БИОХИМИЯ, 2010, том 75, вып.. 2, с. 185 - 195
УДК 577.2.04
МЕХАНИЗМЫ РЕГУЛЯЦИИ ТРАНСКРИПЦИОННОГО ФАКТОРА HIF ПРИ ГИПОКСИИ
Обзор
© 2010 г. Е.Б. Анохина, Л.Б. Буравкова*
Государственный научный центр Российской Федерации Институт медико-биологических проблем РАН, 123007 Москва, Хорошевское шоссе, 76 а; электронный адрес: buravkova@imbp.ru
Поступила в редакцию 29.04.09 После доработки 29.06.09
Рассматривается значение транскрипционного фактора ЯШ для развития клеточного ответа на гипоксичес-кое воздействие и многоуровневый характер регуляции его функционирования в клетке, описываются важные звенья запускаемого при гипоксии Н1Р-опосредованного механизма, приводится ретроспективный обзор поиска первичных сенсоров кислорода в клетке и освещаются пути их взаимодействия с транскрипционным фактором НЩ анализируется взаимосвязь НГР-зависимого механизма с другими активируемыми гипоксией сигнальными путями, затрагивается вопрос о значении различных субъединиц транскрипционного фактора Н№ в клетке.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: гипоксия, транскрипционный фактор Н1Е
В последнее время представления о чувствительности клеток к снижению концентрации кислорода в среде и о механизмах этой чувствительности значительно расширились. Известно, что детекция кислорода в организме млекопитающих осуществляется далеко не только на системном уровне, когда детекторами являются специализированные хеморецепторные клетки, опосредующие немедленные приспособительные реакции организма к гипоксии, прежде всего, со стороны сердечно-сосудистой и дыхательной систем за счет активации ряда нервных путей. В настоящее время не подвергается сомнению факт, что любая клетка чувствительна к изменению содержания кислорода в окружающей среде. Это изменение является физиологическим стимулом, в ответ на который происходит запуск определенных внутриклеточных механизмов, призванных обеспечить функционирование клетки в новых условиях.
Универсальным событием, сопряженным со снижением концентрации кислорода в среде,
Принятые сокращения: АФК — активные формы кислорода; CTAD — C-terminal TA domain (С-концевой трансактивационный домен); NTAD — ^-terminal TA domain (^-концевой трансактивационный домен); ODDD — oxygen-dependent degradation domain (кислород-зависимый деградационный домен).
* Адресат для корреспонденции.
является регистрируемое в клетках изменение активности транскрипционного фактора НЩ роль которого в экспрессии ряда активируемых при гипоксии генов является общепризнанной [1—3]. Число известных генов-мишеней ШБ постоянно растет, и в настоящее время их насчитывается более сотни [4]. Определенная часть этих генов активируется при гипоксии во всех клетках, а экспрессия ряда генов-мишеней ШБ определяется типом клетки [5]. Эти гены кодируют белки, играющие важную роль в адаптации клетки к гипоксии [2, 6—8]. К ним относятся:
1. Белки, обеспечивающие функционирование клетки в анаэробных условиях (альдолаза А, альдолаза С, енолаза-1, глицеральдегид-3-фосфат-дегидрогеназа, гексокиназа-1, гексокиназа-2, лактатдегидрогеназа А, фосфофруктокиназа Ь, фосфоглицераткиназа-1, пируваткиназа М, три-озофосфатизомераза, глюкозофосфатизомераза, 6-фосфофрукто-2-киназа/фруктозо-2,6-бифос-фатаза 3; переносчики глюкозы 1 и 3; угольная ангидраза).
2. Белки, обеспечивающие увеличение содержания кислорода в ткани за счет стимуляции эритропоэза, ангиогенеза и регуляции тонуса сосудов (фактор роста эндотелия сосудов (УЕОБ), его рецептор РЕГ-1, ингибитор активатора плазминогена, МО-синтаза-2, гемоксиге-наза-1, эндотелин-1, а-1р-адренорецептор, ад-реномедуллин, ангиопоэтины 1 и 2, эритропоэ-
тин, церуллоплазмин, трансферрин, рецептор трансферрина).
3. Белки, влияющие на жизнеспособность и пролиферацию клеток (трансформирующие факторы роста TGF-ß и TGF-a; p21; проапопто-тические белки NIP3, NIX, RTP801; белки, связывающие инсулиноподобный фактор роста (IGFBP-1, -2, -3); инсулиноподобный фактор роста 2 (IGF-2), циклин G2; рецептор тромбо-цитарного фактора роста PDGF-ß; плацентарный фактор роста (PGF); хемокиновый рецептор CXCR4).
4. Белки цитоскелета (кератины 14, 18, 19; виментин).
5. Белки и ферменты внеклеточного матрик-са (матриксная металлопротеиназа MMP2; ка-тепсин D; коллаген-пролил-4-гидроксилаза; а1-фибронектин 1; а1-субъединица коллагена V).
ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МЕХАНИЗМАХ
КЛЕТОЧНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ К ИЗМЕНЕНИЮ УРОВНЯ КИСЛОРОДА
Результаты исследований последних 10—15 лет показывают, что активация транскрипционного фактора ШБ является универсальным ответом клетки на снижение содержания кислорода во внешней среде. Однако процессы, связывающие изменение содержания кислорода в клетке с этим событием, до последнего времени оставались наименее исследованным звеном в цепи передачи гипоксического сигнала в клетке.
Ранее было предложено несколько моделей, объясняющих чувствительность клеток к уровню кислорода в окружающей их среде. В рамках наиболее простой из них рассматривался механизм связывания с кислородом какой-либо сенсорной молекулы так, что при снижении концентрации кислорода снижается и доля связанного с лигандом сенсора. Так, у бактерии ШкоЫшт тгШоН система детекции уровня кислорода состоит из двухкомпонентной сигнальной системы, включающей ПхЬ, гемопротеинкиназу, активную в деоксигенированном состоянии, и транскрипционного фактора БШ, который активируется при фосфорилировании киназой ПхЬ. Таким образом, в нормоксии содержащая гем киназа оказывается оксигенированной и неактивной, а при снижении уровня кислорода белок деоксигенируется и, находясь в активированном состоянии, способен реагировать с каким-либо транскрипционным фактором, обуславливая передачу гипоксического сигнала. Такая же схема функционирования гемопротеи-нов — сенсоров кислорода, предлагалась и применительно к клеткам млекопитающих [1, 6].
В качестве кандидатов в сенсоры кислорода в соответствии с теорией о гемовой природе сенсора рассматривались Ь558/НАДФ • Н-окси-дазный комплекс, найденный во многих клетках, не относящихся к иммунной системе, а также митохондриальные цитохромы [6, 9]. Кроме гем-содержащих белков в качестве сенсоров кислорода рассматривались также железо/серосодержащие белки, являющиеся неактивными в окисленном состоянии (в присутствии кислорода) и активированными в восстановленном состоянии (в условиях дефицита кислорода), когда они способны взаимодействовать с другими молекулами, передавая гипоксический сигнал [1]. В ряде экспериментов блокаторы синтеза гема подавляли индукцию экспрессии гена эритро-поэтина [6]. В других работах ингибиторы синтеза гема не оказывали существенного влияния на гипоксический ответ [10]. Таким образом, несмотря на множество экспериментальных данных, согласующихся с теорией о гемовой природе механизмов детекции кислорода в клетке, результаты некоторых из экспериментов шли с ней в разрез [6].
В двух других моделях основное внимание уделялось активным формам кислорода (АФК) как ключевому звену, опосредующему воздействие измененного содержания кислорода на клетки. Конечным звеном механизмов, лежащих в основе обеих моделей, рассматривающих посредническую роль АФК в гипоксии, является их возможное прямое взаимодействие с эф-фекторными белками, такими как компоненты калиевых каналов или субъединицы НЩ либо активация АФК определенных киназных каскадов, приводящих к активации эффекторов. Но основным противоречием между моделями, рассматривающими АФК в качестве триггера при запуске гипоксического сигнала, является то, что одна из них постулирует снижение концентрации АФК в клетке при гипоксии, а другая — увеличение. Однако обе модели получили свое экспериментальное подтверждение не только при исследовании влияния на экспрессию транскрипционного фактора ШБ и его генов-мишеней в культурах клеток фармакологических агентов—ингибиторов белков, функционирование которых лежит в основе каждой из теорий (НАДФ-Н-оксидоредуктазы или компонентов электрон-транспортной цепи), но и при измерении клеточных АФК с использованием различных флуоресцентных зондов.
Супероксидный анион-радикал (' О-) и другие АФК обычно рассматриваются либо как продукт НАДФ-Н-оксидазы, либо как следствие функционирования электрон-транспортной цепи митохондрий в условиях гипоксии. Извест-
но, что мембраносвязанный фермент НАДФ • • Н-оксидаза (различные изоформы которой присутствуют во многих тканях) переводит молекулярный кислород в 'О-, который затем превращается в перекись водорода за счет действия фермента супероксиддисмутазы. Согласно одной из моделей, генерация АФК НАДФ • Н-ок-сидазой прямо пропорциональна содержанию кислорода в клетке, т.е. при снижении концентрации кислорода во внешней среде продукция АФК ('О- и Н2О2) падает и таким образом может опосредовать гипоксический сигнал [6, 9, 11], что подтверждалось экспериментально [10, 12].
Согласно другой модели, в детекции уровня кислорода основная роль принадлежит комплексу IV электронтранспортной цепи митохондрий (цитохромоксидазе). Суть гипотезы заключается в том, что в условиях гипоксии восстановление молекулярного кислорода до Н2О ци-тохромоксидазой ингибируется, в результате чего «незадействованные» в восстановлении электроны высвобождаются и используются для генерации супероксидного анион-радикала комплексом III электрон-транспортной цепи, который затем переводится в перекись водорода супероксиддисмутазой. Таким образом, концентрация производимых митохондрией АФК в клетке при гипоксии возрастает, что может опосредовать передачу гипоксического сигнала [1, 6]. Данные, подтверждающие эту гипотезу были получены, в том числе, и на клетках человека. Так, при обработке клеток ингибитором комплекса I электрон-транспортной цепи (за счет снижения концентрации 'О-), а также в клетках, лишенных митохондриальной ДНК и не способных увеличивать продукцию митохонд-риальных АФК в ответ на гипоксию, было обнаружено нарушение активации HIF в гипокси-ческих условиях, что доказывало основополагающую роль производимых митохондрией АФК в активации транскрипции генов, экспрессиру-ющихся при гипоксии [11, 13-15]. В экспериментах на мышах при инактивации гена супер-ок
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.