胞(REPC),其起源于 FOXD1 的表达所指定的谱系。
在示意图中,REPC 处于非活动状态(即不产生 EPO)时呈粉红色,而处于活动状态(即产生 EPO)时呈红色。为了应对日益严重的贫血或缺氧刺激,正常肾脏中活跃的 REPC 的数量从肾皮质的较深区域到较浅的区域逐渐增加。肾脏损伤导致 REPCs 发生表型改变,这些改变具有肌纤维母细胞样特征并降低 EPO 基因表达。
 
 
肾脏疾病中的 HIF 调节

关于肾脏疾病贫血治疗的大多数研究都试图使用 PHD 抑制剂以有效维持或增加血红蛋白水平。
 
该策略可以避免 EPO 水平过分升高,并限制 EPO 产生靶标器官外 HIF 激活的未知作用。但是,肾脏本身的所有细胞都必须接触该药物。
 
目前,除诱发 EPO 外,尚不清楚 PHD 抑制剂对肾脏的临床作用。
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HIF 在肾脏中的作用。图片来源:Nature Reviews Nephrology

肾脏内不同细胞中缺氧诱导因子(HIF)激活的潜在作用。

在不同的实验(主要是小鼠模型)中,以及对 HIF 调制的不同模式的响应中,HIF 激活对肾脏的影响包括可能有益和潜在有害的影响。

a | 去分化:例如,HIF-2 的慢性激活,损害肾祖细胞的分化,并且在早期病变中去分化的肾小管细胞中的 HIF 途径被激活 VHL 缺陷型肾癌的治疗。

b | 囊肿生长:在不同情况下,HIF-1 或 HIF-2 的激活可促进或限制囊肿的生长。

c | 促红细胞生成素(EPO)调节:通过激活 HIF-2 在肾间质成纤维细胞中诱导 EPO。

d | 肾小管保护:在急性肾损伤模型中,HIF 的遗传和药理学活化作用均可保护肾小管。

e | 肾小球肾炎。

| 炎症:肾内(足细胞)和 HIF-2 的一般活化均已报道可诱发肾炎。

g | 纤维化:据报道,在不同的环境中,HIF 的活化可改善或诱发肾脏的纤维。

 
结语
 
对细胞感应和响应氧气水平的机制的阐明为生物学和医学开辟了新领域。
氧气敏感信号相关的调节性双加氧酶和一系列转录因子以及 HIF 羟化酶途径的复杂性。缺氧信号传导领域始于研究肾脏产生 EPO 的领域,如今又重新聚焦于肾脏。
 
然而,究竟为什么在肾脏疾病中 EPO 不能产生,使用 PHD 抑制剂是否有可能选择性地激活患病肾脏中的 EPO 产生,PHD 抑制剂在刺激红细胞生成之外可能具有哪些作用以及哪些患者可能反应最佳,这些都是很大程度上未解决的问题。

原文链接:
https://www.nature.com/articles/s41581-019-0182-z
封面来源:Nature Reviews Nephrology 

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