动物细胞对氧气的感知和反应是一个非常重要的过程，而缺氧（Hypoxia）是指一种细胞氧气消耗和血管氧气输送失衡所致的细胞内氧气含量和压力低于正常水平的生理情况，其产生的原因包括低氧血症，氧输送受损和细胞氧吸收受损等等。无论是全身性还是细胞水平上的缺氧，机体都可以利用多种补偿机制，使得细胞在低氧环境中可以正常行使功能。短暂的缺氧可以诱导许多基因的表达，促进组织修复；长期慢性缺氧则会引发功能障碍，其影响涵盖了癌症、心血管疾病、卒中和骨折等多种疾病。

例如，缺氧是肿瘤微环境中的一种共有特征，与化疗耐药、放射抵抗和预后不良有关，而研究缺氧的具体机制有助于我们发现新的治疗靶点和手段。在自然界中，后生动物已经进化出适应缺氧的机制，该过程主要由缺氧诱导因子（Hypoxia-inducible Factor, HIF）复合物进行调控，该复合物在哺乳动物的发育、生理和疾病发病机理中起着至关重要的作用。

缺氧诱导因子HIF

HIF家族的常见形式是由一个转录调节亚基HIF-α（如HIF-1α）和一个配体结合亚基HIF-1β构成的异二聚体。HIF-α是具有Helix-Loop-Helix结构的转录因子，以细胞特异性的方式调节数百个参与低氧稳态反应的基因。在缺氧条件下，HIF-α可以促进促红细胞生成素、葡萄糖转运蛋白、糖酵解酶、血管内皮生长因子以及其他蛋白质产物的生成，从而增加氧气输送或促进代谢以适应缺氧的环境，其在血管生成和缺血性疾病的机制中起着至关重要的作用。

细胞在缺氧的情况下

脯氨酸羟化酶（Prolyl Hydroxylase, PHD）是一类加双氧酶的氧感受器，除了氧压，它还受到α-酮戊二酸（α-KG）、铁离子和抗坏血酸等因素的调控。HIF天冬酰胺羟化酶（Hypoxia-inducible factor 1-alpha inhibitor, HIF1AN）是通过羟化靶蛋白天冬酰胺残基修饰靶标蛋白功能的双加氧依赖性天冬酰胺酰羟化酶。PHD和HIF1AN，在氧气受限的情况下，活性受到抑制，导致HIF-α快速聚集，并入核与HIF-1β发生异二聚化，在p300/CBP的共同作用下形成复合物，与基因启动子的缺氧应答元件（Hypoxia Response Element, HRE）的核心DNA序列5'-TACGTG-3'结合，激活下游基因的表达。同时，质膜上的多种受体（例如TCR和TLR等），通过mTOR、NF-κB和Jak-Stat等信号通路，上调HIF-α水平，促进缺氧相关基因的表达（图A)，它们在血管生成、组织修复、细胞自噬以及新型冠状病毒SRAS-CoV-2增殖等众多领域都发挥着重要的作用。

细胞在正常的情况下

细胞在氧气含量正常的情况下，HIF-α被依赖于氧的PHD和HIF1AN分别在脯氨酸残基和天冬酰胺残基上羟基化。HIF-α的羟基化是VHL肿瘤抑制蛋白（von Hippel–Lindau tumor suppressor protein, pVHL）与其结合的必要条件，pVHL是一种靶向HIF-α进行蛋白酶体降解的E3泛素连接酶，因此PHD是HIF-α降解的关键。此外，在不缺氧的条件下，HIF-α还会被蛋白激酶GSK-3β、转录因子β-catenin和p53抑制其转录活性，阻断缺氧信号的传递；NO则在非缺氧的情况下诱导HIF-1α，但抑制低氧诱导的HIF-1α表达(图B）。