Факторы, индуцируемые гипоксией , также HIFs (сокр. от англ. Hypoxia-inducible factors ) — группа транскрипционных факторов , которая реагируют на уменьшение количества кислорода в клетках или на гипоксию .

Открытие

Транскрипционный комплекс HIF был открыт в 1995 году Греггом Л. Семензой и его постдокторантом Гуаном Вангом . В 2016 году Уильям Келин-мл , Питер Дж. Рэтклифф и Грегг Л. Семенза были удостоены премии Ласкера за работу по выяснению роли HIF-1 в распознавании кислорода и его роли в выживании в условиях низкого содержания кислорода . В 2019 году эти же три человека были совместно удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине за «работу по выяснению того, как HIF распознаёт и адаптирует клеточный ответ на доступность кислорода» .

Структура

Большинство, если не все, аэробные виды живых существ экспрессируют высококонсервативный транскрипционный комплекс HIF-1, который является гетеродимером, состоящим из альфа- и бета-субъединиц, причём последний представляет собой конститутивно-экспрессированный ядерный транслокатор рецептора AHR ( ARNT ) . HIF-1 относится к подсемейству PER-ARNT-SIM (PAS) базового семейства транскрипционных факторов, основанного на мотиве спираль-петля-спираль ( bHLH ). Альфа и бета-субъединица сходны по структуре и обе содержат следующие домены :

• N-конец — домен bHLH для связывания ДНК
• центральный регион — домен Per-ARNT-Sim (PAS), который облегчает гетеродимеризацию
• С-конец — укомплектовка (рекрутинг) транскрипционных корегуляторных белков.

Область трансактивации С-конца HIF-1α Структура HIF-1α . Идентификаторы Символ HIF-1a_CTAD Pfam Доступные структуры белков Pfam PDB ; ;

Члены семейства

В таблице указаны члены семейства HIF человека:

Выполняемые функции

Экспрессия HIF-1α в гемопоэтических стволовых клетках объясняет природу покоя стволовых клеток , поскольку метаболизм в них поддерживается на низком уровне, что позволяет сохранять потенцию стволовых клеток в течение длительного времени в жизненном цикле организма.

Сигнальный каскад HIF опосредует влияние гипоксии, состояния низкой концентрации кислорода, воздействующей на клетку. Гипоксия часто препятствует дифференцировке клеток . Однако гипоксия способствует образованию кровеносных сосудов и имеет важное значение для формирования сосудистой системы у эмбрионов и злокачественных опухолей . Гипоксия в ранах также способствует миграции кератиноцитов и восстановлению эпителия .

В целом, HIFs имеют жизненно важное значение для развития. У млекопитающих удаление генов HIF-1 приводит к перинатальной смерти. Было показано, что HIF-1 имеет жизненно важное значение для выживания хондроцитов, позволяя клеткам адаптироваться к условиям с низким содержанием кислорода при эндохондриальной оссицификации в костях. HIF играет центральную роль в регуляции метаболизма человека .

Механизм действия

Альфа-субъединицы HIF гидроксилируются в консервативных остатках пролина , с помощью HIF-пролилгидроксилаз, она позволяет их распознавать и убиквитинировать посредством VHL убиквитин -E3-лигазы, которая маркирует их для быстрой деградации протеасомами . Это происходит только в нормоксических условиях. В гипоксических условиях ингибитор HIF-пролилгидроксилазы ингибируется, поскольку он использует кислород в качестве косубстрата (сопутствующего субстрата) .

Ингибирование переноса электрона в комплексе сукцинатдегидрогеназы из-за мутаций в генах или может вызвать накопление сукцината , который ингибирует пролиферацию гидроксилазы HIF, тем самым стабилизируя HIF-1α. Такое состояние называется псевдогипоксией .

HIF-1, стабилизированный гипоксическими состояниями, активирует несколько генов, которое способствует выживанию в условиях низкой концентрации кислорода. К ним относятся гликолизные ферменты, которые позволяют синтезировать АТФ независимым от кислорода образом и фактором роста эндотелия сосудов (VEGF), который способствует ангиогенезу . HIF-1 действует путём связывания 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 работа была опубликована одновременно с работой лауреата Нобелевской премии по физиологии и медицине 2019 года Уильяма Кейлина-младшего . Данная работа была отмечена в независимой редакционной статье .

Было показано, что белок антагонизирующиая А-киназа мышц (mAKAP) рекрутировал убиквитин-E3-лигазу, влияя на стабильность и позиционирование HIF-1 внутри его места действия в ядре. Истощение mAKAP или нарушение его нацеливания на перинуклеарную (в кардиомиоцитах ) область изменяет стабильность HIF-1 и транскрипционную активацию генов, связанных с гипоксией. Таким образом, «компартментализация» чувствительных к кислороду сигнальных компонентов может влиять на гипоксический отклик .

Передовые знания о молекулярных регуляторных механизмах активности HIF1 в гипоксических условиях резко контрастируют с нехваткой информации о механистических и функциональных аспектах, влияющих на регуляцию HIF1, опосредованной NF-κB, в нормоксических условиях. Тем не менее, стабилизация HIF-1α также обнаруживается в негипоксических условиях через неизвестный до недавнего времени механизм. Было показано, что NF-κB (ядерный фактор κB) является прямым модулятором экспрессии HIF-1α в присутствии нормального давления кислорода. Исследования миРНК ( малые интерферирующие РНК ) для отдельных членов NF-κB выявили дифференциальные эффекты на уровне мРНК HIF-1α, это указывает на то, что NF-κB может регулировать экспрессию базального HIF-1α. Наконец, было показано, что, когда эндогенный NF-κB индуцируется TNF-α (фактор некроза опухолей α), уровни HIF-1α также изменяются, в зависимости от NF-κB . HIF-1 и HIF-2 имеют разные физиологические роли. HIF-2 регулирует продукцию эритропоэтина во взрослой жизни .

Репарация, регенерация и омоложение тканей

В нормальных условиях после травмы HIF-1α разрушается пролилгидроксилазами (PHD). В июне 2015 года учёные обнаружили, что длительная активация HIF-1α с помощью ингибиторов PHD регенерирует утраченные или повреждённые ткани у млекопитающих, у которых есть реакция восстановления; а дальнейшее снижение уровня HIF-1α приводит к заживлению с образованием рубцов у млекопитающих с предшествующей регенеративной реакцией на потерю ткани. Регуляция HIF-1a может либо отключить, либо включить ключевой процесс регенерации млекопитающих . Одним из таких регенеративных процессов, в которых участвует HIF1A, является заживление кожи . Исследователи из Медицинской школы Стэнфордского университета продемонстрировали, что активация HIF1A способна предотвращать и лечить хронические раны у пожилых мышей с диабетом. Раны у мышей не только заживали быстрее, но и качество новой кожи было даже лучше, чем оригинал . Кроме того, было описано регенеративное воздействие модуляции HIF-1A на клетки старой кожи и у пациентов было продемонстрировано омолаживающее действие на стареющую кожу лица . Модуляция HIF также положительно влияет на выпадение волос . Этот механизм использует биотехнологическая компания Tomorrowlabs GmbH, основанная в Вене в 2016 году врачом Домиником Душером и фармакологом Домиником Тором . На основе запатентованного активного ингредиента HSF («Фактор усиления HIF») были разработаны продукты, которые, как предполагается, способствуют регенерации кожи и волос .

Факторы гипоксии в качестве терапевтической цели

Анемия

В настоящее время разработано несколько препаратов, являющихся селективными ингибиторами пролил-гидроксилазы 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 препаратов для лечения анемии . К другим важным соединениям этого семейства, которые используются в исследованиях, но не были разработаны для медицинского применения у человека, относятся MK-8617 , YC-1 , IOX-2 , 2-метоксиэстрадиол , GN-44028 , AKB-4924 , Bay 87-2243 , FG-2216 и FG-4497 . За счёт ингибирования фермента пролил-гидроксилазы повышается стабильность HIF-2α в почках, что приводит к увеличению эндогенной продукции эритропоэтина . Оба препарата компании FibroGen прошли II фазу клинических испытаний, однако в мае 2007 г. они были временно приостановлены после смерти участника испытаний, принимавшего FG-2216, от фульминантного гепатита (печёночной недостаточности), однако неясно, действительно ли эта смерть была вызвана FG-2216. Запрет на дальнейшие испытания FG-4592 был снят в начале 2008 года, после того как FDA рассмотрело и одобрило подробный ответ компании FibroGen . Роксадустат, вададустат, дапродустат и молидустат перешли в фазу III клинических испытаний для лечения почечной анемии .

Воспаление и рак

В других сценариях и в отличие от описанной выше терапии, исследования показывают, что индукция HIF в условиях нормоксии может иметь серьёзные последствия в условиях заболевания с хроническим воспалительным компонентом . Также было показано, что хроническое воспаление является самоподдерживающимся и искажает микроокружение в результате аберрантно активных факторов транскрипции . Как следствие, в клеточном окружении происходят изменения баланса|факторов роста, хемокинов , цитокинов и АФК , которые, в свою очередь, обеспечивают ось роста и выживания, необходимую для развития рака de novo и метастазирования . Эти результаты имеют многочисленные последствия для ряда патологий, при которых происходит дерегуляция NF-κB и HIF-1, включая ревматоидный артрит и рак . Поэтому считается, что понимание перекрёстного взаимодействия между этими двумя ключевыми транскрипционными факторами — NF-κB и HIF — значительно улучшит процесс разработки лекарств .

Активность HIF участвует в ангиогенезе , необходимом для роста раковых опухолей, поэтому ингибиторы HIF, такие как фенетилизотиоцианат и акрифлавин , с 2006 года исследуются на предмет противоракового действия .

Неврология

Исследования, проведённые на мышах, показывают, что стабилизация HIF с помощью ингибитора пролил-гидроксилазы HIF улучшает гиппокампальную память (коротковременную), вероятно, за счёт увеличения экспрессии эритропоэтина . Активаторы пути HIF, такие как ML-228, могут оказывать нейропротекторное действие и представляют интерес в качестве потенциальных методов лечения инсульта и травм спинного мозга .

Почечно-клеточная карцинома, ассоциированная с болезнью фон-Хиппеля — Линдау

Белзутифан — ингибитор , исследуемый для лечения почечно-клеточной карциномы, ассоциированной с болезнью фон Хиппеля — Линдау .

Примечания