引言：缺氧联系着多种病理过程。例如，肿瘤的缺氧微环境为肿瘤细胞本身以及免疫环境带来了复杂的变数，为临床治疗带来不确定性。为此，本文 Cellular adaptation to hypoxia through hypoxia inducible factors and beyond 详细揭示了缺氧介导的生物效应的分子机制，同时为未来的研究提供新的方向。
# 摘要
分子氧（O2）维持着细胞内的生物能量，并被许多生化反应利用，因此对地球上的大多数物种来说是必不可少的。由此，氧气浓度降低（缺氧）作为一个主要的压力源，通常会颠覆有氧物种的生活，并且是细菌感染、炎症、伤口、心血管缺陷和癌症中的一个突出的病理状态特征。因此，在哺乳动物中已经进化出应对缺氧的关键适应机制。在系统上，这些适应机制包括增加通气量、心输出量、血管生长和循环红细胞数量。在细胞水平上，消耗 ATP 的反应被抑制，新陈代谢被改变，直到氧气供需平衡被恢复。一个关键问题是哺乳动物细胞如何在缺氧期间感知氧气水平以协调各种生物产出。研究得最多的缺氧反应机制是缺氧诱导因子（HIFs），它因低氧而被稳定，并控制多种基因的表达，包括那些参与细胞生存、血管生成、糖酵解和侵袭 / 转移的基因。重要的是，氧气的变化也可以通过其他压力途径以及代谢物水平的变化和线粒体产生的活性氧来感知。总之，这些变化导致了细胞对蛋白质合成、能量代谢、线粒体呼吸、脂质和碳代谢以及营养物质获取的适应。这些机制的微调对于整个缺氧应激反应是不可或缺的。
# 简介
鉴于氧气在维持细胞内 ATP 水平和在大量生化反应中作为电子接受体的重要性，对缺氧应急的迅速反应、重要性且高度保守性就不足为奇了。消耗氧的反应的例子包括有氧呼吸、脂肪酸去饱和和那些由的 α- 酮戊二酸二氧酶催化的反应，这些反应参与了各种代谢反应，包括 RNA、DNA 和组蛋白去甲基化反应。在各种疾病中，由于血管不足、明显的血管损伤和组织水肿，将导致出现缺氧，这其中就包括了实体瘤的生长。一旦最初无血管的肿瘤达到超出氧气自然扩散极限的大小，就会出现缺氧的微环境。为了使疾病发展，肿瘤必须通过血管生成或血管选定来获得新血管。然而，肿瘤血管在各种重要的表型上与正常的血管不同，表现出了很差的组织灌注效应。因此，对缺氧的适应性是原发性和转移性肿瘤的一个关键特征。
细胞缺氧（0.5-2% 的氧气）可以是急性的，因为氧气供应和细胞代谢需求之间暂时不匹配，也可以是慢性的，因为血管永久性的不足，或者有着未纠正的组织水肿和炎症。此外，不同程度的缺氧可以导致不同的反应，因为只有在严重缺氧的情况下（缺氧条件，<0.5% 的氧气）才能观察到其对蛋白质折叠或耗氧的生化反应的影响。所有这些适应必须被整合起来，以支持基本的细胞活动，直到组织和机体的反应使细胞恢复到适当的氧气水平。
我们在理解细胞对氧含量变化的反应方面的一个重大突破是发现了缺氧诱导因子（HIFs）及其对 VHL 肿瘤抑制蛋白（pVHL）和脯氨酰羟化酶（PHD1-PHD3 或 EGLN1-EGLN3）（α- 酮戊二酸二氧酶超家族成员）的调节。这一发现提供了一个分子框架，用来解释氧气水平的变化如何能够启动强大的转录反应，并为癌症、心血管疾病和贫血提供治疗靶点。重要的是，这也开辟了研究 α- 酮戊二酸二氧酶的新兴领域，其中包括 DNA、RNA 和组蛋白脱甲基酶。这项开创性的研究被理所当然地授予 2019 年诺贝尔生理学和医学奖，该奖项由 William G. Kaelin Jr、Sir Peter J. Ratcliffe 和 Gregg L. Semenza 共同获得，"以表彰他们对细胞如何感知和适应氧气可用性的发现"。除了 HIFs 之外，对氧气水平下降的反应涉还及表观基因组、非编码 RNA、代谢组、信号途径、生化反应和各种稳态过程的变化，以确保细胞在缺氧压力下的生存。
在这篇评论中，我们讨论了目前关于细胞如何应对和适应缺氧的认知。我们简要考虑了缺氧介导的转录反应，主要依赖于 HIF-PHD-pVHL 轴。然而，我们主要关注的是适应机制，涉及缺氧对蛋白质稳态的影响、线粒体（中央耗氧细胞器）的功能、新陈代谢和压力微环境下的营养吸收，其中也包括重要的 HIF 不参与的机制。值得注意的是，我们主要关注的是细胞反应；机体层面的关键缺氧适应性，包括颈动脉体活动的变化、心肺系统、神经行为、红细胞生成素的产生和其他生理反应，在其他的综述中有回顾 。
图一 缺氧介导的转录调控。
# 缺氧的转录调节
低氧转录诱导一系列由 HIF 控制的基因，同时也调控一系列其他的转录因子，包括核因子 -κB（NF-κB）。然而，绝大多数的氧敏感基因实际上是 HIF 的直接目标。这些基因在细胞和机体层面有助于适应氧气水平的降低。然而，低氧诱导基因的持续性激活会导致病症，包括肺动脉高压。
HIF 转录因子家族及其调节。HIF1 和 HIF2 是参与缺氧反应的主要转录因子。HIFs 与大量目标启动子区域的缺氧反应元件结合，包括那些参与细胞生存、血管生成、糖酵解和侵袭 / 转移的靶点。HIFs 是由受调控的 HIFα 蛋白亚单位（只在缺氧时表达）和组成型表达的 HIF1β 蛋白亚单位组成的异质二聚体。在常态下，HIFα 亚单位被 VHL 复合物多聚泛素化，随后被蛋白酶体降解。HIFα 亚单位和 VHL 复合物之间的氧依赖性相互作用需要 HIFα 的氧依赖性降解（ODD）域内的两个脯氨酸残基发生羟化。这种由 PHD 催化的羟基化反应与 α- 酮戊二酸的氧化，变成琥珀酸和二氧化碳的脱羧作用相联系。重要的是，所有三种 PHD 酶都能使 HIF1α 和 HIF2α 羟化，并且这一过程需要氧气、铁（Fe2+）和 α- 酮戊二酸来共同发挥作用。与失去 PHD1 或 PHD3 的小鼠相比，PHD2 缺失的小鼠会发生胚胎致死，这强调了 PHDs 在体内的不同功能。PHD2 是负责 HIFα 羟化和随后降解的主要酶。缺氧会阻止 HIFα 亚单位的羟基化以及随后的被蛋白体降解。由此，HIFα 亚单位与 HIF1β 二聚体形成具有转录活性的复合体。HIF 的转录活性由 Fe2+ 和 α- 酮戊二酸二氧酶家族的另一个成员 HIF 天冬酰胺羟化酶及 HIF1 抑制因子（FIH1）进行微调。FIH1 在常氧条件下将 HIF1α 和 HIF2α 的 C 端转录激活结构域内的天冬酰胺残基羟基化，以防止其招募转录协同激活因子 p300 和 CBP，从而抑制 HIFs 的转录效应。值得注意的是，FIH1 在 HIFα 蛋白亚基之外还有其他底物，其生理功能仍在研究中。相比之下，Ratcliffe 等人最近的一份报告表明，至少在体外，PHDs 对 HIFs 有很好的特异性。然而，PHDs 已被证明可以通过与其酶活性无关的机制控制独立于 HIFs 的多种生物过程。此外，其他潜在的 PHD 目标可能需要特定结构，如分子支架，以便在活细胞中有效地进行羟化。因此，构造 PHD 羟化酶的 C 端突变的小鼠，使其失去催化作用，以破译它们在体内的酶性和非酶性作用是很重要的。
PHD 家族的调节。PHDs 是研究得最透彻的氧敏感蛋白，尽管其他各种氧传感蛋白也在被研究。所有三种 PHD 的内在属性是对氧的低亲和力（高 Michaelis 常数（Km）），使它们有能力感知氧气水平并控制 HIFα 的稳定。与组织的氧含量不同，大肠中的氧含量低至 0.5%，而肺中的氧含量高达 13%。同时，许多主要器官的组织氧含量为 3-7%。三种 PHD 的氧气 Km 值相似（230-250μM），接近于大气中的血液的氧溶解度。相比之下，FIH1 对氧有相对较高的亲和力（Km 值∼90μM）。因此，任何低于大气层的氧气含量（21% 的氧气）的减少都会降低 PHD 的酶活性。
在细胞系模型的实验中，HIF1α 蛋白水平在大气中的空气氧浓度和 6% 的氧浓度之间表现出稳定的小幅度增加，然后在氧气浓度接近 0.5% 时出现指数性上升。当氧气水平低于 5% 时，可能有多种信号输入到 PHD，解释了 HIF1α 蛋白水平的指数上升，包括细胞内氧气水平的其他传感器和活性氧（ROS）的产生。操纵细胞内氧水平可以控制 PHD 的活性，从而控制缺氧期间 HIFα 蛋白的稳定性。此外，调节线粒体耗氧量的线粒体膜间空间蛋白盘绕螺旋结构 4（CHCHD4；酵母中的 Mia40），也是是低氧诱导 HIF1α 蛋白稳定的必要条件。ROS 在缺氧期间由线粒体复合体 III 产生，其产量从 5% 的氧气浓度开始呈指数增长。在缺氧过程中，通过遗传手段或药物降低 ROS 水平已被证明可以降低 HIFα 蛋白水平。ROS 如何使 PHD 失活以稳定 HIFα 蛋白亚单位的机制仍不清楚。一个新的假设是，缺氧期间产生的线粒体 ROS 促进 PHD2 内半胱氨酸残基的氧化，导致 PHD2 同源二聚体的氧化和失活，从而导致 HIFα 蛋白的稳定。事实上，半胱氨酸残基的氧化修饰是 ROS 作为信号分子作用的一个特征明显的机制。在对 ROS 的反应中，氧化还原敏感的半胱氨酸硫醇基团（R-SH）可以被氧化形成二硫键（R-S-S-R），可以介导蛋白质内的结构和功能变化，从而调节其活性。重要的是，PHD2 在其 C 端催化域有几个反应性半胱氨酸残基，可能被 ROS 氧化。有趣的是，PHD2 的活动需要高浓度的细胞内游离半胱氨酸，这种依赖由半胱氨酸二氧酶（CDO1）调节。细胞内的游离半胱氨酸可能与 PHD2 的反应性半胱氨酸残基竞争 ROS 介导的氧化作用。因此，当细胞内游离半胱氨酸水平高时，PHD2 的半胱氨酸氧化被阻止；此时 PHD2 是活跃的，而 HIFα 蛋白水平低。相比之下，限制细胞内自由半胱氨酸的数量将引发 HIFα 蛋白的积累。目前，这些 PHD2 反应性半胱氨酸在生理性缺氧条件下稳定 HIFα 的意义仍然未知。
代谢物是抑制 PHD2 活性的第二个信号输入。三羧酸（TCA）循环成分琥珀酸脱氢酶或富马酸水合酶的突变分别导致代谢物琥珀酸和富马酸的积累，并与罕见的神经内分泌和肾脏肿瘤有关。琥珀酸盐和富马酸盐的积累通过与底物 α- 酮戊二酸竞争而抑制 PHD2 的活性，在常氧条件下造成 HIFα 蛋白的积累。与这些突变无关的，琥珀酸盐和富马酸盐可以积累并触发 HIFα 的稳定，以应对单核细胞中的先天免疫信号，增加细胞因子的 mRNA 表达，如 IL-1β。α- 酮戊二酸的另一个竞争性拮抗剂是 l-2 - 羟基戊二酸（L-2HG）。同时，低氧（0.5% 的氧气）与酸中毒同时存在，可有利于 L-2HG 的产生，促进 HIFα 蛋白亚基的稳定。解释 HIF 激活的一种统一模型是：由于氧气水平下降导致 PHD2 的内在活性下降，再加上 ROS 或代谢物等输入，进一步降低 PHD2 的活性以最大限度地提高 HIFα 蛋白水平。
图二 低氧适应性蛋白合成抑制。
# 对蛋白质积累的适应
尽管对缺氧反应转录部分的研究相对较好，但这些研究却不能解释低氧条件下蛋白质合成率的变化。下调翻译可以抑制能量消耗过程，如 "不必要的" 蛋白质合成，并防止压力引起的未折叠和 / 或错误折叠的蛋白质的积累。低氧诱导的对帽结构依赖的蛋白合成的定向抑制主要发生在翻译启动的水平上，这通常是通过招募 40S 核糖体亚单位和 mRNA AUG 起始密码子上的起始 tRNA 来完成的。在低氧水平下，这种抑制主要由两条途径驱动：PKR 样内质网（ER）激酶（PERK）的下游和雷帕霉素（mTOR）复合物 1（mTORC1）的结构靶点。此外，在缺氧期间还有抑制翻译延伸和终止的机制。同时，某些编码在缺氧环境中生存所必需的蛋白质的转录本的翻译会增加，从而使细胞能够适应这种压力条件。
抑制翻译的启动。在生理条件下，真核启动因子 2（eIF2；α、β 和 γ 成分）促进翻译的启动，这与 eIF2α 的低磷酸化有关。氧气耗尽将导致氧化应激、营养剥夺和信号中断，并干扰蛋白质的折叠，随后导致错误折叠和未折叠的蛋白质的积聚。这已被证明会导致 ER 压力。为了减轻 ER 压力，细胞会触发未折叠蛋白反应（UPR），这是一种关键的细胞生存机制，涉及各种适应性，最重要的是包括通过减少蛋白质合成来减少蛋白质负荷（见下一节）。在这种情况下，一个 UPR 传感器，PERK，作为一个激酶来磷酸化 eIF2α 并抑制翻译启动。这导致了对 mRNA 翻译启动和全局蛋白质合成的普遍抑制，以限制蛋白毒性的有害影响。使用从 PERK 缺失小鼠中分离出来的小鼠胚胎成纤维细胞已经证明了 PERK 在缺氧应激过程中的保护作用，其中 PERK 缺陷的小鼠胚胎成纤维细胞对缺氧应激比野生型的小鼠更敏感。此外，依赖帽结构的翻译的启动需要 eiF4F 复合物 -- 包括 eIF4A、eIF4G 和 eIF4E-- 与 mRNA 帽结合。这是由 mTORC1 调节的，它使 eIF4E 结合蛋白（4E-BPs）磷酸化。4E-BPs 阻止 eIF4E 组装到 eIF4F 复合物中，这种磷酸化释放 eIF4E，允许 eIF4F 组装。因此，在缺氧情况下，eIF4E 仍与 4E-BPs 结合，导致 eIF4F 的组装受到抑制，进一步导致全局翻译率的下降。长时间的缺氧暴露会激活第二条独立于 eIF2α 和 mTORC1 的途径，维持翻译抑制，其中 eIF4F 复合物的分解导致 eIF4E 被其转运体 4-ET 封存在细胞核内。这种 eIF2α 调节显示了不同的缺氧状态是如何通过不同的机制调节 mRNA 翻译的，而每个机制都对缺氧基因的表达有重要贡献。
抑制翻译的进行和终止。除了启动层面的调节，mRNA 翻译的延伸也在缺氧期间受到调节。肽的延伸是由真核生物延伸因子（eEFs）介导的，到目前为止，eEF2 已被证明是受可变氧水平的调节。eEF2K 通常通过 mTORC1 进行蛋白体降解，但在缺氧情况下，mTORC1 的抑制将导致 eEF2K 稳定、eEF2K 水平增加、eEF2 磷酸化增加和相关 eEF2 抑制。此外，PHD2 通过抑制 eEF2K 以促进 eEF2 活性。因此，在低氧条件下，当 PHD2 活性受损时，eEF2 会被磷酸化并失活。最后，由氧敏感的 JMJD4（含 Jumonji 结构域 4）对真核释放因子 1（eRF1）的翻译后羟基化是常态下高效翻译终止率所必需的，而在缺氧期间，eRF1 羟基化的减少会导致翻译中止变得低效（图 2）。
缺氧中的适应性蛋白质合成。尽管翻译被全局终止，但是要注意到，在缺氧情况下，并非所有的 mRNA 翻译都被停止，而这对氧气水平低时的细胞生存至关重要。克服氧饥饿期间的翻译抑制是适应性反应所必需的蛋白质的重新合成所需要的，如 ATF4（转录激活因子 4）。ATF4 直接诱导参与蛋白质合成、抗氧化反应、氨基酸运输（AAAT 和 SLC3A2）和代谢（ASNS）以及自噬的基因表达，作为综合压力反应的一部分。同时，HIF 家族的转录因子和其他低氧反应所需的蛋白质的翻译也得到了维持，以确保细胞具有正确的应激反应因子。选择性的低氧条件下 mRNA 翻译可以通过核糖体与 mRNA 的 5′非翻译区（UTR）编码的内部核糖体进入位点直接结合而发生，这使得特定的 mRNA 可以绕过依赖于 5′UTR 帽结构的 eIF4F 形成。在缺氧情况下利用内部核糖体进入位点依赖性翻译的基因包括 VEGF5、eIF4G 和 MYC。低氧时 HIFα 亚单位的优先翻译在最开始也是归因于核糖体内部进入位点，但后来证明 HIF UTR 与调节性非编码 RNA 和 / 或 RNA 结合蛋白结合，通过与 HIF 亚单位 mRNA 相互作用来调节翻译率，这一过程可能是通过创造 mRNA 环来促进核糖体回收。
氧气水平也被证明会影响 eIF4F 复合物的组成，从 eIF4A-eIF4E-eIF4G 切换到 eIF4A-eIF4E2-eIF4G3（称为 eIF4FH，其中 eIF4E2 和 eIF4G3 与 eIF4E 和 eIF4G 同源），同时这种转换被证明会选择性地招募受 HIFs 调节的 mRNA 到核糖体上进行翻译，而不考虑整个细胞的转录能力。有趣的是，除了作为转录因子的功能外，HIF2α 也是一个依赖帽结构的翻译起始复合物的组成部分。低氧张力刺激形成一个复合物，其中包括 HIF2α、RMB4 以及帽结构结合的 eIF4E2。该复合物在 RNA 中的反向缺氧反应元件处组装，功能是规避缺氧引起的蛋白质合成抑制。此外，与缺氧有关的其他生理压力，如乳酸积累引起的酸中毒，已被证明会以与缺氧无关的方式影响基因表达变化。这包括参与翻译的基因的上调，如 eIF4A2 和核糖体蛋白 L37（RPL37）。值得注意的是，单独的酸中毒会明显抑制肽的合成，这与缺氧很类似。
信号识别颗粒与 UTR 中的保守序列结合，将 mRNA 送到 ER 膜上的信号识别颗粒结合蛋白，从而进一步调节缺氧期间的适应性蛋白质合成。在缺氧情况下特异性定位到 ER 进行翻译的 mRNA 的例子包括 VEGF、HIF1 和 P4HA1，它们进一步促进了适应缺氧的特异性蛋白质组形成。
# 激活 ER 质量控制
暴露在缺氧和其他细胞压力下，可导致广泛的蛋白质修饰，如蛋白质氧化、羰基化和亚硝化，以及如上所述，未折叠的蛋白质的积累，特别是在 ER 中。控制和降解错误折叠的蛋白质，可能是缺氧的结果，对于防止对细胞功能的有害后果至关重要。因此，为了减轻 ER 的压力，UPR 被触发，作为一个关键的细胞生存机制，通过减少蛋白质的合成和增加蛋白质的降解，以及通过 ER 相关的降解和自噬介导的 PERK，IRE1α 和 ATF6 信号途径来减少蛋白质的负荷。
如前几节所述，在缺氧期间，激活的 PERK 使 eIF2α 磷酸化，以减弱翻译启动。这种蛋白质合成的短暂停止允许能量保存，并减少 ER 蛋白负荷，以及增加核糖体结合可用于编码 UPR 适应功能的 mRNA，如 ATF4。另一个 UPR 分支是由 IRE1α 激活的，它在二聚体化和自磷酸化后，产生一个功能性拼接的 XBP1（XBP1s），作为一个转录因子，调节维持 ER 和代谢平衡的众多基因的表达。XBP1s 的转录结构域与 RNA 聚合酶 II 相互作用，XBP1 还能与许多其他转录因子（如 HIF1α）发生物理作用，它通过招募 RNA 聚合酶 II 调节 HIF1α 目标的表达。低氧以独立于 HIF1α 的方式诱导 XBP1 mRNA 的表达和剪接，导致激活的 XBP1 蛋白水平增加，由于肿瘤细胞在体外和体内的缺氧微环境中生存的能力降低，XBP1 的丢失严重抑制了肿瘤的生长。
与其他两个信号分支不同的是，ATF6 在 ER 中激活后，转移到高尔基体，在那里被两个高尔基体常驻蛋白酶所裂解。随后，N 端结构域（ATF6f），包括一个转录激活结构域、一个基本亮氨酸拉链（bZIP）结构域、一个 DNA 结合结构域和核定位信号，转移到细胞核，在那里诱导 UPR 目标基因表达，以增加 ER 折叠和负载能力，包括编码 XBP1 和 C/EBP 同源蛋白（CHOP）的基因，后者在促进 UPR 诱导的细胞凋亡中起重要作用。慢性 ER 应激介导了促死亡反应 -- 可能是通过正反馈环允许稳定促凋亡的转录本，然而这个过程是不稳定的 -- 表明 UPR 激活在缺氧下的适应性和凋亡反应中都起作用。值得注意的是，UPR 受损的细胞，如 PERK 和 eIF2α 信号失效的细胞，与野生型的细胞相比，对 ER 诱导的细胞死亡更为敏感，这可能是由于蛋白质毒性。总之，UPR 的激活在细胞对缺氧的反应和适应中起着重要作用。
# 线粒体功能的改变
大多数细胞类型中的线粒体电子传输链（ETC）是细胞内氧气的最大消费者，用于生成 ATP（即氧化磷酸化）。因此，可以预期，氧气水平的变化将影响线粒体 ETC 的活动。低氧在多个层面控制 ETC 功能，包括调节不同的线粒体 ETC 复合体和 TCA 循环的还原物 NADH 和 FADH2 的可用性。
缺氧下的 ETC 活性和 TCA 循环的调节。值得注意的是，细胞内氧含量在 0.3% 时就开始限制 ETC 的活动速率。复合物 IV（也称为细胞色素 c 氧化酶或 COX），ETC 内的终末复合物，向氧传递四个电子，产生两个水分子。COX 对氧有很高的亲和力，其表观 Km 值接近 0.1% 的氧；因此，ETC 可以在接近缺氧的水平上发挥作用，而细胞在缺氧期间基本上保持其 ATP 水平。虽然缺氧不会急性抑制 ETC 的功能，但长期的缺氧（持续数小时以上）会降低 ETC 的功能。令人惊讶的是，ETC 效率的降低与氧气作为 COX 活动底物的缺氧限制无关，而是通过激活 HIF1 依赖性和 HIF1 非依赖性机制介导的。值得注意的是，缺氧已被证明减少了单独 COX 酶的最大速度（Vmax），这表明在长期缺氧期间 COX 的内在氧气依赖性。然而，为了确保缺氧介导的对 COX 最大速度的抑制不会阻止细胞满足其代谢需求，缺氧会诱导 COX 亚型之间的转换，这是由 HIF1 的激活介导的。COX 由 13 个不同的亚单位组成：十个核编码的调节亚单位和三个线粒体 DNA 编码的催化亚单位。缺氧介导的 HIF1 激活诱导核编码的 COX4 异构体 2（COX4I2）亚单位和线粒体蛋白酶 LON 的表达，后者针对替代的 COX4 异构体 1（COX4I1）进行蛋白酶体降解。而将 COX4I2 亚单位纳入 COX，可以在缺氧时更有效地将电子转移到氧气中。
另一个通过未知机制增强 COX 活性的 HIF1 依赖蛋白是缺氧诱导基因域家族成员 1A（HIGD1A）。相反地，缺氧会降低其他 ETC 复合体（I、II 和 III）的活性。低氧以 HIF1 依赖的方式诱导线粒体 NDUFA4L2 基因表达，通过未知机制降低复合物 I 的活性和呼吸作用。此外，缺氧诱导几种微 RNA（miRNA），包括通过 HIF1 诱导的 mir-210，它抑制 ISCU1 和 ISCU2，两个铁硫（Fe-s）簇的组装因子，从而最终破坏 ETC 复合物 I、II 和 III 内铁硫簇的正确组装。mir-210 还抑制复合体 I 亚单位 NDUFA4、复合体 II 亚单位琥珀酸脱氢酶亚单位 D（SDHD）和 COX 组装蛋白 COX10 的表达。
除了对 ETC 调节，缺氧还通过 HIF1 诱导乳酸脱氢酶 A（LDHA）和丙酮酸脱氢酶激酶 1（PDK1）来控制丙酮酸进入 TCA 循环。LDHA 将丙酮酸转化为乳酸，从而减少了丙酮酸进入线粒体基质。丙酮酸脱氢酶（PDH）将丙酮酸转化为乙酰 CoA 以启动 TCA 循环。PDK1 使 PDH 的催化亚单位磷酸化并失活，从而阻止丙酮酸转化为乙酰 CoA。这导致 TCA 循环通量减少，从而限制了线粒体 NADH 和 FADH2 的生成。这些还原剂生成的减少降低了通过 ETC 的电子通量。缺氧期间 TCA 循环通量减少的另一个重要后果是 TCA 循环代谢物草酰乙酸生成的天门冬氨酸减少。天门冬氨酸是核苷酸合成和细胞增殖所必需的。缺氧会降低天门冬氨酸的水平，这被证明会损害细胞地体外增殖以及小鼠模型的肿瘤生长。天门冬氨酸水平与人类肿瘤中的原发性缺氧标志物呈负相关。因此，天门冬氨酸可能是肿瘤生长的限制性代谢物，天门冬氨酸的可用性可能可以作为癌症治疗的靶点。
低氧减少呼吸速率的一个主要好处是，线粒体 ROS 的产生随之减少。重要的是，低水平的 ROS 会启动细胞信号事件（见下文，对碳和脂质代谢的影响），而高水平的 ROS 会引发细胞损伤。因此，暴露在长期缺氧环境中的细胞会激活 HIF1 依赖的转录目标，包括 HIGD1A、PDK1、COX4I2 和 NDUFA4L2，以抑制线粒体 ROS 的产生。因此，暴露在缺氧环境下的 HIF1 缺陷的细胞，其线粒体 ROS 增加能够到诱发细胞死亡的水平。
线粒体形态的变化以响应缺氧。除了对 TCA 循环和 ETC 功能的影响，缺氧还控制线粒体的形态和质量控制。缺氧会促进独立于 HIF 但由 CHCHD4 介导的线粒体核周定位。线粒体在常氧状态下形成管状网络，但在缺氧状态下发生裂变（碎裂）。在缺氧状态下，DRP1 被线粒体蛋白裂变 1（FIS1）从细胞膜上招募到线粒体外膜。FIS1 是一种定位于线粒体外膜的蛋白质，作为 DRP1 的受体。重要的是，支架蛋白 A 激酶锚定蛋白 121（AKAP121）可以引导 cAMP 调节的 PKA 介导的 DRP1 的磷酸化，中断其与 FIS1 的联系。为了解除 PKA 对 DRP1 的抑制，缺氧会诱导 SIAH2 的活性，SIAH2 是一种 E3 泛素连接酶，促进 AKAP121 的降解，使 DRP1 与 FIS1 相互作用，导致线粒体裂变。低氧促进线粒体裂变可能是为了诱导有丝分裂，即通过选择性地自噬消除功能失调的线粒体，以限制低氧期间 ROS 的产生。事实上，缺氧可以通过 Bnip3 样 / NIP3 样蛋白 X (BNIP3L/NIX)、BNIP3 和 FUNDC1 激活某些细胞类型的有丝分裂。这些蛋白定位到线粒体外膜，作为有丝分裂机制的受体。目前，对缺氧如何被感知以触发线粒体裂变和有丝分裂的机制还不清楚。
缺氧诱导线粒体产生 ROS。几十年来，线粒体 ETC 产生的超氧化物和随后由超氧化物歧化酶产生的过氧化氢被认为是造成生物体年龄相关机体退化的主要罪魁祸首。支持线粒体自由基老化理论的支柱之一是观察到缺氧通过减少 ROS 来延长体外哺乳动物细胞的寿命。然而，抗氧化剂（即 ROS 清除剂）一直未能对人类或模型生物的正常老化或与年龄有关的疾病提供任何好处。此外，长时间的缺氧以及导致线粒体 ROS 增加的药剂现在已被证明可以延长哺乳动物细胞在体外的复制寿命，以及秀丽隐杆线虫和小鼠的复制寿命。事实上，缺氧会增加线粒体的 ROS，诱导 HIF 依赖性的人类端粒酶（hTERT）基因的表达，从而延长哺乳动物细胞的寿命。此外，线粒体 ROS 可以激活 HIF1 以增加秀丽隐杆线虫的寿命。这些数据构建了一个模型，即线粒体 ETC 产生的超氧化物可以产生过氧化氢依赖性信号，以触发对缺氧的适应。然而，如上所述，这种反应必须进行微调，因为线粒体 ETC 产生超氧化物的高概率最终会导致 ROS 的过量产生，从而引起损害，而暴露于长期缺氧的细胞会降低 ETC 的活性以限制 ROS 产生。
缺氧引起的线粒体 ROS 增加的一个重要生理后果是在具有专门氧感应特性的细胞中观察到 Ca2+ 的积累，例如颈动脉体胶质 I 型细胞和人类肺部平滑肌细胞。最近的研究表明，这些专门的细胞表达非典型的线粒体 ETC 亚单位，包括 NDUFA4L2、COX4I2 和 COX8B，这有助于保持它们对缺氧的敏感性，并允许快速地反应以对抗缺氧状态。通过上述这种方式，缺氧有力地诱导颈动脉体的神经反射，刺激通气，同时引起肺动脉的血管收缩。颈动脉体胶质细胞中 NDUFS2（复合体 I 成分）或 COX4I2 的条件性缺失会减少缺氧时线粒体 ROS 的生成增加，这对刺激通气是必要的。有趣的是，Ndufs2 - 缺失的小鼠在暴露于高碳酸血症（5% 的二氧化碳）时通气量增加，表明线粒体 ROS 生成受损时的通气反应缺失是针对低氧的。在肺部平滑肌细胞中，线粒体复合体 III 的一个亚单位 Rieske 铁硫蛋白（RISP）的基因缺失，同样削弱了缺氧诱导的 ROS 生成和细胞内 Ca2 + 水平的增加，而这是缺氧诱导的肺动脉血管收缩的必要条件。此外，平滑肌特异性缺失复合体 I 亚单位（NDUFS4 缺失）、复合体 III 亚单位（RISP 缺失）或复合体 IV 亚单位（COX4I2 缺失）的小鼠缺乏缺氧诱导的肺动脉压力增加的能力。因此，线粒体 ETC 依赖性 ROS 的产生对于调节专门用于氧感知的细胞的功能是必需的，这有利于机体反应。
有趣的是，从 3% 的氧气浓度开始，当氧气浓度对 ETC 的功能没有限制时，细胞已经发展出减少其细胞代谢需求的机制。这种反应不是在几秒钟内发生的，而是需要几分钟到几小时，涉及转录和翻译后机制的组合。通过抑制消耗 ATP 的过程来减少对 ATP 的需求，使细胞降低其耗氧率，从而推迟缺氧症的发展，而缺氧症与缺氧不同，可以导致细胞死亡。20 世纪 50 年代的研究提出，细胞 ATP 的利用率是细胞呼吸速率的一个主要决定因素，由细胞 ATP 酶控制。事实上，质膜定位的钠 - 钾 ATP 酶（Na/K-ATP 酶）可以占到哺乳动物细胞氧气消耗的 20-70%。钠 / 钾 ATP 酶是由一个催化的 α- 亚单位和一个 β- 亚单位组成的异源二聚体，通过质膜运输钠（Na+）和钾（K+）离子，以维持一个重要的电化学梯度。多位研究者报告说，缺氧可逆地迅速抑制 Na/K-ATP 酶的活性，导致 α- 亚单位从质膜被内吞。这一过程被证明取决于一个关键的细胞能量传感器，AMP - 激活蛋白激酶（AMPK）的激活。AMPK 是一个异构的丝氨酸 / 苏氨酸蛋白激酶，由一个催化性的 α- 亚单位和两个调节性的 β 和 γ- 亚单位组成。线粒体复合体 III 产生的超氧化物被证明可以有效地激活 AMPK。AMPK 受到 AMP: ATP 比例增加的刺激，或通过 Ca2+/ 钙调蛋白依赖性蛋白激酶（CaMKK）受到 Ca2 + 的增加的刺激。多项研究表明，急性缺氧（数分钟至数小时的低氧水平）并不改变 AMP：ATP 比率，而是增加细胞内 Ca2 + 水平，导致 CaMKK 依赖性的 AMPK 的激活。AMPK 通常在营养限制条件下被激活，以抑制 ATP 消耗过程，如蛋白质翻译，并促进自噬以提供细胞内营养。因此，在低氧条件下，AMPK 的缺氧激活是减少细胞代谢需求的关键。
缺氧时线粒体超氧化物产生增加的机制还没有完全搞清楚。线粒体复合物 I、II 和 III 都与多种类型的细胞中的超氧化物生成有关；同时，复合物 III 在这些研究中大多被牵涉其中。特别是，线粒体复合物 III 中的泛半醌 Qo 位点是整个 ETC 中唯一能够从线粒体中释放 ROS 的已知位点，产生的超氧化物进入线粒体膜间空间，而不是线粒体基质。这些 ROS 随后通过位于线粒体外膜上的电压依赖性阴离子通道进入细胞膜。最近的一份研究提出了一个有趣的机制，低氧可能增加线粒体的 ROS。研究表明，低氧刺激的 Na+ 进入线粒体基质，通过与脂质的相互作用导致线粒体内膜的流动性降低。这导致了线粒体复合体 III 的 Qo 位点的泛半醌积累，从而在缺氧期间增加超氧化物的产生。重要的是，抑制 Na+/Ca2 + 交换因子 NCLX 可防止低氧诱导的 Na + 输入线粒体基质，从而减少线粒体 ROS 的产生和 HIF1α 蛋白的稳定。展望未来，新的遗传学和药理学工具的出现，能够减少线粒体超氧化物在复合体 I 或 III 的产生，从而进一步证明线粒体 ROS 在生理学中的体内重要性。
对碳和脂质代谢的影响。细胞内代谢的重新编程是缺氧的一个共同特征。这些缺氧机制与癌症特别相关。无序的血管形成以及细胞增殖和血管充盈率的不匹配导致了实体瘤中的压力性微环境，在那里细胞既要承受氧气的缺乏又要承受营养物质饥饿。因此，癌细胞利用这些代谢适应性来促进生存和 / 或增殖，以确保在这些不利的条件下肿瘤的发展。在缺氧的细胞中，最突出的适应性之一是增加葡萄糖的摄取和提高糖酵解通量，以促进葡萄糖的分解。参与这种代谢重编程的 HIF1 靶基因包括编码葡萄糖转运体 1（GLUT1）和 GLUT3、己糖激酶 1 和 2、烯醇酶 1、磷酸甘油酸激酶 1、丙酮酸激酶 M2 和 LDHA1。此外，如上所述，PDK1 抑制 PDH 的酶活性，从而阻止丙酮酸转化为乙酰 CoA 进入 TCA 循环，有利于乳酸的生成。由糖酵解产生的乳酸和 H + 通过单羧酸转运体 4（MCT4）、钠氢（Na+/H+）交换器（NHE）异构体 1（NEH1）和碳酸酐酶 9（CAR9）的活动排出细胞。细胞外的乳酸可以被其他癌细胞以及基质细胞吸收，在那里它被用作 TCA 循环的碳源（这种机制被称为回补反应）。令人震惊的是，人类非小细胞肺癌不仅采用乳酸作为燃料来源，而且在 TCA 循环的中间产物中加入了比葡萄糖更多的乳酸碳，这表明乳酸可以成为癌细胞的首选碳源。此外，分泌的乳酸和 H + 对微环境的恶化有重要贡献，因为它对浸润 T 细胞的功能产生了不利影响，导致肿瘤免疫逃避。同样，缺氧通过促进谷氨酰胺转运体，如 SLC1A5 和 SNAT2/SLC38A2 的表达增加，诱导谷氨酰胺的吸收，谷氨酰胺是 TCA 循环的主要底物。通过这种方式，细胞能够不断地产生 TCA 代谢物，如柠檬酸盐，随后转化为细胞膜乙酰 CoA，用于合成代谢反应，如脂质合成（生脂）。这一点至关重要，因为在缺氧的细胞中，PDK1 活性增强，丙酮酸衍生的乙酰 - CoA 进入 TCA 循环的次数减少；因此谷氨酰胺回补反应可以维持脂质平衡。低氧通过 HIFs 还诱导编码 E3 泛素蛋白连接酶 SIAH1 的基因，引发 α- 酮戊二酸脱氢酶 E1 亚基的泛素化和降解，从而促进谷氨酸衍生的 α- 酮戊二酸还原成柠檬酸，用于乙酰 CoA 和脂质合成。最后，HIFs 诱导脂肪酸合成酶（FASN）表达以刺激脂肪酸的合成，并诱导硬脂酰 - CoA 去饱和酶（SCD）以驱动不饱和脂肪酸的产生。然而，如下所述，在缺氧条件下，SCD 的活性会受到影响，影响饱和脂肪酸与不饱和脂肪酸的比例、质体和细胞器膜的完整性以及细胞功能。同时，HIF1 通过抑制酰基 - CoA 脱氢酶的表达，减少了脂肪酸的 β- 氧化和脂肪酸向 ATP 生产的转移。
脂质的供应对高度增殖的细胞很重要，因为脂肪酸和胆固醇支持细胞器和质膜的产生以及对其流动性的调控。值得注意的是，SCD 是一种耗氧的酶。因此，在低氧条件下，SCD 的酶活性会受到影响，为了抵消这种影响，癌细胞可以提高 SCD 的表达，如在对某些肿瘤研究中显示的那样。否则，饱和脂肪酸前体的堆积具有潜在的毒性，可损害细胞功能，这与 ER 膜的破坏和细胞凋亡有关。饱和脂肪酸诱导的毒性可以通过供应外源性不饱和脂质来缓解，表明脂质吸收是维持缺氧细胞平衡的一个重要机制。此外，最近的研究发现了脂滴在减轻脂质毒性方面（包括在癌症中）的重要性。具体来说，甘油三酯的组成成分被改变，以缓冲脂肪酸饱和度的变化，在脂滴中选择性地保留多余的饱和脂肪酸。也就是说，不饱和的油酸酯优先从现有的甘油三酯中释放出来，以促进饱和脂肪酸的封存，并用来平衡膜磷脂饱和度的增加。转录分析表明，脂滴蛋白 perilipin 2（PLIN2）在肾脏肿瘤中升高，与 HIF2α 的积累增加相关，HIF2α 依赖的 PLIN2 表达促进甘油三酯和胆固醇酯在脂滴中的储存，这是 ER 膜完整性和抑制毒性 ER 应激反应所需要的。在各种癌症中发现，脂质毒性导致的 ER 应激也通过多种分子机制参与 IRE1α-XBP1 途径，表明抑制 IRE1α-XBP1 途径是治疗各种经历缺氧的肿瘤的有效一般策略。
新陈代谢的低氧重编程也与适应过多的 ROS 产生有关，如上所述，ROS 的产生伴随着低氧中线粒体的变化。在这种情况下，缺氧降低了葡萄糖 - 6 - 磷酸脱氢酶的表达，从而降低了磷酸戊糖途径的活性。这不可避免地减少了核苷酸的生成和细胞的增殖。然而，与此同时，缺氧诱导磷酸甘油酯脱氢酶的表达，使葡萄糖转向丝氨酸的合成，从而产生强大的抗氧化反应，促进抗压能力。在缺氧条件下，葡萄糖也可以通过过度表达磷酸葡萄糖分解酶 1 和糖原合成酶 1 而转向糖原合成，这可以作为一种预处理机制，使葡萄糖储存积累，为细胞应对葡萄糖剥夺的条件做好准备。
图三 缺氧对线粒体功能的影响。
# 养分利用的调节
由于细胞会遇到的各种细胞内和细胞外的刺激，包括缺氧和营养剥夺，保持细胞的保护和适应机制以抵御压力变化是至关重要的。细胞在这种异质微环境中的适应和生存需要协调几种应激反应途径，包括调节营养物质的使用。
自噬的激活。宏观自噬（以下简称自噬）是一个关键过程，细胞膜成分，如蛋白质和细胞器，被捕获在双膜囊泡（自噬体）中，并与溶酶体融合，形成自溶酶体。这些内容随后被溶酶体的降解酶分解成产品，如氨基酸、碳水化合物和脂肪酸，有助于细胞器 / 蛋白质的周转和营养物质的回收。在生理条件下，自噬维持在较低的基础速率，作为质量控制途径的一部分，清除受损的蛋白质和细胞器。然而，它能对外部的细胞微环境作出反应，并能受营养和氧气供应的影响，促进细胞的适应和生存。
BNIP3 是 HIF1α 的一个目标。因此，它在各种细胞系的严重缺氧条件下（约 0.1-1% 的氧气）高度升高，并通过介导缺氧诱导的自噬而具有促进生存的功能。与之密切相关的 BNIP3L 也被缺氧诱导，表明这两种蛋白在这些压力环境下对自噬是必要的。如前所述，HIF1α 依赖性的 BNIP3 的表达也被证明在有丝分裂中必不可少。
严重的缺氧条件，往往伴随着剧烈的营养物质耗竭，并通过 HIF 无关的机制（如 UPR）诱导自噬。ER 应激时，PERK 信号刺激 ATF4 的翻译，导致编码转录因子 CHOP 的下游基因被诱导，CHOP 负责在长期的 ER 应激下启动凋亡级联。此外，如上所述，在代谢压力和缺氧期间被激活的 AMPK 也是自噬的调节因子。研究得最好的 AMPK 调节自噬的机制是通过抑制 mTOR 信号通路。AMPK 也针对 ULK1 复合物，这是哺乳动物自噬过程中的一个启动激酶。ULK1 被 AMPK 直接磷酸化，以维持自噬功能和线粒体的平衡。总的来说，缺氧通过几种机制激活自噬。这使得受损的细胞器（如通过有丝分裂的线粒体，见上文，线粒体形态对缺氧的反应的变化）得以清除，并为持续的细胞生存释放营养物质，这促进了细胞在应激环境中的生存。
养分摄取的调节。细胞对许多营养物质和离子的摄取率主要由膜转运体和受体控制，这些转运体和受体在质膜和确定的细胞内膜室都表示出动态的定位。调节内吞作用的速度及其反过程，即内吞成分回收到质膜，控制了这些细胞表面蛋白的数量，在许多情况下决定了营养物质的摄取或排泄。在此，我们讨论 GLUT4 对内吞作用的贡献，它在缺氧情况下的机制已被充分地研究了。
GLUT4 在脂肪组织和骨骼肌中高度表达，并负责大部分葡萄糖的摄取以维持血糖水平，从而使其成为全身葡萄糖平衡的主要调节器。GLUT4 的膜定位通常受到内体途径的严格调控，即 GLUT4 被内吞并被封存到特定的细胞内室。胰岛素和运动刺激 GLUT4 从细胞内区室重新分布到细胞表面，通过 AKT 途径加强葡萄糖的摄取。此外，低能量信号，如 ATP 水平下降，通过激活 AMPK 促进 GLUT4 向质膜回收，导致细胞表面 GLUT4 增加。GLUT4 分布的变化也可以受到 HIFs 和缺氧的影响。由于胰岛素刺激时 AMPK 的激活减少，肌细胞中 HIF1α 的缺失会影响 GLUT4 囊泡向质膜的调动。此外，HIF1α 被证明能增加 RAB20 的表达，而 RAB20 能促进 GLUT4 转移到质膜上，并能负向调节 TXNIP 的表达以促进 AKT 下游信号的传递。在许多小鼠研究中，长期和短期的慢性间歇性缺氧会引发 AKT 和 AMPK 途径的激活，以及骨骼肌中 GLUT4 表达的变化。低氧可以通过提供充足的葡萄糖来支持细胞的适应性，以补充细胞能量所需的 ATP-- 如肌肉收缩。相反，在脂肪组织中，缺氧反应被证明与肥胖和葡萄糖不耐受有关，因为脂肪特异性 HIF1β 基因敲除的小鼠可免受年龄诱导和饮食诱导的葡萄糖不耐受，部分原因是 GLUT4 表达减少。
除了膜蛋白的回收，细胞还利用一种被称为胞饮作用（以下简称巨胞饮）来摄取细胞外液体和营养物质。虽然巨胞饮可以在基础速率下发生，但它也可以被 GTP 酶 RAS 诱导，RAS 在细胞生长、分化和存活方面有很好的促进作用，是一个强有力的致癌基因。值得注意的是，在携带致癌性 RAS 突变的癌细胞中，巨胞饮作为一种机制，为细胞生长吸收氨基酸。此外，缺氧还能促进不饱和脂肪酸的巨胞饮作用，以绕过氧依赖性脂肪酸去饱和酶的抑制，并通过清除血清来防止脂肪毒性，如上文所述。有趣的是，致癌的 RAS 突变可以模拟缺氧对脂肪酸清除的影响。总的来说，鉴于肿瘤必须在营养匮乏和氧气匮乏的条件下维持生长，巨胞饮作用为细胞提供了一种机制，以最大限度地从细胞外空间摄取大分子物质。目前，RAS 突变体和缺氧如何调节大吞噬作用驱动的脂质清除还不清楚。
图四 糖和脂质代谢途径受氧气可用性影响的概览。
图五 缺氧下的养分获取和利用调控。
# 结论与展望
总之，急性和慢性缺氧在细胞水平上诱发了无数的反应，我们对它们如何协调的理解将随着研究的深入而增长。HIFs 的发现及其由 PHD-pVHL 轴的调控，加强了我们对细胞如何在转录水平上自主应对缺氧的理解。然而，尽管已经对缺氧基因表达的基础进行了一些详细的描述，但新的调查领域包括进一步剖析氧的可用性如何影响氧的感应，以及 ROS 和代谢物水平如何影响多种不同但综合的适应。我们在此强调几个具体的领域，在我们看来，这些领域的研究时机已经成熟。首先，在多种 α- 酮戊二酸依赖性二氧酶中，哪些真正受到正常和疾病状态下遇到的氧气水平波动的影响，以及这些传感效应在哪些情况下是重要的，上述问题应该得到解决。鉴于新陈代谢和染色质调控之间的联系，有必要进一步解决氧调控的代谢适应性如何影响表观基因组以及这些变化是否具有功能性。另一个重要的问题涉及到氧气和营养物质剥夺的紧密结合，研究这两个压力信号如何相互影响和合作将是有趣的。由于体内的细胞不是孤立存在的，因此了解多种细胞类型在缺氧微环境中的相互作用也将是至关重要的，这可以为炎症、癌症和其他病症的机制带来新的启示。了解 HIFs 的转录调控，能够提供目前正在进行临床评估的治疗靶标。值得注意的是，HIF2α 抑制剂正在肾细胞癌中进行测试，PHDs 的药理抑制正在被探索用于治疗贫血。然而，正如本文所表达的，细胞对缺氧的反应远远超出了 HIFs 所支配的转录网络。在未来十年，随着更多这些机制被阐明，很可能会出现更多治疗各种疾病的临床机会。例如，低氧暴露通过不甚明了的 HIF 独立机制，增加了与线粒体功能障碍有关的小鼠的存活率，如利氏综合征。在这种情况下，HIF 的激活不足以拯救疾病，需要采取替代策略，实际减少氧气输送或调节缺氧下游的更具体的途径。最后，研究对氧气水平增加的反应机制将是有趣的。例如，与年龄有关的全身耗氧量的减少可导致组织高氧。这就提出了介导适应这种状态的机制问题，特别是在大脑中。解决这些问题将大大有助于我们了解细胞对氧气的反应，而氧气是有氧生命的一个不可或缺的分子。
