HIF1A - HIF1A
Czynnik indukowany niedotlenieniem 1 alfa , znany również jako HIF-1- alfa , jest podjednostką heterodimerycznego czynnika transkrypcyjnego czynnika 1 indukowanego niedotlenieniem ( HIF- 1 ) , który jest kodowany przez gen HIF1A . Nagroda Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny 2019 została przyznana za odkrycie HIF.
HIF1A jest podstawową domeną PAS typu helisa-loop-helix zawierającą białko i jest uważany za główny regulator transkrypcyjny odpowiedzi komórkowej i rozwojowej na hipoksję . Rozregulowanie i nadekspresja HIF1A przez hipoksję lub zmiany genetyczne są silnie związane z biologią raka, jak również z wieloma innymi patofizjologiami, szczególnie w obszarach unaczynienia i angiogenezy , metabolizmu energetycznego , przeżycia komórek i inwazji nowotworu. Zidentyfikowano dwa inne alternatywne transkrypty kodujące różne izoformy .
Struktura
HIF1 jest heterodimeryczną podstawową strukturą helisa-pętla-helisa , która składa się z HIF1A, podjednostki alfa (tego białka) i translokatora jądrowego receptora węglowodorów arylowych ( Arnt ), podjednostki beta. HIF1A zawiera podstawową domenę helisa-pętla-helisa w pobliżu C-końca , po której następują dwie odrębne domeny PAS (PER-ARNT-SIM) i domena PAC (C-końcowa powiązana z PAS). Polipeptyd HIF1A zawiera również motyw sygnału lokalizacji jądrowej, dwie domeny transaktywujące CTAD i NTAD oraz interweniującą domenę hamującą (ID), która może tłumić aktywności transkrypcyjne CTAD i NTAD. Istnieją w sumie trzy izoformy HIF1A utworzone przez alternatywne splicing, jednak izoforma 1 została wybrana jako struktura kanoniczna i jest najlepiej zbadaną izoformą pod względem struktury i funkcji.
Gen i ekspresja
Ludzki gen HIF1A koduje podjednostkę alfa, HIF1A, czynnika transkrypcyjnego czynnika indukowanego niedotlenieniem (HIF1). Jego poziom ekspresji białka można zmierzyć za pomocą przeciwciał przeciwko HIF-1-alfa za pomocą różnych biologicznych metod wykrywania, w tym western blot lub barwienia immunologicznego. Poziom ekspresji HIF1A zależy od aktywacji promotora bogatego w GC. W większości komórek, HIF1A gen ulega konstytutywnej ekspresji w niskim poziomie poniżej normalnej zawartości tlenu warunkach, jednak pod niedotlenienia , HIF1A transkrypcji często znacznie dodatniej regulacji. Zazwyczaj szlak niezależny od tlenu reguluje ekspresję białka, a szlak zależny od tlenu reguluje degradację. W sposób niezależny od hipoksji, ekspresja HIF1A może być zwiększona poprzez mechanizm wrażliwy na redoks .
Funkcjonować
Czynnik transkrypcyjny HIF-1 odgrywa ważną rolę w odpowiedzi komórkowej na ogólnoustrojowy poziom tlenu u ssaków. Aktywność HIF1A jest regulowana przez szereg modyfikacji potranslacyjnych : hydroksylację , acetylację i fosforylację . Wiadomo, że HIF-1 indukuje transkrypcję ponad 60 genów, w tym VEGF i erytropoetyny, które są zaangażowane w procesy biologiczne, takie jak angiogeneza i erytropoeza , które pomagają w promowaniu i zwiększaniu dostarczania tlenu do regionów niedotlenionych. HIF-1 indukuje również transkrypcję genów zaangażowanych w proliferację i przeżycie komórek , a także metabolizm glukozy i żelaza . Zgodnie ze swoją dynamiczną rolą biologiczną, HIF-1 reaguje na ogólnoustrojowe poziomy tlenu poprzez przechodzenie zmian konformacyjnych i łączy się z regionami HRE promotorów genów reagujących na hipoksję w celu indukcji transkrypcji.
Stabilność HIF1A, lokalizacja subkomórkowa, a także aktywność transkrypcyjna są szczególnie zależne od poziomu tlenu. Podjednostka alfa tworzy heterodimer z podjednostką beta. W warunkach normoksycznych szlak proteazy ubikwitynowej, w którym pośredniczy VHL, szybko degraduje HIF1A; jednak w warunkach niedotlenienia zapobiega się degradacji białka HIF1A, a poziomy HIF1A gromadzą się, aby łączyć się z HIF1B, aby wywierać rolę transkrypcyjną na genach docelowych Enzymy hydroksylaza prolilowa (PHD) i hydroksylaza prolilowa HIF (HPH) biorą udział w specyficznej modyfikacji potranslacyjnej reszt proliny HIF1A (P402 i P564 w domenie ODD), co pozwala na powiązanie VHL z HIF1A. Aktywność enzymatyczna czujnika tlenu dioksygenazy PHD zależy od poziomu tlenu, ponieważ wymaga tlenu jako jednego z głównych substratów do przeniesienia do reszty prolinowej HIF1A. Pozostałość prolina hydroksylowana z HIF1A następnie rozpoznawane i zakopane w hydrofobowym rdzeniem z von Hippel-Lindau, guz supresorowego białka (VHL), które z kolei jest częścią ligazę ubikwityny enzymu . Hydroksylacja reszty proliny HIF1A reguluje również jej zdolność do łączenia się z koaktywatorami w warunkach hipoksji. Funkcję genu HIF1A można skutecznie zbadać przez knockdown siRNA w oparciu o niezależną walidację.
Naprawa, regeneracja i odmładzanie
W normalnych warunkach po urazie HIF1A jest degradowany przez hydroksylazy prolilowe (PHD). W czerwcu 2015 roku naukowcy odkryli, że ciągła regulacja w górę HIF1A poprzez inhibitory PHD regeneruje utraconą lub uszkodzoną tkankę u ssaków, które mają odpowiedź naprawczą; a ciągła regulacja w dół HIF1A powoduje gojenie z reakcją bliznowacenia u ssaków z wcześniejszą reakcją regeneracyjną na utratę tkanki. Regulowanie HIF1A może albo wyłączyć, albo włączyć kluczowe procesy regeneracji ssaków. Jednym z takich procesów regeneracyjnych, w które zaangażowany jest HIF1A, jest regeneracja nerwów obwodowych . Po uszkodzeniu aksonów HIF1A aktywuje VEGFA, aby promować regenerację i odzyskiwanie funkcji. HIF1A kontroluje również gojenie się skóry. Naukowcy ze Stanford University School of Medicine wykazali, że aktywacja HIF1A była w stanie zapobiegać i leczyć przewlekłe rany u myszy z cukrzycą i starszych myszy. Nie tylko rany u myszy goiły się szybciej, ale jakość nowej skóry była nawet lepsza niż w oryginale. Dodatkowo opisano regeneracyjny wpływ modulacji HIF-1A na starzejące się komórki skóry oraz wykazano odmładzające działanie starzejącej się skóry twarzy u pacjentów. Modulacja HIF została również powiązana z korzystnym wpływem na wypadanie włosów. Z tego mechanizmu korzysta firma biotechnologiczna Tomorrowlabs GmbH, założona w Wiedniu w 2016 roku przez lekarza Dominika Duschera i farmakologa Dominika Thora . W oparciu o zgłoszony do opatentowania składnik aktywny HSF („HIF wzmacniający czynnik”) powstały produkty, które mają wspomagać regenerację skóry i włosów.
Rozporządzenie
Ilość HIF1A (i jego późniejsza aktywność) jest regulowana transkrypcyjnie w sposób zależny od NF-κB . Dodatkowo skoordynowana aktywność hydroksylaz prolilowych (PHD) utrzymuje odpowiednią równowagę białka HIF1A w fazie potranslacyjnej.
PHD polegają na żelazie między innymi cząsteczkami do hydroksylacji HIF1A; jako takie, chelatory żelaza, takie jak desferrioksamina (DFO), okazały się skuteczne w stabilizacji HIF1A. Z powodzeniem wykorzystywane są również imitatory HBO (hiperbaryczna terapia tlenowa) i HIF1A, takie jak chlorek kobaltu.
Czynniki zwiększające HIF1A
- Modulator degradacji:
- Zależne od tlenu:
- EPF UCP (degraduje pHVL)
- VDU2 (deubikwitynuje HIF1A)
- SUMOilacja (przez RSUME )
- DeSUMOilacja (poprzez SENP1 )
- Niezależna od tlenu:
- Kalcyneuryna A ( zależna od Ca2+ przez RACK1 )
- Zależne od tlenu:
- Modulatory tłumaczenia:
Czynniki zmniejszające HIF1A
Rola w raku
HIF1A ulega nadekspresji w wielu ludzkich nowotworach. Nadekspresja HIF1A jest silnie zaangażowana w promowanie wzrostu guza i przerzutów poprzez jego rolę w inicjowaniu angiogenezy i regulowaniu metabolizmu komórkowego w celu przezwyciężenia hipoksji. Niedotlenienie promuje apoptozę zarówno w komórkach prawidłowych, jak i nowotworowych. Jednak stany niedotlenienia, zwłaszcza w mikrośrodowisku guza , wraz z nagromadzeniem zmian genetycznych często przyczyniają się do nadekspresji HIF1A .
Znaczącą ekspresję HIF1A zaobserwowano w większości badanych guzów litych, do których należą raki żołądka , okrężnicy , sutka , trzustki , nerek , prostaty , jajnika , mózgu i pęcherza moczowego . Klinicznie, podwyższone poziomy HIF1A w wielu rodzajach raka, włączając raka macicy , nie-drobnokomórkowy rak płuc , rak piersi (LV-pozytywnych i negatywnych), skąpodrzewiak , raka jamy ustnej i gardła , raka jajników , raka trzonu macicy , raka przełyku , głowy i szyi raka i raka żołądka wiązano z agresywną progresją nowotworu, a zatem odgrywano rolę markera predykcyjnego i prognostycznego oporności na radioterapię , chemioterapię i zwiększoną śmiertelność. Ekspresja HIF1A może również regulować progresję nowotworu sutka . Podwyższone poziomy HIF1A mogą być wykryte we wczesnym stadium rozwoju raka i zostały znalezione we wczesnym raku przewodowym in situ , przedinwazyjnym stadium rozwoju raka piersi, i jest również związany ze zwiększoną gęstością mikronaczyń w zmianach nowotworowych . Co więcej, pomimo histologicznie określonego guza piersi o niskim stopniu złośliwości, z ujemnymi węzłami chłonnymi w podgrupie przebadanych pacjentek, wykrycie znaczącej ekspresji HIF1A było w stanie niezależnie przewidzieć słabą odpowiedź na terapię. Podobne wyniki odnotowano również w badaniach nad rakiem mózgu i rakiem jajnika i sugerują one regulatorową rolę HIF1A w inicjowaniu angiogenezy poprzez interakcje z czynnikami proangiogennymi , takimi jak VEGF . Badania glejaka wielopostaciowego wykazują uderzające podobieństwo między wzorcem ekspresji HIF1A a poziomem transkrypcji genu VEGF . Ponadto guzy glejaka wielopostaciowego o wysokim stopniu złośliwości o wysokim wzorze ekspresji VEGF, podobnie jak rak piersi z nadekspresją HIF1A, wykazują istotne oznaki neowaskularyzacji guza . Sugeruje to dalej regulacyjną rolę HIF1A w promowaniu progresji nowotworu, prawdopodobnie poprzez szlaki ekspresji VEGF indukowane niedotlenieniem.
Nadekspresja HIF1A w nowotworach może również wystąpić na szlaku niezależnym od hipoksji. W naczyniaku zarodkowym ekspresja HIF1A występuje w większości komórek pobranych z dobrze unaczynionego guza. Chociaż zarówno w raku nerki, jak i naczyniaku zarodkowym gen von Hippel-Lindau jest inaktywowany, HIF1A jest nadal eksprymowany na wysokim poziomie. Oprócz nadekspresji VEGF w odpowiedzi podwyższonych poziomów HIF1A, szlak PI3K / AKT jest również zaangażowany we wzrost guza. W raku prostaty powszechnie występująca mutacja PTEN jest związana z progresją guza w kierunku agresywnego stadium, zwiększoną gęstością naczyń i angiogenezą.
Podczas niedotlenienia, nadekspresja supresora guza p53 może być powiązana z zależnym od HIF1A szlakiem inicjowania apoptozy. Co więcej, szlak niezależny od p53 może również indukować apoptozę poprzez szlak Bcl-2 . Jednak nadekspresja HIF1A jest specyficzna dla raka i osobnika oraz zależy od towarzyszących zmian genetycznych i poziomów obecnych czynników pro- i antyapoptotycznych. Jedno badanie dotyczące nabłonkowego raka jajnika pokazuje, że HIF1A i niefunkcjonalny supresor nowotworu p53 są skorelowane z niskim poziomem apoptozy komórek nowotworowych i złymi rokowaniami. Co więcej, pacjenci we wczesnym stadium raka przełyku z wykazaną nadekspresją HIF1 i brakiem ekspresji BCL2 również zawiedli w terapii fotodynamicznej.
Chociaż wysiłki badawcze mające na celu opracowanie leków ukierunkowanych na komórki nowotworowe związane z hipoksją trwają od wielu lat, nie nastąpił jeszcze żaden przełom, który wykazał selektywność i skuteczność w celowaniu w szlaki HIF1A w celu zmniejszenia progresji nowotworu i angiogenezy. Skuteczne podejścia terapeutyczne w przyszłości mogą być również wysoce specyficzne dla poszczególnych nowotworów i poszczególnych osób i wydaje się mało prawdopodobne, aby miały szerokie zastosowanie ze względu na genetycznie niejednorodny charakter wielu typów i podtypów nowotworów.
Interakcje
Wykazano, że HIF1A wchodzi w interakcje z:
Zobacz też
Bibliografia
Dalsza lektura
- Semenza GL (sierpień 2000). „HIF-1 i choroba ludzka: jeden wysoce zaangażowany czynnik”. Geny i rozwój . 14 (16): 1983-91. PMID 10950862 .
- Semenza G (wrzesień 2002). „Transdukcja sygnału do czynnika indukowanego niedotlenieniem 1”. Farmakologia biochemiczna . 64 (5–6): 993–8. doi : 10.1016/S0006-2952(02)01168-1 . PMID 12213597 .
- Arbeit JM (2002). „Spokojna hiperwaskularyzacja pośredniczona przez uzyskanie funkcji HIF-1 alfa”. Sympozja Cold Spring Harbor na temat biologii ilościowej . 67 : 133–42. doi : 10.1101/sqb.2002.67.133 . PMID 12858534 .
- Sitkowski M, Łukaszew D (wrzesień 2005). „Regulacja komórek odpornościowych przez lokalne napięcie tlenu w tkankach: receptory HIF1 alfa i adenozyny”. Recenzje przyrody. Immunologia . 5 (9): 712–21. doi : 10.1038/nri1685 . PMID 16110315 . S2CID 30400163 .
- Mobasheri A, Richardson S, Mobasheri R, Shakibaei M, Hoyland JA (październik 2005). „Indukowany niedotlenieniem czynnik-1 i ułatwiające transportery glukozy GLUT1 i GLUT3: przypuszczalne składniki molekularne aparatu wykrywającego tlen i glukozę w chondrocytach stawowych”. Histologia i histopatologia . 20 (4): 1327–38. doi : 10.14670/HH-20.1327 . PMID 16136514 .
- Schipani E (2006). „Niedotlenienie i HIF-1 alfa w chondrogenezie”. Seminaria z biologii komórkowej i rozwojowej . 16 (4-5): 539-46. doi : 10.1016/j.semcdb.2005.03.003 . PMID 16144691 .
- Haase VH (sierpień 2006). „Czynniki indukowane niedotlenieniem w nerkach” . Amerykański Czasopismo Fizjologii. Fizjologia nerek . 291 (2): F271-81. doi : 10.1152/ajprenal.00071.2006 . PMC 4232221 . PMID 16554418 .
- Liang D, Kong X, Sang N (listopad 2006). „Wpływ inhibitorów deacetylazy histonowej na HIF-1” . Cykl komórkowy . 5 (21): 2430-5. doi : 10.4161/cc.5.21.3409 . PMC 4505804 . PMID 17102633 .
Zewnętrzne linki
- Przegląd wszystkich informacji strukturalnych dostępnych w PDB dla UniProt : Q16665 (czynnik indukowany niedotlenieniem ludzkim 1-alfa) w PDBe-KB .
- Przegląd wszystkich informacji strukturalnych dostępnych w PDB dla UniProt : Q61221 (czynnik indukowany niedotlenieniem myszy 1-alfa) w PDBe-KB .
- Animacja naukowa HIF-1alfa w kompleksie z ARNT na DNA: https://www.youtube.com/watch?v=azIEzLXXyHM