[摘要] 低氧诱导因子-1是参与调节机体氧平衡的重要核转录因子。作为一种蛋白质，它的主要亚基HIF-1α受到多种翻译后的化学修饰，如泛素化、类泛素化等的影响，从而使其蛋白的稳定性、入核以及对下游基因的促转录活性受到调节。因此，研究HIF-1α翻译后的修饰，不仅有助于理解类似转录因子自身的调控，更能对HIF-1作为一个高原病的治疗靶标提供思路。
[关键词] SUMO修饰；高原低氧；HIF-1
[中图分类号] R34 [文献标识码] A [文章编号] 2095-0616（2012）21-50-03
Action of HIF SUMO in altitude hypoxia adaptation
MA Xiaopu HOU Lijuan ZHANG Shilong WANG Xinzhao LI Wenhua
Medical School， Tibet Institute of Nationalities， Xianyang 712082，China
[Abstract] Hypoxia-inducible factor-1 is a nuclear transcription factor involved in regulating the body"s oxygen balance. As a protein， and its major subunits HIF-1α by a wide variety of post-translational chemical modifications， such as ubiquitination， class， ubiquitination， etc.， making it the stability of the protein， into the nucleus as well as on the downstream genes promoting transcriptional activity is regulated. Therefore， the study of post-translational modifications of HIF-1α， not only help to understand similar regulation of the transcription factor， thinking more of HIF-1 as a treatment of altitude sickness target.
[Key words] SUMO modification；Altitude hypoxia；HIF-1
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[9]。两者的结果完全相反，HIF SUMO化增加了HIF-1α的稳定性，HIF泛素化降低了HIF-1α的稳定性。此外，在低氧状态下，高水平的SUMO可以明显抑制一种泛素化降解通路E3酶MDM2的降解，提高其稳定性。这一作用可能与p53有关[10]。另外，SUMO化能够抑制泛素化酶E2-25K的活性，也可能与抑制HIF-1通过泛素-蛋白酶体途径降解有关。Shao等研究表明在低氧状态下SUMO化HIF‑1可以提高其稳定性[11]。低氧环境下，一种叫做RSUME（RWD-containing sumoylation enhancer）的蛋白表达应激性增高，可促进SUMO的表达以及HIF‑1的SUMO化。通过免疫共沉淀等方法证实，接受低氧刺激的小鼠体内SUNO‑1和HIF-1蛋白的表达水平急剧增加，它们共同定居于核内，SUMO‑1能使HIF-1α发生SUMO化，进而增加HIF-1α的稳定性及在核内表达，导致HIF-1转录活性增强[12]。
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HIF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。
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（收稿日期：2012-09-02）