《Fish & Shellfish Immunology》：Immune regulation of hypoxia inducible factor alpha (HIF-1α) in the jawless vertebrate lamprey (
Lethenteron camtschaticum)
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HIF-1α在圆口动物免疫调节中的功能与进化保守性研究。圆口动物Lc-HIF-1α的结构与高等脊椎动物相似，但免疫调节机制存在差异，表现为促进ROS和炎症因子表达同时抑制吞噬作用，并通过负反馈调节TGF-β。该研究揭示HIF-1α在原始脊椎动物免疫中的新作用机制。
乔佳怡|李一通|王涛|赵德鑫|李庆伟|庞月|苟梦|卢佳丽
中国辽宁省大连市辽宁师范大学生命科学学院，116081
摘要
缺氧诱导因子1α（HIF-1α）是细胞氧感知中的关键转录因子，在调节先天免疫反应中起着重要作用。尽管HIF-1α在高等脊椎动物中已被广泛研究，但其在原始脊椎动物中的功能仍不清楚。在本研究中，我们描述并分析了原始无颌脊椎动物七鳃鳗（Lethenteron camtschaticum）中的HIF-1α（命名为Lc-HIF-1α）的生物学特性和功能。Lc-HIF-1α的CDS长度为2505 bp，编码834个氨基酸。尽管其与人类和斑马鱼的序列相似度仅为约60%，但其结构域与高等脊椎动物一致，并且仍表现出类似的免疫反应和调节机制。在多重刺激下，Lc-HIF-1α显著上调；过表达Lc-HIF-1α显著降低了细胞内大肠杆菌的存活数量。此外，Lc-HIF-1α促进了活性氧（ROS）的产生并上调了促炎因子的表达，揭示了HIF-1α免疫功能的进化保守性。值得注意的是，过表达Lc-HIF-1α略微降低了吞噬作用并上调了抗炎因子TGF-β的表达。这些结果表明，Lc-HIF-1α可能通过氧化应激优先清除细胞内病原体，同时利用负反馈机制平衡炎症反应。本研究加深了我们对HIF-1α在七鳃鳗免疫反应中重要作用的理解。
引言
缺氧信号通路对于维持氧稳态至关重要，并在多种动物中高度保守[1]。缺氧诱导因子（HIFs）是一类高度保守的转录因子，作为氧稳态和缺氧适应反应的关键调节因子[2]。HIFs属于bHLH/PAS蛋白家族，由α和β亚基组成。它们具有N端的基本螺旋-环-螺旋（bHLH）结构域，用于DNA结合，以及两个Per-ARNT-Sim（PAS）结构域，这些结构域对于二聚化是必需的[3],[4]。在哺乳动物中，存在三种α亚基和三种β亚基，即HIF-1α、-2α、-3α和HIF-1β、-2β、-3β，分别由HIF-1α, -2α, -3α和HIF-1β, -2β, -3β基因编码[5]。在低等脊椎动物中，由于全基因组复制事件，HIF亚基的数量有所不同[6],[7]。目前认为HIF-1α是氧敏感性的关键调节因子，介导多种相关反应[8]。在正常氧浓度下，HIF-1α会迅速被蛋白酶体降解。然而，在缺氧条件下，HIF-1α会在细胞核中积累并驱动目标基因的转录，这些基因包括编码关键糖酵解酶的基因，如葡萄糖转运蛋白1（GLUT1）和乳酸脱氢酶（LDH）[9],[10]。
最近的研究表明，HIF-1α在先天免疫和适应性免疫反应中起着关键作用[11]。病原体或LPS刺激可诱导巨噬细胞中HIF-1α的积累[12]。缺氧和细菌感染会导致吞噬细胞中NF-κB活性的增加，从而诱导HIF-1α mRNA的转录[13]。HIF-1α还能激活IL-1β等炎症因子的表达，并影响ROS和NO等杀菌物质的产生，表明其与先天免疫密切相关[14],[15]。据报道，缺氧通路在淋巴细胞发育中起严格调控作用，对淋巴细胞稳态很重要。此外，淋巴组织中缺乏HIF-1α会导致B细胞发育异常和自身免疫[16],[17]。
水中的溶解氧水平与鱼类的生长和繁殖密切相关，因此由HIFs介导的缺氧信号通路受到了研究人员的更多关注。2001年Soitamo等人首次在虹鳟（Oncorhynchus mykiss）中克隆出HIF基因[6]之后，骨鱼类中HIF基因的结构特征、缺氧调节机制和免疫调节功能得到了深入研究，尤其是HIF-1α[18]。HIF-1α已在许多骨鱼类中得到研究，包括草鱼、海鲈、鲫鱼和斑马鱼，在结构域和基因结构上具有保守性[19],[20],[21],[22]。关于鱼类中HIF-1α功能的研究主要集中在生理学、代谢和天然免疫方面。在缺氧条件下，HIF-1α可促进Scophthalmus maximus肝脏中的糖原分解和脂质分解，诱导氧化损伤，并刺激肝脏的抗氧化能力以减轻潜在损害[23]。慢性缺氧通过激活HIF-1α在Hexagrammos otakii肝脏中引发铁死亡。HIF-1α还能增强Larimichthys crocea对Aeromonas hydrophila感染的抵抗力[24]。然而，HIF-1α在原始脊椎动物中的功能仍不清楚。
无颌脊椎动物七鳃鳗与盲鳗被认为是现存最古老的脊椎动物。七鳃鳗是脊椎动物和无脊椎动物之间的过渡物种，是研究脊椎动物起源和发育的重要模式生物[25]。因此，本研究旨在阐明七鳃鳗中HIFα的免疫调节机制。我们描述并分析了Lc-HIF-1α的免疫调节功能，为了解原始无颌脊椎动物七鳃鳗中HIF-1α调控的免疫反应途径提供了详细见解。
实验动物和处理
本实验使用的成年Lethenteron camtschaticum（体长：35.5 ± 6.8 cm）捕获于中国辽宁省，然后在配备物理和生物过滤系统的实验室水箱中于4°C条件下饲养。雌性七鳃鳗被随机分为三组。第一组腹腔注射100 μL浓度为1 mg/mL的多聚肌苷酸（Poly I:C；上海源业生物科技有限公司，中国）。第二组...
Lc-HIF-1α的系统发育分析、保守结构域分析和保守基序分析
为了探讨Lc-HIF-1α的进化位置，使用来自18个代表性物种的HIF-1α序列构建了邻接连接（NJ）系统发育树（图1）。分析显示...
讨论
七鳃鳗被认为是研究脊椎动物免疫系统起源和进化的理想模式生物[31]。与有颌脊椎动物不同，七鳃鳗的适应性免疫相对原始。它们缺乏免疫球蛋白（Ig）、T细胞受体（TCR）和经典补体系统，主要依赖先天免疫和可变淋巴细胞受体（VLRs）来抵抗病原体[32]。HIF-1α在先天和适应性免疫反应中都起着重要作用，但其具体作用...
CRediT作者声明
乔佳怡：正式分析、调查、撰写 - 原始草案。李一通：资源获取、资金筹措。王涛：验证、调查。赵德鑫：验证、调查。李庆伟：监督。庞月：监督、资金筹措。苟梦：项目管理、撰写 - 审稿与编辑。卢佳丽：正式分析、概念构思。
致谢
本工作得到了辽宁省教育厅（项目编号LJKMZ20221409）和辽宁省科技计划联合计划（项目编号2025-MSLH-427）的资助。此外，图9是使用BioGDP软件制作的[51]。
