Факторы, реагирующие на недостаток кислорода

Введение

Белки, реагирующие на низкое содержание кислорода. Индуцируемые гипоксией факторы (HIF) — это факторы транскрипции, которые реагируют на снижение доступности кислорода в клеточной среде, или гипоксию. Они также реагируют на случаи псевдогипоксии, такие как дефицит тиамина. И гипоксия, и псевдогипоксия приводят к нарушению производства аденозинтрифосфата (АТФ) митохондриями.

Открытие

Транскрипционный комплекс HIF был обнаружен в 1995 году Греггом Л. Семензой и постдоком Гуан Ван. В 2016 году Уильям Келин-младший, Питер Дж. Ратклифф и Грегг Л. Семенза были удостоены премии Ласкера за их работу по выяснению роли HIF-1 в восприятии кислорода и его роли в выживании при низком содержании кислорода. В 2019 году те же три ученых совместно получили Нобелевскую премию по физиологии или медицине за их работу по выяснению механизмов, посредством которых HIF воспринимает и адаптирует клеточный ответ к доступности кислорода.

Функция

Экспрессия HIF1α в гематопоэтических стволовых клетках объясняет состояние покоя стволовых клеток, поскольку они поддерживают метаболизм на низком уровне, чтобы сохранить их потенцию на протяжении длительного жизненного цикла организма. Сигнальный каскад HIF опосредует влияние гипоксии – состояния низкой концентрации кислорода – на клетку. Гипоксия часто препятствует дифференцировке клеток. Однако гипоксия стимулирует образование кровеносных сосудов и играет важную роль в формировании сосудистой системы у эмбрионов и в опухолях. Гипоксия в ранах также способствует миграции кератиноцитов и восстановлению эпителия. Поэтому неудивительно, что модуляция HIF 1 была признана перспективным подходом к лечению при заживлении ран. В целом, HIF жизненно важны для развития. У млекопитающих удаление генов HIF 1 приводит к перинатальной гибели. Показано, что HIF 1 необходим для выживания хондроцитов, позволяя им адаптироваться к условиям низкого содержания кислорода в зонах роста костей. HIF играет центральную роль в регуляции метаболизма человека.

Механизм

Альфа-субъединицы HIF гидроксилируются в консервативных остатках пролина пролилгидроксилазами HIF, что позволяет VHL E3 убиквитинлигазе распознавать и убиквитинировать их, маркируя для быстрого распада протеасомой. Это происходит только в нормоксических условиях. В условиях гипоксии пролилгидроксилаза HIF ингибируется, поскольку использует кислород в качестве косубстрата. Ингибирование переноса электронов в сукцинатдегидрогеназном комплексе из-за мутаций в генах SDHB или SDHD может привести к накоплению сукцината, который ингибирует HIF пролилгидроксилазу, стабилизируя HIF 1α. Это называется псевдогипоксией. HIF 1, стабилизируясь в гипоксических условиях, повышает экспрессию нескольких генов для поддержания выживания при низком содержании кислорода. К ним относятся ферменты гликолиза, обеспечивающие синтез АТФ независимо от кислорода, и сосудистый эндотелиальный фактор роста (VEGF), способствующий ангиогенезу. HIF 1 действует, связываясь с элементами, реагирующими на гипоксию (HREs), в промоторах, содержащих последовательность 5' RCGTG 3' (где R – пурин, либо A, либо G). Исследования показывают, что гипоксия модулирует метилирование гистонов и перепрограммирует хроматин. Эта статья была опубликована одновременно с работой Уильяма Келина-младшего, лауреата Нобелевской премии по физиологии или медицине 2019 года. Эта работа была освещена в независимой редакционной статье. Показано, что мышечный A-киназный анкерный белок (mAKAP) организует E3 убиквитинлигазы, влияя на стабильность и позиционирование HIF 1 внутри его участка действия в ядре. Деплеция mAKAP или нарушение его таргетирования в перинуклеарную область (в кардиомиоцитах) изменили стабильность HIF 1 и транскрипционную активацию генов, связанных с гипоксией. Таким образом, "компартментализация" кислород-чувствительных сигнальных компонентов может влиять на гипоксический ответ. Глубокие знания о молекулярных регуляторных механизмах активности HIF1 в гипоксических условиях резко контрастируют с недостатком информации о механистических и функциональных аспектах, регулирующих регуляцию HIF1 посредством NF κB в нормоксических условиях. Однако стабилизация HIF 1α также наблюдается в негипоксических условиях посредством неизвестного механизма. Показано, что NF κB (ядерный фактор κB) является прямым модулятором экспрессии HIF 1α при нормальном парциальном давлении кислорода. Исследования с использованием siRNA (малых интерферирующих РНК) для отдельных членов NF κB выявили дифференцированные эффекты на уровни мРНК HIF 1α, что указывает на то, что NF κB может регулировать базальную экспрессию HIF 1α. Наконец, было показано, что при индукции эндогенного NF κB обработкой TNFα (фактором некроза опухоли α) уровни HIF 1α также изменяются в зависимости от NF κB. HIF 1 и HIF 2 выполняют различные физиологические роли. HIF 2 регулирует продукцию эритропоэтина во взрослом возрасте.

The alpha subunits of HIF are hydroxylated at conserved proline residues by HIF prolyl hydroxylases, allowing their recognition and ubiquitination by the VHL E3 ubiquitin ligase, which labels them for rapid degradation by the proteasome. This occurs only in normoxic conditions. In hypoxic conditions, HIF prolyl hydroxylase is inhibited, since it utilizes oxygen as a cosubstrate. Inhibition of electron transfer in the succinate dehydrogenase complex due to mutations in the SDHB or SDHD genes can cause a build up of succinate that inhibits HIF prolyl hydroxylase, stabilizing HIF 1α. This is termed pseudohypoxia. HIF 1, when stabilized by hypoxic conditions, upregulates several genes to promote survival in low oxygen conditions. These include glycolysis enzymes, which allow ATP synthesis in an oxygen independent manner, and vascular endothelial growth factor (VEGF), which promotes angiogenesis. HIF 1 acts by binding to hypoxia responsive elements (HREs) in promoters that contain the sequence 5' RCGTG 3' (where R is a purine, either A or G). Studies demonstrate that hypoxia modulates histone methylation and reprograms chromatin. This paper was published back to back with that of 2019 Nobel Prize in Physiology or Medicine winner for Medicine William Kaelin Jr. This work was highlighted in an independent editorial. It has been shown that muscle A kinase–anchoring protein (mAKAP) organized E3 ubiquitin ligases, affecting stability and positioning of HIF 1 inside its action site in the nucleus. Depletion of mAKAP or disruption of its targeting to the perinuclear (in cardiomyocytes) region altered the stability of HIF 1 and transcriptional activation of genes associated with hypoxia. Thus, "compartmentalization" of oxygen sensitive signaling components may influence the hypoxic response. The advanced knowledge of the molecular regulatory mechanisms of HIF1 activity under hypoxic conditions contrast sharply with the paucity of information on the mechanistic and functional aspects governing NF κB mediated HIF1 regulation under normoxic conditions. However, HIF 1α stabilization is also found in non hypoxic conditions through an unknown mechanism. It was shown that NF κB (nuclear factor κB) is a direct modulator of HIF 1α expression in the presence of normal oxygen pressure. siRNA (small interfering RNA) studies for individual NF κB members revealed differential effects on HIF 1α mRNA levels, indicating that NF κB can regulate basal HIF 1α expression. Finally, it was shown that, when endogenous NF κB is induced by TNFα (tumour necrosis factor α) treatment, HIF 1α levels also change in an NF κB dependent manner. HIF 1 and HIF 2 have different physiological roles. HIF 2 regulates erythropoietin production in adult life.

Ремонт, регенерация и омоложение

В нормальных условиях после повреждения HIF 1a разрушается пролилгидроксилазами (PHD). В июне 2015 года ученые обнаружили, что поддержание повышенной экспрессии HIF 1a посредством ингибиторов PHD способствует регенерации утраченных или поврежденных тканей у млекопитающих, обладающих способностью к восстановлению; а подавление экспрессии Hif 1a приводит к заживлению с образованием рубцов у млекопитающих, ранее проявлявших регенеративную реакцию на потерю ткани. Регулирование HIF 1a может либо активировать, либо деактивировать ключевой процесс регенерации млекопитающих. Одним из таких регенеративных процессов, в котором участвует HIF1A, является заживление кожи. Исследователи из Медицинской школы Стэнфордского университета продемонстрировали, что активация HIF1A способна предотвращать и лечить хронические раны у диабетических и стареющих мышей. Раны у мышей заживали не только быстрее, но и качество новой кожи было даже выше, чем исходного. Кроме того, был описан регенеративный эффект модуляции HIF 1A на стареющие клетки кожи и продемонстрирован омолаживающий эффект на стареющую кожу лица у пациентов. Модуляция HIF также связана с положительным влиянием на выпадение волос. Биотехнологическая компания Tomorrowlabs GmbH, основанная в Вене в 2016 году врачом Домиником Душером и фармакологом Домиником Тором, использует этот механизм. На основе находящегося на стадии патентования активного ингредиента HSF ("фактор усиления HIF") были разработаны продукты, предназначенные для стимуляции регенерации кожи и волос.

Анемия

Разработано несколько препаратов, которые действуют как селективные ингибиторы пролилгидроксилазы HIF. Наиболее известными соединениями являются: Роксадустат (FG 4592); Вададустат (AKB 6548), Дапродустат (GSK1278863), Дезидустат (ZYAN 1) и Молидустат (Bay 85 3934), все из которых предназначены для перорального применения в качестве лекарственных средств для лечения анемии. Другие значимые соединения из этого семейства, используемые в исследованиях, но не разработанные для медицинского применения у людей, включают MK 8617, YC 1, IOX 2, 2-метоксиэстрадиол, GN 44028, AKB 4924, Bay 87 2243, FG 2216 и FG 4497. Ингибируя фермент пролилгидроксилазу, повышается стабильность HIF 2α в почках, что приводит к увеличению эндогенной продукции эритропоэтина. Оба соединения FibroGen достигли фазы II клинических испытаний, но они были временно приостановлены в мае 2007 года после смерти участника исследования, принимавшего FG 2216, в результате фулминантного гепатита (печеночной недостаточности), однако неясно, была ли эта смерть вызвана FG 2216. Ограничение на дальнейшее тестирование FG 4592 было снято в начале 2008 года после того, как FDA рассмотрела и одобрила подробный ответ от FibroGen. Роксадустат, вададустат, дапродустат и молидустат в настоящее время прошли в фазу III клинических испытаний для лечения почечной анемии. Также было показано, что хроническое воспаление является самоподдерживающимся и искажает микроокружение в результате аберрантно активных факторов транскрипции. Как следствие, в клеточной среде происходят изменения в балансе факторов роста, хемокинов, цитокинов и активных форм кислорода (АФК), которые, в свою очередь, обеспечивают ось роста и выживания, необходимую для de novo развития рака и метастазирования. Эти результаты имеют многочисленные последствия для ряда патологий, при которых NF κB и HIF 1 дерегулированы, включая ревматоидный артрит и рак. Поэтому считается, что понимание перекрестных взаимодействий между этими двумя ключевыми факторами транскрипции, NF κB и HIF, значительно улучшит процесс разработки лекарственных препаратов. Активность HIF участвует в ангиогенезе, необходимом для роста опухолей, поэтому ингибиторы HIF, такие как феноэтилизотиоцианат и акрифлавин, с 2006 года исследуются на предмет противоракового действия.

Several drugs that act as selective HIF prolyl hydroxylase inhibitors have been developed. The most notable compounds are: Roxadustat (FG 4592); Vadadustat (AKB 6548), Daprodustat (GSK1278863), Desidustat (ZYAN 1), and Molidustat (Bay 85 3934), all of which are intended as orally acting drugs for the treatment of anemia. Other significant compounds from this family, which are used in research but have not been developed for medical use in humans, include MK 8617, YC 1, IOX 2, 2 methoxyestradiol, GN 44028, AKB 4924, Bay 87 2243, FG 2216 and FG 4497. By inhibiting prolyl hydroxylase enzyme, the stability of HIF 2α in the kidney is increased, which results in an increase in endogenous production of erythropoietin. Both FibroGen compounds made it through to Phase II clinical trials, but these were suspended temporarily in May 2007 following the death of a trial participant taking FG 2216 from fulminant hepatitis (liver failure), however it is unclear whether this death was actually caused by FG 2216. The hold on further testing of FG 4592 was lifted in early 2008, after the FDA reviewed and approved a thorough response from FibroGen. Roxadustat, vadadustat, daprodustat and molidustat have now all progressed through to Phase III clinical trials for treatment of renal anemia. It has also been shown that chronic inflammation is self perpetuating and that it distorts the microenvironment as a result of aberrantly active transcription factors. As a consequence, alterations in growth factor, chemokine, cytokine, and ROS balance occur within the cellular milieu that in turn provide the axis of growth and survival needed for de novo development of cancer and metastasis. These results have numerous implications for a number of pathologies where NF κB and HIF 1 are deregulated, including rheumatoid arthritis and cancer. Therefore, it is thought that understanding the cross talk between these two key transcription factors, NF κB and HIF, will greatly enhance the process of drug development. HIF activity is involved in angiogenesis required for cancer tumor growth, so HIF inhibitors such as phenethyl isothiocyanate and Acriflavine are (since 2006) under investigation for anti cancer effects.

Неврология

Исследования, проведенные на мышах, показывают, что стабилизация HIF с использованием ингибитора пролилгидроксилазы HIF усиливает память гиппокампа, вероятно, путем повышения экспрессии эритропоэтина. Активаторы пути HIF, такие как ML 228, могут обладать нейропротекторным эффектом и представляют интерес в качестве потенциальных средств лечения инсульта и травмы спинного мозга.

Фон Хиппель Карцинома почечных клеток, связанный с болезнью Линдау

Белзутифан — ингибитор фактора, индуцируемого гипоксией 2α, исследуемый для лечения почечноклеточной карциномы, связанной с болезнью фон Гиппеля-Линдау.