Транскрипционный комплекс HIF был открыт в 1995 году Греггом Л. Семензой и его постдокторантом Гуаном Вангом[3][4][5]. 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[6]. 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»[7].
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)[4][8]. 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[9][10][11]:
ЭкспрессияHIF-1α в гемопоэтических стволовых клетках объясняет природу покоя стволовых клеток[14], 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[15].
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[16].
Механизм действия
Альфа-субъединицы HIF гидроксилируются в консервативных остатках пролина, с помощью HIF-пролилгидроксилаз, она позволяет их распознавать и убиквитинировать посредством VHLубиквитин-E3-лигазы, которая маркирует их для быстрой деградации протеасомами[17]. Это происходит только в нормоксических условиях. В гипоксических условиях ингибитор HIF-пролилгидроксилазы ингибируется, поскольку он использует кислород в качестве косубстрата (сопутствующего субстрата)[18].
Ингибирование переноса электрона в комплексе сукцинатдегидрогеназы из-за мутаций в генах SDHB или SDHD 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 метилированиегистонов и перепрограммирует хроматин[19]. Эта работа была опубликована одновременно с работой лауреата Нобелевской премии по физиологии и медицине 2019 года Уильяма Кейлина-младшего[20]. Данная работа была отмечена в независимой редакционной статье[21].
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[22].
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[23]. HIF-1 и HIF-2 имеют разные физиологические роли. HIF-2 регулирует продукцию эритропоэтина во взрослой жизни[24].
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[25][26]. Одним из таких регенеративных процессов, в которых участвует HIF1A, является заживление кожи[27]. 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[28][29][30]. Кроме того, было описано регенеративное воздействие модуляции HIF-1A на клетки старой кожи[31][32] и у пациентов было продемонстрировано омолаживающее действие на стареющую кожу лица[33]. Модуляция HIF также положительно влияет на выпадение волос[34]. Этот механизм использует биотехнологическая компания Tomorrowlabs GmbH, основанная в Вене в 2016 году врачом Домиником Душером и фармакологом Домиником Тором[35]. На основе запатентованного активного ингредиента HSF («Фактор усиления HIF») были разработаны продукты, которые, как предполагается, способствуют регенерации кожи и волос[36][37][38][39].
Факторы гипоксии в качестве терапевтической цели
Анемия
В настоящее время разработано несколько препаратов, являющихся селективными ингибиторами пролил-гидроксилазы HIF[40][41]. Наиболее известными соединениями являются: Роксадустат (FG-4592)[42]; Вададустат (AKB-6548)[43], Дапродустат (GSK1278863)[44], Дезидустат (ZYAN-1)[45], и Молидустат (Bay 85-3934)[46], все из которых предназначены для перорального применения в качестве препаратов для лечения анемии[47]. К другим важным соединениям этого семейства, которые используются в исследованиях, но не были разработаны для медицинского применения у человека, относятся MK-8617[48], YC-1[49], IOX-2[50], 2-метоксиэстрадиол[51], GN-44028[52], AKB-4924[53], Bay 87-2243[54], FG-2216[55] и FG-4497[56]. За счёт ингибирования фермента пролил-гидроксилазы повышается стабильность HIF-2α в почках, что приводит к увеличению эндогенной продукции эритропоэтина[57]. 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[58]. Роксадустат, вададустат, дапродустат и молидустат перешли в фазу III клинических испытаний для лечения почечной анемии[42][43][44].
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[59][60][61]. 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[62][63][64][65][66][67]. Поэтому считается, что понимание перекрёстного взаимодействия между этими двумя ключевыми транскрипционными факторами — NF-κB и HIF — значительно улучшит процесс разработки лекарств[23][68].
Активность HIF участвует в ангиогенезе, необходимом для роста раковых опухолей, поэтому ингибиторы HIF, такие как фенетилизотиоцианат и акрифлавин[69], с 2006 года исследуются на предмет противоракового действия[70][71][72].
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[73]. Активаторы пути HIF, такие как ML-228, могут оказывать нейропротекторное действие и представляют интерес в качестве потенциальных методов лечения инсульта и травм спинного мозга[74][75].
Почечно-клеточная карцинома, ассоциированная с болезнью фон-Хиппеля — Линдау
↑Wilkins S. E., Abboud M. I., Hancock R. L., Schofield C. J. Targeting Protein-Protein Interactions in the HIF System (англ.) // ChemMedChem[англ.] : journal. — 2016. — April (vol. 11, no. 8). — P. 773—786. — doi:10.1002/cmdc.201600012. — PMID26997519. — PMC4848768.
↑Yang J., Zhang L., Erbel P. J., Gardner K. H., Ding K., Garcia J. A., Bruick R. K. Functions of the Per/ARNT/Sim domains of the hypoxia-inducible factor (англ.) // The Journal of Biological Chemistry : journal. — 2005. — October (vol. 280, no. 43). — P. 36047—36054. — doi:10.1074/jbc.M501755200. — PMID16129688.
↑Min J. H., Yang H., Ivan M., Gertler F., Kaelin W. G., Pavletich N. P. Structure of an HIF-1alpha -pVHL complex: hydroxyproline recognition in signaling (англ.) // Science : journal. — 2002. — June (vol. 296, no. 5574). — P. 1886—1889. — doi:10.1126/science.1073440. — PMID12004076.
↑Formenti F., Constantin-Teodosiu D., Emmanuel Y., Cheeseman J., Dorrington K. L., Edwards L. M., Humphreys S. M., Lappin T. R., McMullin M. F., McNamara C. J., Mills W., Murphy J. A., O'Connor D. F., Percy M. J., Ratcliffe P. J., Smith T. G., Treacy M., Frayn K. N., Greenhaff P. L., Karpe F., Clarke K., Robbins P. A. Regulation of human metabolism by hypoxia-inducible factor (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America : journal. — 2010. — July (vol. 107, no. 28). — P. 12722—12727. — doi:10.1073/pnas.1002339107. — PMID20616028. — PMC2906567.
↑Maxwell P. H., Wiesener M. S., Chang G. W., Clifford S. C., Vaux E. C., Cockman M. E., Wykoff C. C., Pugh C. W., Maher E. R., Ratcliffe P. J. The tumour suppressor protein VHL targets hypoxia-inducible factors for oxygen-dependent proteolysis (англ.) // Nature : journal. — 1999. — May (vol. 399, no. 6733). — P. 271—275. — doi:10.1038/20459. — PMID10353251.
↑Semenza G. L. Hydroxylation of HIF-1: oxygen sensing at the molecular level (англ.) // Physiology : journal. — 2004. — August (vol. 19, no. 4). — P. 176—182. — doi:10.1152/physiol.00001.2004. — PMID15304631.
↑Duscher D, Trotsyuk AA, Maan ZN, Kwon SH, Rodrigues M, Engel K, et al. (August 2019). "Optimization of transdermal deferoxamine leads to enhanced efficacy in healing skin wounds". Journal of Controlled Release. 308: 232—239. doi:10.1016/j.jconrel.2019.07.009. PMID31299261. S2CID196350143.
↑Bruegge K, Jelkmann W, Metzen E (2007). "Hydroxylation of hypoxia-inducible transcription factors and chemical compounds targeting the HIF-alpha hydroxylases". Current Medicinal Chemistry. 14 (17): 1853—62. doi:10.2174/092986707781058850. PMID17627521.
↑Debenham JS, Madsen-Duggan C, Clements MJ, Walsh TF, Kuethe JT, Reibarkh M, et al. (December 2016). "Discovery of N-[Bis(4-methoxyphenyl)methyl]-4-hydroxy-2-(pyridazin-3-yl)pyrimidine-5-carboxamide (MK-8617), an Orally Active Pan-Inhibitor of Hypoxia-Inducible Factor Prolyl Hydroxylase 1-3 (HIF PHD1-3) for the Treatment of Anemia". Journal of Medicinal Chemistry. 59 (24): 11039—11049. doi:10.1021/acs.jmedchem.6b01242. PMID28002958.
↑Deppe J, Popp T, Egea V, Steinritz D, Schmidt A, Thiermann H, et al. (May 2016). "Impairment of hypoxia-induced HIF-1α signaling in keratinocytes and fibroblasts by sulfur mustard is counteracted by a selective PHD-2 inhibitor". Archives of Toxicology. 90 (5): 1141—50. doi:10.1007/s00204-015-1549-y. PMID26082309. S2CID16938364.
↑Wang R, Zhou S, Li S (2011). "Cancer therapeutic agents targeting hypoxia-inducible factor-1". Current Medicinal Chemistry. 18 (21): 3168—89. doi:10.2174/092986711796391606. PMID21671859.
↑Beuck S, Schänzer W, Thevis M (November 2012). "Hypoxia-inducible factor stabilizers and other small-molecule erythropoiesis-stimulating agents in current and preventive doping analysis". Drug Testing and Analysis. 4 (11): 830—45. doi:10.1002/dta.390. PMID22362605.
↑Salminen A, Kaarniranta K, Kauppinen A (August 2016). "AMPK and HIF signaling pathways regulate both longevity and cancer growth: the good news and the bad news about survival mechanisms". Biogerontology. 17 (4): 655—80. doi:10.1007/s10522-016-9655-7. PMID27259535. S2CID4386269.
↑Belzutifan (неопр.). SPS - Specialist Pharmacy Service (18 марта 2021). Дата обращения: 25 апреля 2021. Архивировано из оригинала 26 апреля 2021 года.