HIF1A - HIF1A
Гипоксия-индуцируемый фактор 1-альфа , также известный как HIF-1-альфа , является субъединицей гетеродимерным фактора транскрипции индуцированного гипоксией фактор 1 ( HIF-1 ) , который кодируется с помощью HIF1A гена . Нобелевская премия по физиологии и медицине 2019 года была присуждена за открытие HIF.
HIF1A представляет собой базовый белок , содержащий PAS-домен спираль-петля-спираль , и считается главным регулятором транскрипции клеточного и онтогенетического ответа на гипоксию . Нарушение регуляции и сверхэкспрессия HIF1A из- за гипоксии или генетических изменений в значительной степени вовлечены в биологию рака, а также в ряд других патофизиологий, особенно в областях васкуляризации и ангиогенеза , энергетического метаболизма , выживания клеток и инвазии опухолей. Были идентифицированы два других альтернативных транскрипта, кодирующие разные изоформы .
Состав
HIF1 представляет собой гетеродимерную основную структуру спираль-петля-спираль, которая состоит из HIF1A, альфа-субъединицы (этого белка) и ядерного транслокатора арилуглеводородного рецептора ( Arnt ), бета-субъединицы. HIF1A содержит основной домен спираль-петля-спираль рядом с С-концом , за которым следуют два отдельных домена PAS (PER-ARNT-SIM) и домен PAC (связанный с PAS C-конец). Полипептид HIF1A также содержит мотив сигнала ядерной локализации, два трансактивирующих домена CTAD и NTAD и промежуточный ингибирующий домен (ID), который может репрессировать транскрипционную активность CTAD и NTAD. Всего существует три изоформы HIF1A, образованные альтернативным сплайсингом, однако изоформа 1 была выбрана в качестве канонической структуры и является наиболее изученной изоформой по структуре и функциям.
Ген и экспрессия
Ген HIF1A человека кодирует альфа-субъединицу HIF1A фактора транскрипции, индуцируемого гипоксией (HIF1). Уровень экспрессии его белка можно измерить с помощью антител против HIF-1-альфа с помощью различных биологических методов обнаружения, включая вестерн-блоттинг или иммуноокрашивание. Уровень экспрессии HIF1A зависит от активации его промотора, богатого GC. В большинстве клеток, HIF1A ген экспрессируется в низких уровнях при нормоксических условиях, однако, при гипоксии , HIF1A транскрипции часто значительно повышалась. Обычно кислороднезависимый путь регулирует экспрессию белка, а кислородзависимый путь регулирует деградацию. В гипоксией независимые способы, HIF1A выражение может быть повышалось через редокс , чувствительный к механизму.
Функция
Фактор транскрипции HIF-1 играет важную роль в клеточном ответе на системные уровни кислорода у млекопитающих. Активность HIF1A регулируется множеством посттрансляционных модификаций : гидроксилированием , ацетилированием и фосфорилированием . Известно, что HIF-1 индуцирует транскрипцию более 60 генов, включая VEGF и эритропоэтин , которые участвуют в биологических процессах, таких как ангиогенез и эритропоэз , которые помогают в стимулировании и увеличении доставки кислорода в гипоксические области. HIF-1 также индуцирует транскрипцию генов, участвующих в пролиферации и выживании клеток , а также в метаболизме глюкозы и железа . В соответствии со своей динамической биологической ролью HIF-1 реагирует на системные уровни кислорода, претерпевая конформационные изменения, и связывается с областями HRE промоторов генов, чувствительных к гипоксии, чтобы индуцировать транскрипцию.
На стабильность HIF1A, внутриклеточную локализацию, а также на транскрипционную активность особенно влияет уровень кислорода. Альфа-субъединица образует гетеродимер с бета-субъединицей. В нормоксических условиях VHL-опосредованный путь убиквитиновой протеазы быстро разрушает HIF1A; однако в условиях гипоксии предотвращается деградация белка HIF1A, и уровни HIF1A накапливаются, чтобы связываться с HIF1B, чтобы играть транскрипционную роль в генах-мишенях. Ферменты пролилгидроксилаза (PHD) и HIF пролилгидроксилаза (HPH) участвуют в специфической посттрансляционной модификации пролиновых остатков HIF1A. (P402 и P564 в домене ODD), что позволяет связывать VHL с HIF1A. Ферментативная активность кислородной сенсорной диоксигеназы PHD зависит от уровня кислорода, поскольку она требует кислорода в качестве одного из основных субстратов для переноса на пролиновый остаток HIF1A. Гидроксилированный пролин остаток HIF1A затем признается и захоронен в гидрофобном ядре из Гиппеля-Линдау супрессоры опухолей белки (VHL), который сам по себе является частью убиквитинлигаза фермента . Гидроксилирование пролинового остатка HIF1A также регулирует его способность связываться с коактиваторами в условиях гипоксии. Функцию гена HIF1A можно эффективно изучить с помощью нокдауна siRNA на основе независимой проверки.
Ремонт, регенерация и омоложение
В нормальных условиях после травмы HIF1A расщепляется пролилгидроксилазами (PHD). В июне 2015 года ученые обнаружили, что продолжающаяся повышающая регуляция HIF1A с помощью ингибиторов PHD восстанавливает потерянные или поврежденные ткани у млекопитающих, у которых есть репаративный ответ; и продолжающееся подавление HIF1A приводит к заживлению с ответом рубцевания у млекопитающих с предыдущим регенеративным ответом на потерю ткани. Акт регулирования HIF1A может либо выключить, либо включить ключевые процессы регенерации млекопитающих. Одним из таких регенеративных процессов, в которых участвует HIF1A, является регенерация периферических нервов . После повреждения аксона HIF1A активирует VEGFA, способствуя регенерации и функциональному восстановлению. HIF1A также контролирует заживление кожи. Исследователи из Медицинской школы Стэнфордского университета продемонстрировали, что активация HIF1A способна предотвращать и лечить хронические раны у мышей с диабетом и старых мышей. Мало того, что раны у мышей зажили быстрее, но и качество новой кожи было даже лучше, чем у оригинала. Кроме того, был описан регенерирующий эффект модуляции HIF-1A на стареющие клетки кожи и продемонстрировано омолаживающее действие на стареющую кожу лица у пациентов. Модуляция HIF также была связана с благотворным 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 активного ингредиента HSF («укрепляющий фактор HIF»), заявленного на получение патента, были разработаны продукты, которые должны способствовать регенерации кожи и волос.
Регулирование
Изобилие HIF1A (и его последующая активность) регулируется транскрипционно NF-κB- зависимым образом. Кроме того, согласованная активность пролилгидроксилазы гидроксилазы (PhDs) поддерживать надлежащий баланс белка HIF1A в фазе после перевода.
PHD полагаются на железо среди других молекул для гидроксилирования HIF1A; Таким образом, хелаторы железа, такие как десфериоксамин (DFO), оказались успешными в стабилизации HIF1A. ГБО (гипербарическая кислородная терапия) и имитаторы HIF1A, такие как хлорид кобальта, также успешно применялись.
Факторы, увеличивающие HIF1A
- Модулятор деградации:
- Кислородзависимый:
- EPF UCP (ухудшает pHVL)
- VDU2 ( деубиквитинат HIF1A )
- СУМОилирование (через RSUME )
- Десумоилирование (через SENP1 )
- Кислородно-независимые:
- Кальциневрин A (Ca2 + -зависимый через RACK1 )
- Кислородзависимый:
- Модуляторы перевода:
Факторы, снижающие HIF1A
Роль в раке
HIF1A сверхэкспрессируется при многих раковых заболеваниях человека. Сверхэкспрессия HIF1A в значительной степени способствует росту опухоли и метастазированию благодаря своей роли в инициации ангиогенеза и регуляции клеточного метаболизма для преодоления гипоксии. Гипоксия способствует апоптозу как нормальных, так и опухолевых клеток. Однако гипоксические условия, особенно в микросреде опухоли , наряду с накоплением генетических изменений, часто способствуют сверхэкспрессии HIF1A .
Значительная экспрессия HIF1A была отмечена в большинстве изученных солидных опухолей, включая рак желудка , толстой кишки , груди , поджелудочной железы , почек , простаты , яичников , головного мозга и мочевого пузыря . Клинически, повышенные уровни HIF1A в ряде злокачественных опухолей, в том числе рака шейки матки , не-мелкоклеточный рак легких , рак молочной железы (LV-положительной и отрицательной), олигодендроглиому , ротоглотки рака , рака яичников , рака эндометрия , рака пищевода , головы и шеи рак и рак желудка были связаны с агрессивным прогрессированием опухоли и, таким образом, использовались как прогностический и прогностический маркер устойчивости к лучевой терапии , химиотерапии и повышенной смертности. Экспрессия HIF1A может также регулировать прогрессирование опухоли молочной железы . Повышенные уровни HIF1A могут быть обнаружены при раннем развитии рака и были обнаружены при ранней протоковой карциноме in situ , преинвазивной стадии развития рака молочной железы, а также связаны с повышенной плотностью микрососудов в опухолевых поражениях . Более того, несмотря на гистологически определенную низкосортную опухоль молочной железы с отрицательными лимфатическими узлами в подгруппе обследованных пациентов, обнаружение значительной экспрессии HIF1A позволило независимо предсказать плохой ответ на терапию. Аналогичные результаты были получены в исследованиях рака мозга и рака яичников и предполагают регуляторную роль HIF1A в инициировании ангиогенеза через взаимодействия с проангиогенными факторами, такими как VEGF . Исследования мультиформной глиобластомы показывают поразительное сходство между паттерном экспрессии HIF1A и уровнем транскрипции гена VEGF . Кроме того, мультиформные опухоли глиобластомы высокой степени злокачественности с паттерном высокой экспрессии VEGF, подобные раку молочной железы с избыточной экспрессией HIF1A, демонстрируют значительные признаки неоваскуляризации опухоли . Это также предполагает регуляторную роль HIF1A в стимулировании прогрессирования опухоли, вероятно, посредством индуцированных гипоксией путей экспрессии VEGF.
Сверхэкспрессия HIF1A в опухолях также может происходить по независимому от гипоксии пути. В гемангиобластоме экспрессия HIF1A обнаруживается в большинстве клеток, взятых из хорошо васкуляризованной опухоли. Хотя и в карциноме почек, и в гемангиобластоме ген фон Хиппеля-Линдау инактивирован, HIF1A все еще экспрессируется на высоком уровне. Помимо сверхэкспрессии VEGF в ответ на повышение уровней HIF1A, путь PI3K / AKT также участвует в росте опухоли. При раке простаты часто встречающаяся мутация PTEN связана с прогрессированием опухоли до агрессивной стадии, увеличением плотности сосудов и ангиогенезом.
Во время гипоксии сверхэкспрессия опухолевого супрессора р53 может быть связана с HIF1A-зависимым путем инициирования апоптоза. Более того, p53-независимый путь может также вызывать апоптоз через путь Bcl-2 . Однако сверхэкспрессия HIF1A специфична для рака и индивидуума и зависит от сопутствующих генетических изменений и уровней присутствующих про- и антиапоптотических факторов. Одно исследование эпителиального рака яичников показывает, что HIF1A и нефункциональный опухолевый супрессор p53 коррелируют с низким уровнем апоптоза опухолевых клеток и плохим прогнозом. Кроме того, пациенты с раком пищевода на ранней стадии с продемонстрированной сверхэкспрессией HIF1 и отсутствием экспрессии BCL2 также не прошли фотодинамическую терапию.
Хотя исследовательские усилия по разработке терапевтических препаратов для нацеливания на опухолевые клетки, связанные с гипоксией, продолжаются в течение многих лет, до сих пор не было достигнуто никакого прорыва, который показал бы избирательность и эффективность нацеливания на пути HIF1A для уменьшения прогрессирования опухоли и ангиогенеза. Успешные терапевтические подходы в будущем также могут быть в значительной степени специфичными для конкретных видов рака и отдельных лиц и вряд ли будут широко применимы из-за генетически гетерогенной природы многих типов и подтипов рака.
Взаимодействия
Было показано, что HIF1A взаимодействует с:
Смотрите также
использованная литература
дальнейшее чтение
- Семенза Г.Л. (август 2000 г.). «HIF-1 и болезнь человека: один очень важный фактор». Гены и развитие . 14 (16): 1983–91. PMID 10950862 .
- Семенза Г. (сентябрь 2002 г.). «Передача сигнала на фактор, индуцируемый гипоксией 1». Биохимическая фармакология . 64 (5–6): 993–8. DOI : 10.1016 / S0006-2952 (02) 01168-1 . PMID 12213597 .
- Арбейт Дж. М. (2002). «Спящая гиперваскуляризация, опосредованная усилением альфа-функции HIF-1». Симпозиумы Колд-Спринг-Харбор по количественной биологии . 67 : 133–42. DOI : 10.1101 / sqb.2002.67.133 . PMID 12858534 .
- Ситковский М., Лукашев Д. (сентябрь 2005 г.). «Регулирование иммунных клеток с помощью местного напряжения кислорода в тканях: рецепторы HIF1 альфа и аденозина». Обзоры природы. Иммунология . 5 (9): 712–21. DOI : 10.1038 / nri1685 . PMID 16110315 . S2CID 30400163 .
- Мобашери А., Ричардсон С., Мобашери Р., Шакибаи М., Хойланд Дж. А. (октябрь 2005 г.). «Индуцируемый гипоксией фактор-1 и способствующие переносчики глюкозы GLUT1 и GLUT3: предполагаемые молекулярные компоненты аппарата, чувствительного к кислороду и глюкозе в суставных хондроцитах». Гистология и гистопатология . 20 (4): 1327–38. DOI : 10.14670 / HH-20.1327 . PMID 16136514 .
- Схипани Э (2006). «Гипоксия и HIF-1 альфа в хондрогенезе». Семинары по клеточной биологии и биологии развития . 16 (4–5): 539–46. DOI : 10.1016 / j.semcdb.2005.03.003 . PMID 16144691 .
- Haase VH (август 2006 г.). «Факторы, индуцируемые гипоксией в почках» . Американский журнал физиологии. Почечная физиология . 291 (2): F271–81. DOI : 10,1152 / ajprenal.00071.2006 . PMC 4232221 . PMID 16554418 .
- Лян Д., Конг X, Санг Н. (ноябрь 2006 г.). «Влияние ингибиторов гистондеацетилазы на HIF-1» . Клеточный цикл . 5 (21): 2430–5. DOI : 10.4161 / cc.5.21.3409 . PMC 4505804 . PMID 17102633 .
внешние ссылки
- Обзор всей структурной информации, доступной в PDB для UniProt : Q16665 (фактор 1-альфа, индуцируемый гипоксией человека) в PDBe-KB .
- Обзор всей структурной информации, доступной в PDB для UniProt : Q61221 (фактор 1-альфа, индуцируемый гипоксией мыши) в PDBe-KB .
- Научная анимация HIF-1alpha в комплексе с ARNT на ДНК: https://www.youtube.com/watch?v=azIEzLXXyHM