Фактори, індуковані гіпоксією

Фактори, індуковані гіпоксією (HIF) – це фактори транскрипції, які реагують на зниження доступного кисню у клітинному середовищі або на гіпоксію.

Відкриття

Транскрипційний комплекс HIF був відкритий у 1995 році Греггом Л. Семенза та аспірантом Гуан Вангом. У 2016 році Вільям Келін, Пітер Дж. Реткліфф і Грегг Л. Семенца були нагороджені премією Ласкера за їхню роботу щодо з’ясування ролі HIF-1 у сприйнятті кисню та його ролі у виживанні в умовах низького вмісту кисню. У 2019 році вони були спільно нагороджені Нобелівською премією з фізіології та медицини за їхню роботу над з’ясуванням того, як HIF сприймає та адаптує клітинну реакцію до наявності кисню.

Структура

Більшість, якщо не всі аеробні організми, експресують висококонсервативний транскрипційний комплекс HIF-1 — гетеродимер, що складається з альфа- та бета-субодиниць. Бета-субодинця є конститутивно експресованим ядерним транслокатором арилвуглеводневого рецептора (ARNT). HIF-1 належить до підродини PER-ARNT-SIM (PAS) сімейства факторів транскрипції базової спіралі-петлі-спіралі (bHLH). Альфа- і бета-субодиниця подібна за структурою і обидва містять такі домени:

• N-кінець — домен bHLH для зв'язування ДНК
• центральна область — домен Per-ARNT-Sim (PAS), що сприяє гетеродимеризації
• C-кінець — залучає транскрипційні корегуляторні білки

Представники родини HIF

Нижче наведено члени сімейства HIF людини:

Функція

Експресія HIF1α у гемопоетичних стовбурових клітинах пояснює те, що стовбурові клітини підтримують низьку швидкість метаболізму, щоб зберегти потентність протягом тривалих періодів у життєвому циклі організму.

Сигнальний каскад HIF опосередковує ефект гіпоксії та стану низької концентрації кисню на клітину. Гіпоксія часто не дає клітинам диференціюватися. При цьому гіпоксія сприяє утворенню кровоносних судин і важлива для формування судинної системи ембріонів і пухлин. Гіпоксія в ранах також сприяє міграції кератиноцитів і відновленню епітелію. Не дивно, що модуляція HIF-1 була визначена як перспективна парадигма лікування у загоєнні ран.

Загалом, HIF життєво важливі для розвитку. У ссавців видалення генів HIF-1 призводить до перинатальної смерті. Було показано, що HIF-1 життєво важливий для виживання хондроцитів, дозволяючи клітинам адаптуватися до умов з низьким вмістом кисню в пластинах росту кісток. HIF відіграє центральну роль у регуляції метаболізму людини.

Механізм

Нобелівська премія з фізіології та медицини 2019: Як клітини відчувають і адаптуються до доступності кисню. У нормоксичних умовах Hif-1 альфа гідроксилюється за двома залишками проліну. Потім він асоціюється з VHL і позначається убіквітином, що призводить до протеасомної деградації. В умовах гіпоксії Hif-1 альфа переміщується в ядро клітини і асоціюється з Hif-1 бета. Потім цей комплекс зв’язується з ділянкою HRE ДНК, що призводить до транскрипції генів, які беруть участь у багатьох процесах, включаючи еритропез, гліколіз та ангіогенез.

Альфа-субодиниці HIF гідроксилюються за консервативними залишками проліну HIF-пролілгідроксилазами, що дозволяє їх розпізнавати та убіквітинувати убіквітин - лігазою VHL E3, яка мітить їх для швидкої деградації протеасомою. Це відбувається тільки в нормоксичних умовах. В умовах гіпоксії HIF пролілгідроксилаза інгібується, оскільки вона використовує кисень як косубстрат.

Інгібування переносу електронів у комплексі сукцинатдегідрогенази через мутації в генах SDHB або SDHD може викликати накопичення сукцинату, який інгібує HIF проліл-гідроксилазу, стабілізуючи HIF-1α. Таке явище називається псевдогіпоксією .

HIF-1, стабілізований в умовах гіпоксії, активізує кілька генів, щоб сприяти виживанню в умовах з низьким вмістом кисню. До них належать ферменти гліколізу, які забезпечують синтез АТФ незалежним від кисню способом, і фактор росту ендотелію судин (VEGF), який сприяє ангіогенезу. HIF-1 діє шляхом зв’язування з елементами, що реагують на гіпоксію (HREs) у промоторах, які містять послідовність NCGTG (де N або A, або G). Нещодавня робота лабораторій Сонії Роча та Вільяма Келіна демонструє, що гіпоксія модулює метилювання гістонів і перепрограмовує хроматин Ця стаття була опублікована разом з статтею лауреата Нобелівської премії з фізіології та медицини 2019 року Вільяма Келіна . Ця робота була виділена в незалежній редакції.

Було показано, що білок mAKAP організовує убіквітин-лігази E3, впливаючи на стабільність і позиціонування HIF-1 всередині його місця дії в ядрі. Виснаження mAKAP або порушення його націлювання на перинуклеарну (у кардіоміоцитах) область змінили стабільність HIF-1 і транскрипційну активацію генів, пов’язаних з гіпоксією. Таким чином, «компартменталізація» чутливих до кисню сигнальних компонентів може впливати на гіпоксичну реакцію.

Розширені знання про молекулярні регуляторні механізми активності HIF1 в умовах гіпоксії різко контрастують з дефіцитом інформації про механістичні та функціональні аспекти, що регулюють NF-κB- опосередковану регуляцію HIF1 в нормоксичних умовах. Проте стабілізація HIF-1α також виявляється в негіпоксичних умовах через донедавна невідомий механізм. Показано, що NF-κB (ядерний фактор κB) є прямим модулятором експресії HIF-1α за наявності нормального тиску кисню. Дослідження siRNA (малих інтерферуючих РНК) для окремих членів NF-κB виявили різний вплив на рівні мРНК HIF-1α, що вказує на те, що NF-κB може регулювати базальну експресію HIF-1α. Нарешті, було показано, що, коли ендогенний NF-κB індукується лікуванням TNFα (фактором некрозу пухлини α), рівні HIF-1α також змінюються залежно від NF-κB. HIF-1 і HIF-2 виконують різні фізіологічні ролі. HIF-2 регулює вироблення еритропоетину в дорослому житті.

Роль у процессі регенерації

У нормальних умовах після травми HIF-1a деградують під пролілгідроксілазой гідроксилази (PhDs). У червні 2015 року вчені виявили, що продовження активізації HIF-1a за допомогою інгібіторів PHD відновлює втрачену або пошкоджену тканину у ссавців, які мають реакцію відновлення; і продовження зниження рівня Hif-1a призводить до загоєння з рубцюванням у ссавців з попередньою регенеративною реакцією на втрату тканини. Акт регулювання HIF-1a може або вимкнути, або включити ключовий процес регенерації ссавців. Одним із таких регенеративних процесів, в яких бере участь HIF1A, є загоєння шкіри. Дослідники з Школи медицини Стенфордського університету продемонстрували, що активація HIF1A була здатна запобігти та лікувати хронічні рани у діабетичних і старих мишей. Мало того, що рани у мишей загоїлися швидше, але й якість нової шкіри була навіть кращою, ніж оригінал. Додатково було описано регенеруючу дію модуляції HIF-1A на старі клітини шкіри та продемонстровано омолоджуючу дію на вікову шкіру обличчя у пацієнтів. Модуляція HIF також була пов’язана з сприятливим впливом на випадання волосся. Цей механізм використовує біотехнологічна компанія Tomorrowlabs GmbH, заснована у Відні в 2016 році лікарем Домініком Душером і фармакологом Домініком Тором . На основі запатентованого активного інгредієнта HSF ("HIF зміцнюючий фактор") розроблено продукти, які мають сприяти регенерації шкіри та волосся.

Дослідження HIF-білків

Дослідження експресії HIF-3 в умовах гострої гіпоксії (12% O(2), 2 год) показало, що інгібування синтезу цієї субодиниці призводить до підвищення фізичної витривалості організму Крім того, інгібування експресії HIF-3 та HIF-пропілгідроксилази сприяли підвищенню життєздатності клітин протягом аноксії-реоксигенації, зміни експресії мРНК генів-мішеней HIF1 та зниженню мембранного потенціалу мітохондрій (Δψm).

Дослідження експресії HIF-1α у міокарді та фракції лейкоцитів після ішемічного прекондиціонування показало достовірне зниження експресії у 7,5 раза (p < 0,05), однак у фракції лейкоцитів спостерігається недостовірне зниження експресії HIF-1α на 20 % (p > 0,05).

Дивись також

• HIF-1α

Посилання