Hüpoksiast indutseeritud faktor

Hiire HIF heterodimeeri kompleks DNA-ga. Oranži värviga on näidatud HIF alfa-alaühik, rohelise värviga HIF beeta-alaühik ning roosa ja lilla värvidega DNA kaksikheeliksi osad. Kristallstruktuuri koordinaadid: PDB 4ZPR.[1]

Hüpoksiast indutseeritud faktor (HIF) on transkriptsioonifaktorite alla kuuluv valkude perekonna liige, mille sisaldus rakkudes suureneb hapnikuvaeguse (hüpoksia) tingimustes ning mis vahendab rakkude vastust vähendatud hapnikusisaldusele keskkonnas, käivitades erinevate geenide avaldumist.[2] Näiteks osaleb HIF rakkude ainevahetuse ümberlülitamisel oksüdatiivsest fosforüülimisest anaeroobsele glükolüüsile (tõstes glükoosi transporterite ja glükolüüsis osalevate ensüümide ekspressiooni)[3], stimuleerib angiogeneesi (tõstes vaskulaarse endoteeli kasvufaktorite[4] ja nende retseptorite[5][6] ekspressiooni) ja tõhustab vereloomet (tõstes hormooni erütropoetiini ekspressiooni)[7].

HIF avastamise eest said teadlased William Kaelin Jr, Peter Ratcliffe ja Gregg Semenza 2019. aastal Nobeli auhinna füsioloogia või meditsiini alal.[8]

HIF-tüüpi valgud on olemas kõigis loomades[9][10], kuid allpool on need vaadeldud detailsemalt inimorganismi kontekstis. Lühendit HIF ei tohiks segamini ajada sarnase lühendiga HIV, mis tähistab inimese immuunpuudulikkuse viirust.

HIF struktuur ning hapnikutundlikkuse mehhanism

HIF funktsioneerib heterodimeerina, koosnedes alfa-alaühikust ja beeta-alaühikust (viimast nimetatakse ka arüülsüsivesinike retseptori tuumalokalisatsiooni vahendajaks, ingl k aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator ehk ARNT). Inimese genoomis on teadaolevalt kodeeritud kokku kolm HIF alfa-alaühikut (geenid HIF1A, HIF3A ja EPAS1) ja kaks HIF beeta-alaühikut (geenid ARNT ja ARNT2), kuigi mõningate uuringute kohaselt eksisteerivad ka oluliselt vähem uuritud HIF beeta-alaühikud ARNT3 ja ARNT4.[11][12]

Inimese valkude kompleks, mis vastutab hapnikurikkas keskkonnas HIF alfa-alaühiku lagundamise eest. Ereroosa värviga on näidatud HIF fragment, milles on pulkade ja pallikestena välja toodud hüdroksüproliini jääk. Rohelise ja oranži värviga on tähistatud vastavalt elongiinid B ja C ning lilla värviga Von Hippel-Lindau kasvaja supressorvalk. Kristallstruktuuri koordinaadid: PDB 1LQB.[13]

Alfa- ja beeta-alaühikute üldine struktuur on suhteliselt sarnane. Mõlema valgu N-terminaalis paikneb nn nukleaarse lokalisatsiooni signaal (NLS) ning sellele järgnevad domeenid, mis vastutavad heterodimeeri moodustumise ja DNA-ga seondumise eest. Valkude C-terminaalis paiknevad aga domeenid, mis aitavad siduda teisi regulatoorseid valke, abistamaks transkriptsiooni käivitumist. HIF alfa-alaühikus sisaldub lisaks nn hapniksõltuv degradeerimisdomeen (ingl k oxygen-dependent degradation domain ehk ODDD), mis tingib alfa-alaühiku lagundamist hapnikurikkas keskkonnas. Seevastu HIF beeta-alaühikus selline domeen puudub ning beeta-alaühik on püsiv ka hapniku juuresolekul.[14]

HIF alfa-alaühiku lagundamiseks on vajalik mitme ensüümi koostöö. Kõigepealt toimub alfa-alaühiku ODDD-s proliinijäägi hüdroksüülimine, mida katalüüsib ensüüm HIFi prolüül-hüdroksülaas (PHD2) ning mis vajab reaktsiooni ühe lähteainena lihtainelist hapnikku. Selle modifikatsiooni tulemusena muutub HIF alfa-alaühik äratuntavaks nn von Hippel-Lindau kasvaja supressorvalgu jaoks (VHL). VHL kuulub suurema kompleksi koosseisu, mis sisaldab lisaks valke elongiin B, elongiin C ja kulliin-2. See kompleks tervikuna käitub ubikvitiini ligaasina, katalüüsides HIF alfa-alaühiku ubikvitinüülimist. Ubikvitiin omab elusrakkudes märgise rolli, mida omakorda tuvastavad rakusisesed valkude degradatsiooni eest vastutavad mehhanismid. Seega toimub kokkuvõttes hapnikurikkas keskkonnas HIF alfa-alaühiku pidev suunamine lagundamisse proteaaside poolt, mistõttu HIF heterodimeer ei saa moodustuda. Lisaks sellele „kanoonilisele“ mehhanismile eksisteerivad HIF aktiivsuse pärssimiseks hapnikurikkas keskkonnas ka muud viisid, kus mängivad rolli sekundaarsed virgatsained, kofaktorid ja hapnikku sisaldavad reaktiivsed osakesed.[15][16]

HIF-tüüpi valkude roll ei avaldu normoksias (joonise ülemine osa), kuna valgu alfa-alaühik ubikvitinüülitakse ning suunatakse lagundamisele proteasoomi. Seevastu hüpoksias (joonise alumine osa) moodustub HIF alaühikutest funktsionaalne heterodimeer, mis käitub transkriptsioonifaktorina, mõjutades rakkude tasemel metabolismi, kudede tasemel angiogeneesi ning organismi tasemel vereloomet.

Heterodimeerne aktiivne HIF seondub DNAs nukleotiidijärjestusele 5'-RCGTG-3' (kus R on puriin, enamasti adeniin), mida nimetatakse ka hüpoksiale reageerivaks elemendiks (ingl k hypoxia response element ehk HRE). Inimese genoomis sisaldub HRE enam kui 100 geeni promootoralas, käivitades vastusena vähendatud hapnikusisaldusele keskkonnas vereloome, angiogeneesi, glükolüüsi, kartsinogeneesi ja teiste normaalsete või patoloogiliste protsessidega seotud geenide avaldumist.[17][18]

HIF seos haigustega

Kuna HIF reageerimine hapnikusisaldusele keskkonnas on vahetult põimunud teiste valkude tööga (sealhulgas PDH2 ja VHL), siis sageli on HIFiga seotud patoloogiate mehhanism tingitud just inaktiveerivatest mutatsioonidest PDH2 ja eriti VHL geenides.[19]

HIF2A inhibiitori belzutifani struktuur. Belzutifan on suukaudselt manustatav ravim, mis sai USA Toidu- ja Ravimiameti heakskiidu 2021. aastal, olles esimene HIF-tüüpi valkudele suunatud inhibiitor.

Näiteks on selliseid mutatsioone kirjeldatud päriliku polütsüteemia korral (haiguste rühm, mille puhul toimub erütrotsüütide anomaalne ületootmine, mis omakorda tõstab vere viskoossust). Nimelt stimuleerib erütrotsüütide tootmist hormoon erütropoetiin, mille ekspressioon neerudes käivitub terves organismis HIF vahendusel vastusena hüpoksiale. Inaktiveerivad mutatsioonid geenides PDH2 ja VHL või aktiveerivad mutatsioonid geenis HIF2A põhjustavad HIF-tüüpi signaaliraja aktiveerumist ka väljaspool hüpoksia konteksti, mis viibki kokkuvõttes EPO ületootmiseni.[20][21]

VHL inaktiveerivad mutatsioonid on seotud ka nn von Hippel-Lindau sündroomiga – see on haruldane geneetiline häire, mille puhul patsientidel tekivad tsüstid ja healoomulised kasvajad mitmetes kehapiirkondades. Lisaks tõstab von Hippel-Lindau sündroom neeruvähi tekke riski. Ka need sümptomid on seotud HIF-tüüpi valkude anomaalselt kõrge aktiivsusega, mis panustavad kasvajate tekkesse ja arengusse näiteks angiogeneesi (veresoonte võrgustiku teke) stimuleerimise kaudu või vähirakkude ainevahetuse „ümberlülitamise“ kaudu, mis võimaldab vähirakkudel hüpoksia tingimustes paremini ellu jääda (nn Warburgi efekt[22]).[23][24] Seepärast pakuvad HIF-tüüpi valgud suurt huvi onkoteraapia sihtmärkidena ning HIF1A ja HIF2A inhibiitorid on jõudnud kliinilistesse katsetuste eri etappidesse.[25][26] 2024. aasta novembri seisuga on kliinilises kasutuses siiski vaid üks HIF-tüüpi valkudele suunatud inhibiitor – belzutifan, mida kasutatakse von Hippel-Lindau sündroomist tingitud neeruvähi raviks.[27]

Viited

  1. ↑ Wu, Dalei; Potluri, Nalini; Lu, Jingping; Kim, Youngchang; Rastinejad, Fraydoon (20. august 2015). "Structural integration in hypoxia-inducible factors". Nature. 524 (7565): 303–308. DOI:10.1038/nature14883. ISSN 1476-4687. PMID 26245371.
  2. ↑ Kierans, S. J.; Taylor, C. T. (2021). "Regulation of glycolysis by the hypoxia‐inducible factor (HIF): implications for cellular physiology". The Journal of Physiology (inglise). 599 (1): 23–37. DOI:10.1113/JP280572. ISSN 0022-3751.
  3. ↑ Seagroves, T. N.; Ryan, H. E.; Lu, H.; Wouters, B. G.; Knapp, M.; Thibault, P.; Laderoute, K.; Johnson, R. S. (2001). "Transcription factor HIF-1 is a necessary mediator of the pasteur effect in mammalian cells". Molecular and Cellular Biology. 21 (10): 3436–3444. DOI:10.1128/MCB.21.10.3436-3444.2001. ISSN 0270-7306. PMID 11313469.
  4. ↑ Forsythe, J. A.; Jiang, B. H.; Iyer, N. V.; Agani, F.; Leung, S. W.; Koos, R. D.; Semenza, G. L. (1996). "Activation of vascular endothelial growth factor gene transcription by hypoxia-inducible factor 1". Molecular and Cellular Biology. 16 (9): 4604–4613. DOI:10.1128/MCB.16.9.4604. ISSN 0270-7306. PMID 8756616.
  5. ↑ Gerber, H. P.; Condorelli, F.; Park, J.; Ferrara, N. (19. september 1997). "Differential transcriptional regulation of the two vascular endothelial growth factor receptor genes. Flt-1, but not Flk-1/KDR, is up-regulated by hypoxia". The Journal of Biological Chemistry. 272 (38): 23659–23667. DOI:10.1074/jbc.272.38.23659. ISSN 0021-9258. PMID 9295307.
  6. ↑ Waltenberger, J.; Mayr, U.; Pentz, S.; Hombach, V. (1. oktoober 1996). "Functional upregulation of the vascular endothelial growth factor receptor KDR by hypoxia". Circulation. 94 (7): 1647–1654. DOI:10.1161/01.cir.94.7.1647. ISSN 0009-7322. PMID 8840857.
  7. ↑ Haase, Volker H. (2013). "Regulation of erythropoiesis by hypoxia-inducible factors". Blood Reviews. 27 (1): 41–53. DOI:10.1016/j.blre.2012.12.003. ISSN 1532-1681. PMC 3731139. PMID 23291219.
  8. ↑ "The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2019". NobelPrize.org (Ameerika inglise). Vaadatud 23. novembril 2024.
  9. ↑ Semenza, Gregg L. (3. veebruar 2012). "Hypoxia-inducible factors in physiology and medicine". Cell. 148 (3): 399–408. DOI:10.1016/j.cell.2012.01.021. ISSN 1097-4172. PMC 3437543. PMID 22304911.
  10. ↑ Tarade, Daniel; Lee, Jeffrey E.; Ohh, Michael (23. juuli 2019). "Evolution of metazoan oxygen-sensing involved a conserved divergence of VHL affinity for HIF1α and HIF2α". Nature Communications (inglise). 10 (1): 3293. DOI:10.1038/s41467-019-11149-1. ISSN 2041-1723.
  11. ↑ Dougherty, E. J.; Pollenz, R. S. (1. jaanuar 2010), McQueen, Charlene A. (toim), "2.13 - ARNT: A Key bHLH/PAS Regulatory Protein Across Multiple Pathways", Comprehensive Toxicology (Second Edition), Oxford: Elsevier, lk 231–252, ISBN 978-0-08-046884-6, vaadatud 23. novembril 2024
  12. ↑ Yang, Qian-Kun; Wang, Xue-Xin; Wang, Yang; Ni, Ni (2020). De Felice, Francesca (toim). "Integrative Analysis Reveals the Landscape of Hypoxia-Inducible Factor (HIF) Family Genes in Pan-Cancer". Journal of Oncology (inglise). 2020: 1–9. DOI:10.1155/2020/8873104. ISSN 1687-8469. PMC 7710422. PMID 33299416.{{ajakirjaviide}}: CS1 hooldus: PMC vormistus (link)
  13. ↑ Hon, Wai-Ching; Wilson, Michael I.; Harlos, Karl; Claridge, Timothy D. W.; Schofield, Christopher J.; Pugh, Christopher W.; Maxwell, Patrick H.; Ratcliffe, Peter J.; Stuart, David I.; Jones, E. Yvonne (27. juuni 2002). "Structural basis for the recognition of hydroxyproline in HIF-1 alpha by pVHL". Nature. 417 (6892): 975–978. DOI:10.1038/nature00767. ISSN 0028-0836. PMID 12050673.
  14. ↑ Berchner-Pfannschmidt, U.; Frede, S.; Wotzlaw, C.; Fandrey, J. (30. juuni 2008). "Imaging of the hypoxia-inducible factor pathway: insights into oxygen sensing". European Respiratory Journal (inglise). 32 (1): 210–217. DOI:10.1183/09031936.00013408. ISSN 0903-1936. PMID 18591338.
  15. ↑ Taylor, Cormac T.; Scholz, Carsten C. (2022). "The effect of HIF on metabolism and immunity". Nature Reviews Nephrology (inglise). 18 (9): 573–587. DOI:10.1038/s41581-022-00587-8. ISSN 1759-507X.
  16. ↑ Wong, Wei; Goehring, April S.; Kapiloff, Michael S.; Langeberg, Lorene K.; Scott, John D. (23. detsember 2008). "mAKAP compartmentalizes oxygen-dependent control of HIF-1alpha". Science Signaling. 1 (51): ra18. DOI:10.1126/scisignal.2000026. ISSN 1937-9145. PMC 2828263. PMID 19109240.
  17. ↑ Gao, Song; Zhou, Jing; Zhao, Yinzhi; Toselli, Paul; Li, Wande (2013). "Hypoxia-response element (HRE)-directed transcriptional regulation of the rat lysyl oxidase gene in response to cobalt and cadmium". Toxicological Sciences: An Official Journal of the Society of Toxicology. 132 (2): 379–389. DOI:10.1093/toxsci/kfs327. ISSN 1096-0929. PMC 3595521. PMID 23161664.
  18. ↑ Rashid, Iliyas; Pathak, Ajey Kumar; Kumar, Ravindra; Srivastava, Prachi; Singh, Mahender; Murali, S.; Kushwaha, Basdeo (2019). "Genome-Wide Comparative Analysis of HIF Binding Sites in Cyprinus Carpio for In Silico Identification of Functional Hypoxia Response Elements". Frontiers in Genetics (inglise). 10. DOI:10.3389/fgene.2019.00659. ISSN 1664-8021.
  19. ↑ Semenza, Gregg L. (3. september 2009). "Involvement of oxygen-sensing pathways in physiologic and pathologic erythropoiesis". Blood. 114 (10): 2015–2019. DOI:10.1182/blood-2009-05-189985. ISSN 0006-4971.
  20. ↑ Formenti, Federico; Constantin-Teodosiu, Dumitru; Emmanuel, Yaso; Cheeseman, Jane; Dorrington, Keith L.; Edwards, Lindsay M.; Humphreys, Sandy M.; Lappin, Terence R. J.; McMullin, Mary F.; McNamara, Christopher J.; Mills, Wendy; Murphy, John A.; O'Connor, David F.; Percy, Melanie J.; Ratcliffe, Peter J. (13. juuli 2010). "Regulation of human metabolism by hypoxia-inducible factor". Proceedings of the National Academy of Sciences (inglise). 107 (28): 12722–12727. DOI:10.1073/pnas.1002339107. ISSN 0027-8424. PMC 2906567. PMID 20616028.{{ajakirjaviide}}: CS1 hooldus: PMC vormistus (link)
  21. ↑ Lappin, Terence R.; Lee, Frank S. (2019). "Update on mutations in the HIF: EPO pathway and their role in erythrocytosis". Blood Reviews. 37: 100590. DOI:10.1016/j.blre.2019.100590. ISSN 1532-1681. PMC 7484688. PMID 31350093.
  22. ↑ ERR, Leenu Reinsalu (KBFI) | (31. jaanuar 2022). "Kasvajate edukus tuleneb nende kavalast energia tootmisest". ERR. Vaadatud 23. novembril 2024.
  23. ↑ Kapitsinou, P. P.; Haase, V. H. (2008). "The VHL tumor suppressor and HIF: insights from genetic studies in mice". Cell Death & Differentiation (inglise). 15 (4): 650–659. DOI:10.1038/sj.cdd.4402313. ISSN 1476-5403.
  24. ↑ Ortmann, Brian M. (2024). "Hypoxia-inducible factor in cancer: from pathway regulation to therapeutic opportunity". BMJ Oncology (inglise). 3 (1). DOI:10.1136/bmjonc-2023-000154. ISSN 2752-7948. PMID 10.1136/bmjonc-2023-000154. {{ajakirjaviide}}: kontrolli parameetri |pmid= väärtust (juhend)
  25. ↑ Kao, Ting-Wan; Bai, Geng-Hao; Wang, Tian-Li; Shih, Ie-Ming; Chuang, Chi-Mu; Lo, Chun-Liang; Tsai, Meng-Chen; Chiu, Li-Yun; Lin, Chu-Chien; Shen, Yao-An (18. juuli 2023). "Novel cancer treatment paradigm targeting hypoxia-induced factor in conjunction with current therapies to overcome resistance". Journal of Experimental & Clinical Cancer Research. 42 (1): 171. DOI:10.1186/s13046-023-02724-y. ISSN 1756-9966. PMC 10353250. PMID 37460927.{{ajakirjaviide}}: CS1 hooldus: PMC vormistus (link)
  26. ↑ Onnis, Barbara; Rapisarda, Annamaria; Melillo, Giovanni (2009). "Development of HIF-1 inhibitors for cancer therapy". Journal of Cellular and Molecular Medicine. 13 (9A): 2780–2786. DOI:10.1111/j.1582-4934.2009.00876.x. ISSN 1582-4934. PMC 2832082. PMID 19674190.
  27. ↑ Hamal, Khagendra B.; Pavlich, Cyprian I.; Carlson, Graham J.; Ching Wong, Yu; Zhao, Fangzhou; Zhang, Qing; Klausmeyer, Kevin K.; Pinney, Kevin G. (19. september 2023). "Synthesis of the Hypoxia-Inducible Factor-2α (HIF-2α) Inhibitor, 3-[(1S,2S,3R)-2,3-Difluoro-1-hydroxy-7-methylsulfonylindan-4-yl]oxy-5-fluorobenzonitrile (PT2977, Belzutifan); Efficient Replication of Established Approaches". Tetrahedron Letters. 128: 154691. DOI:10.1016/j.tetlet.2023.154691. ISSN 0040-4039.
allikas: https://et.wikipedia.org/wiki/H%C3%BCpoksiast_indutseeritud_faktor