同样是细胞，凭啥肿瘤细胞更能适应低氧环境？
大气层中的氧气，是动物赖以生存的必要元素，是细胞能量转化的必备原料。细胞感知及适应氧气的重要性，可以用上一届的诺贝尔生理学或医学奖来说明。
低氧环境与肿瘤的发生发展密不可分，急性和慢性低氧共存于肿瘤，并以不同的方式影响肿瘤细胞表型。本文，我们将重点探讨肿瘤细胞适应急性和慢性低氧的分子机制。
低氧环境：促瘤还是抑瘤
肿瘤细胞的快速增殖和血液供应的减少/不足都会引起低氧环境，根据时长主要分为急性低氧和慢性低氧，不同的低氧模式会差异性地调控细胞活动，包括血管生成、代谢、增殖和转移。
急性低氧：暂时性的血流阻塞，会在短时间内（数分钟至数小时）限制氧气供应；
慢性低氧：异常的血管形成和不足，限制了氧气向某些肿瘤区域的扩散，致使细胞长期暴露于低氧状态（数小时至数天）。
肿瘤急性和慢性低氧机制示意图
缺氧诱导因子 HIF-1α 和 HIF-2α 在指导细胞对低氧的反应中起着核心作用。目前比较公认的是，前者主要介导急性低氧，而后者主要涉及慢性低氧。两者在低氧条件下稳定激活后，易位至细胞核，继而调节与肿瘤发生发展相关的多种基因的表达。
低氧对肿瘤发生发展的调控呈现出两种截然不同的方向：致瘤和抑瘤。一方面 HIFs 可维持癌症干细胞的干性、调节代谢，从而介导肿瘤的存活与耐药性；另一方面，HIFs 可以通过激活凋亡或诱导自噬来限制肿瘤细胞的增殖和生长。
有研究提出，低氧对肿瘤发生的最终调控结果取决于缺氧的严重程度、缺氧的持续时间以及 HIF 亚型表达及活性。
HIF-1α 调控示意图：在常氧条件下，HIF-1α 被 PHD 酶羟基化，随后与 pVHL 结合，并启动泛素-蛋白酶体系统；在低氧条件下，稳定的 HIF-1α 可自由移动至细胞核，与 HIF-1β 形成异二聚体，并通过与共激活因子 p300 / CBP 的相互作用调控低氧反应元件（HRE）的基因表达，引发下游级联反应。HIF-2α 也可以类似的方式调节 HRE 的表达。
肿瘤发生发展：HIF-1α 与 HIF-2α 联合作用
面对不同的低氧条件，HIFs 蛋白各显神通地调节肿瘤细胞对环境的适应性，主要表现在对多种细胞进程的调控上。
HIFs 调控肿瘤细胞进程的机制示意图
来源：DOI: 10.4161/cc.9.14.12591
01
血管生成：
血管生成对肿瘤的扩散和转移至关重要，在低氧条件下，肿瘤细胞通过激活开关——HIFs 蛋白，诱导多种促血管生成因子的表达，营造更多输送养分的血管，代表性的因子为 VEGF。此外还包括如下因子：
血管生成素-2（Ang-2）
肾上腺髓质素（ADM）
Cyclin G2（CCNG2）
内皮细胞 TEK 酪氨酸激酶（Tie-2，TEK）
内皮素-1（ET-1）
诱导型一氧化氮合酶 2（iNOS2）
血小板衍生生长因子-β（PDGF-β）
纤溶酶原激活物抑制剂-1（PAI-1）
VEGF-R1
VEGF-R2
即便如此，由于肿瘤细胞的野蛮生长以及新生血管的「质量不达标」，低氧也成为肿瘤所处环境的常态。研究表明，在大肠癌中，急性低氧和慢性低氧条件下，促血管生成因子差异化表达，但两种条件都可促进肿瘤的侵袭。
02
细胞代谢：
为了满足肿瘤细胞的肆意生长，HIFs 蛋白引起细胞能量产生途径的变化。例如，肿瘤内 HIF-1α 诱导涉及乳酸产生、丙酮酸代谢、葡萄糖转运和糖酵解相关基因的转录激活。
即使是在氧气充足、线粒体功能正常的情况下，肿瘤细胞仍倾向于将葡萄糖代谢为乳酸，称之为 Warburg 效应。此外，HIF-1α 还可影响氨基酸、铁和核苷酸的代谢。
Warburg 效应示意图
来源：DOI: 10.1016/j.tibs.2015.12.001
HIF-2α 可能通过其他机制来支持低氧条件下的代谢变化。例如，HIF-2α 调节无 VHL 的肾细胞癌中葡萄糖转运蛋白-1（GLUT1）的表达。
03
生存还是死亡：
「To be, or not to be」，也是低氧环境下肿瘤细胞需要面临的抉择。
促红细胞生成素（EPO）是第一个被鉴定的 HIF-1α 靶基因，在低氧条件下被上调，并刺激红细胞生成，EPO 也是 HIF-2α 的重要靶标。EPO 和促血管生成基因可确保充足的血液/氧气供应，促进 HIFs 介导的肿瘤细胞存活。矛盾的是，某些肿瘤中，HIF-1α 的过度活化可导致细胞凋亡，主要通过以下三种机制：
HIF-1α 可能通过结合 E3 泛素连接酶 MDM2 来稳定 p53；
HIF-1α 诱导凋亡基因（NIP3、NIX 和 RTP801）的表达；
HIF-1α 转录激活 MIX-1，从而抑制 c-Myc（p21 抑制剂），导致细胞周期停滞。
此外，HIF-1α 和 HIF-2α 虽靶向相同下游基因，但调控作用可能截然相反。例如，HIF-2α 可抑制 p53 的活化，促进肺癌和透明细胞性肾细胞癌（ccRCC）的肿瘤发生。
04
EMT 和干性维持：
上皮细胞转化为间质型细胞（EMT）的过程，可以说是肿瘤转移扩散的元凶，因为具有间充质表型的细胞迁移能力增强，还可抵抗凋亡。
HIF-1α 可直接或间接调节众多控制 EMT 过程的转录因子的表达，包括 Notch、PDGF、VEGF、Snail、TCF3、TGF-β、Twist1、ZEB1 和 ZEB2。在结直肠癌（CRC）中，HIF- 1α 直接与 ZEB1 的近端启动子结合，以增加 ZEB1 的表达，从而导致 EMT 和细胞迁移。
低氧是诱发 EMT 过程的重要因素，也可能导致具有自我更新能力的癌症干细胞（CSCs）的发展。低氧环境下，HIF 信号通路与多能性标志物的表达相关，支持干细胞的产生和维持。
在神经母细胞瘤和乳腺癌中，CSCs 可能是由低氧诱导的去分化过程产生的。低氧诱导的几种转录因子（包括 OCT4、NANOG 和 SOX2 等）位于 HIFs 的下游，在肿瘤细胞更新中发挥关键作用。
低氧及 HIFs 蛋白对 CSCs 的发展至关重要
总结
一言以蔽之，肿瘤细胞对低氧环境的适应性主要受 HIFs 蛋白调控，了解潜在的细胞调控机制，对于有效研发肿瘤治疗方法至关重要。Bio-Techne 旗下子品牌 Novus Biologicals® 在缺氧研究方面具有极为丰富的经验，尤其是高品质的 HIF-1α 抗体，文献发表数 800 余篇，堪称缺氧研究的王牌抗体。
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图文来源：Bio-Techne
题图来源：站酷海洛
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