缺氧誘導因子研究進展

1、缺氧誘導因子研究進展【關鍵詞】缺氧誘導因子;hif;腫瘤氧代謝的平衡對于機體的生理功能和代謝過程極其重要，機體對 于低氧或者缺氧的條件具有適應能力。缺氧誘導因子 (hypoxia-induciblefactors,hif)是細胞在基因轉(zhuǎn)錄水平協(xié)調(diào)缺氧變 化的最主要的調(diào)節(jié)因子，廣泛表達于哺乳動物各種組織細胞中，是一 種介導哺乳動物細胞內(nèi)低氧反應的核轉(zhuǎn)錄復合體，其表達調(diào)控與腫瘤 發(fā)生發(fā)展和某些疾病的病理生理過程密切相關。本文綜述近年來有關 hif激活機制、生物功能和與疾病關系等方面的研究進展。1htf的分子結構hif是由結構同源的q亞基和相同的b亞基組成的異二聚體轉(zhuǎn)錄 因子，冃前已發(fā)現(xiàn)hif-k

2、hif-2、hif-3三個成員。hif-1是一種隨 細胞內(nèi)氧濃度變化而調(diào)節(jié)基因表達的轉(zhuǎn)錄激活因子，由氧調(diào)節(jié)亞單位 hlf-a和結構亞單位hif-i3 (也稱作arnt)組成。兩個單位都是基本螺 旋一環(huán)一螺線(b-hlh)轉(zhuǎn)錄因子家族中的成員，并具有 per-arnt-sim(pas)結構域。a亞單位的結構域包括一個獨特的氧依賴 降解結構域(oddd),這是正常氧分壓下hif-1降解所必需的結構，兩 個反式激活結構域(transactiondomain, tad),主要參與轉(zhuǎn)錄激活作 用，一個n末端活性域(nad)和c末端活性域(cad),并且oddd和nad還有一部分重疊；b亞單位只包含一個t

3、ad和一個cado在 hif ci 家族中還包括 hif-2 a 和 hif-3 a °hif-2 ci 和 hif_3 a 分 別與hif-1 b組成hif-2和hif-3,其中hif-2 a ,包含bhlh結構域、 pas結構域、tad及入核信號1,是htf-2活性的功能亞單位，受氧 水平的調(diào)節(jié)。hif-1 a有很多變異體，它們的組成相似但是包含結構域 的種類數(shù)量存在差異。hif-3q發(fā)現(xiàn)了 6個剪接變異體。2hif-a的激 活機制缺氧是激活hif的主要信號，但是一些金屬離子，例如co2+、 ni2+、mn2+也能通過螯合作用激活hif,除此z外,hif的激活信號還 包括一些生長

4、因子、細胞因子等。2. 1hif-1 a的降解在正常氧狀態(tài)下，hif-1 a的半衰期<5min, 0ddd多肽序列內(nèi) 的保守性脯氨酸殘基被疑化，進而通過包含vonhihheldlindau腫瘤抑 制蛋口 (pvhl)的e2泛素連接酶迅速靶向降解iiif-1 a ,有研究表明2 實驗條件下，可以根據(jù)hif-ae3泛索連接酶靶向降解的原理來感知細 胞內(nèi)氧氣含量的變化。2. 2htf-1 a轉(zhuǎn)錄的激活現(xiàn)已知調(diào)控htf-1活性的信號途徑主要為 兩條：pi-3k/akt依賴的iiif-let蛋口穩(wěn)定性調(diào)控和mek/mapk介導的 hif-1反式激活功能調(diào)控3。在hif-la的轉(zhuǎn)錄激活中，c

5、ad起重要 作用。高度保守的cad結構域通過其富含亮氨酸的區(qū)域與共刺激分了 p300(也稱作cbp)的ch1結構相互作用達到激活作用。酪氨酸激酶 m2 (pkm2)是pkm2基因的產(chǎn)物，具有促進腫瘤生成的作用，pkm2基因 的表達受hif-1調(diào)控。luow等4的研究表明pkm2能夠加強hif-1的 聚合和p300的募集，進而促進htf-1靶向基因的激活。pkm2通過與 脯氨酸疑化酶3 (phd3)的作用來加強其與hif-1 a的聯(lián)合和共激活作 用，質(zhì)譜分析法和抗輕脯氨酸抗體試驗表明在hif-1靶向基因激活過 程中pkm2的403/408脯氨酸位點發(fā)生甕基化，敲除phd3抑制pkm2 的共激活作

6、用。reed1蛋白是pi-3k/akt依賴的hif-let蛋白穩(wěn)定性 調(diào)控中的一個重要因子，它在調(diào)控tor復合休1 (torc1)的活性過程中 具有重要作用。horakap等闡明了一種依賴redd1的hif-1負反饋 調(diào)節(jié)機制，這一負反饋環(huán)在抑制腫瘤過程中具有重耍作用。體外實驗 表明redd1基因的缺失導致hif-1和其靶向基因表達的增加，而在體 內(nèi)具有致腫瘤性。進一步研究闡釋redd1缺失時細胞內(nèi)活性氧(ros) 人量增加，ros能夠穩(wěn)定htf-1 a ,進而促進腫瘤的發(fā)生和生長，應用 抗氧化劑能夠抵消ros導致的iiif-1水平的增加。iiif的激活需要很 多個基因表達水平的上調(diào)，這些基因

7、通過穩(wěn)定hif的活性或者提高hif 的表達水平來激活hif,partchcl等6通過核磁共振光譜分析技術發(fā) 現(xiàn)hif- a具有的arntpas-b結構域提供了一個額外的結合位點，共激 活劑(tacc3)通過與這個位點結合調(diào)節(jié)缺氧條件下hif靶向基因的轉(zhuǎn) 錄，同時實驗還表明，這種arntpas-b介導的iiif激活作用離不開 hif-tads,詳細的激活過程尚待進一步研究。2. 3hif-2的調(diào)節(jié)機制hif-2的調(diào)節(jié)機制與hif-1的調(diào)節(jié)機制相 似，但也有其特點。dioumem等的研究發(fā)現(xiàn)在培養(yǎng)的細胞和小鼠體 內(nèi),降低或者提高sirtl (一種能夠在缺氧條件下選擇性激活hif-2 a 活性的乙酰

8、基轉(zhuǎn)移酶)的活性或者濃度會彩響htf-2 a靶向基因， sirtl能夠像其他環(huán)境壓力一樣促進hif-2a缺氧條件下的反應。另 外，koizumes 等8在卵巢透明細胞癌 ccc (ovarianclearcellcarcinoma, ccc)研究中發(fā)現(xiàn)了 hif-2 a 一種不 同尋常的調(diào)控轉(zhuǎn)錄激活方式。hif-2 a通過與spl和互作用而不是 arnt,以依賴于缺氧反應原件 hre (hypoxia-responsi veelement, hre) 的方式，協(xié)同組蛋口去乙酰化酶hdac2, hdac4作用在凝血因了 vii 的啟動子上，誘導激活凝血因子vii,與此同時p300組蛋白乙?；D(zhuǎn)

9、移酶hat (histoneacetyltransferase, hat)對此過程起到負調(diào)節(jié)作 用，該分子機制解釋了 ccc在缺氧環(huán)境下仍然保持高度的凝血活性。 這一成果對治療ccc具有一定的指導意義。3生物學功能3. 1hif與實質(zhì)性腫瘤hif對于腫瘤的重要影響最先見于免疫組織 學發(fā)現(xiàn)的研究結果，這個結果表明在原發(fā)惡性腫瘤和轉(zhuǎn)移瘤中htf表 達很高。實質(zhì)性腫瘤牛:長速度大于血管的牛:長速度，因此腫瘤內(nèi)部逐 漸形成了缺氧的環(huán)境，而hif的高表達與腫瘤內(nèi)部需要氧氣含量感應 和信號傳導有關。同吋，腫瘤誘導的基因突變也能夠增強hif的表達。 腫瘤突變基因與hif表達水平的關系最有說服力的證據(jù)當屬vh

10、l蛋白。 vhl蛋白在hif-1和hif-2的蛋白酶體靶向降解中發(fā)揮重要作用， vonhippel-lindau病是一種家族遺傳性腫瘤綜合征，患這種病的病人 vhl蛋白與hif-1結合受損。因此,hif-1降解減少、含量增加，而病 人患有血管、視網(wǎng)膜、小腦、腎上腺髓質(zhì)和胰腺腫瘤的兒率大大提高。 經(jīng)典的觀點認為，實質(zhì)性腫瘤內(nèi)主耍是hif-la高表達，但franovica 等9的研究卻發(fā)現(xiàn)：雖然在基因?qū)用嫔习┌Y具有多樣性，但卻集中于 一個共同的受控于hif-2的生長軸。抑制hif-2的表達，在體內(nèi)能夠 阻止高惡性腫瘤如膠質(zhì)母細胞瘤、直腸癌、肺非小細胞癌的形成和生 長，在體外觀察到腫瘤組織能夠自發(fā)增

11、殖，且不受突變狀態(tài)和組織來 源影響。進一步研究表明，hif-2是通過表皮生長因子受體、胰島素 樣生長因子受體和下游的細胞外信號調(diào)節(jié)激酶/蘇氨酸激酶(erk/akt) 等信號通路實現(xiàn)腫瘤增殖的調(diào)控作用，沉默這些受體，hif-2的致癌 性就消失了。hif-1 a和htf-2 a在腫瘤的高表達提示它們可能是治療 腫瘤的有效的靶點。通過腫瘤組織中iiif的靶向消除能夠在一定程度 上限制腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移，一般而言，hif-1的表達與惡性腫瘤的發(fā) 展和預后不良密切相關，但huangx等10的研究結杲顯示在抑制腫瘤 過程屮hif-1同樣表達，如在缺乏hif-l a時，能夠促進來源于胚胎 干細胞的畸胎瘤細胞和

12、來源于小鼠星形膠質(zhì)細胞的腫瘤細胞的生長。另外，iiif-l a還能夠通過拮抗iiif-2 a起到對腫瘤生長的抑制作用 llo這一成果表明hif-la直接影響兩種缺氧應答途徑一一其一是 促進血管生成改變細胞代謝的途徑，另一條與之作用相反是能夠限制 腫瘤初期生長的途徑。隨后，在研究乳腺癌mcf-7細胞時，suk等12 還發(fā)現(xiàn)，tnf- a誘導表達的hif-1 a可以反過來結合到 vasp (vasodilator-stimulatedphosphoprotein)啟動子上，通過抑制 其轉(zhuǎn)錄而起到抑制mcf-7細胞的粘附和增殖功能。進一步說明了 htf-1 a的這一抑制腫瘤細胞半長的特性。然而更多的

13、實驗研究結果卻與之 相反，如schwablp等13首次發(fā)現(xiàn)hif-1 a可以通過notch信號通路, 調(diào)控靶基因prominin-1(cd133)的表達，進而對腫瘤起始細胞 (tumor-initiatingcelis, tics)起到調(diào)控作用，該過程在促進初級腫 瘤細胞生長及轉(zhuǎn)移中起到了至關重要的作用。zhangt等14在轉(zhuǎn)移性 膀胱癌研究中發(fā)現(xiàn)，t24-l細胞系(t24肺轉(zhuǎn)移亞系)的強轉(zhuǎn)移能力，與 hif-1 a通過上調(diào)mmp-1水平有著密切的關系，而mmps在許多癌細胞 系已被證實，其含量的增加，能夠加強癌細胞的轉(zhuǎn)移能力。zhouj等 15還發(fā)現(xiàn)，在缺氧條件下，hif-1 a能夠通過捆綁

14、一個缺氧反應元件 hre到rhoe啟動子上，能夠在轉(zhuǎn)錄水平上上調(diào)rhoeo從而促進了胃癌 細胞發(fā)生上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithel ial-mesenchyma.l trans it ions, emt) 以及侵襲能力。因此，后一途徑中hif-1的這種抑制腫瘤細胞初期生 長作用尚需要更多的實驗研究，而其能夠促進腫瘤細胞轉(zhuǎn)移、增殖、 侵襲上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化以及腫瘤內(nèi)血管再生，與腫瘤的不良預后呈正相關 作用己被更多研究所證實，因而成為主流觀點16。與此同時，htf-2 a的水平也不是越低越好,mazumdarj等17的研究表明iiif-2 a缺失會促進結直腸癌基因(kras)導致的肺部腫瘤的發(fā)展。在kr

15、asg12d非小 細胞肺癌(nsclc)鼠模型中，分別敲除hif-1 a和hif-2 a ,敲除hif-2 a的小鼠腫瘤生長受到促進，同時腫瘤抑制基因scgb3al表達減少， 而在hif-1 a敲除的小鼠中沒有出現(xiàn)類似情況。進一步研究表明 scgb3al是hif-2 a的靶向基因，hif-2 a通過調(diào)控scgb3al來控制腫 瘤的生長。hif-2 a的過表達會促進nsclc的生長，因此降低htf-2 a 的水平能夠治療nsclc,但該實驗表明當hif-2 a降低到一個限度后， 會抑制抗腫瘤基因例如scgb3al的作用。因此，降低hif-2 a來治療 nsclc的方法有待進一步研究。3. 2ht

16、f與血液腫瘤眾多研究己經(jīng)證明了 hif在實質(zhì)性腫瘤發(fā)病機 制中的作用。而其與血液惡性腫瘤例如多發(fā)性骨髓瘤中的關系也被發(fā) 現(xiàn)。用5t2mm多發(fā)性骨髓瘤小鼠模型，asosinghk等18的研究顯示 將止常小鼠和患有骨髓瘤的小鼠同時置于缺氧環(huán)境下后者的缺氧程度 會比較輕，而且血管生成數(shù)量較z于前者更多。hif-1在多種腫瘤屮 的高表達引起了人們高度的重視，htf-1能夠促進血管的生成，這為 高速牛長的腫瘤提供足夠的氧氣及養(yǎng)料供應。實驗表明將iiif-1注射 到免疫缺陷的小鼠體內(nèi)能夠使胚胎干細胞形成血管性質(zhì)的畸胎瘤，反 之，hif-1部分敲除的小鼠腫瘤形成較小，且內(nèi)皮生長因子(vegf)的 含量也降低

17、19。3. 3iiif 與腫瘤藥物抵抗在孚l頭狀癌 (in vasivemicropapillarycarci no ma, impc)研究中，doubliers 等20 通過用乳腺癌mcf-7細胞株三維培養(yǎng)，在形態(tài)學上來模擬impc細胞。 他們發(fā)現(xiàn)在mcf-7細胞株中，hif-1被激活并且參與了 mdr-1基因（編 碼p-糖蛋白，pgp）的轉(zhuǎn)錄控制，使得mcf-7細胞表面pgp表達增加， 因而使其聚集阿霉素（一種抗腫瘤藥）能力以及對自身細胞毒素的敏感 性均有所下降。另外,通過使用hif-1抑制劑,pgp含量減少,mcf-7 細胞內(nèi)聚集的阿霉素上升。mcf-7三維培養(yǎng)的細胞株的這種通過hif-

18、1 的激活作用使細胞膜上pgp含量增加，因而使其獲得對阿霉素的抵抗 作用，有可能揭示出impc約物抵抗相似的分子機制。另外，bouchery 在研究甲狀腺癌藥物抗性屮發(fā)現(xiàn)，hif-1下游靶標vegf與藥物抗性有 著密切關系。阻斷vegf信號通路，能夠促進腫瘤血管分布規(guī)范化，從 而增加輸送到腫瘤組織的藥物含量。反之，加強vegf信號通路，腫瘤 血管趨于朵亂，功能異常甚至出現(xiàn)漏孔，因而造成該區(qū)域低灌注并阻 礙藥物擴散進入到腫瘤組織。qayumn發(fā)現(xiàn),阻斷egfr、ras和pi3k 傳導通路也同樣有該效果。另外，作為hif-1下游靶標的vegf還可以 反過來誘導htf-1 g ,并促進htf-1的激

19、活，從而強化了腫瘤的藥物 抗性21 o3. 4hif與凋亡hif在缺氧誘導凋亡中的作用比較復雜。一些調(diào)控 細胞周期的基因如p21、p53的表達依賴于hif22,23,抗凋亡基因 be 1-2在缺氧的條件下會下調(diào)22,同時促進凋亡的nip3含量會上調(diào) 23。因此，在iiif的作用下，長期的慢性缺氧會促進細胞的凋廣。 但是，sendoela等24的研究卻有不同的結果，結果顯示hif-1能夠 對抗dna損傷誘導的胚細胞凋1±,這種凋亡是在cep-1的作用下實現(xiàn) 的，而cep-1是p53的同族體。進一步研究表明，hif-1的抗凋亡特 性是通過上調(diào)酪氨酸酶家族成員tyr-2的轉(zhuǎn)錄水平實現(xiàn)的，t

20、yr-2由 asj感覺神經(jīng)元分泌，具有對抗cep-1依賴的細胞凋亡作用，實驗表 明敲除人類黑色素瘤細胞中的trp2(try-2的一種同族休)會增加細胞 凋亡。這一新近研究是否具有代表性詭需進一步實驗驗證，但是毋庸 置疑的是hif與細胞凋亡之間的關系還有許多細節(jié)不清楚。3. 5其他生物學功能一直以來hif在腫瘤中的作用都是最受人們 關注的，但是其在其他方面的生物學功能也不容忽視。近來bento等 人研究表明在糖尿病導致的各種缺氧條件下，hif-1水平的不穩(wěn)定極 可能是促進高血糖癥向糖尿病轉(zhuǎn)化的重要因素25。hif介導的轉(zhuǎn)錄 反應能夠降低機體獲得氧氣的能力opengyj等26研究表明，在hif-2

21、 q雜合子的成年小鼠屮，頸動脈體對于缺氧、呼吸異常、窒息、高血 壓的反應敏感性大大增加，并且能夠提高血漿中去甲腎上腺素的水平。 進一步研究表明，iiif-la并沒有相同的作用，iiif-1q雜合的小鼠不 會出現(xiàn)上述敏感性的增加，反之頸動脈體的敏感性會受到嚴重的損害。 這些結果說明hif-2 a在維持頸動脈體敏感性上具有重要且獨特的作 用。在缺氧條件下雌激素受體a (era)的水平會被下調(diào)，這種下調(diào)作 用是通過蛋白酶體的降解實現(xiàn)的。ryuk等27的研究表明在轉(zhuǎn)錄水平 ±, iiif-la能夠抑制雌激素受體1(esr 1)基因的轉(zhuǎn)錄，從而降低er q的水平，而且這一途徑與蛋白酶體的降解途

22、徑不相關。這說明hif-1 a可能與esri直接相關，或者hif-l a通過某個轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物間接的抑制 esr1的表達，具體是哪一種機制尚需要進一步的實驗。hif-la在心 肌缺血后的心肌保護中也有重要作用。這種心肌保護主要通過可誘導 的一氧化氮合酶(inos)、血紅素氧化酶1 (ho-1)和紅細胞生成素(epo) 對心肌損傷的緩解作用間接實現(xiàn)的。belaidie等28的研究表明，間 歇性的缺氧能夠緩解缺血后心肌的收縮障礙和細胞壞死，而這種間歇 性缺氧正是hif-1上調(diào)1n0s實現(xiàn)的。4展望現(xiàn)已得知,hif可調(diào)控許多介導機體缺氧適應的靶基因，如紅細胞 生成素(epo)、血管內(nèi)皮細胞生長因子(veg

23、f)和糖酵解酶類等，其在腫 瘤生理中作用更是不容忽視，但是隨著轉(zhuǎn)基因技術、組織特異性基因 敲除技術及體內(nèi)干擾實驗等多項精細技術的發(fā)展和研究的深入，更多 hif的生物學功能將會被發(fā)現(xiàn)，例如近期yangs等29和sai tot等30 的兩篇文章表明hif-2 a在實驗條件下能夠誘導小鼠產(chǎn)生骨關節(jié)炎， 但毋庸置疑這一作用對于人來說，是否有相同的效應尚待研究。rti此 可見,hif這一哺乳動物中相當古老保守的序列述有許多秘密尚待發(fā) 現(xiàn)，而對于hif的研究也能夠為腫瘤、缺血性疾病的治療提供理論依 據(jù)?！緟⒖嘉墨I】isemenzagl targetinghif-lforcancertherapy. nat

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