CC BY
38НОВАЯ СТРАТЕГИЯ В ЛЕЧЕНИИ БОЛЕЗНЕЙ: ГИПОКСИЯ — ИНДУЦИРУЕМЫЙ ФАКТОР
Т. В. Серебровская
Институт физиологии им. А. А. Богомольца НАН Украины
New Strategy in Treatment of Diseases: Hypoxia — Inducible Factor
T. V. Serebrovskaya
Bogomoletz Institute ofPhysiology, Ukrainian National Academy of Science
Нормальное функционирование тканей у млекопитающих зависит от адекватного снабжения тканей кислородом. Несоответствие между снабжением и потреблением (гипоксия) вызывает ряд специфических адаптационных механизмов. Эти механизмы частично приходят в действие с помощью активации вызывающих гипоксию транскрипционных факторов (HIF -1, HIF-2, HIF-3). Один из них — HIF-1a активируется на физиологически релевантных уровнях кислорода, обеспечивая быстрый и адекватный ответ на гипоксию. HIF-1a цели включают гены вовлеченные в ангиогенез, вазомоторный контроль, энергетический метаболизм, апоптоз, врожденную иммунную защиту. Как следствие этих различных функций HIF-1a также вовлекается в патофизиологию многих человеческих заболеваний. Схема HIF-обусловленных путей обеспечивает новые цели для терапевтической интервенции. Имеются новые свидетельства того, что активация HIF является протективной в ишемически-гипоксически индуцированных заболеваниях, при болезнях Паркинсона и может вызвать продуктивный ангиогенный ответ. Описана новая и существенная роль HIF-1a в регуляции некоторых важных полиморфонуклеарных функций лейкоцитов. В то же самое время торможение HIF-1 может обеспечить новую стратегию лечения и профилактики легочной гипертензии и высокогорного отека легких и в тоже время может предохранить альвеолярные эпителиальные клетки от разрушения. Таким образом, функции HIF-1а в организме являются полисемантическими и требуют дальнейшего тщательного изучения.
Normal tissue function in mammals depends on adequate supply of oxygen. A discrepancy between oxygen supply and consumption (hypoxia) induces a variety of specific adaptation mechanisms. These mechanisms are in part governed by the activation of hypoxia-inducible transcription factors (HIF-1, HIF-2, HIF-3). HIF-1a is activated at physiologically relevant oxygen levels, ensuring fast and adequate response to hypoxia. HIF-1а targets include genes involved in angiogenesis, vasomotor control, energy metabolism, apoptosis, innate immune defence. As a consequence ofthese various functions, HIF-1a is also implicated in the pathophysiology of many human diseases. Delineation of HIF-hydroxylation pathways provides new targets for therapeutic intervention. There is increasing evidence that activation ofHIF is protective in ischemic/hypoxic disease, Parkinsons disease and can generate a productive angiogenic response. A novel and essential role for HIF-1а in regulation of several important polymorphonuclear leukocyte functions is described. At the same time, the inhibition of HIF-1 could provide new strategy for the treatment and prophylaxis of pulmonary hypertension and high-altitude edema as well as prevent alveolar epithelial cells from the destruction. Thus, the functions of HIF-1a in the organism are polysemantic and demand further scrupulous investigations.
Непрерывное снабжение организма кислородом является абсолютным условием существования человека и высших животных. Реакция клетки на недостаток кислорода имеет особое значение для понимания патологических процессов, происходящих в организме. Тонкий баланс между потребностью в кислороде и его доставкой нарушается при заболеваниях сердца, раке, хронических обструктивных заболеваниях легких, которые являются основными причинами смертности населения. Несколько лет тому назад стало известно, что важнейшую роль в этих процессах играет кислородчув-ствительный протеиновый комплекс, обладающий транскрипционной активностью — гипоксия-индуци-бельный фактор (hypoxia-inducible factor — HIF). Этот транкрипционный фактор впервые был идентифицирован Грегом Семензой с сотрудниками из университета
Джона Хопкинса в Балтиморе в 1992 году как регулятор экспрессии эритропоэтина (ЕРО). Он активируется в физиологически важных местах регуляции кислородных путей, обеспечивая быстрые и адекватные ответы на ги-поксический стресс. Можно выделить несколько основных функции И1Б — фактора. Это — экспрессия генов, улучшающих доставку кислорода (среди них — синтез эритропоетина, эндотелиального фактора роста VEGF, трансферрина и других белков); реакции, контролирующие метаболические пути (ферменты гликолиза и транспорта глюкозы). Кроме того, И№ активно участвует в процессах канцерогенеза, вызывая повышенную пролиферацию раковых клеток и метастазирование. Многочисленные обзоры последних лет свидетельствуют о пристальном внимании физиологов, генетиков и клиницистов к этой проблеме. Мы сконцентрируемся на
некоторых последних сообщениях об участии И1Б в развитии патофизиологических процессов и в связи с этим о возможных новых стратегиях в лечении болезней человека.
Несколько слов о структуре и локализации этого фактора. Комплекс И1Б-а существует в виде множества изоформ (ШБ-1а , ШБ-2а и др) и является гетеродиме-ром, состоящим из а и в субъединиц, каждый из которых является базисным транскрипционным фактором. И1Б-1а (АЯЫТ) является ядерным белком, который постоянно экспрессируется и не зависит от напряжения кислорода. В противоположность ему, И1Б-1а является цитоплазматическим белком, зависимым от уровня кислорода. В хорошо оксигенированных клетках И1Б-1а постоянно разлагается благодаря двум независимым путям гидроксилирования: пролил и аспарагин гидро-ксилированию. В условиях же гипоксии эти ферменты инактивируются, и отсутствие гидроксилирования ведет к стабилизации И1Б. ШБ-3 субъединицы перемещаются к ядру, где они гетеродимеризуют с И1Б-1а субъединицами. Результирующий продукт является активным И1Б-1 белком, который связывается со специфическими кислород-чувствительными элементами, которые присутствуют в генах-мишенях, активируя транскрипцию этих генов [3, 8, 13].
И1Б- зависимые реакции на гипоксию могут модулироваться клеточным окружением. Такими факторами могут быть особенности роста, дифференциации или апоптоза клетки, метаболизм железа, интермедиаты и кофакторы реакций энергетического метаболизма, а также факторы роста и онкогены. Поскольку ферментативное гидроксилирование ШБ-1а осуществляется группой оксоглютарат-зависимых оксигеназ, использующих молекулярный кислород и поэтому обеспечивающих прямую связь между наличием кислорода и регуляцией И1Б, то И1Б стали считать прямым кислородным сенсором [5, 10].
Достижения последних лет в области исследований механизмов регуляции активности И1Б открывают новые возможности для понимания развития патофизиологических процессов и осуществления терапевтических вмешательств.
Так, у некоторых пациентов с хроническими об-структивными заболеваниями легких альвеолярная гипоксия ведет к развитию легочной гипертензии. Главным компонентом этого процесса является выработка таких пептидов, как эндотелин-1 и ангиотензин II, которые вызывают сокращение гладких мышц и гипертрофию сосудистой стенки [4]. Было прямо доказано, что синтез ангиотензина II вызывается экспрессией И1Б-1а [11]. Эти результаты свидетельствуют, что ШБ играет первостепенную роль в развитии гипертрофии гладких мышечных клеток сосудов гипоксических легких. Таким образом, локальное торможение И!Р-1 в легких может представлять терапевтическую стратегию для лечения или предупреждения развития легочной гипертензии у пациентов с фактором риска этого
заболевания, а также превентировать развитие острого отека легких в условиях высокогорья [7].
Поскольку выраженная степень гипоксии может вызывать повреждения легочного эпителия и участвовать в развитии фиброза, были проведены исследования по изучению возможного участия И!Р-1а в этих процессах. В опытах на крысах было показано, что гипоксия воздействует на эпителиальные клетки II типа посредством активации И!Р-1а, который в свою очередь активирует проапоптотический белок, подавляет пролиферацию клеток альвеолярного эпителия и усиливает апоптоз (запрограммированную гибель клетки) [2]. Отсюда следует, что целенаправленное воздействие на ШБ, а именно торможение его активации, может быть новой стратегией, препятствующей деструкции альвеолярного эпителия при легочной патологии.
Несколько слов о воспалительном процессе и иммунной защите. В первые дни начала инфекционного процесса лейкоциты находят, идентифицируют, фагоцитируют и обезвреживают микробы, используя как кислород-зависимые, так и кислород-независимые антимикробные системы. Новейшие данные свидетельствуют о том, что важнейшую роль в этих процессах играет ИБ-^а, включая регуляцию транскрипции катионных антимикробных полипептидов и индукцию ЫО-синтазы [9,14]. Лейкоциты сосредотачиваются в местах воспаления или инфекции и, ак-тивируясь, высвобождают антимикробные факторы, в том числе активные формы кислорода. Респираторный взрыв сопровождается снижением уровня кислорода в воспаленном участке. Вполне возможно, что эта локальная гипоксия вызывает активацию ИБ-^а, что приводит к увеличению синтеза свободных радикалов лейкоцитами. Благодаря выяснению роли МБ-1а в иммунной защите, некоторые ученые предлагают новые стратегии для терапевтической им-муномодуляции - а именно - методы активации И!Б-1а. Однако, для разработки новых способов лечения крайне необходимы дополнительные исследования.
Одной из областей применения новых знаний о ШБ может быть использование их в лечении болезни Паркинсона. В мозге постоянный уровень ШБ-1 является ответственным за синтез эритропоэтина (ЕРО) при гипоксии. Последние данные свидетельствуют о том, что ЕРО оказывает положительный протектирующий эффект на больных паркинсонизмом. На мышиной модели экспериментального паркинсонизма показано, что введение ЕРО в паренхиму мозга превентирует гибель дофаминергических нейронов и улучшает локомоторную активность [1]. Эти исследования легли в основу первых совместных проектов украинских и американских ученых по разработке новых методов лечения паркинсонизма.
Неоднозначную роль играет ШБ в раковом процессе. Дело в том, что этот транскрипционный фактор может обеспечивать как адаптацию тканей к гипоксии и ангиогенез, способствуя поддержанию кислородного гомеостаза в физиологических условиях, так и провоцировать рост опухолевых тканей. Повышенный уровень
HIF-1a в опухолевых тканях по сравнению с уровнем в окружающих нормальных тканях обычно коррелирует со степенью развития рака и смертностью [6, 12]. Это связано с тем, что в развитии раковых опухолей важным фактором является гипоксия. Пока первичная опухоль не сформировала адекватное кровоснабжение, уменьшенная диффузия кислорода провоцирует экспрессию HIF-1a, а следовательно васкуляризацию, рост опухоли и метастазирование. Вместе с тем, остается невыясненным, на каких стадиях развития заболевания следует тормозить его продукцию.
Данные об участии HIF-1 в физиологических и патологических процессах увеличиваются с экспоненциальной скоростью. Понимание этих процессов на молекулярном уровне может привести к новым стратегиям для предупреждения и лечения угрожающих жизни расстройств. Вместе с тем, неоднозначность поведения этого фактора в различных условиях не позволяет на сегодня давать четкие практические
Литература
1. Genc S., Kuralay F, Genc K, Akhisaroglu M. et at Erythropoietin exerts neuroprotection in 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine-treated C57/BL mice via increasing nitric oxide production. Neurosci Lett. 2001. — Feb 2; 298 (2). 139—141.
2. Krick S., Eul B. G, Hanze J, Savai R.. et al. Role of HIF-1{alpha} in hypoxia-induced apoptosis ofprimary alveolar epithelial type II cells. Am J Respir Cell Mol Biol. 2005. Feb 4.
3. Lando D, Gorman J. J., Whitelaw M. L, Peet D. J. Oxygen-dependent regulation of hypoxia-inducible factors by prolyl and asparaginyl hydroxylation. Eur J Biochem. 2003. — V. 270 (5). 781—790.
4. Li H, Chen S. J., Chen Y. F, Meng 0. C. et al. Enhanced endothelin-1 and endothelin receptor gene expression in chronic hypoxia. J Appl Physiol. —
1994. V. 77. 1451—1459.
5. Masson N., Ratcliffe P. J. HIF prolyl and asparaginyl hyroxylases in the biological response to intracellular O2 levels. J. Cell Sci. 2003. V. 116. 3041—3049.
6. Maxwell P. H., Pugh C. W, Ratcliffe P. J. Activation of the HIF pathway in cancer. Curr Opin Genet Dev. 2001. V. 11 (3). 293—299.
7. Mortimer H, Patel S., Peacock A. J. The genetic basis of high-altitude pulmonary oedema. Pharmacol Ther. 2004. V. 101 (2). 183—192.
рекомендации. Действительно, с одной стороны, ги-поксия-индуцибельный фактор улучшает снабжение ткани кислородом; оптимизирует митохондриальное энергообеспечение; стимулирует синтез эритропоэ-тина и эндотелиального фактора роста; улучшает вас-куляризацию ишемизированного сердца; усиливает антивоспалительные процессы; препятствует гибели дофаминергических нейронов и улучшает локомоторную активность. С другой стороны, он подавляет пролиферацию клеток альвеолярного эпителия и усиливает апоптоз; вызывает гипертрофию гладких мышечных клеток сосудов гипоксических легких; усиливает высокогорный отек легких; провоцирует тромбоз легочных сосудов; провоцирует опухолевый рост и метастазирование.
Данное научное направление сейчас активнейшим образом развивается, и ближайшем будущем следует ожидать революционных изменений в стратегии лечения основных болезней человека.
8. Murphy B. J. Regulation of malignant progression by the hypoxia-sensitive transcription factors HIF-1a and MTF-1. Comparative Biochemistry & Physiology. 2004. V. 139, #3. 495—507.
9. Peyssonnaux C. et al. HIF-1a expression regulates the bacterisl capacity of phagocytes. J. Clin. Invest. 2005. V. 115. 1806—1815.
10. Pugh, C. W. and Ratcliffe, P. J. Regulation of angiogenesis by hypoxia: role of the HIF system. Nat. Med. 2003. V. 9. 677—684.
11. Semenza G. L. O2-regulated gene expression: transcriptional control of cardiorespiratory physiology by HIF-1. J Appl Physiol. 2004. V. 96 (3). 1173—1177.
12. Swinson D. E, Jones J. L, Cox G, Richardson D. et al. Hypoxia-inducible factor-1 alpha in non small cell lung cancer: relation to growth factor, protease and apoptosis pathways. Int J Cancer. 2004. V. 111 (1). 43—50.
13. Wang G. L, Semenza G. L. Desferrioxamine induces erythropoietin gene expression and hypoxia-inducible factor 1 DNA-binding activity: implications for models of hypoxia signal transduction. Blood. 1993. V. 82. 3610—3615.
14. Zarember K. A, Malech H. L. HIF-1a: a master regulator of innate host defenses? J. Clin. Invest. 2005. V. 115. 1702—1704.
