БИОХИМИЯ, 2014, том 79, вып. 8, с. 944 - 956
УДК 616-008.922.1
МЕХАНИЗМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НИЗКОГО УРОВНЯ КИСЛОРОДА У МЛЕКОПИТАЮЩИХ И ДРОЖЖЕЙ И ИХ АДАПТАЦИОННЫЕ ответы
Обзор
© 2014 Т.А. Тренделева1*, Д.А. Аливердиева2, Р.А. Звягильская1
1 Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН, 119071 Москва, Ленинский проспект, 33, стр. 2; факс: (495)954-2732, электронная почта: inbi@inbi.ras.ru 2 Прикаспийский институт биологических ресурсов ДНЦРАН, 367025 Махачкала, ул. М. Гаджиева, 45; электронная почта: pibrdncran@mail.ru
Поступила в редакцию 14.04.14
Кислород необходим для эффективного образования АТФ и выполняет основную роль в поддержании жизни всех организмов, за исключением строгих анаэробов. Способность определять изменения в концентрации кислорода и отвечать на них является основным условием для выживания аэробных организмов. Эука-риоты обладают адаптационными механизмами для определения пониженного содержания кислорода (гипоксия) и ответа на него путем перестройки гомеостаза кислорода, благодаря активации генов гипоксии и подавлению аэробных генов. Обзор суммирует последние данные о механизмах определения изменений концентрации кислорода и ответов на них клеток млекопитающих и дрожжей. В первой части обзора акцент будет сделан на функциональную регуляцию и стабилизацию гипоксия-индуцирующих факторов (НШв), а также на процессы, вызванные гипоксией (открытие неспецифической митохондриальной поры (тРТР), клеточную смерть и аутофагию). Во второй части обзора будут рассмотрены механизмы определения уровня кислорода у непатогенных дрожжей посредством гемма, ненасыщенных жирных кислот и сте-ролов, а также ответы на гипоксию патогенных дрожжей.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: гипоксия, дрожжи, НЩ ИН, Нар1р, 8КББР, тРТР.
ОТВЕТ НА ГИПОКСИЮ У МЛЕКОПИТАЮЩИХ
Гипоксия, снижение уровня кислорода ниже физиологического, как правило, считается пагубным явлением, особенно для тканей с высоким требованием к содержанию кислорода. Так, острая кислородная недостаточность даже в течение короткого периода может быть опасна. В естественных условиях гипоксия имеет место на больших высотах, в результате интенсивных фи-
Принятые сокращения: FIH — factor inhibiting HIF, FAS — синтаза жирных кислот, HIF — hypoxia-inducible factor, ODD — oxygen-dependent degradation domain, PDH — пируватдегидрогеназа, PHD — prolyl-4-hyrdoxylase domain enzymes, mPTP — Ca^/Рн-зависимая неспецифическая митохондриальная пора, АФК — активные формы кислорода, SREBP — sterol regulatory element binding protein, SCAP — SREBP cleavage-acting protein, TAD — terminal transactivation domain. * Адресат для корреспонденции.
зических нагрузок и различных дыхательных заболеваний [1, 2].
Тот факт, что клетки выдерживают стрессовые условия гипоксии, предполагает, что в них происходит мобилизация адаптационных ответов для компенсации недостатка кислорода [2]. Так, на молекулярном уровне, переломным моментом в эволюции многоклеточных было возникновение транскрипционных факторов, регулирующих экспрессию генов в ответ на изменение концентрации кислорода. Подобная регуляция экспрессии генов меняет метаболизм, приводя к преобладанию анаэробного гликолиза (посредством активации гликолитических ферментов и переносчиков глюкозы) и нормализации дыхания митохондрий.
Семейство HIFs. Семейство гипоксия-инду-цирующих транскрипционных факторов (Н]^) ответственно за активацию подавляющего большинства генов, участвующих в адаптационных клеточных ответах на гипоксию [1, 3—6]. НТБ
был открыт Semenza и коллегами и идентифицирован как кислород-зависимый транскрипционный фактор, который регулируется пост-транскрипционно на уровне стабильности белка
[7].
HIF представляет собой гетеродимерный транскрипционный фактор, состоящий из кислород-чувствительной субъединицы HIF-a и конститутивной субъединицы HIF-р, также известной как ARNT (aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator). Обе субъединицы HIF являются членами семейства транскрипционных факторов, несущих в своем составе PAS домен (periodic-aryl hydrocarbon receptor-single-minded), содержащий область спираль—петля—спираль (bHLH). Каждая субъединица содержит два PAS домена, обозначаемых PAS-A и PAS-B. PAS домены обычно заключают в себе 100—120 аминокислотных остатков, уложенных в пятивитко-вый антипараллельный р-лист, с обеих сторон заканчивающийся несколькими a-спиралями
[8].
У высших многоклеточных различают три HIF-a белка: HIF-1a, HIF-2a (также известный как EPAS1 (endothelian PAS domain protein 1)), наиболее близкие по структуре и хорошо охарактеризованные, кодируемые независимыми генами и, предположительно, одинаково регулируемые кислородом, а также HIF-3a. HIF-3a еще известен как IPAS (inhibitory PAS domain protein), существует во множестве вариантов сплайсинга, некоторые из которых ингибируют активность HIF-1a и HIF-2a доминантно-негативным способом. HIF-1a экспрессируется повсеместно в клетках млекопитающих, тогда как HIF-2a и HIF-3a экспрессируются избирательно в определенных тканях, таких как клетки эндотелия сосудов, пневмоцитах типа II, почечных интерстициальных клетках, паренхимных клетках печени и клетках миелоидного ряда [9].
Как HIF-1a, так и HIF-2a содержат два независимых ODD домена (oxygen-dependent degradation) (^-ODD и C-ODD), а также два трансактивационных домена, ^-TAD (^-terminal transactivation domain) и С-TAD (C-terminal transactivation domain). ODD домен необходим для расщепления HIF-1a посредством убикви-тин-протеасомного пути. ^-TAD домен содержит bHLH/PAS домены и сигнал ядерной локализации, С-TAD содержит два трансактивационных домена [10, 11].
Активация транскрипции генов-мишеней посредством HIF-1 происходит в результате связывания с последовательностью 5'-RCGTG-3' (где R — это G или A) ядерной ДНК внутри цис-действующих элементов ответа на гипоксию и подбора трансдействующих коактиваторов р300
и CBP (cAMP-response-element-binding protein-binding protein) [1, 12].
Стабилизация HIF. Активный синтез белка HIF-a происходит в клетках при возникновении гипоксии. Однако в аэробных условиях он быстро деградирует под действием убиквитин-протеасомной системы, активность которой моментально подавляется при недостатке кислорода, способствуя быстрому накоплению HIF-a [6, 7, 12].
Регуляция активности трех изоформ HIF-a (HIF-1a, HIF-2a и HIF-3a) кислородом, как полагают, аналогична и контролируется за счет синтеза, разрушения или внутриклеточной локализации a-субъединицы [1, 5].
Деградация HIF-1a в аэробных условиях осуществляется благодаря работе класса белков PHDs (prolyl hydroxylase domain enzymes), также известного как EGLNs (EGL-nine homologues), и фактора, ингибирующего HIF (FIH). В настоящее время известны три независимых фермента PHDs или EGLNs - EGLN1, 2 и 3 (PHD2, 1 и 3 соответственно). Интересно, что эти ферменты проявляют субстратную специфичность, в то время как EGLN1 и 2 способны гидроксилиро-вать оба пролиновых остатка HIF-a (Pro402 и Pro564 в составе HIF-1a человека) внутри домена ODD, EGLN3 не может взаимодействовать с ^-концевыми радикалами (P402 в HIF-1a человека). По-видимому, EGLN1 является основной HIF пролилгидроксилазой, обладающей наибольшей HIF пролилгидроксилазной активностью в аэробных условиях, и, как следствие, регулирующей уровень HIF-1a в условиях нормы [1, 13-15].
PHD-зависимое гидроксилирование субъединицы HIF-1a облегчает связывание HIF-1a с Е3 лигазным комплексом белка pVHL (von Hippel-Lindau tumor suppressor) (ключевой фактор клеточного ответа на уровень кислорода, необходимый для кислород-зависимого протеолиза HIF-a), осуществляющим полиубиквитинирование HIF-1a с последующей его 26S-протеасомной деградацией [16]. Важно отметить, что для полноценного функционирования ферментов PHD и FIH помимо присутствия кислорода, необходимо наличие железа, аскорбата и продукта цикла трикарбоновых кислот 2-оксоглутарата [6, 17].
Аспарагин гидроксилазная активность FIH предотвращает взаимодействие HIF с транскрипционными коактиваторами, такими как CBP/ /p300, эффективно подавляя транскрипционную активность HIF-1a путем гидроксилирова-ния остатка аспарагина в составе CTAD. HIF-2a, по сравнению с HIF-1a, относительно устойчив к инактивации, вызываемой FIH-1. FIH-1 остается активным даже при низких концентрациях
кислорода по сравнению с PHDs. В результате теряется связь с pVHL, приводя к стабилизации HIF [1, 13-15, 18, 19].
В условиях устойчивой гипоксии разрушение HIF-a субъединицы заингибировано, что позволяет белку накапливаться, гетеродимери-зоваться и транслоцироваться в ядро, где он образует комплекс с HIF-1P и CBP/p300, тем самым усиливая транскрипцию различных генов гипоксии [16]. Усиление же транскрипции генов гипоксии происходит в результате того, что HIF-a субъединица связывается со специфической областью HRE (hypoxia response element), представляющей собой согласовывающиеся последовательности в ДНК [7, 12].
Стабилизация HIF и активные формы кислорода/азота. Хотя стабилизация HIF-1a, вероятно, определяется главным образом концентрацией кислорода, регулирующей активность PHDs, существует значительный объем доказательств того, что свободные радикалы, такие как активные формы кислорода (АФК) и активные формы азота (АФА) могут изменять работу и/или активность HIF [20-23].
Однако для стабилизации белка HIF-1a необходим пероксид водорода, а не супероксид [24]. АФК, образуемые митохондриями в результате гипоксии, действуют как сигнальные агенты, запускающие различные функциональные ответы, включающие активацию экспрессии генов посредством стабилизации HIF-a [24, 25].
АФК, особенно соединения NO (например, пероксинитрит), могут стабилизировать HIF-1a в результате значительных изменений в PHDs, таких как нитрозилирование или изменения в редокс состоянии их двухвалентного железа. Однако, возможно, что такая стабилизация может быть двухэтапной, при которой АФК-зави-симый механизм, имеющий место в низкокислородных условиях, постепенно сменяется инактивацией PHDs, связанной с недостатком кислорода в условиях гипоксии.
Усиление окислительного стресса в результате гипоксии является необходимым для вызванной
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.