综述：HIF-1 的表观转录组调控：双向调控通路

这篇综述聚焦 HIF-1 与表观转录组修饰（如 m6A）的双向调控，探索其在疾病中的作用及临床意义。

　　

引言

在生命的奇妙进程中，细胞如何应对氧气变化一直是科学界关注的焦点。缺氧诱导因子 1（Hypoxia-inducible factor 1，HIF-1）作为细胞应对低氧环境的关键调控因子，在维持氧气稳态方面发挥着核心作用。无论是在胚胎发育、新陈代谢，还是在疾病的发生发展过程中，HIF-1 都占据着至关重要的地位。而表观转录组学，作为新兴的研究领域，为我们揭示了 RNA 修饰对基因表达调控的全新层面。其中，N⁶- 甲基腺苷（m⁶A）是真核生物 mRNA 中最常见且研究较为深入的修饰，它广泛参与 RNA 代谢的各个环节，从 mRNA 的翻译、降解，到剪接、转运等，都有 m⁶A 的身影。近年来，越来越多的研究发现，HIF-1 与 m⁶A 之间存在着复杂而精妙的双向调控关系，这种关系不仅加深了我们对细胞低氧应答机制的理解，更为癌症、缺血性心脏病等疾病的治疗提供了新的思路和潜在靶点。

HIF-1：细胞低氧应答的 “指挥官”

HIF-1 是一种异源二聚体转录因子，由氧气敏感的 HIF-1α 亚基和组成型表达的 HIF-1β 亚基（也称为芳烃受体核转运蛋白，ARNT）构成。在正常氧含量（常氧）条件下，HIF-1α 亚基会被脯氨酰羟化酶结构域（PHD）家族的酶羟基化，进而被 von Hippel-Lindau（pVHL）蛋白识别并结合，通过泛素 - 蛋白酶体途径迅速降解。同时，因子抑制 HIF-1（FIH-1）对 HIF-1α 亚基的天冬酰胺进行羟基化，阻止转录共激活因子的招募，进一步抑制 HIF-1 的活性。

当细胞处于低氧环境时，情况发生了变化。氧气供应的减少抑制了 PHD 和 FIH 的酶活性，使得 HIF-1α 亚基逃脱降解，在细胞质中积累并转运到细胞核内。在这里，它与 HIF-1β 亚基结合形成异源二聚体，然后与靶基因启动子和增强子区域的缺氧反应元件（HREs）结合，启动相关基因的转录。HIF-1 的激活是一个逐步的过程，轻度低氧时，PHD 活性被抑制，HIF-1α 得以稳定；随着低氧程度加剧，FIH-1 活性也受到抑制，HIF-1 的转录激活潜能进一步增强。

HIF-1 激活后，会调控超过 1000 个靶基因的表达，这些基因参与了多种关键的生理过程。例如，通过上调血管内皮生长因子（VEGF）促进血管生成，增加氧气的输送；调节代谢相关基因，实现代谢重编程，确保细胞在低氧环境下通过无氧呼吸产生足够的 ATP；调控细胞存活相关基因，减轻氧化应激，维持细胞在低氧条件下的活力。不过，HIF-1 的作用具有两面性。在心肌细胞缺血时，它能促进细胞存活，启动心脏的保护机制；但在肿瘤细胞中，HIF-1 却会助力肿瘤的生长、侵袭和对治疗的抵抗。

除了氧气依赖的调控机制外，HIF-1 的信号通路还受到转录、翻译后修饰等多种水平的调节。而本文重点关注的是最普遍的表观转录组修饰 ——m⁶A 对 HIF-1 的转录后调控，以及它们之间的双向相互作用。

N⁶- 甲基腺苷（m⁶A）：RNA 修饰的 “明星分子”

m⁶A 在真核生物 mRNA 中广泛存在，同时也出现在非编码 RNA，如长链非编码 RNA（lncRNA）、核糖体 RNA（rRNA）和小核 RNA（snRNA）中。从进化的角度来看，m⁶A 修饰在从植物到哺乳动物的众多物种中都高度保守，这充分说明了它在基因表达调控中的重要性。m⁶A 修饰通过改变 RNA 的结构，促使甲基氨基团呈反式构象，破坏 RNA 双链的热力学稳定性，从而影响 RNA 与蛋白质的相互作用，进而调控 RNA 代谢的各个阶段。

m⁶A 的调控依赖于一组特殊的 RNA 修饰酶，这些酶共同构成了一个动态的调控网络。“写手”（writers）负责催化甲基基团添加到 RNA 上，主要包括甲基转移酶样 3（METTL3）、甲基转移酶样 14（METTL14）、Wilms 肿瘤 1 关联蛋白（WTAP）和 vir 样 m⁶A 甲基转移酶相关蛋白（VIRMA）等。其中，METTL3 是催化 m⁶A 修饰的关键亚基，METTL14 辅助 RNA 结合，WTAP 帮助甲基转移酶复合物定位到核斑，VIRMA 则介导特定 RNA 位点的优先甲基化。

“读者”（readers）是一类能够识别 m⁶A 修饰的 RNA 结合蛋白，它们在 mRNA 代谢中发挥着关键作用。YTH 结构域包含家族蛋白（YTHDF1 - 3）和 YTH 结构域包含蛋白（YTHDC1 - 2）是其中的重要成员。YTHDF1 - 3 不仅参与 mRNA 的降解，部分成员还调节翻译过程；YTHDC1 参与 mRNA 的剪接，YTHDC2 则促进翻译。胰岛素样生长因子 2 mRNA 结合蛋白 1 - 3（IGF2BP1 - 3）同样能结合 m⁶A，增强靶 mRNA 的稳定性和存储，影响基因表达。

“橡皮擦”（erasers）可以去除 m⁶A 修饰，使 RNA 的功能得以动态调节。AlkB 同源物 5（ALKBH5）和脂肪量和肥胖相关蛋白（FTO）是最为人熟知的 m⁶A 去甲基化酶。ALKBH5 主要作用于 mRNA 和 snRNA，特异性地去除 m⁶A 修饰；FTO 虽然并非只针对 m⁶A，但它在细胞核中主要作用于 m⁶A，还能对 N⁶,2 - O - 二甲基腺苷（m⁶Am）和 N¹- 甲基腺苷（m¹A）进行去甲基化，进一步拓展了其在 RNA 代谢中的调控作用。另外，AlkB 同源物 3（ALKBH3）被报道可促进哺乳动物 tRNA 的 m⁶A 去甲基化。

相互关系：HIF-1 与 m⁶A 的 “双向对话”

HIF-1 与 m⁶A 之间的动态相互作用在基因表达调控中起着关键作用，尤其在癌症研究领域受到了广泛关注。

• HIF-1 与 m⁶A 橡皮擦：早在 2011 年，研究人员就发现 ALKBH5 是 HIF-1α 的直接转录靶点，后来才明确它作为 m⁶A 去甲基化酶的作用。在多种细胞系中，缺氧会通过 HIF-1α 信号通路显著上调 ALKBH5 的表达。在乳腺癌细胞中，ALKBH5 的上调诱导多能性因子的表达，促使乳腺癌干细胞表型的形成，这对肿瘤的起始和转移至关重要。在卵巢癌中，HIF-1α 驱动的 ALKBH5 上调会刺激下游的粘着斑激酶（FAK）/Src 原癌基因（Src）信号通路，通过破坏 YTHDF2 蛋白介导的 m⁶A 降解途径，增强整合素 β1（ITGB1）的表达，最终促进淋巴结转移和淋巴管生成。此外，ALKBH5 还能通过调节宫颈癌中环状 RNA circCCDC134 的 m⁶A 修饰，增强其稳定性，进而招募转录因子 p65（NF-κB 的一个亚基）并作为 miR-503 - 5p 的海绵，促进 HIF1A 的转录，推动癌症的进展和转移。

FTO 在 HIF-1 的调控中也扮演着重要角色。在多种癌症中，FTO 表达上调，通过影响 HIF-1 活性促进肿瘤进展。例如，在食管鳞状细胞癌中，FTO 使长链间基因非编码 RNA 激酶激活（LINK-A）去甲基化并稳定其表达，LINK-A 进而破坏微小染色体维持复合物组分 3（MCM3）与 HIF-1α 的相互作用，解除 MCM3 对 HIF-1α 的转录抑制，促进糖酵解和化疗耐药性。在肝癌细胞中，HIF-1α 和 FTO 协同作用，共同调节醛缩酶 A（ALDOA）的转录和稳定性，促进癌细胞对低氧的代谢适应和肿瘤进展。

在心血管疾病方面，FTO 在缺血性心脏病和心肌梗死中也发挥着重要作用。在心肌梗死时，受影响组织中的 FTO 表达显著下调，提示其可能对心脏损伤具有保护作用。在新生儿心脏成纤维细胞暴露于低氧环境时，FTO 水平下降与 HIF-1α 水平升高相关，两者之间存在相互调节机制。此外，在禁食诱导的心脏保护中，FTO 水平升高，HIF-1α 水平降低，但 Hif1a mRNA 的 m⁶A/m（m⁶A + m⁶Am）甲基化水平保持稳定。在白色脂肪组织棕色化过程中，FTO 缺乏会增加 Hif1a mRNA 的 m⁶A 甲基化，促进 Hif1a 的翻译和 HIF-1α 蛋白水平的升高，激活产热基因，促进白色脂肪向米色脂肪的转化和产热，增加能量消耗，预防饮食诱导的肥胖。

虽然 HIF-1 与 ALKBH3 之间的关联研究相对较少，但有研究表明，HIF-1α 可转录激活长链非编码 RNA ALKBH3AS1 的表达，稳定 ALKBH3 mRNA，促进肝癌细胞的增殖和侵袭。

• HIF-1 与 m⁶A 写手：METTL3 作为研究最为广泛的 m⁶A 写手，在多种癌症中与 HIF-1 信号通路密切相关。在肝癌中，METTL3 通过对 HIF1A mRNA 进行 m⁶A 修饰，促进癌细胞的代谢重编程、增殖、侵袭和转移。在结直肠癌中，METTL3 的敲低会降低 HIF1A 的 m⁶A 修饰水平，抑制其翻译效率，进而抑制 Warburg 效应。同时，HIF-1α 能结合 METTL3 启动子的主要 HREs，在缺氧条件下诱导其表达。在槟榔碱诱导的口腔鳞状细胞癌中，HIF-1α 刺激 METTL3 表达上调，与 MYC 原癌基因形成正反馈调节环，影响肿瘤的发生和对顺铂的耐药性。此外，METTL3 还能促进 m⁶A 依赖的 miR-21 - 5p 成熟，靶向 HIF-1α 的负调节因子 HIF1AN（FIH-1 的基因名），激活 HIF-1/VEGF 信号轴，促进绒毛膜癌的进展。最近的研究还发现，HIF-1α/METTL3/YTHDF2 轴在抑制苯诱导的血液毒性中发挥作用，表明 METTL3 参与的 HIF-1 信号通路影响免疫和造血反应。

除 METTL3 外，m⁶A 甲基转移酶复合物的其他亚基也与 HIF-1 信号通路相关。在肝癌中，缺氧会以 HIF-1α 依赖的方式抑制 METTL14 诱导的铁死亡，促进肿瘤进展。在卵巢癌中，HIF-1α 上调 WTAP 的表达，WTAP 通过 m⁶A 依赖的方式稳定糖酵解酶己糖激酶 2（HK2）的 mRNA，加速肿瘤在低氧条件下的进展。在急性髓系白血病（AML）中，HIF-1α 同样上调 WTAP 的表达，WTAP 通过 m⁶A 修饰稳定赖氨酸去甲基化酶 4B（KDM4B）的 mRNA，促进癌细胞的增殖和存活。在结肠腺癌和胰腺导管腺癌中，VIRMA 的表达上调，分别通过阻断 HIF-1 信号通路和促进 STRA6/STAT3 轴信号传导，影响肿瘤的生长和进展。

• HIF-1 与 m⁶A 读者：与 m⁶A 写手和橡皮擦相比，m⁶A 读者与 HIF-1 信号通路之间的关系研究相对较少，但它们在细胞对低氧和代谢应激的反应中同样发挥着重要作用。在肝癌中，低氧条件下 HIF-1α 诱导 YTHDF1 表达，YTHDF1 通过促进自噬相关基因 ATG2A 和 ATG14 的翻译，驱动缺氧诱导的自噬和癌细胞的恶性进展。然而，YTHDF1 在低氧条件下的调节较为复杂，在高原牛的肾脏和肝脏中，其水平相较于低地牛有所降低，表明其在低氧环境中的调节具有背景依赖性。YTHDF2 与多溴蛋白 1（PBRM1）合作调节 HIF-1α 蛋白的翻译，YTHDC2 也能促进这一过程。

此外，HIF-1α 还能上调 m⁶A 读者 IGF2BP1 的表达，该轴通过增强 SLC7A11 mRNA 的稳定性，促进周围神经损伤的恢复。IGF2BP3 在胃癌组织和低氧处理的胃癌细胞中与 HIF-1α 共表达，它能直接结合 HIF1A mRNA 编码区的 m⁶A 位点，正向调节其表达。敲低 IGF2BP3 可抑制低氧诱导的胃癌细胞迁移和血管生成，同时在急性 - 慢性肝衰竭的肝细胞重编程过程中，IGF2BP3 能稳定 HIF1A mRNA，促进其表达。

HIF-1 与其他 RNA 修饰

除了 m⁶A，RNA 修饰与 HIF-1 之间的相互关系大多尚未被深入研究。腺苷脱氨酶作用于 RNA 1（ADAR1）介导的腺苷到次黄嘌呤（A-to-I）RNA 编辑，可修饰 HIF-1α 的两个负调节因子 —— 天然反义转录本 HIF1A-AS2 和泛素连接酶支架 LIMD1，促进 HIF-1α 在缺氧时的快速积累，增强下游的血管生成。在肾细胞癌细胞中，HIF-1 的积累会导致假尿苷合酶 10（PUS10）的下调，PUS10 负责将 tRNA 中的尿苷转化为假尿苷（Ψ）。在结肠癌细胞中，HIF-1 结合甲基转移酶 METTL1 启动子区域的 HRE，抑制其转录，导致 tRNA 中 N⁷- 甲基鸟苷（m⁷G）水平下降。

ALKBH1 作为一种参与多种 RNA 修饰（如 m¹A、5 - 甲基胞苷（m⁵C）、N³- 甲基胞苷（m3C））的去甲基化酶，也与 HIF-1 信号通路相关。不过，ALKBH1 不仅能对 RNA 进行去甲基化，还能修饰 DNA，包括 N⁶- 甲基脱氧腺苷（6mA）。它主要通过对 DNA 的表观遗传修饰来调节 HIF-1 信号通路，但鉴于其对 RNA 和 DNA 的广泛活性，其通过 RNA 修饰影响 HIF-1 的潜在作用仍有待进一步探索。

十 - 十一易位（TET）蛋白可去除 RNA 中的 m⁵C 和 DNA 中的 5 - 甲基 - 2 - 脱氧胞苷（5mdC）。虽然 TET 蛋白的表达受 HIF-1 的调控，且参与缺氧相关反应，但目前认为其与 HIF-1 的相互作用主要通过 DNA 羟甲基化调节，而非表观转录组变化。因此，TET 酶在缺氧驱动的 RNA 表观转录组修饰中的作用仍需深入研究。

尽管 m⁶A 是目前在 HIF-1 调控研究中最为深入的 RNA 修饰，但其他表观转录组标记，如 A-to-I 编辑、Ψ 和 m⁷G，也可能参与缺氧反应。同时，ALKBH1 和 TET 蛋白等在低氧条件下的 RNA 去甲基化作用仍未被充分挖掘，它们与 HIF-1 之间的相互关系有待进一步研究，以揭示表观转录组在低氧信号传导中的全貌。

临床意义

缺氧是肿瘤微环境的显著特征，快速增殖的癌细胞消耗大量氧气，导致肿瘤组织缺氧。在这种情况下，癌细胞依赖 HIF-1α 来驱动与血管生成、糖酵解和细胞存活相关基因的转录，以维持自身的生长和增殖。同时，表观转录组修饰，尤其是 m⁶A 甲基化，调节 HIF-1 信号通路，促进肿瘤的恶性进展。此外，在缺血性心脏病中，表观转录组调控和 HIF-1 通路参与心脏对缺血 - 再灌注损伤的适应性保护反应。因此，靶向这些调控系统有望为抑制癌症进展和治疗缺血性心脏病提供创新的治疗策略，这也是全球面临的两大主要健康挑战。<针对 hif-1α 的药物研发已取得一定进展，像拓扑替康、px - 478 等抑制剂，以及 krh102053、krh102140>

近年来，针对 m⁶A 调节剂的小分子抑制剂在体外和动物实验中显示出潜力。其中，m⁶A 写手 METTL3 的抑制剂 STC - 15 已进入临床试验阶段，用于癌症治疗。但其他 m⁶A 调节剂的抑制剂尚未达到这一阶段。将这些抑制剂转化为临床应用仍面临诸多障碍，m⁶A 调节剂影响广泛的细胞过程，除了在癌症和缺血中的作用外，还存在显著的脱靶风险。而且，m⁶A 调节剂的底物选择性和动态变化机制尚未完全明晰，其活性是否依赖于序列特异性、亚细胞定位或特定蛋白质的调节等问题仍有待解决。尽管如此，深入研究表观转录组学与 HIF-1 信号通路之间的相互作用，有望为癌症和缺血性心脏病等疾病的治疗带来新的突破。

结论

RNA 修饰，尤其是 m⁶A 与 HIF-1 信号通路之间的相互作用研究不断深入，揭示了细胞对缺氧应答的复杂性。HIF-1 长期以来被视为缺氧驱动过程的核心调节因子，而其与表观转录组调节因子的相互作用为基因表达的精细调控提供了新视角。许多表观转录组调节因子不仅影响 HIF-1 信号通路，还可能是 HIF-1 的直接靶点，m⁶A 修饰与 HIF 信号之间的双向调控，加深了我们对细胞缺氧应答的理解，为癌症、缺血性心脏病等与氧稳态失调相关疾病的治疗提供了潜在策略。然而，要将这些研究成果转化为临床应用，仍需克服诸多挑战，如提高药物的特异性、减少脱靶效应等。未来，随着研究的不断深入，有望进一步揭示表观转录组在缺氧信号传导中的奥秘，为人类健康带来新的希望。