低氧诱导因子-1α与骨质疏松

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第一作者：蔡婧（1987-），女，在读硕士，主要从事骨质疏松、甲状腺相关疾病、糖尿病及相关并发症的研究。

1992年，Semenza 等〔1〕首先发现低氧诱导因子（HIF ），它作为组织细胞低氧状态下调节氧稳态的核转录因子，在低氧信号转导过程中起重要作用。

HIF 包括三种亚型（HIF-1，HIF-2和HIF-3），哺乳动物对低氧的适应性反应主要表达为HIF-1。

HIF-1是由HIF-1α和HIF-1β两个亚基组成的异源二聚体，其活性主要由HIF-1α亚基决定，HIF-1α对氧的依耐性较强，仅在缺氧条件下存在。

近年来有研究表明成骨细胞和破骨细胞属于氧感应细胞〔2〕，低氧是参与调控骨改建（重建）/骨转换的因素之一，由此推测HIF-1α对骨质疏松的发生发展可能起了一定的调控作用。

1概述1.1HIF-1α的结构HIF-1α为氧调节蛋白，是碱性螺旋环螺旋/PAS （basic Helix LoopHelix-Per /ARNT /AhR /Sim ，bHLH-PAS ）蛋白家族成员之一。

人体内HIF-1α基因位于14号染色体（q21-24），含有826个氨基酸。

HIF-1α的N 端有bHLH 和PAS 结构域，负责与HIF-1β形成异二聚体，并与DNA 上顺式反应元件结合；HIF-1α的C 端有2个反式激活结构域（TAD ），分别称为TAD-N （aa531-575）和TAD-C （aa786-826），TAD-C 可直接或间接与转录起始复合物反应影响基因转录；在TAD 之间（aa576-785）为抑制结构域（ID ），可抑制常氧条件下的反式激活作用，TAD-N 、TAD-C 和ID 三者共同作用决定了氧调节的稳定性和蛋白的转录活性〔3〕。

HIF-1α结构中还存在氧依赖的降解结构域（ODDD ），其结构域中有2段富含脯氨酸（P ）、谷氨酸（E ）、丝氨酸（S ）和苏氨酸（T ）的氨基酸序列。

此外，HIF-1α有2个核定位信号（NLS ），分别位于N 端的aa17-33和C 端的aa718-721，低氧时，C 端的NLS 在介导HIF-1α进入细胞核的过程中起着关键作用〔4〕。

1.2HIF-1α的生物学特性HIF-1α在人体内多个脏器均有表达，其生物学活性主要取决于α亚基的蛋白质水平及其活性〔1〕。

常氧条件下，当环境氧浓度超过5%时，脯氨酰羟化酶（PHD ）作用于ODDD 中的脯氨酸残基，促进HIF-1α迅速被降解，使其半衰期不足10min 。

在缺氧环境下，HIF-1α的降解受到抑制，半衰期相应延长，完成核转位过程，即在胞质中聚集并转移到细胞核中与HIF-1β结合形成二聚体，再作用于靶基因，启动其表达〔5〕。

目前国内外研究已发现有100多种HIF-1α的靶基因，主要有以下几类：①血管相关性基因：主要有血管内皮细胞生长因子（VEGF ），低氧环境下，HIF-1α作用于VEGF ，使其表达增加，促进血管内皮细胞增殖分化，从而改善组织供血和低氧状态；②葡萄糖及能量代谢相关性基因：包括醛缩酶A 、糖酵解酶-11等，主要在缺氧环境下启动糖酵解途径，维持细胞的生存代谢；③细胞增殖相关性基因：主要有胰岛素样生长因子（IGF ），成纤维细胞生长因子（FGF ）等，通过激活促分裂原活化蛋白激酶（MAPK ）等途径促进细胞增殖。

此外HIF-1α还可作用于促红细胞生成素、细胞凋亡蛋白酶等，对细胞生成和凋亡的调控发挥重要作用〔6〕。

2HIF-1α与骨代谢人体内骨骼是拥有丰富血管的组织，其血供占心输出量的10%左右〔7〕。

在骨发育过程中，骨组织的血管化具有重要的作用，只有当血管形成，才能在成骨部位出现成骨细胞和破骨细·147·蔡婧等低氧诱导因子-1α与骨质疏松第3期胞的前身细胞；同时血液提供骨形成所必需的氧，当骨组织血供不足时，其氧分压也会相应降低，从而诱导HIF-1α的表达，调节骨组织的耐氧适应性反应。

2.1HIF-1α与成骨细胞成骨细胞是骨形成的主要功能细胞，负责骨基质的合成，分泌骨钙素（OC ）、骨保护素（OPG ）、碱性磷酸酶（ALP ）等骨形成过程中的重要细胞因子和酶类，从而诱导新骨形成。

成骨细胞位于骨小梁的表面，对骨组织氧压力的变化最敏感。

低氧环境下，骨组织内HIF-1α的表达增加，在细胞核内与HIF-1β形成聚合体，成骨细胞内含多种VEGF 受体，聚合体作用于VEGF 靶基因，诱导VEGF 与其受体结合，增强成骨细胞移动和分化功能；VEGF 可直接作用于成骨细胞，增加其化学趋向性，促进其增殖、分化，并促进血管形成，重建血运，提供养分，使软骨内成骨作用增强，同时还可作为旁分泌或自分泌因子与其他骨生长因子共同参与骨形成〔8，9〕。

Liu 等〔10〕在体外实验研究表明，低氧环境下，成骨细胞中HIF-1α及其下游基因VEGF 在mRNA 和蛋白水平增加，并能有效地促进成骨细胞的增殖和矿化。

Wang 等〔11〕将小鼠HIF-1α的上游调控基因vHL 敲除后，其蛋白产物pVHL 失活，导致HIF-1α表达上调，体内骨形成受到明显抑制，同时小鼠成骨细胞VEGF 的表达随着HIF-1α表达增加而增加，由此提示HIF-1α在骨形成偶联血管生成的过程中起着重要的调控作用。

RunX2又称为核心结合因子a1（Cbfa1），是骨髓间充质干细胞（MSCs ）向成骨细胞分化的特异性转录调节因子，能上调前成骨细胞、软骨细胞中各种矿化相关蛋白基因的转录，使MSCs 向成骨细胞方向分化，是骨形成过程中最具特异性的标志基因〔12〕。

Zheng 等〔13〕通过动物研究证实Cbfa1/RunX2在间充质干细胞向成骨细胞方向分化的过程中起重要的调节作用。

低氧时，随着HIF-1α的表达逐渐增加，Cbfa1/RunX2的表达也逐渐增高〔10〕，从而促进成骨再生反应，但过量表达的Cbfa1/RunX2反而可抑制成骨细胞的成熟，造成骨量减少〔14〕。

此外，有研究表明VEGF 能调控Cbfa1/RunX2的表达，促进成骨细胞分化〔15〕，抑制其凋亡〔16〕。

同时Glotzer 等〔17〕的研究也表明在软骨内骨化过程中，Cbfa1/RunX2能调控VEGF 的表达，两者相互作用，从而影响成骨细胞的成骨功能。

ALP 是反映成骨细胞分化早期的标志物之一，骨钙素主要在矿化期出现，是成骨细胞成熟的标志，二者在一定程度上可反应成骨细胞分化的程度和成骨功能的表达。

有研究表明〔10，18〕，HIF-1α基因敲除后，小鼠体内ALP 和OC 的表达降低，而vHL 基因敲除后，由于HIF-1α蛋白的表达升高，ALP 及OC 的表达也随之升高，由此可推断，HIF-1α在骨的发生、形成、矿化以及塑形改建过程中，对成骨细胞的发育和分化有重要的调节作用。

2.2HIF-1α与破骨细胞破骨细胞是骨细胞的一种，黏附在旧骨区域，分泌酸性物质溶解矿物质，分泌蛋白酶消化骨基质，形成骨吸收陷窝，之后成骨细胞移行至被吸收部位，发挥其作用。

破骨与成骨过程的平衡是维持正常骨代谢的关键。

目前已证实肿瘤坏死因子受体家族的NF-κB 受体活化因子配体（RANKL ）和骨保护素（OPG ）在破骨细胞分化调节中起着重要的作用。