【摘要】 在探讨高原群体缺氧耐受机制时，许多与缺氧耐受相关的功能基因的研究迅速发展起来，缺氧诱导因子-1α(HIF-1α)及内皮型一氧化氮合酶(NOS3)是其中的两个重要基因。目前一些研究表明在高原缺氧适应中这些基因发挥着重要的作用。本文对HIF-1α和NOS3的研究进展进行综述，旨在初步探讨其与高原缺氧适应及其它疾病的相关性，为以后进行前瞻性研究提供基础资料。
【关键词】 缺氧诱导因子-1α; 内皮型一氧化氮合酶; 进展
Abstract: Many research about the functional genes related to hypoxia tolerance have developed rapidly with the study of the mechanism of high altitude hypoxic tolerance. For example， hypoxia-inducible factor-1α (HIF-1α) and endothelial nitric oxide synthase (NOS3) are the two major genes. At present， some studies have shown that these genes play an important role in high altitude adaptation. In this paper， we reviewed the research progress of HIF-1α and NOS3 to investigate the relationship between the high altitude adaptation and some diseases， and provide the basic information for future prospective studies.
Key words: hypoxia inducible factor-1α; endothelial nitric oxide synthase;advancement
研究显示缺氧诱导因子-1α(HIF-1α)及内皮型一氧化氮合酶(NOS3)基因参与、调控许多疾病，特别是高原病的病理生理过程。随着遗传学和分子生物学技术的发展，对疾病的病因研究进入分子阶段，确定疾病的基因基础成为国内外研究的热点。在研究高原缺氧适应的众多候选基因中，因缺氧诱导因子-1α及内皮型一氧化氮合酶在疾病的发生、发展、转归中所起的重要作用而倍受重视。本文就缺氧诱导因子-1α及内皮型一氧化氮合酶目前的相关研究进展作一综述。
1 缺氧诱导因子-1α(HIF-1α)
1.1 概述
缺氧诱导因子(hypoxia inducible factor，HIF-1)是哺乳动物和人体细胞内存在的一类介导缺氧适应性反应的非常重要的转录调节因子，是在研究缺氧诱导的促红细胞生成素(EPO)基因表达时，在细胞核抽取物中发现的参与氧稳态失衡调节的一个核心因子[1]。1992年Samenza和Wang最先发现其是由一个α亚单位(HIF-1α)和一个β亚单位(HIF-1β)构成的异源二聚体。
HIF-1α(hypoxia inducible factor-1α)是HIF-1的功能性亚基，在常氧条件下，HIF-1α亚基在不断合成的同时，又不断经泛素—蛋白酶小体途径水解，一般很少检测到[2]。缺氧条件下，HIF-1α降解受阻，细胞浆内积聚增多，向细胞核内转移，与HIF-1β结合成HIF-1分子。只有α亚基和β亚基聚合，HIF-1才具有活性，发挥其转录调控作用。
许多研究都表明HIF-1在缺氧应激中担任重要角色，调控包括促红细胞生成素(EPO)、血管内皮生长因子(VEGF)、诱导型一氧化氮合酶(iNOS)等等一系列缺氧诱导基因，并与这些缺氧反应靶基因上的特定结合部位—缺氧反应元件(HRE)结合，从而启动靶基因的转录表达，这些靶基因的表达产物分别涉及红细胞的生成、能量的代谢、血管发生塑型及收缩反应等方面缺氧反应的调节。缺氧时HIF-1α表达的增加，导致了HIF-1调控基因的转录激活，导致细胞对缺氧应激的耐受[3]。
多数研究显示，在慢性缺氧情况下，HIF-1α在机体对缺氧的适应过程中发挥了相当积极的功能，但是HIF-1α的快速上调也是细胞遭受严重性损伤的一个重要信号。于如同[4-5]等的实验表明，大鼠颅脑创伤后继发性脑组织缺血、缺氧可引起细胞凋亡，HIF-1α对细胞凋亡有促进作用。Stefanie K[6]等研究表明，在缺氧条件下，肺泡上皮Ⅱ型(AT II)细胞的凋亡作用和HIF-1α表达被增强有关。
1.2 HIF-1α基因结构及其多态性
HIF-1α位于人第14号染色体上(14q21-14)，包含15个外显子，14个内含子，编码826个氨基酸。已发现HIF-1α基因中外显子12的1772C/T突变、1790G/A突变和内含子7的958C/G突变3个单核苷酸多态性。
1.3 HIF-1α与相关性疾病
2003 年Semenza GL的文献中指示HIF-1是细胞缺氧状态下稳定表达的中心调节因子，可在转录水平调控诸多靶基因的表达，导致细胞对缺氧应激的耐受。
2007 年刘坤祥等人的研究表明了HIF-1α的G1790A基因型的GA基因型可能与藏族人群适应高原低氧有关。
Chavez jc[7-8]等研究大鼠在慢性缺氧适应过程中大脑HIF-1α表达情况时观察到，缺氧时HIF-1α表达的增加导致了HIF-1调控基因的转录激活。
Takeshi[9]等的实验也表明，HIF-1α可以增强HIF-1介导的血管内皮生长因子(VEGF)基因的转录活性，刺激血管生成，并明显加速血管的生长，增强肿瘤的血管化作用，加快肿瘤细胞生长和向周围组织的浸润扩散。Semenza GL[10-12]等的研究表明抑癌基因VHL和p53的突变或抑制可以明显提高HIF-1α在肿瘤缺氧环境中的表达，阻断HIF-1α经泛素——蛋白酶小体途径的降解。
Stoehzing O[13]等研究也表明，对HIF-1α的抑制能够损害胃部肿瘤的生长、血管的发生和成长。然而，Levy等和Forsythe等[14-15]的研究结果与之相反。
2 内皮型一氧化氮合酶(NOS3)
2.1 概述
一氧化氮合酶(nitric oxide synthase，NOS)是一氧化氮(nitric oxide，NO)合成的限速酶，NO是一种半衰期很短的自由基分子，在许多生物反应和信号传导途径中发挥重要作用[16]。NO是一种半衰期很短的自由基分子，在许多生物反应和信号传导途径中发挥重要作用，信使作用最经典的例子是在血管壁NO从上皮细胞弥散到血管壁平滑肌细胞，激活此处的鸟苷酸环化酶，引起血管平滑肌细胞松弛，血管舒张，还可以抑制血管平滑肌细胞增生和血小板聚集，影响血流等[16]。
NOS是血管控制器，有研究发现NOS代谢产物的减少与高原肺水肿有关。人类有三种NOS：内皮型NOS(endothelial nitric oxide synthase，eNOS or NOS3)、神经型NOS(neural nitric oxide synthase，nNOS)和诱导型NOS(inducible nitric oxide synthase，iNOS)。NOS3和nNOS都是Ca++和钙调节蛋白依赖的，在Ca++浓度增高时被激活。生理状态下，NOS3和nNOS可在短时间内按机体的需要，产生一过性、少量的NO脉冲释放;相反，iNOS基因只在细胞活化后表达，NO的产量也较大，而且，在病理状态下，iNOS的表达不受限制[17]。
2.2 NOS3基因结构及其多态性
NOS3位于人类第7号染色体长臂(7q35-36)，有26个外显子，25个内含子，全长21kb，编码1203个氨基酸。目前已知的多态性位点有：4个单核苷酸多态性(启动子区域转录起始点上游-786的T/C突变、内含子18的A/C突变、内含子23的G/T和外显子7的G/T突变)、内含子4的27bp可变数目串联重复序列(VNTR)和内含子13的CA重复多态性。
2.3 NOS3与相关性疾病
1993 年Marsden等首次报道第7外显子的G894T的替换可导致编码第298位的谷氨酸(Glu)被天冬氨酸(Asp)替换，可能因此影响NOS3活性而影响NO的合成，使血管阻力增加，引起血压升高。
1998 年Ahsan A等人证实，NOS基因多态性与血浆NO的高水平与适应高原环境有关。
2002 年Veldman B[23]等研究表明Glu298Asp基因多态性与基础NO生成有关，带有一个Asp等位基因，基础NO生成减少，可能是NOS3基因多态性与原发性高血压相关的理论基础。
2004 年徐新娟等人研究指出了NOS3基因G894T多态性可能与新疆巴里坤哈萨克族男性高血压有关。
2007 年Belinda Spoto等的研究指出了NOS3基因与进行透析治疗病人的颈动脉粥样硬化有关，而且可能基因的独立作用并不受其它因素的影响。
2008 年Iftikhar J. Kullo等的研究指出了NOS3基因多态性与踝臂指数(ABI)之间存在着显著关系，可作为外周血管疾病的一个非侵袭性的预测指标。
这些NOS3基因所参与的病理因素的存在与表达，对低氧状态下机体的适应反应可能产生不同的影响[18-21]。
3 结束语
以上对HIF-1α和NOS3从基因结构、基因多态性及其与相关性疾病的关系等几个方面进行了概述。从以往研究来看，主要是对慢性缺氧条件下HIF-1α和NOS3在机体内的表达及相关生理、病理作用的探讨，而对于急性肺损伤造成的机体缺氧环境和低压缺氧(甚至真空)环境下，HIF-1α和NOS3在机体内的表达及作用的研究较少。2002 年 Schroedl C等[22]研究结果显示，低氧(1.5%O2，93.5%N2和5%CO2)条件下，对HIF-1α的稳定非常重要;相反，无氧(85%N2，10%h3和5%CO2)条件下，却与线粒体相关信号系统无任何关系。他们推测，无氧条件下的HIF-1α的稳定发生在缺失细胞内信号的脯氨酸羟基化作用的上游区。相关研究表明NOS3存在于内皮细胞，调节血流，正常冠状动脉的NO主要由NOS3产生。在低氧时，血管内皮细胞功能障碍导致NOS3受抑制，HIF-1α的表达增加，导致HIF-1调控的iNOS基因的转录激活，而激活的iNOS基因可能成为血管壁生物活性NO的主要来源。因此，提示在高原缺氧环境下，NOS3与HIF-1α存在协同作用，在缺氧适应中可能发挥重要作用，但要最终确定某个基因参与缺氧适应的过程还需要设计良好的大样本的重复实验。
当今高原医学研究的发展趋势就是将组织水平的研究深入到分子水平，从根本上阐明低氧适应的机制。但至今还没有发现生活在高原的人群具有特殊的直接与高原适应有关的基因。利用分子生物学与生物信息学技术与方法，研究与寻找高原低氧适应基因，有可能为揭示高原低氧适应的机制提供重要线索。深入对HIF-1α和NOS3的研究，有助于阐明劳动力受限因素及高原病病理生理及防治对策，为明确某些高原性疾病如：高原性肺水肿的发病机制及探索新的治疗途径有重要的意义。
参考文献
1] Hirota K. Hypoxia—inducible factor 1，a master transcription factor of cellular hypoxic gene expression[J].Journal of Anesthesia，2002，1 6：150-159.
[2] Michel G，Minet E，Ernest I.Molecular modeling of the Theoretical Chemistry Accounts[J].ethypoxia—inducible factor 1(HIF一1)，1999，101：51-56.
[3] Santhosh MB，Arijit R，Anil MM，et al.Effects of hypoxia and intracellular iron chelation on hypoxia—inducible factor 1 a and 1 b in the rat carotid body and omus cells[J].Histochem Cell Biol，2003，120：343-352.
[4] Kuo NT，Benhayon D，Przybylski RJ，et al.Prolonged hypoxia increases vascular endothelial growth factor mRNA and protein in adult mouse brain[J].J Appl Physiol，1999，86(1)：260-264.
[5] 于如同，高立达，官鹏，等.颅脑创伤后缺氧诱导因子-1 表达及其对细胞凋亡的调控作用[J].中华实验外科杂志，2002，19：15-17.
[6] Stefanie K，Bastian GE，Jrrg H，et al. Role of hypoxia inducible factor 1 d in hypoxia—induced apoptosis of primary alveolar epithelial type II cells[J]. American Journal of Respiratory Cell and Molecular Biology，2005，32：395-403.
[7] Chavez JC，Agani F，Pichiule P，et al. Expression of hypoxia—inducible factor1 a in the brain of rats during chronic hypoxia[J].J Appl Physiol，2000，89：1937-1942.
[8] Kuo NT，Benhayon D，Przybylski RJ，et al.Prolonged hypoxia increases vascular endothelial growth factor mRNA and protein in adult mouse brain[J].J Appl Physiol，1999，86(1)：260-264.
[9] Takeshi M ，Tatsuya A，Jian Liang W ，et al.Hypoxia—inducible factor一1а DNA induced angiogenesis in a rat cerebral ischemia mode1[J]. Neurol Res，2005，27：503-508.
[10] Maxwell PH，Wiesener MS，Chang GW ，et al.The tumor suppressor protein VHL targets hypoxia- inducible factors for oxygen--dependent proteolysis[J].Nature，1999，399：271-275.
[11] Semenza GL.Hypoxia，clonal selection，and the role of HIF一1 in tumor progression[J].Crit Rev Biochem Mol Biol，2000，35：71-103.
[12] Kerbel RS.Tumor angiogenesis：past， present，and the near future[J]. Carcinogenesis，2000，21：505-515.
[13] Stoehzing O，McCany MF，Wey JS，et al.Role of hypoxia—inducible factor 1 d in gastric cancer cell growth，angiogenesis，and vessel maturation[J].J Natl Cancer Inst，2004，96：946-956.
[14] Levy AP，Levy NS，Wegner S，et al.Transcriptional Regulation of the rat vascular endothelial growth factor gene by hypoxia[J].The Journal of Biological Chemistry，1995，270：13333-13340.
[15] Forsythe JOA，Bing—hua J，Narayan VI，et al.Actiation of vascular endothelial growth factor gene transcription by hypoxia—inducible factor 1[J].Molecular and Cellualr Biology，1996，16：4604-4613.
[16] 高峰，马新亮，Cheng-yongjian.学术思想才是第一位的：一氧化氮发现的故事及启示[J].生理科学进展，1999，30：184-189.
[17] Everson WV，Smart EJ.Influence of caveolin，cholesterol，and lipoproteins on nitric oxide synthase：implications for vascular disease[J].Trends Cardiovasc Med，2001，11(6)：246-250.
[18] Torreilles J. Nitric oxide:one of the more conserved and widespread signaling molecules[J]. Front Biosci，2001，6：D1161-1172.
[19] dela Torre JC， Stefano GB.Evidence that Alzheimers disease is a microvascular disorder：the role of constitutive nitric oxide[J].Brain Res Rev，2000，34(3)：119-136.
[20] Laroux FS，Pavlick KP，Hines IN，et al.Role of nitric oxide in inflammation[J].Acta Physiol Scand，2001，173(1)：113-118.
[21] Albert van der Vliet，Jason P Eiserich and Carroll E Cross. nitric oxide:a pro-inflammatory medicator in lung disease[J]. Respirotory Research，2000，1(2)：67.
[22] Schroedl C，McClintock DS，Budinger S，et al.Hypoxic but not anoxic stabilization of HIF一1 d requires mitochondrial reactive oxygen species[J].Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol，2002，283：L922-931.
[23] Veldman B， Spiering W，Doevendnas P， et al.The Glu298Asp poLymorphism of the NOS 3 gene as a determinant of the baseline production of nitric oxide[J].J Hypertens， 2002，20(10):2023-2027.