HIF SUMO化在高原低氧适应的特征分析

　高原地区海拔3 000米以上的地区为低气压、低氧分压，易导致机体缺氧。从细胞和分子水平上来看，机体对缺氧的适应性反应是由氧感受器感受氧分压的下降开始，通过一系列的信号转导，最终激发相应低氧诱导适应性基因的表达，用以维持组织氧供并增强细胞在缺氧情况下的生存能力。其中，低氧诱导因子-1是这些基因表达的主要调控者[1]。小泛素类蛋白（small ubiquitin-related modifier，SUMO）能共价修饰该种蛋白质，并调节其功能和定位[2]。HIF SUMO化在高原低氧适应中作用报道不多，笔者在这方面进行了总结。
　　1?低氧诱导因子1（hypoxia inducible factor 1，HIF-1）
　　HIF-1是20世纪90年代初，在研究低氧诱导的促红细胞生成素（erythropoietin，EPO）基因表达时，从细胞核提取物中发现的，是一种关键的平衡氧稳态和调节缺氧反应的转录因子[3]。在细胞低氧应答反应中起核心作用，其中PHD-VHL-HIF 轴有细胞氧平衡中心调控者的作用[4-5]。
　　2?SUMO（small ubiquitin-related modifier）
　　蛋白质修饰在细胞行为和个体生理活动中起着极其重要的作用，相关研究是近年来生物医学研究的热点之一。泛素化修饰是最广泛的蛋白翻译后修饰之一，参与了包括蛋白转运、降解、细胞信号调控等诸多细胞生物学过程。细胞内蛋白质泛素化系统的调控和作用机制极为复杂，泛素连接酶底物的鉴定更是研究的关键点和瓶颈。泛素化与其他翻译后修饰间的相互调控也已成为当前生命科学的研究热点[6]。通过对SUMO蛋白3种亚型的研究，发现SUMO-1在哺乳动物的缺氧应激反应中有着重要的作用。本课题将重点围绕SUMO-1缺氧应激反应的机制来研究SUMO与高原低氧和HIF-1的关系。
　　3?SUMO化与高原低氧
　　SUMO是一类结构与泛素类似的小分子蛋白，底物分子与SUMO共价结合的过程叫做SUMO化（SUMOylation）。SUMO与泛素在氨基酸序列上虽然只有18%相同，但在二级结构上有惊人的相似。因此SUMO化与泛素化途径基本相似，不同的是，SUMO化本身是一个动态可逆的过程，它并不促使蛋白质降解，反而是加强蛋白质的稳定或调节蛋白在细胞内的定位和分布，以及影响蛋白质的转录活性[7]。
　　通过SUMO-1在细胞核内定位等方法，已有实验结果表明，低氧能够上调SUMO?1的表达[8]。而细胞对高原缺氧应激的直接反应之一是在细胞内积聚低氧诱导因子-1，由此猜想SUMO蛋白对HIF?1的表达具有调控作用。那么SUMO对HIF-1有怎样的调控作用，又是怎样发挥作用的呢？
　　4?SUMO化调控HIF?1稳定性及机制
　　目前发现，SUMO化可通过竞争性抑制泛素化通路，提高多种核内蛋白质的稳定性。HIF?1发生SUMO化的靶点在HIF-1α亚基的氧依赖降解区域（oxygen-dependent degradation domain，ODDD）的Lys391，Lys477，Lys532上。同时ODDD也是乙酰化和羟基化作用的靶点，经乙酰化和羟基化修饰后的HIF?1可被pVHL识别并经泛素?蛋白酶体途径完成降解。
5?SUMO对HIF转录活性的影响
　　薛庆於等[8]利用筛选和建立的稳定表达SUMO?1细胞系，通过低氧培养，证明了在低氧应激过程SUMO-1可以稳定或者上调HIF-1α。即应用一系列不同缺失突变体的VEGF?Luc报告质粒分别转染HEK293细胞、得到稳定表达GFP和GFP-SUMO-1的HEK293细胞，并进行低氧和常氧培养。在低氧应激培养条件下，SUMO-1可以明显上调HIF?1的转录活性，而且这种转录上调的机制是通过促进HIF-1与低氧反应元件（hypoxia response element，HRE）的结合产物。相反，在去SUMO化酶SENP1缺陷的 MEF细胞，低氧处理几乎不积累HIF-1α[13]。
　　通过研究催化SUMO修饰的酶来研究SUMO与HIF-1的内在关系， SUMO化是一个动态的过程，即由SUMO修饰所特异的E1，E2和E3酶来催化，可逆反应则由一组被称为SENP的SUMO特异性蛋白酶来完成[14-16]。至今已鉴定了6个存在于人体细胞中的SENP家族成员，每一个成员具有不同的细胞内定位和底物特异性[17]。虽然对其生化特性进行了大量研究，但SENP在参与的细胞生命活动过程中的作用并未十分了解。早前，有研究认为SUMO与大量底物（或者酶作用物）的结合可调节从酵母到哺乳动物的众多细胞反应过程。大多数SUMO靶位点在细胞核中，包括转录因子、转录调节因子和染色体重构因子，这些蛋白质经SUMO化修饰可以改变其在细胞的定位和生物学活性[18]。田华等[19]研究显示，在大鼠肺动脉中度缺氧暴露后的SUMO化HIF-1α，通过VEGF的HIF-1α靶基因的转录，改善缺氧引起的肺动脉高压。SUMO化调节HIF1α活性有利于创伤愈合中血管新生。
　　6?展望
　　低氧可以上调SUMO-1的表达，SUMO-1并不引起靶蛋白降解，而是通过翻译后修饰，保护蛋白免受泛素化降解、影响细胞内的定位和蛋白与蛋白之间的相互作用。由SUMO-1介导的HIF-1α的翻译后修饰，可以调控HIF-1α的稳定性，并参与细胞内信号通路的调节[20]。但这种增强通过何种机制实现，有待进一步研究。尽管关于SUMO化修饰对HIF?1α稳定性和转录活性的影响结果仍存在争议[21]，可以肯定的是：SUMO化可使HIF?1的转录活性发生改变。我国西藏高原地区，低气压、低氧分压，易引起人体缺氧，导致高原病发生。在高原适应者机体会出现无氧代谢能力增强、毛细血管数量和密度增加等一系列与低氧诱导因子激活有关的适应性改变。由于HIF-1生成减少或降解增加是许多高原病的产生的原因，在高原低氧适应中的作用巨大，深入研究SUMO与高原低氧和H IF的关系显得极为重要，HIF-1α SUMO化可能是治疗高原病的分子靶点。另外HIF-1与肿瘤的发生、发展密切相关，抑制HIF?1活性可能是治疗癌症的良策。相信对高原低氧、SUMO蛋白和低氧诱导因子关系的日渐阐明，将为认识低氧性疾病和肿瘤的机制及治疗提供新的观点和措施，为临床医学、高原医学和航天医学做出重要贡献。
　　[参考文献]
　　[1] 韦玮，张浩，毛建平，等.蛋白质SUMO化修饰研究进展[J].中国生物工程杂志，2008，28（7）：122-126.
　　[2] 田华，戴爱国.HIF-1α的可逆性SUNO化修饰[J].中国生物化学与分子生物学报，2009， 25（1）：1-6.
　　[3] 王海涛，方以群.缺氧诱导因子的研究进展[J].中华航海医学与高气压医学杂志，2006， 13（5）：312-315.
　　[4] 于杰淼，曹鹏，卢悟广，等.SUMO-BMP7融合蛋白的表达及纯化[J].药物生物技术，2009，16（3）：189-193.
　　[5] 刘建红，周志宏，欧明毫，等.低氧诱导因子-1与低氧训练[J].中国运动医学杂志，2003， 22（6）：600-602.
　　[6] 张梅.缺氧应激中SUMO-1的作用[J].医学研究与教育，2010，27（6）：75-78.
　　[7] 郭传家，李文军，王蕾，等.小泛素类蛋白对低氧诱导因子-1调控作用的研究进展[J].分子诊断与治疗杂志，2009，1（ 4）：279-282.
　　[8] 薛庆於，韩野，郭联和，等.SUMO-1在HIF-1/VEGF信号通路中作用[J].实用临床医药杂志，2010，14（13）：32-36.
　　[9] 罗晓红，闫兰.低氧诱导因子1α表达调控研究进展[J].预防医学情报杂志，2007，23（1）：57-60.
　　[10] 邹多宏.低氧诱导因子-1α的研究进展[J].国际口腔医学杂志，2010，37（3）：320-323.
　　[11] 胡明，肖新莉，刘勇.低氧诱导因子-1研究进展[J].医学综述，2006，12（21）：1283-1285.
　　[12] 叶晓峰，吴乔.类泛素蛋白——SUMO[J].细胞生物学杂志，2004，26（1）：10-14.
　　[13] Johnson ES. Protein modification by SUMO[J].Annu Rev Biochem，2004，73：355-382.
　　[14] Boggio R，Passafaro A，Chiocca ing SUMO E1 to ubiquitin ligases：a viral strategy to counteract sumoylation[J].J Biol Chem，2007，282：15376-15382.
　　[15] Camenisch G，Stroka DM，Gassmann M，et ation of HIF-1 DNA-binding activity limits hypoxia-inducible endothelin-1 expression[J].Eur J Physiol，2001，443：240-249.