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转录因子HIF-1α与口腔疾病关系的研究进展

      编辑:锦瑟       来源:口腔网
 

作者:余海波,郭庆圆,青岛大学附属青岛市市立医院口腔医学中心;袁晓,青岛大学附属医院口腔正畸二科

 

HIF-1α是目前发现的唯一一个特异性缺氧状态下发挥活性的转录因子,广泛存在于哺乳动物细胞中,其参与了多条细胞信号通路,是介导缺氧信号的转导中枢。研究发现,HIF-1α在动物心血管系统的生成、骨系统的发育和神经胚的形成过程中都有表达,可以调控细胞的生长、增殖、迁移和凋亡等过程,与人类多种生理、病理过程相关。然而对HIF-1α及其信号通路的研究,以往多体现在肿瘤方面,近期发现其对口腔某些疾病发生与发展意义重大。

 

1.HIF-1α与口腔扁平苔藓

 

口腔扁平苔藓(oral lichen planus,OLP)是一种与自身免疫相关的非感染慢性炎性疾病,其发病机制至今仍不明确。缺氧微环境在免疫炎性疾病发生发展中的重要性备受关注。有证据指出,缺氧微环境下OLP可能的发病机制主要包括抗原特异性和非特异性机制。抗原特异性机制包括T细胞活化后,引发基底角质细胞的抗原表达和凋亡,而非特异性机制有基质金属蛋白酶过度表达。

 

1.1调控T淋巴细胞代谢

 

由于OLP的最终病理改变为上皮基底细胞液化变性,棘层、基底层出现凋亡小体,固有层淋巴细胞带状浸润,因此,T淋巴细胞的改变和细胞凋亡在OLP的发病机制中一直受到重视。Wang等研究认为,CD4辅助性T淋巴细胞作为主要的淋巴细胞出现在局部病变的上皮层和固有层中。Th1、Th2等辅助型T淋巴细胞亚型代谢不平衡是OLP复杂的细胞因子免疫调节网络中重要一环节。由上皮内CD8细胞毒性T细胞引发的角质细胞凋亡可导致OLP上皮基底膜破坏,从而进一步促进炎症的发展。

 

Westendorf等在HIF-1α基因缺乏的T淋巴细胞发现促进核心炎症因子NF-κB的过表达。同时局部低氧状态可以作为CD4辅助性T淋巴细胞应答的局部调制器,从而影响炎症相关疾病的免疫监视。

 

1.2参与基底膜降解反应

 

在OLP中基底膜的损伤是由蛋白酶所介导的,如基质金属蛋白酶(MMPs)和肥大细胞类糜蛋白酶。其中基质金属蛋白酶(MMPs)是一种蛋白酶超家族,其降解几乎所有细胞外基质和基底膜成分。MMP及其内源性组织抑制剂(TIMPs)之间平衡失调,MMP降解作用增强,引起基底膜损伤。OLP中的角化细胞需要由基底膜衍生的细胞生存信号来阻止细胞凋亡的发生。因此,角化细胞凋亡可能是在基底膜损伤断裂后发生的。凋亡角化细胞失去了分泌基底膜结构蛋白的能力,因此无法在OLP的基底膜损伤后进行修复。

 

Chang等研究表明MMP-9是HIF-1α的下游因子之一。当MMP-9因子被激活后,会降解基底膜蛋白成分,并促进细胞侵袭过程。据此推测缺氧微环境HIF-1α/MMP-9信号通路参与OLP基底细胞液化变性。

 

2.HIF-1α与颌骨骨形成、骨改建

 

研究发现,VEGF是HIF-1α下游的转录因子,其在血管生成过程有着关键作用。在颌骨发育和再生过程中,骨的形成与血管生成密切相关,成骨核心因子1(Runx2/cbfa1)过表达时,会刺激VEGF的转录及表达。这些研究证实了,HIF-1α参与缺氧诱导成骨分化这一过程。然而,其作用机制仍然存在争议。

 

最近的一项研究认为,Twist是HIF-1α的下游基因,在骨髓间充质干细胞成骨分化过程中,作为转录因子Runx2的抑制因子,可以直接绑定在1型Runx2启动子上,从而抑制T1Runx2的表达,然后是抑制BMP2和2型Runx2的表达。这也为解释缺氧抑制骨形成作用提供了一种新的分子机制。然而一些研究对此有不同的看法。Zou等发现BMSCs中过表达HIF-1α可以修复改善骨缺损,包括骨体积增大,矿物质密度,血管数量和血管体积等增加。HIF-1α能够促进体内BMSCs血管生成和成骨过程。此外,成骨细胞分化可分为细胞增殖、基质成熟和矿化三个阶段,低氧对骨形成的影响各阶段不一样。

 

在骨的早期阶段,缺氧通过HIF-1α-Twist1通路促进成骨细胞分化。而缺氧的晚期则明显抑制了体内的骨形成。显然,形成这些争议的原因为实验细胞种类不同,成骨细胞各分化阶段影响也不同,以及设计不同的氧气浓度而形成的低氧环境。

 

3.HIF-1α与口腔肿瘤

 

HIF-1α在缺氧条件下广泛存在于人和动物的肿瘤细胞内,是目前发现的唯一介导缺氧适应性反应的转录因子,其对下游靶基因的表达调控广泛,影响着口腔恶性肿瘤的发生发展、治疗和预后,现已成为口腔恶性肿瘤研究领域的重要热点之一,其中与肿瘤有密切关系的基因蛋白产物如下。

 

3.1与血管生成相关的因子

 

Kyzas等认为在头颈部鳞状细胞癌中存在HIF-1α诱导血管形成这一信号通路。肿瘤中局部血管的形成是肿瘤生长最基本的代谢活动之一,血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)在原位肿瘤的转移与扩散过程中起着关键性作用。另外有研究表明,其他一些途径,如通过炎症因子COX-2介导的前列腺素通路可以促进VEGF表达,也可以为VEGF的产生提供服务,并导致肿瘤血管生成,而低氧诱导的VEGF过度表达只是其中之一。此外,大量生长因子,如纤维母细胞生长因子(FGF)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、角化细胞生长因子(KGF)、白细胞介素1和6、一氧化氮(NO)通过正反馈环,似乎也诱导VEGF产生。

 

3.2与肿瘤侵袭和转移相关的因子

 

肿瘤细胞的恶性程度与其侵袭转移能力密切相关,在癌症转移过程中,HIF-1α调控相关基因促进血管生成、侵袭和上皮间质转化(epithelia-mesenchymaltransition,EMT),而这些是肿瘤转移的关键步骤。首先HIF-1α/VEGF通路可以增加淋巴管及血管新生,为肿瘤细胞的侵袭转移创造条件。而且,Yang等也发现在头颈部原位鳞状细胞癌的患者中,HIF-1α,Twist等因子与肿瘤的转移密切相关,并且证实了HIF-1α/Twist信号通路参与了口腔肿瘤的发展与转移。此外,HIF-1α还可以调节与肿瘤细胞侵袭相关基因的表达。如Matsubara等得出缺氧参与恶性肿瘤侵袭与转移的一个重要机制就是对肿瘤细胞上皮间质转化的调节作用。EMT是一个复杂的过程,最终可使细胞获得移动性,离开原始部位,向远处迁移扩散。

 

3.3与肿瘤增殖、凋亡及预后相关因子

 

HIF-1α对缺氧环境中的肿瘤细胞具有双重调控作用:既有抑制凋亡促进细胞增殖作用,又有促进细胞周期停止、诱导细胞凋亡的作用。Fei等的研究结果表明,HIF-1α和VEGF在血管瘤增殖阶段的表达升高。而且,HIF-1α信号通路介导下调Bcl-2和CyclinD1的表达和促进p53的表达。而这些因子在血管瘤细胞凋亡中起着重要作用。一般来说,内源性低氧标志物(EMH),如HIF-1α,HIF-2α,CA-IX等,这些生物标志物的表达与更差的生存率有关,几乎与所提供的治疗方式无关。因此,在头颈部肿瘤患者中,EMH的过表达可能导致较差的预后效果,而缺氧的这一环境因素在此过程至关重要。

 

4.HIF-1α与牙周炎

 

慢性牙周炎的特点是牙周支持组织的慢性炎症、渐进性的连接丧失和牙槽骨破坏。近期研究证明低氧情况下,HIF-1α可能通过多条信号通路发挥促炎作用、诱导细胞自噬和凋亡,并在牙周炎的发生发展及预后中发挥重要作用。

 

4.1促炎作用

 

Golz等证实牙周炎组织中,炎症核心因子NF-κB活跃并广泛分布在核深染的内皮组织中,同时当其侵润免疫细胞就代表着炎症进行到晚期阶段。牙周炎中不可逆转的破坏可能是由于过度缺氧和病原体诱导并激活NF-κB因子及其下游相关炎症因子的表达。另有研究表明,炎性细胞的浸润会极大地增加氧气的消耗。而在来源于炎症牙周组织的成纤维细胞中,HIF-1α会应急性过表达从而刺激纤维母细胞增殖,以应对低氧状态。在牙周组织中,HIF-1α介导的低氧反应可以作为炎症的一种反馈机制。

 

4.2诱导细胞自噬和凋亡

 

低氧诱导成骨细胞凋亡依赖于细胞的糖酵解活性。根尖周病灶的发展与HIF-1α的稳定性及成骨细胞的糖酵解和凋亡有关。人类成骨细胞处于低氧环境时,炎症调节因子SIRT6表达降低。其可以通过抑制成骨细胞的糖酵解和细胞凋亡来缓解其周围的病变。另外,自噬在慢性炎性疾病(如牙周炎)中起着重要的作用。自噬的诱导可以反映细胞通过移除受损细胞器进行自我修复的尝试,以防止细胞死亡,并保护机体免受炎症过程的影响。HIF-1α能以不同的方式影响牙周组织细胞的自噬和凋亡,参与牙周炎时的组织破坏并维持细胞存活,这对牙周炎的发生发展具有重要意义。

 

4.3影响牙周炎发生发展及预后

 

根据免疫组化分析,在慢性间歇性缺氧的情况下,牙周炎大鼠体内成骨相关因子RUNX2和MDM21的表达减少,加重牙槽骨的吸收,加速牙周炎发展。有报道指出HIF-1α/VEGF信号通路对成骨细胞和破骨细胞的作用,可以调节体内骨的代谢平衡,并影响牙周炎的发展进程。此外,缺氧能影响牙周组织中炎症关键因子NF-κB和骨保护素(osteoprotegerin,OPG)的表达,两者在骨吸收代谢中特别重要。而且牙周组织缺氧可能会加速牙周炎的发展并影响预后。

 

综上所述,HIF-1α不仅出现在肿瘤细胞中,同时也证明其参与扁平苔藓、颌骨骨形成、骨改建,牙周炎等口腔疾病的生理病理过程。了解HIF-1α在口腔疾病中的关键作用,可为研究人员提供新途径,并有助于阐明如何利用HIF-1α作为治疗靶点的各种开放性问题。

 

来源:余海波,袁晓,郭庆圆.转录因子HIF-1α与口腔疾病关系的研究进展[J].临床口腔医学杂志,2018,34(02):125-127.

 

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