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分子细胞。作者手稿；PMC 2011年7月26日发布。
以最终编辑形式发布为：
分子细胞。2010年10月22日；40(2): 294–309.
数字对象标识：2016年10月10日/j.molcel.2010.09.022
预防性维修识别码：PMC3143508型
美国国立卫生研究院：美国国家卫生研究院311249
PMID：20965423

低氧诱导因子与低氧应激反应

阿马尔·马赫蒙达尔,1,* 威海·J·王,1,*和M.塞莱斯特·西蒙1,2
作者信息 版权和许可信息 PMC免责声明

摘要

氧气（O2)是一种重要的营养素，是细胞代谢和生物能量学的关键底物。在各种生理和病理状态下，生物体遇到的氧不足2可用性或缺氧。为了应对这种压力，进化上保守的反应被参与进来。在哺乳动物中，低氧应激的主要转录反应由低氧诱导因子（HIF）介导。虽然HIFα亚基通常由脯氨酰羟化酶域相关酶（PHD）调节，但它对许多其他因子（包括抑制因子HIF-1α（FIH1）、sirtuins和代谢物）有复杂的反应。这些转录因子在正常组织稳态中发挥作用，并影响疾病进展和恢复的关键方面。基础HIF生物学的见解正在转化为针对HIF途径的药物。

介绍

需氧生物需要氧气（O2)产生能量。因此，O2剥夺会给活细胞带来巨大压力。O（运行）2剥夺也与自由基的不适当积累有关，自由基会对细胞内的蛋白质和DNA造成额外的压力。低O时2因此，在缺氧条件下，细胞会激活许多适应性反应以匹配O2提供代谢、生物能量和氧化还原需求。细胞在细胞周期中暂时停止，减少能量消耗，并分泌生存和促血管生成因子。这些事件由各种细胞途径协调，包括未折叠蛋白反应、mTOR信号和缺氧诱导因子（HIF）的基因调节。HIF最初被认为是促红细胞生成素（EPO）生成的调节器，被认为是低氧应激转录反应的关键调节器。除了在细胞应激反应中的适应性功能外，最近的研究还揭示了HIF在生理和病理过程中的重要作用。

HIF是由O组成的专性异二聚体2-不稳定的α亚基和稳定的β亚基。哺乳动物具有三种HIFα亚型，其中HIF1α和HIF2α（也称为EPAS1）在结构上最相似，特征也最明显。HIF3α（或IPAS）以多剪接变体的形式存在，其中一些以显性负向方式抑制HIF1α和HIF2α的活性（在Kaelin和Ratcliffe，2008年). HIF1α在所有细胞中普遍表达，而HIF2α和HIF3α在某些组织中选择性表达，包括血管内皮细胞、II型肺细胞、肾间质细胞、肝实质细胞和髓系细胞（见Bertout等人，2008年). 在图1，我们重点介绍了HIFα调节和HIFα转录活性的一些新机制。

保存图片、插图等的外部文件。对象名为nihms311249f1.jpg
低氧诱导因子-α（HIFα）亚单位的调节和功能

在氧气和α-酮戊二酸的存在下，HIF脯氨酰羟化酶（PHDs）和因子抑制HIF（FIH1）羟基化并使HIFα失活。PHD和FIH1活性受到缺氧和某些细胞内代谢物（包括活性氧物种、富马酸盐、琥珀酸盐和潜在的2-羟基戊二酸盐）的抑制，从而导致HIFα稳定。翻译后HIFα的表达和/或活性也受sirtuins和间歇性缺氧的调节。HIFα的稳定导致转录程序的激活，对代谢、氧化还原平衡、血管重塑、肿瘤发生、炎症和其他过程产生影响。

HIFα亚单位通过其HLH和PAS结构域与稳定的HIF1β或ARNT亚单位异二聚。HIF异二聚体识别并结合基因组中的低氧反应元件（HRE），这些元件类似于增强盒（E-box）基序，具有一致序列G/ACGTG。全基因组染色质免疫沉淀实验表明，HRE占有率和低氧基因诱导之间的相关性从HIF1α上调基因的高到HIF2α诱导基因和HIF抑制基因的低(Mole等人，2009年;Xia等人，2009年). 在后一种情况下，侧翼序列和额外的调控元件似乎进一步指定了HIF结合和靶基因调控。HIF依赖性基因调节的附加修饰物的最新例子包括叉头转录因子FOXA2和染色质修饰物Reptin(Qi等人，2010;Lee等人，2010年).

在这篇综述中，我们将关注HIF在各种细胞和组织应激反应中的表达、激活和功能的最新见解。我们还将总结有关HIF和其他代谢调节器之间串扰的新数据，并提供一份关于在疾病治疗中调节HIF活性的最新药理学策略的调查。

O对HIFα的调节2可利用性

在氧合良好的环境中，HIFα亚基在保守的脯氨酸残基处羟基化。这些修饰由PHD介导，PHD的活性受O调节2可用性（在中审查Kaelin和Ratcliffe，2008年). 反过来，羟化酶HIFα被E3泛素连接酶（von Hippel-Lindau蛋白（pVHL）复合物）识别并标记为蛋白质体破坏。在缺氧应激环境中，PHD活性降低，稳定的HIFα蛋白可以诱导具有适应性功能的基因转录。

O调节PHD2和代谢物

因为他们对O的依赖2作为直接基底，PHD被提议成为连接细胞O的“氧传感器”2浓度对HIF分子反应。这个概念得到了表观K的测量值的支持M（M）PHD酶在体外（在中审查Kaelin和Ratcliffe，2008年). K系列M（M）氧值远高于细胞内pO2表明PHD可能在低于饱和动力学的情况下发挥作用体内.而PHD的酶特性在体外不一定反映它们的属性体内，这些测量表明O2可用性可以影响整个生理范围内的PHD活性。

细胞代谢物也会影响PHD活性。PHD利用三羧酸（TCA）循环中间产物2-氧戊二酸（α-酮戊二酸）作为底物，并可被其他TCA中间产物抑制(Kaelin和Ratcliffe，2008年;Klimova和Chandel，2008年;Sudarshan等人，2009年). 正如我们稍后将要描述的那样，一些类型的癌症已经被证明利用了这种代谢调节，并产生了可能刺激HIF活性的突变。

O（运行）2-FIH1对HIFα的依赖性调节

HIFα亚单位也是天冬酰胺羟化酶的底物：抑制因子HIF-1α（FIH1）。这种酶是O2-因此，它代表着氧感应机械的另一个组件。FIH1的羟基化破坏了HIFα和共激活物p300/CBP之间的关键相互作用，损害了HIF转录活性（参见Webb等人，2009年a;Mahon等人，2001年). 然而，FIH1还有其他目标(Webb等人，2009a,2009年b)，表明其可能也具有HIF无关功能。

五个1−/−小鼠是最近产生的(Zhang等人，2010年)发现是可行的，不像沃尔−/−和博士2−/−动物(Gnarra等人，1997年;武田等人，2006年). 突变成年小鼠表现出一系列代谢表型，包括体重减轻、肥胖减少、过度换气和胰岛素敏感性增加。值得注意的是，这些表型中的一些被神经特异性缺失图1。此外，当摄入高脂肪饮食时，图1−/−小鼠不太可能出现胰岛素抵抗、体重增加和肝脂肪变性（或脂肪肝）。与这些表型相关，作者观察到图1缺失影响AMPK、PGC1α和PPARγ因子的活性，这些因子与代谢和代谢疾病有关(Muoio和Koves，2007年;Towler和Hardie，2007年;Picard和Auwerx，2002年). 总的来说，这些数据表明FIH1调节脂肪储存、胰岛素敏感性和生物体生长。此外，FIH1缺乏可以预防肥胖、糖尿病和非酒精性脂肪肝(Adams和Lindor，2007年)热量摄入增加的动物。因此，FIH1代表了治疗这些疾病的新药物靶点。

尽管有几个在体外的表型图1−/−成纤维细胞是HIF1α依赖性的或与沃尔缺乏，尚不清楚FIH1是否负调节HIF途径体内HIF1α激活可抑制脂肪细胞分化在体外(Yun等人，2002年)，与在五个1−/−老鼠。另一方面，HIFα在沃尔-肝脏缺陷实际上会促进肝脏脂肪变性(Rankin等人，2009年)，相比之下图1−/−老鼠。因此，需要进一步研究以确定FIH1缺乏是否作为一般规则促进代谢表型体内通过HIFα活性。

线粒体作为氧传感器和PHD调节器

大量证据表明线粒体也参与O2传感。遗传和药理学方法已被用于抑制线粒体中电子传递链（ETC）的成分。这些研究表明，在中度缺氧（1.5%O2)线粒体刺激细胞活性氧（ROS）的产生，抑制PHD活性和HIFα降解（综述于Kaelin，2005年;Klimova和Chandel，2008年). 这些氧自由基专门来自ETC的复合物III(Klimova和Chandel，2008年). 此外，Waypa及其同事使用一种新的氧化还原敏感荧光蛋白（RoGFP）能够可视化特定细胞隔室中的氧化还原变化(Waypa等人，2010年). 线粒体的内膜空间和细胞质中观察到低氧诱导的氧化剂，其中ROS可以影响PHD活性(Waypa等人，2010年). 这些发现支持线粒体感知O的模型2剥夺并产生活性氧来调节PHD活性。

线粒体在O中的作用2然而，感觉可能局限于中度缺氧（1.5%）。作为O2水平进一步下降至缺氧（0%O2)，在缺乏功能性线粒体的情况下，HIFα可以稳定下来，这表明除了线粒体ROS外，其他因素在更严重的O2剥夺，剥夺(Kaelin，2005年;Klimova和Chandel，2008年). 例如，这可以表示一种设置，其中PHD直接感测O2通过其作为基质的可用性。

尽管有可用的数据，线粒体作为O的概念2传感器是有争议的，许多问题仍然没有答案。例如，目前尚不清楚是什么触发线粒体释放ROS以响应低细胞内pO2ROS是否直接或间接调节PHD功能。此外，有人认为线粒体通过消耗O间接向PHD发出信号2而不是通过ROS生产(Klimova和Chandel，2008年). 该模型还可以解释线粒体抑制剂损害HIF1α缺氧稳定性的观察结果：特别是线粒体O2ETC抑制导致的消耗有助于维持细胞溶质pO2以及PHD活性。然而，使用细胞色素b突变细胞的研究表明情况并非如此(Klimova和Chandel，2008年). 在这些细胞中，产生线粒体活性氧，但不能消耗氧2，HIF1α可以通过缺氧以氧化剂依赖的方式稳定。这表明线粒体ROS的产生，而不是O2消耗对于HIFα的稳定非常重要。

因此，可能存在多个O2传感器——PHD、FIH1、线粒体等——在缺氧时共同促进HIF分子反应。

HIF调节日益复杂

O（运行）2-通过羟化酶和线粒体的感应定义了HIF调节的核心特征。然而，调节HIF途径的其他线索的列表正在增加。这些因素包括从microRNA到致癌信号，下面列出了一些突出的例子表1HIF调节的两个更新颖的方面将在下文中进行描述。

表1

HIF活动的调节器

HIF调节器
VHL（甚高频）↓ HIFα稳定性（见正文）
PHD1/2/3号↓ HIFα稳定性（见正文）
金融信息1↓ HIFα转录活性（见正文）
西亚1a/2↑ HIF1α稳定性；促进PHD1/3在缺氧条件下的降解(西蒙，2004年)
RSUME公司↑ HIF1α稳定性；增强SUMO酸化(Carbia-Nagashima等人，2007年)
发送1↑ HIF1α稳定性；删除SUMO部分(Cheng等人，2007年)
热休克蛋白90↑ HIF1α稳定性(Isaacs等人，2002年)
通信1↓ HIF1α稳定性并破坏HIFα/β二聚体(van de Sluis等人，2010年,2009)
HSP70/芯片↓ HIF1α稳定性，但非HIF2α稳定性(Luo等人，2009年)
引用2↓ HIF1α活性(Bakker等人，2007年)
代谢物/相关
2-酮戊二酸盐↓ 作为PHD辅因子的HIFα稳定性（见正文）
抗坏血酸↓ 作为PHD辅因子的HIFα稳定性(Kaelin和Ratcliffe，2008年)
铁（Fe2+)↓ 作为PHD辅因子的HIFα稳定性(Kaelin和Ratcliffe，2008年)
IRP公司↓HIF2α对细胞内高铁反应的信使核糖核酸翻译（见正文）
不调节HIFα表达(Kaelin和Ratcliffe，2008年)
间歇性缺氧↑ HIF1α稳定性，但↓HIF2α稳定性（见正文）
氧化还原
ROS公司↑ HIFα稳定性（见正文）；在炎症细胞中观察到(Shatrov等人，2003年)
警报器1↑ HIF2α，但不是HIF1α，转录活性（见正文）
Sirt6公司结合并↓HIF1α稳定性/活性（见正文）
微小RNA
miR-107型microRNA导致ARNT表达下降(Yamakuchi等人，2010年)
miR-17–92miRNA簇；microRNA导致HIF1α表达下降(田口等人，2008)
癌基因/肿瘤抑制剂
PI3K/Akt公司↑ HIF1α表达(Brugarolas和Kaelin Jr.，2004年;Mottet等人，2003年)
mTORC1型↑HIF1αmRNA翻译(Brugarolas和Kaelin Jr.，2004年;Bernardi等人，2006年)
GSK3β↓ HIF1α稳定性(Mottet等人，2003年)
第53页↓ HIF1α/ARNT表达(Blagosklonny等人，1998年;Yamakuchi等人，2010年;Sano等人，2007年;Schmid等人，2004年;拉维等人，2000年)
β-连环蛋白与HIF1α结合；↑ HIF1α转录活性(凯迪等人，2007年)
Ras公司↑ 通过ROS生成表达HIF1α(Gerald等人，2004年)
ERβ↓ HIF1α稳定性（见正文）
潜水舱/跳楼这些基因的突变导致↑HIF1α的稳定性（见正文）
炎症
核因子↓κB↑HIF1α转录（见正文）
第44/42页地图↑ LPS下游HIF1α表达(Frede等人，2006年)
干扰素-γ↑ HIF1α和HIF2α（？）表达（见正文）
白介素-4↑ HIF1α和HIF2α（？）表达（见正文）

样蛋白

Sirtuins是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）的一个应激反应家族+)-影响基因转录、代谢、DNA修复和生物体寿命的依赖性组蛋白脱乙酰化酶(Haigis和Sinclair，2010年). 这些酶对氧化NAD比率的扰动作出反应+/NADH减少，因此代表细胞氧化还原状态的传感器(Denu，2003年). Sirtuins最近被证明调节HIF活性，加强细胞应激和HIF反应之间的联系(Dioum等人，2009年;Zhong等人，2010年).

Garcia和同事表明，Sirt1与HIF2α形成复合物，但与HIF1α和HIF2蛋白中的脱乙酰赖氨酸残基形成复合物(Dioum等人，2009年). Sirt1还与Epo公司HIF2α启动子并增强HIF2 a转录活性在体外最后，Sirt1/HIF2α轴函数体内以调节肾脏和肝脏红细胞生成素的表达。这些数据表明，HIF2α依赖性EPO的产生对细胞氧化还原状态的扰动以及系统氧自由基的变化具有响应性2可用性（见HIF对缺氧的系统反应）。

Sirt6最近也与HIF有关(Zhong等人，2010年).Sirt6公司−/−细胞和小鼠表现出葡萄糖消耗率增加和糖酵解基因表达增加，其中许多是HIF1α靶点。Sirt6占据这些基因的启动子，似乎增强了相关组蛋白的脱乙酰化，这与转录抑制一致。此外，Sirt6缺乏刺激HIF1α蛋白表达。使用化学抑制剂和RNA干扰，作者表明HIF1α的表达在一定程度上有助于在Sirt6公司−/−细胞和小鼠。由于所使用的化学抑制剂可能缺乏靶向特异性，因此确定HIF1α的基因缺失是否也能挽救Sirt6公司−/−动物。最后，Sirt6和HIF1α似乎形成了弱相互作用，尽管该复合物的结构和功能意义需要进一步表征。基于这些发现，Sirt6似乎通过抑制HIF1α和糖酵解基因的表达来调节葡萄糖稳态。

总之，sirtuin活性可以调节HIF依赖的稳态过程调节，如红细胞生成和葡萄糖代谢。HIF和sirtuins之间的相互作用也可能扩展到应激环境，如缺氧肿瘤，其中细胞氧化还原平衡受到干扰。然而，HIF反应的性质将取决于参与的sirtuin，因为Sirt1激活HIF2α，而Sirt6抑制HIF1α。

间歇性缺氧

当组织O2正常和缺氧水平之间的紧张循环。O的这种模式2剥夺在反复发作的睡眠呼吸暂停期间尤其重要，在这种情况下，呼吸的短暂停顿会导致睡眠中的慢性IH(Basner，2007年). 患有这种疾病的患者更容易患高血压、动脉粥样硬化、心肌梗死和中风(Basner，2007年).

Prabhakar及其同事详细阐述了HIFα亚单位如何受到IH的差异调节。HIF1α蛋白表达在IH期间诱导，继发于许多因素，包括NADPH氧化酶依赖的ROS生成(Peng等人，2006年;袁等，2008). 值得注意的是，这种ROS来源与线粒体ROS不同，线粒体ROS在持续缺氧期间抑制PHD活性。重要的是，在Hif1α+/−小鼠证明HIF1α促进IH的急性呼吸和心血管后果。相反，IH通过钙蛋白酶依赖机制抑制HIF2α的表达(Nanduri等人，2009年). 反过来，HIF2α的抑制似乎有助于IH诱导的氧化应激和心血管反应体内这些数据表明HIF1α和HIF2α在IH相关疾病中可能起相反的作用。

HIFα亚基的差异调节

如IH和Sirt1病例所示，HIF1α和HIF2α可以通过不同的机制进行调节。文献中的其他示例支持这一概念。HIF1α，而不是HIF2α，似乎在缺氧中以Hsp70/CHIP依赖的方式降解(Luo等人，2009年). 另一方面，HIF2αmRNA翻译通过其5′UTR中的铁反应元件对铁含量作出唯一反应(Sanchez等人，2007年). 这些观察结果强调了HIF反应的复杂性，并表明HIFα亚单位需要不同形式的调节，因为它们介导非重叠的生物效应，正如在IH小鼠模型中观察到的那样。

HIF在代谢和氧化还原平衡中的作用

在动脉粥样硬化性疾病中，心脏、大脑和肢体肌肉等组织容易受到缺血性损伤(贝克曼等人，2002年). O的剥夺2营养素和生长因子会在这些疾病中引起压力，细胞死亡也会随之发生。HIF途径被激活并应用关键适应性反应(Ratan等人，2007年;Shohet和Garcia，2007年). 例如，HIF1α的表达与许多人大脑和心脏组织保存增加相关(Ratan等人，2007年;Shohet和Garcia，2007年;Baranova等人，2007年)但不是全部(Helton等人，2005年)中风和心脏病模型。

HIF1α与葡萄糖分解代谢

HIF1α被认为通过重新编程细胞代谢来调节心脏和神经保护。因为O分子2作为氧化磷酸化的电子受体，对缺氧的中心适应是向碳代谢和ATP生成的非氧化形式转变，例如厌氧糖酵解（在Gordan等人，2007b). HIF1α通过促进葡萄糖转运蛋白、糖酵解酶和LDHA公司，补充NAD+用于进一步糖酵解(Gordan等人，2007b).

此外，Semenza和Denko实验室的研究表明，丙酮酸脱氢酶激酶1由HIF1α靶基因编码PDK1系列-抑制丙酮酸转化为乙酰辅酶A的流量，将碳从线粒体转移，并抑制O2消耗量（在西蒙，2006). 在HIF1α缺陷细胞中，O2剥夺导致ATP水平降低、ROS升高和细胞凋亡(西蒙，2006;Gordan等人，2007b). 在缺氧的HIF1α突变细胞中观察到的氧化应激似乎是继发于不适当的乙酰辅酶A生成和TCA循环活性，从而迫使PDK1表达减少ROS并促进缺氧生存。这些发现清楚地表明，HIF1α依赖性代谢转变促进了低氧应激期间的生存能力。

HIF1α活性最近被证明影响戊糖磷酸途径或PPP(Zhao等人，2010年). PPP将糖酵解中间体转化为核糖-5-磷酸（R5P），这是核苷酸生物合成的底物(Tong等人，2009年). 在耐药白血病细胞中，HIF1α通过PPP相对于氧化臂的非氧化臂促进葡萄糖碳的流动(赵等，2010). 这些影响对白血病细胞的生长和存活至关重要。因此，HIF1α可以重定向葡萄糖的代谢，将其用作能量来源以及RNA和DNA合成的构建块，这些适应可能对促进缺氧肿瘤中的细胞生长和存活非常重要。

总的来说，HIF1α可以直接对细胞的代谢状态进行重新编程，这种反应在低氧环境中很重要，例如血管疾病和癌症。

HIF2α在代谢中的作用

上述许多代谢基因直接受HIF1α调控，但不受HIF2α调控(胡等，2003;拉瓦尔等人，2005年). 然而，HIF2α在新陈代谢中也起着关键作用。Semenza及其同事证明HIF1α和HIF2α都可以调节细胞色素c氧化酶异构体以最大限度地提高电子传递链的效率（在Gordan等人，2007b). 这种反应的缺陷会导致缺氧时ATP生成受损和氧化剂生成增加。

HIF2α在细胞氧化还原稳态中也有一些独特的靶点。Garcia及其同事表明，HIF2α刺激小鼠中编码抗氧化酶（如SOD2）的基因的表达（参见Gordan等人，2007b). 这种转录程序似乎抑制了异常ROS的积累，从而导致HIF2α缺乏导致严重的横纹肌损伤。最近，HIF2α被证明在肾癌中起着类似的作用：HIF2β缺失导致具有抗氧化功能的基因表达减少，例如血红素加氧酶1（HMOX1）及其他(Bertout等人，2009年). 相关的是，HIF2α缺失导致细胞ROS增加、p53激活和肿瘤细胞死亡。电离辐射治疗可以显著提高细胞活性氧水平，从而增强这些效应。因此，HIF2α在多种环境中促进氧化还原稳态和细胞活力。此外，HIF2α可以介导肿瘤细胞对电离辐射的抵抗。

中的研究博士1−/−小鼠进一步证明HIF2α可以缓冲组织缺氧应激(Aragones等人，2008年). 当置于缺血性应激下时，博士1−/−肢体骨骼肌受到保护，免受氧化损伤和细胞死亡。有趣的是，在肝缺血中观察到PHD1抑制的类似作用(施耐德等人，2010年). 缺血耐受性博士1−/−骨骼肌主要依赖于HIF2α，后者受PHD1负调控。HIF2α可能通过调节葡萄糖代谢促进这种耐受性博士1−/−肌肉表现出向厌氧糖酵解的代谢转变和预测值k4与Pdk1一样，Pdk4抑制葡萄糖衍生碳的线粒体消耗(Huang等人，2002年). 虽然HIF2α不会直接改变葡萄糖利用率(胡等，2003;拉瓦尔等人，2005年)，它可以通过调节PPARα间接发挥作用，PPARα对缺血耐受至关重要博士1−/−骨骼肌(Aragones等人，2008年)并可规定预测值k4表达式(Huang等人，2002年). 或者，HIF2α在氧化还原内稳态中更为确定的作用（在Gordan等人，2007b;Bertout等人，2009年)可能导致博士1−/−骨骼肌。

总之，这些观察结果表明HIF1α和HIF2α通过非重叠转录程序控制细胞代谢和氧化还原稳态(图2).

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HIFα对细胞代谢的控制

HIF调节细胞代谢，促进细胞适应低氧环境。HIF1α主要促进葡萄糖消耗和糖酵解，而HIF2α促进脂肪酸储存。这两种因素都抑制线粒体的消耗和碳的氧化，导致ATP通过氧化磷酸化和作为副产物的活性氧（ROS）减少而产生。相反，糖酵解对细胞内ATP合成的贡献更大。此外，HIF2α通过SOD2和其他靶点抑制活性氧的产生。

HIF对脂质代谢的调节

在心脏和肝脏等组织中，脂质通过氧化磷酸化提供丰富的能量来源(荣格曼，1988;Shohet和Garcia，2007年). 在缺氧应激环境下，脂质代谢被重新编程以抑制脂质衍生碳的线粒体氧化。具体来说，缺氧通过β-氧化刺激脂质储存并抑制脂质分解代谢(Huss等人，2001年;Whitmer等人，1978年;Bostrom等人，2006年).

之前还不清楚HIF是否控制这些适应。然而，最近的一项研究表明HIF2α参与脂质代谢的调节(Rankin等人，2009年). 肝脏特异性缺失的小鼠沃尔表现为脂肪肝（或肝脂肪变性），以脂滴沉积增加和脂肪酸消耗减少为特征。在突变的肝脏中，参与β-氧化的基因减少，而那些在脂质储存中起重要作用的基因增加。这些表型比HIF1α更依赖于HIF2α。因此，在伪低毒环境中沃尔-肝脏缺陷，HIF2α抑制脂质分解代谢和氧化(图2).

缺氧诱导因子在缺氧血管反应中的作用

众所周知，HIF1α和HIF2α调节血管生成基因，如血管内皮生长因子(Manalo等人，2005年;胡等，2003;Kelly等人，2003年). 相关的是，已知HIF在胚胎血管发育中发挥重要作用(Ramirez-Bergeron等人，2006年;Covello和Simon，2004年). 最近的研究表明，HIF如何影响成人血管系统，特别是在病理环境中的血管生成过程中。

HIF1α在缺血诱导血管生成中的作用

越来越多的证据支持HIF1α活性在组织缺血新生血管反应中的作用。在后肢缺血的股动脉结扎模型中，缺血肢体肌肉Hif1α+/−小鼠表现出HIF1α诱导受损、血管生成因子激活缺陷和再灌注减少(Bosch-Mace等人，2007年). 相反，腺病毒将组成活性HIF1α输送到结扎部位会导致再灌注增强。因此，HIF1α的整体表达对于促进缺血骨骼肌的再灌注至关重要。

作者还证明，随着小鼠年龄的增长，HIF1α的缺血诱导作用减弱，相关的再灌注损伤。这不仅仅是一种相关性，因为异位HIF1α表达可以部分挽救老年小鼠的肢体灌注。有趣的是，在老年糖尿病小鼠的缺氧皮肤伤口中也观察到HIF1α活化受损(Liu等人，2008年). 这些发现强调了衰老作为缺血反应调节剂的重要性。这一点尤其重要，因为外周动脉疾病，即股动脉结扎所模拟的血管疾病，与年龄有关(Beckman等人，2002年).

HIF1α在其他损伤模型中也有促血管生成作用，如肥厚型心肌病、心肌梗死、皮肤伤口愈合和视网膜新生血管化(Sano等人，2007年;Jiang等人，2009年;Yoshida等人，2010年;Heinl-Green等人，2005年;梅斯等人，2007年;刘等人，2008;Botusan等人，2008年). 相对于HIF1α，HIF2α的血管生成功能在这些疾病模型中尚未得到广泛测试(Dioum等人，2008年). 总之，这些数据表明，缺血组织中HIFα的表达，尤其是HIF1α的表达促进了血管生成。这对缺血性疾病患者的血管生成治疗有很强的临床意义（见HIF-靶向治疗）。

这些发现也对HIF在血管生成过程中的关键细胞类型提出了疑问。虽然组织实质中HIF的激活可以通过血管生成因子的表达间接影响内皮细胞的行为，但HIF在血管形成过程中也在血管内皮内发挥着重要作用（见下一节）。

内皮细胞中的HIF

在缺血组织中，内皮细胞（EC）对许多不同细胞群（包括薄壁组织、周细胞和炎性细胞）提供的线索作出反应，以形成新的血管(Carmeliet，2005年). 它们还改变其功能，直接响应O的变化2可利用性。例如，缺氧和HIF1α可以引导内皮细胞形成管状结构在体外，模拟血管生成过程中出现的形态学变化(山川等人，2003年;Manalo等人，2005年).

一些研究评估了缺氧环境下HIF如何调节内皮细胞功能体内这始于对EC-特异性缺失小鼠的研究Hif1α(Tang等人，2004). 突变小鼠在低氧环境下，如皮肤伤口和异种移植瘤，血管生长有缺陷。相关地，分离的突变内皮细胞表现出VEGF及其受体VEGFR2的低氧激活缺陷以及细胞增殖和迁移受损。因此，作者提出HIF1α促进内皮细胞中自分泌VEGF/VEGFR2环，从而促进其在组织血管生成中的功能。

HIF2α在发育过程中在内皮细胞中高度表达，提示它也可能在这种细胞类型中发挥细胞自主作用(Ema等人，1997年). EC-特异性缺失小鼠Hif2α表现出血管完整性的稳态缺陷以及肿瘤血管生成受损(Skuli等人，2009年). 与对照组小鼠的肿瘤相比，突变组小鼠的异种移植瘤较小，缺氧性更强，发光（功能）血管更少。这些动物的突变内皮细胞表现出粘附缺陷和缺氧诱导细胞粘附功能基因受损。这些发现表明，HIF2α指示内皮细胞形成更多功能性血管，这一作用对肿瘤发展至关重要。

值得注意的是，血管内皮生长因子HIF2α突变体内皮细胞的表达不受影响，这意味着它是内皮细胞中HIF1α的特异性靶点(Tang等人，2004;Skuli等人，2009年;Manalo等人，2005年). 这与先前的研究一致，研究表明HIF1α和HIF2α可以促进内皮细胞中不同基因的表达，因此可能在该细胞室中发挥独特的功能(Elvert等人，2003年).

总的来说，这些研究强调了血管生长过程中内皮细胞如何对局部缺氧作出反应，以及HIF如何介导这种反应，特别是在肿瘤环境中(图4C). 因此，抑制内皮细胞的HIF功能可能在癌症治疗中发挥作用。然而，在HIF发挥肿瘤抑制作用的情况下，这可能是个问题（参见HIF在癌症中的作用）。

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巨噬细胞和血管对HIF的反应

A、，巨噬细胞中HIF的NFκB依赖性调节。除了直接稳定HIF外，低氧抑制PHD还会导致IKK介导的NFκB抑制剂IκB的降解。活化的NFκB直接反式激活物HIF1α.B、，HIF活性通过诱导参与1的基因参与巨噬细胞行为的多个方面。细菌杀灭(NOS2号,抽筋), 2. 迁移和入侵(CXCR4系列,FN1型,MCSFR公司), 3. 细胞因子产生(IL1β,IL6（IL6）,IL12号机组,肿瘤坏死因子α)、和4。新陈代谢(GLUT1公司,第1页).C、，内皮细胞中HIF1α的稳定性增加1。VEGF表达，2。迁移和3。增殖，而HIF2α稳定促进4。内皮细胞与细胞外基质的粘附。

内皮细胞中的PHD2

顺便说一句博士2+/−小鼠表明内皮细胞中PHD的抑制可能具有临床意义(Mazzone等人，2009年). 异种移植瘤生长于博士2与对照组小鼠相比，杂合子缺氧较少，功能性血管较多。这些动物的内皮细胞更安静，并且显示出依赖HIF2α的转录程序改变。作者提出，这种转录反应引导内皮细胞在肿瘤中形成更有组织的血管，这种“正常化”在减少突变小鼠的肿瘤转移数量方面起着因果作用。也有人认为，肿瘤血管的正常化可以增强肿瘤灌注和潜在的药物输送（Jain等人，2005年）。因此，抑制PHD可能在癌症治疗的几个方面有效。然而，作者警告说，在他们的模型中，PHD活性在微环境中受损，但在肿瘤细胞中没有受损。鉴于HIF的致癌作用，这是一个重要的区别（见下一节）。

HIF在癌症中的作用

有充分证据表明实体瘤经常会遇到缺氧应激。快速增殖的癌细胞可能会超出其血管网络，限制O2肿瘤内扩散。肿瘤血管结构和功能异常导致的灌注缺陷也可能导致缺氧应激。因此，毫不奇怪，实体瘤通常表现出高水平的HIFα积聚（参见Bertout等人，2008年). 值得注意的是，HIFα在癌细胞中的表达也通过低氧依赖性机制增加（参见表1和相关章节）。遗传改变，如VHL（甚高频）据报道，肾细胞癌突变、结肠癌Wnt/β-catenin信号通路突变以及其他致癌事件导致HIFα稳定（综述于凯林，2008). 总之，这些发现表明HIFα的表达和低氧应激反应的下游激活在许多癌症中广泛存在。

许多实验室的研究表明，HIF调节的基因反应在癌症发展的各个方面发挥着关键作用，包括增殖(MYC公司)、血管生成(血管内皮生长因子,PDGF公司)，凋亡/自噬(NDRG2型,BNIP3号机组)，新陈代谢(PDK1系列,LDHA公司)，DNA损伤反应(GADD45A公司)，微小RNA(MIR210公司)，细胞外基质重塑(LOX公司,基质金属蛋白酶1)，细胞迁移和侵袭(CXCR4系列,SDF1（SDF1）) (Huang等人，2009年; 已在中审阅Bertout等人，2008年; 已在中审阅凯林，2008) (图3). HIFα表达增加与许多癌症类型的不良临床预后相关，这一事实证明了HIF活性在癌症中的重要性（回顾于塞门扎，2007年).

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HIF对肿瘤多步骤发展的影响

在许多癌症中，缺氧和其他非缺氧刺激可以稳定HIF。癌症中的HIF活性与1有关。推测癌症干细胞的维持和相关基因的表达增加2。增殖与存活。代谢，4。血管生成，5。浸润细胞的招募，如肿瘤相关巨噬细胞和骨髓源性细胞，以及6。肿瘤细胞转移。括号中给出了HIF调节基因和致癌途径的一些示例。

HIFα亚单位与肿瘤发生

令人惊讶的是，HIF1α的表达与某些癌症的较低癌症分期或患者死亡率降低相关；例如非小细胞肺癌、头颈部鳞状细胞癌和神经母细胞瘤。另一方面，HIF2α在这些恶性肿瘤中的表达是一个消极的预后因素（在Bertout等人，2008年). HIF1α和HIF2α表达之间的差异表明，HIFα亚单位可能对某些癌症的肿瘤发生有不同的作用。

HIF1α和HIF2α在肿瘤发生中的不同作用在VHL（甚高频）-缺乏透明细胞肾细胞癌（ccRCC）。VHL（甚高频）-缺乏的ccRCC聚集成既表达HIF1α又表达HIF2α或仅表达HIF2-α的肿瘤。HIF1α和HIF2α在VHL（甚高频）-缺乏的ccRCC细胞系表明HIF2α，而不是HIF1α对肿瘤生长是必需的（在凯林，2008). 一种可能的解释是HIF1α拮抗MYC功能，而HIF2α促进MYC活性(Gordan等人，2007a). ccRCC标本的微阵列分析显示，与同时表达HIFα亚型的肿瘤相比，仅表达HIF2α上调MYC靶基因的肿瘤增殖更快，并且对复制应激相对抵抗(Gordan等人，2008年). HIF对肿瘤行为产生相反影响的另一个机制是肿瘤抑制蛋白p53的缺氧调节。HIF1α与p53结合，导致p53稳定和缺氧诱导的细胞死亡(Moeller等人，2005年;An等人，1998年). HIF1α和p53之间的这种相互作用可能是高等生物特有的晚期进化发展，因为HIF1α间接抑制了p53同源CEP-1秀丽线虫辐射后DNA损伤(Sendoel等人，2010年). 相比之下，最近的实验表明HIF2α间接抑制p53活性，从而促进肿瘤细胞的放射抗性和化学抗性(Bertout等人，2009年;Roberts等人，2009年). 这些发现表明，某些癌症，包括但不限于肾细胞癌，根据HIF1α和/或HIF2α的表达，其肿瘤行为和药物反应可能不同。肾细胞癌中是否存在HIF1α缺失和HIF2α表达增加的选择性压力，以及HIFα表达模式是否影响肾癌进展，仍有待进一步研究。

HIF2α在非-VHL（甚高频）恶性肿瘤？最近的一份报告表明，shRNA-介导的对多种人类肿瘤细胞系中HIF2α（而非HIF1α）的抑制降低了小鼠体外细胞增殖和皮下异种移植生长(Franovic等人，2009年). 然而，缺乏使用外源性HIF2α进行的功能性救援实验。体内肺肿瘤发生模型表明HIF2α在癌症中的作用更为复杂。组分稳定的HIF2α增加肺肿瘤负担、肿瘤血管和局部侵袭喀斯特突变小鼠(Kim等人，2009年). 有趣的是，HIF2α的肺特异性缺失喀斯特突变模型同样促进肺肿瘤的发生(Mazumdar等人，2010年). 这一悖论的线索可能在于观察到HIF2α功能获得和HIF2β功能丧失通过两种不相关的机制促进肿瘤发生(Mazumdar等人，2010年;Kim等人，2009年). 如果我们假设不同的HIF2α靶点具有不同的激活阈值（由于HRE序列保守性、其他转录因子的共同调节、转录机制的组成等），那么根据HIF2的稳定程度，肿瘤抑制（例如AKT抑制）或继发肿瘤促进作用（例如血管生成、上皮细胞向间充质细胞转化）。

HIF3α与肿瘤发生的生物学关系在很大程度上仍未得到研究。肾细胞癌标本中HIF3α表达下调，这与其作为HIF1α和HIF2α的显性阴性抑制剂的已知功能一致(Maynard等人，2007年). 总之，HIF1α、HIF2α和HIF3α对癌症的发展有不同的影响，因为它们具有依赖于环境的功能和不同的作用模式。

HIF与转移

上皮细胞向间充质细胞转化（EMT）是侵袭性细胞的一个关键特征，其特征是上皮细胞与细胞之间失去联系，获得间充质特征和运动能力。缺氧和HIF影响许多EMT调节因子的表达以促进转移。Maxwell及其同事的研究表明，肾细胞癌中HIF1α的表达足以诱导E-cadherin的丢失和侵袭性的增加（参见凯林，2008). HIF1α直接调节扭转1头颈部鳞状细胞癌的转录与肿瘤细胞侵袭转移(Yang等人，2008). 在前列腺癌中，HIF1α以VEGF依赖的方式促进SNAIL1核定位(Mak等人，2010年). 这一发现与临床相关，并暗示HIF1α在前列腺癌进展中的表达，因为低级别前列腺肿瘤通过雌激素受体β（ERβ）活性抑制HIF1α，而高级别肿瘤下调ERβ，导致HIF1α表达增加、SNAIL1核定位和转移(Mak等人，2010年). HIF1α也诱导赖氨酰氧化酶(LOX公司)，是一种细胞外基质重塑酶，也是SNAIL1的上游调节因子。正如Giaccia及其同事所证明的那样，抑制LOX可以减少原位乳腺癌模型中肿瘤细胞的侵袭、粘附和转移（参见Bertout等人，2008年). 来自同一研究小组的最新研究表明，原发肿瘤分泌的LOX会重塑远处转移前部位，以招募肿瘤和基质细胞(Erler等人，2009年). 因此，缺氧肿瘤微环境通过激活多个HIF应答基因促进转移，这些基因共同调节癌症扩散的所有阶段，包括侵袭、灌注和远处外渗。

HIF与肿瘤血管生成

HIF对肿瘤组织和非肿瘤组织中的内皮细胞具有类似的作用，以介导血管生成（见相关章节）。然而，与“正常”血管不同，肿瘤相关的血管系统是泄漏的、曲折的和非相邻的（Jain，2005年综述）。肿瘤相关内皮细胞与肿瘤细胞以及非恶性基质细胞（如成纤维细胞和浸润性骨髓源细胞）相互作用。这些细胞类型对缺氧应激的反应差异很大，因此对肿瘤血管生成的作用可能不同。例如，胶质母细胞瘤中的HIF活性促进肿瘤血管生成，因为胶质母细胞癌细胞中的HIF1α抑制减少血管重塑并使肿瘤血管正常化(Du等人，2008年). 矛盾的是，由于VEGF水平降低对胶质母细胞瘤细胞迁移的直接影响，这些细胞中HIF1α的缺失也会增加血管周围的侵袭(Du等人，2008年). 肿瘤血管系统的发展似乎也需要骨髓源性VEGF的特异性。HIF靶基因缺失维格夫髓系细胞增加小鼠乳腺肿瘤的生长、肿瘤氧合和肿瘤对化疗的敏感性，很可能是由于肿瘤血管的“正常化”(Stockmann等人，2008年). 相反，HIF调节器的单倍不足博士2在非恶性组织中，异种移植瘤血管系统“正常化”，氧合改善，转移减少(Mazzone等人，2009年). 然而，这些影响对HIF稳定的依赖性仍然不确定。这些研究表明，肿瘤血管系统对不同类型细胞中不同的HIF活性作出反应，可能是相反的。所以，作为一种抗肿瘤策略，选择性调控不同肿瘤亚区的缺氧应激反应可能比全身抑制HIF更有效。

HIF与癌症干细胞

低氧可促进某些干细胞和祖细胞群体的未分化状态(Yoshida等人，2009年;Keith和Simon，2007年). 同样，缺氧和HIF可能有助于维持假定的癌症“干细胞”。CD133中的HIF耗竭+富含肿瘤干细胞的胶质母细胞瘤细胞会降低其致瘤和血管生成潜能在体外和体内(Li等人，2009年). 此外，HIF2α在CD133中选择性表达+胶质母细胞瘤细胞的亚群，而HIF1α在致瘤细胞和非致瘤细胞中广泛表达，表明HIF2α可能在胶质母细胞癌干细胞中发挥特殊功能(Li等人，2009年). 在另一项研究中，发现人类神经母细胞瘤标本中的一小部分未成熟细胞表达神经嵴标记物和HIF2α；HIF2α敲低后，这些细胞发生早期交感神经分化(Pietras等人，2009年). 然而，这些细胞的确切身份和功能尚不清楚。有趣的是，CD133和+胶质母细胞瘤细胞和假定的神经母细胞瘤前体细胞在内皮周壁龛中表达高水平HIF2α(Pietras等人，2009年;卡拉布雷斯等人，2007年). 虽然O的范围2这些毛细血管内的饱和度尚不清楚，这些发现表明某些癌细胞亚群中HIFα的表达可能受到缺氧和非缺氧刺激的控制，包括癌症中的代谢异常。

肿瘤代谢对HIF的调节

TCA循环基因富马酸水合酶的失活纯合突变(FH公司)和琥珀酸脱氢酶(SDH公司)导致细胞和人类肿瘤中HIF1α表达升高（综述于King等人，2006年). 小鼠肾脏特异性失活第一层产生并发展成以HIF激活为标志的肾囊肿Kaelin和Ratcliffe，2008年). HIF1α似乎是由于富马酸和琥珀酸的细胞水平增加而诱导的，富马酸或琥珀酸可以通过促进细胞ROS直接或间接抑制PHD活性(Sudarshan等人，2009年; 已在中审阅Kaelin和Ratcliffe，2008年; 已在中审阅Klimova和Chandel，2008年). 这些发现清楚地表明了代谢对肿瘤中HIFα表达的影响程度。虽然人们认为HIF1α的激活在这些肿瘤环境中促进了肿瘤的发生，但HIFs在某些情况下可能具有肿瘤抑制作用（见下文）。这个第一层突变小鼠将是直接测试这一前提的有用工具。

最近，异柠檬酸脱氢酶1/2的杂合突变(印尼盾1/2)与癌症有关。突变IDH1蛋白在将异柠檬酸氧化为α-酮戊二酸（αKG）的能力方面存在缺陷(Dang等人，2009年;Zhao等人，2009年). 赵和同事们认为，通过显性负效应，表达突变IDH1的细胞降低了PHD底物αKG的水平。因此，HIF1α是间接稳定的。HIF1α在突变的人脑胶质瘤中的表达也升高印尼盾1因此，他们认为印尼盾1通过间接激活HIF1α促进癌症FH公司和SDH公司突变。

另一方面，多项研究表明印尼盾1/2野生型和突变型癌症的αKG水平相当，表明一个野生型等位基因印尼盾1/2可能足以产生αKG体内(Dang等人，2009年;Ward等人，2010年;Gross等人，2010年). 因此，野生型和突变型癌症中PHD活性的底物水平应具有可比性。这表明初始IDH1/HIF1α模型可能不准确：印尼盾1突变可能刺激致癌HIF反应，但不一定通过降低αKG水平。

此外，突变型IDH1具有意想不到的反向活性，可降低αKG并生成2-羟基戊二酸（2HG），这是一种与脑肿瘤相关的代谢物(Aghili等人，2009年). 还观察到2HG升高印尼盾1/2突变型胶质母细胞瘤与急性髓系白血病(Dang等人，2009年;Ward等人，2010年;Gross等人，2010年). 因此，有人认为这种由突变型IDH1/2合成的代谢物会促进脑部和血液癌症。然而，人们对2HG的分子和细胞功能知之甚少。一种可能是2HG抑制PHD活性，进而促进肿瘤性HIF反应IDH1/2型突变肿瘤。2HG也可能通过HIF非依赖性机制促进癌症。需要进一步的研究来测试2HG在HIF途径中的作用，更广泛地说，在肿瘤细胞功能中的作用。

总的来说，后面的研究印尼盾1/2突变强调了代谢酶既能致癌又能抑制肿瘤的概念（例如FH和SDH）。他们还挑战了代谢基因突变仅通过异常HIF反应诱发癌症的概念。

HIF在炎症中的作用

作为对炎症刺激的反应，局部血管通透性增加，导致效应细胞和营养物质向炎症组织的传递增加。炎症部位的循环减少，以及浸润免疫细胞和病原体的代谢需求增加，最终导致局部O2导致缺氧。在关节炎、动脉粥样硬化和自身免疫性疾病等炎症性疾病患者的组织标本中观察到缺氧和相关HIF激活（Nizet和Johnson，2009年综述）。

炎症细胞中HIF的调节

低氧应激反应通过NF-κB信号与免疫反应紧密耦合(图4A). Nizet、Chilvers、Taylor及其同事的研究表明，HIF可促进巨噬细胞、中性粒细胞和非免疫细胞的NF-κB活性（Nizet和Johnson，2009年综述）。缺氧抑制PHD1活性，从而抑制IKK羟基化，导致IKK活化和IκB磷酸化。随后的IκB降解将NF-κB从细胞质中释放出来，导致下游靶基因的转录，包括炎症细胞因子(康明斯等人，2006年). 有趣的是，活化巨噬细胞中的NF-κB信号直接调节Hif1α转录(Rius等人，2008年). 缺乏IKKβ的巨噬细胞在缺氧或微生物攻击后不能稳定HIF1α，并表现出HIF靶基因表达降低。然而，仅激活NF-κB并不足以稳定HIF1α，这表明HIF1α的最大积累取决于NF-kb B的转录调节和缺氧的翻译后调节(Rius等人，2008年). 这种协同反应表明免疫细胞中HIF1α的分级表达机制，其中HIF1α在位于最严重炎症部位的细胞中诱导最大活性，同时存在缺氧和炎症应激。

相反，缺氧诱导HIF2α并不需要IKKβ(Rius等人，2008年). 最近的一份报告提出HIF1α和HIF2α在分别暴露于TH（H）1细胞因子，如IFN-γ和TH（H）2种细胞因子，如IL-4(武田等人，2010年). 因为IFN-γ而不是IL-4激活巨噬细胞中的NF-κB通路(Thieu等人，2007年)，这一发现似乎支持HIF1α的表达依赖于NF-κB，而HIF2α的表达不依赖于NFκB的观点。然而，随后的研究表明，TH（H）1细胞因子IFN-γ和LPS(Imtiyaz等人，2010年). 因此，关于巨噬细胞HIF2α调节这方面的现有数据是相互矛盾的。鉴于HIF-1α在髓系介导的炎症反应中的作用（见下文），充分评估NF-κB信号在免疫环境中对HIF2α活性的贡献，以及缺氧和炎症应激中HIF1α和HIF2α稳定之间的其他机制差异将是重要的。

HIF与髓细胞功能

髓样细胞、中性粒细胞、巨噬细胞和树突状细胞在急性和慢性炎症中起关键作用。这些细胞中HIF1α或HIF2α的条件性失活揭示了这两种亚单位在介导炎症反应中的关键作用(图4B). 髓系细胞中HIF1α的缺失显著减弱了关节炎和慢性皮炎小鼠模型的炎症反应，并增强了对脂多糖诱导的脓毒症的保护作用(Peyssonnaux等人，2007年;Cramer等人，2003年). 缺乏HIF1α的巨噬细胞表现出运动性、侵袭性和杀菌活性下降(Peyssonnaux等人，2005年;Cramer等人，2003年). 类似地，髓系细胞中的条件HIF2α缺失会降低巨噬细胞的运动和侵袭，并降低皮肤炎症和LPS诱导的内毒素血症的严重程度(Imtiyaz等人，2010年). 在缺乏HIF1α或HIF2α的情况下，以TNF-α、IL-1β、IL-6和IL-12的产生为特征的LPS诱导脓毒症的细胞因子反应降低(Imtiyaz等人，2010年;Peyssonnaux等人，2007年). 有趣的是，HIF1α和HIF2α通过不同的机制协调相似的炎症反应。HIF1α控制活化巨噬细胞从氧化磷酸化到糖酵解的代谢转变(Cramer等人，2003年). 相反，HIF2α调节细胞因子的转录，例如IL1β,IL12号机组、和肿瘤坏死因子α以及参与巨噬细胞迁移和趋化性的基因，如FN1型和CXCR4系列(Imtiyaz等人，2010年). HIF1α或HIF2α缺失的原代人类巨噬细胞的基因表达谱分析证实，HIF1α和HIF2 A诱导重叠但不同的基因集(Fang等人，2009年).

低氧和HIF也调节其他髓系。在缺氧和炎症应激下，中性粒细胞表达HIF1α，但不表达HIF2α(Imtiyaz等人，2010年). HIF1α在这些细胞中的表达是宿主病原体防御和中性粒细胞存活所必需的(Walmsley等人，2006年;Peyssonnaux等人，2005年). 树突状细胞中HIF1α的表达是LPS暴露后共刺激分子表达和诱导异体T细胞增殖所必需的(Jantsch等人，2008年). 在肥大细胞中，HIF1α的表达调节促炎细胞因子、血管扩张剂（如VEGF）和组胺合成剂组氨酸脱羧酶的产生（Nizet和Johnson，2009年综述）。因此，HIFs在缺氧炎症环境中协调不同免疫细胞的行为，以产生统一的免疫反应。

HIF和肿瘤相关巨噬细胞

许多癌症类型的研究表明，巨噬细胞浸润与不良临床预后相关（Lewis和Pollard，2006年综述）。巨噬细胞主要通过缺氧肿瘤和基质细胞（如HIF靶基因）产生化学引诱剂而被募集到肿瘤区域CSF1型和血管内皮生长因子（Murdoch等人，2004年进行了审查）。最近的工作还表明，凋亡细胞，如肿瘤缺氧区的细胞，会产生TGF-β等可溶性因子来吸引单核细胞和巨噬细胞(Herr等人，2009年). 一旦被招募，肿瘤相关巨噬细胞（TAM）表现出高度动态的免疫表型，可促进肿瘤生长、血管生成、转移和肿瘤免疫抑制。此外，正如Harris及其同事所指出的，由于缺氧肿瘤微环境，TAM表现出HIF1α和HIF2α表达升高（在Murdoch等人，2004年中进行了综述）。

乳腺癌和宫颈癌TAM中HIF2α的表达与不良预后相关，提示HIF2在这种情况下与功能相关(Kawanaka等人，2008年;Leek等人，2002年). 小鼠髓系中HIF2α的条件性缺失揭示了HIF2和TAM在肿瘤发生中的关键作用。在肝细胞癌和结肠炎相关结肠癌小鼠模型中，髓系细胞中缺乏HIF2α的小鼠表现出TAM向肿瘤区域的募集减少(Imtiyaz等人，2010年). 这一发现与肿瘤有丝分裂指数降低、肿瘤分级降低以及结肠炎诱导结肠癌的数量和大小呈下降趋势有关(Imtiyaz等人，2010年). 研究TAM中HIF1α的表达是否在功能上与类似肿瘤的进展相关将是很有意义的体内模型，如果是，HIF1α和HIF2α在这方面是否互补。最近的研究表明，巨噬细胞中HIF1α的缺失对肿瘤球体浸润、肿瘤细胞增殖或肿瘤侵袭性没有影响在体外，但减少肿瘤球体培养中的细胞死亡(Werno等人，2010年).

缺氧诱导因子与缺氧的系统反应

参与红细胞生成（红细胞生成）的器官可以对系统性缺氧作出反应，以增加红细胞数量和O2-血液承载能力（综述于范德丽，2004).欧洲专利局，一个优先的HIF2α靶点，刺激这一过程（参见Lee，2008年; 已在中审阅范德丽，2004). 大量数据表明，PHD2/pVHL/HIF2α轴控制EPO水平，因此也控制人类和小鼠的成年红细胞生成。家族性红细胞增多症（血红蛋白或红细胞计数异常升高）的人类遗传学研究发现VHL（甚高频），其损害HIF1α降解（在Lee，2008年). 随后的基因和生物化学分析已确定PHD2级激活损伤EPAS1/HIF2α（审阅于Lee，2008年;Furlow等人，2009年). 也产生了携带这些基因突变的小鼠模型，并表现出异常的红细胞生成（综述于Lee，2008年). 最近的研究表明，虽然肾脏和肝脏是EPO的主要产生者，但在其他远处组织——皮肤和胶质细胞——中HIFα的表达似乎也会影响EPO的产生，以应对缺氧(Boutin等人，2008年;Weidemann等人，2009年).

此外，比较藏族高原人和密切相关的低地汉族人的研究提供了PHD2/pVHL/HIF2α轴和红细胞生成之间的进化联系(Yi等人，2010年;Beall等人，2010年;Simonson等人，2010年). 作者比较了这些组之间单核苷酸多态性（SNP）等位基因的频率，并注意到位于PHD2/EGLN1型和EPAS1/HIF2α基因。这些发现与藏族受试者血液中较低的血红蛋白和红细胞水平有关，表明PHD2级和HIF2α藏族高原人常见的等位基因导致红细胞生成相对减少。有人提出HIF2α和PHD2级通过自然选择，藏族HIF2α和PHD2级等位基因促进了青藏高原高海拔地区的生存。例如，藏族人对慢性高原病有抵抗力，其特征是红细胞生成增加。这些报告强调了PHD2和HIF2α功能在红细胞生成中的进化意义。

总之，对人类和啮齿动物的研究有助于建立一个将PHD/pVHL/HIF途径与红细胞生成联系起来的知识体系。这一信息目前正在应用于贫血的治疗（见下文）。

缺氧应激的HIF-非依赖性反应

虽然本次审查强调了HIF在应对O中的作用2缺氧反应是多种氧的综合2传感路径。大量证据表明，mTOR信号传导和未折叠蛋白反应（UPR）通过调节蛋白质翻译、细胞代谢和细胞命运，在低氧适应中发挥关键作用(Wouters和Koritzinsky，2008年). 我们还必须考虑到其他转录调控因子，如PGC1α，可以补充缺血环境中的HIF反应：PGC1α独立于HIF，在后肢缺血模型中促进VEGF表达和新生血管生成(Arany等人，2008年).

此外，PHD和FIH1具有非HIFα底物，这可能是其某些生物功能的基础(Webb等人，2009年a). 例如，最近的报道表明，脯氨酰羟化酶在癌症中发挥着重要的HIF非依赖性作用。PHD2以HIF和羟化酶非依赖性的方式抑制异种移植瘤的生长(Chan等人，2009年). 另一方面，PHD1/EglN2通过HIF非依赖性调节细胞周期蛋白D1促进肿瘤生长(Zhang等人，2009年). 值得注意的是，所有2-氧戊二酸依赖性加氧酶，包括但不限于PHD，都需要O2因此可能介导HIF-非依赖性缺氧反应。

这些观察结果强调，低氧适应不仅仅是由HIF反应介导的。缺氧可以激活许多不同的通路，并影响经典PHD/pVHL/HIFα通路中尚未建立的分支。

HIF靶向治疗

HIF生物学的许多见解正在转化为临床应用，尤其是药物发现。迄今为止，临床开发方面最先进的HIF靶向药物是PHD抑制剂。这些化合物FG-2216和FG-4592正在进行贫血治疗评估，目前正在进行一期和二期临床试验（ClinicalTrials.gov IdentifiersNCT00456053号,NCT00761657号,NCT00978198号、和NCT00978198号).

HIF激活剂

除了PHD抑制外，还开发了几种促进HIF1α活性和血管生成的策略，以用于缺血性疾病。在后肢缺血模型中，当单独给药或与骨髓源血管生成细胞联合给药时，组成活性HIF1α的腺病毒递送表现出良好的前景(Bosch-Marce等人，2007年;Rey等人，2009年). HIF1α腺病毒治疗对老年和糖尿病小鼠肢体缺血模型也有益处(Bosch-Marce等人，2007年;Sarkar等人，2009年). 如果考虑到患有动脉粥样硬化和相关缺血性疾病的两大患者群体是糖尿病患者和老年人，那么这些发现是有意义的(贝克曼等人，2002年).

混合HIF1α/VP16的类似方法已用于兔和糖尿病大鼠肢体缺血模型，甚至已在严重外周动脉疾病患者的I期和II期临床研究中取得进展(文森特等人，2000年;Rajagopalan等人，2007年;Kajiwara等人，2009年). 这些干预措施也适用于其他缺血性损伤，如伤口愈合和心肌梗死(刘等人，2008;梅斯等人，2007年;Heinl-Green等人，2005年). 除了基因治疗外，PHD抑制剂在糖尿病动物的伤口愈合中也显示出效用(Botusan等人，2008年).

总的来说，这些发现表明HIF激活疗法在缺血的临床前研究中是有效的，值得对缺血性疾病患者进行研究。

HIF抑制剂

转录因子历来被认为是不可探究的靶点。然而，抑制HIF作为一种治疗策略的兴趣仍然很高(塞门扎，2007年). FDA批准的抗HIF活性药物的高通量筛选显示，地高辛和其他心脏糖苷抑制HIFα平移与皮下异种移植生长(Zhang等人，2008年). 重要的是，HIFα的抑制与地高辛对钠的已知作用无关+/K+ATP酶，但对其抑瘤作用是必要的(Zhang等人，2008年). 在类似的筛选中发现的其他HIF抑制剂包括抗菌染料吖啶和蒽环类药物，如阿霉素和柔红霉素(Lee等人，2009a,2009年b). 在批准的药物中筛选HIF抑制剂意味着，虽然已确定的化合物经过药理学研究且适合人类使用，但可以推定其具有源自其原始治疗目的的HIF非依赖性效应。因此，对于这些药物用于靶向HIF治疗，证明HIF阻遏足以产生预期的生物效应至关重要。

HIF靶向的另一个挑战涉及HIFα亚单位重叠但不同的生物学作用。促进IRP1与5′UTR结合的化合物HIF2αmRNA减少HIF2α低氧诱导，但也通过独立机制抑制HIF1α合成(Zimmer等人，2008年). HIF1α的RNA拮抗剂EZN-2968降低HIF1α蛋白和靶基因的表达在体外和体内，但不是HIF2α，正在一期临床试验中评估(Patnaik等人，2009年;Greenberger等人，2008年). 我们预计，一旦有效和选择性的给药方法可用，RNAi将在靶向HIF治疗中发挥关键作用。

随着HIF1α和HIF2α在疾病中重要性的观点不断涌现，对特定HIF抑制剂的需求基本上没有得到满足。虽然HIFα亚型的联合抑制适用于某些疾病情况，但HIF1α或HIF2α特异性治疗在其他情况下可能更可取。

VHL缺乏的合成致命性

在许多癌症中，重新激活肿瘤抑制因子可以提供治疗益处。然而，为此目的设计药物具有挑战性。因此，一些团体采用了合成致死筛查方法来克服这一障碍。如果抑制其中一个基因与生存能力兼容，则两个基因是综合致死的，但抑制这两个基因都会导致细胞死亡。在ccRCC中，几个小组已经筛选出了具有综合致死性的基因VHL（甚高频）(Bommi-Redid等人，2008年;Turcotte等人，2008年). 一个小组筛选了一个靶向各种激酶的shRNA文库，并确定了一些靶点，如CDK6，这些靶点已经存在化学抑制剂(Bommi-Reddy等人，2008年). 另一个筛选使用了一个药物库并鉴定出一种化合物STF-62247，该化合物在VHL（甚高频）-缺陷细胞(Turcotte等人，2008年). 令人惊讶的是，在一些情况下，VHL（甚高频）-在药物或激酶特异性shRNA存在下，HIF2α稳定表达的充满细胞是可行的，这表明在VHL（甚高频）-缺陷细胞与HIF无关(Turcotte等人，2008年;Bommi-Redid等人，2008年). 总之，这些筛选暗示了新的分子靶点和化合物在治疗VHL（甚高频）-ccRCC不足。

结论

缺氧应激是许多病理环境的特征，HIF直接进行关键性适应，使细胞、组织和生物体能够在这些条件下生存和茁壮成长。最近的工作揭示了HIF诱导的新机制，包括PHD依赖和独立的调节模式，以及在发育和疾病中激活HIF反应的新作用。在某些情况下，这些反应促进疾病进展，而在其他情况下，HIF反应是疾病恢复的一部分。最近的证据也强调了HIF1α和HIF2α介导的反应在癌症、组织缺血和炎症疾病中的共同和区别特征。深入了解HIFα亚型是如何被独特调控的，以及它们如何被选择性调控，对于将我们目前对HIF途径的认识转化为临床应用至关重要。

致谢

我们感谢Brian Keith和我们实验室的其他成员进行了有益的讨论，并感谢Kelly Clark在数字准备方面提供的帮助。我们向同事们道歉，因为空间有限，他们的工作没有被直接引用。

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