REGULACIÓN DE LA HOMEOSTASIS DE OXÍGENO POR EL FACTOR INDUCIBLE DE HIPOXIA 1

REGULACIÓN DE LA HOMEOSTASIS DE OXÍGENO POR EL FACTOR INDUCIBLE DE HIPOXIA 1

Los organismos metazoarios dependen de un suministro continuo de O2 para la supervivencia. El Factor Inducible de Hipoxia 1 (HIF-1) es un factor de transcripción que regula la homeostasis del oxígeno y desempeña un papel clave en el desarrollo, la fisiología y la enfermedad. La actividad de HIF-1 se induce en respuesta a hipoxia continua, hipoxia intermitente, estimulación del factor de crecimiento y señalización de Ca2 +. HIF-1 media respuestas adaptativas a la hipoxia, incluyendo eritropoyesis, angiogénesis y reprogramación metabólica. En cada caso, HIF-1 regula la expresión de múltiples genes que codifican los componentes clave de la vía de respuesta. El HIF-1 también media las respuestas maladaptativas a la hipoxia continua e intermitente crónica, que subyacen al desarrollo de la hipertensión pulmonar y sistémica, respectivamente.

La complejidad de la vida del metazoario es sostenida por la energía generada a través del metabolismo oxidativo de la glucosa y de los ácidos grasos en las mitocondrias, lo que resulta en la producción de equivalentes reductores que se utilizan para mantener un gradiente electroquímico que conduce a la síntesis de ATP. Este mecanismo altamente eficiente para producir ATP depende del uso de O2 como aceptor de electrones en el complejo IV de la cadena respiratoria. Cuando los electrones reaccionan con O2 prematuramente (por ejemplo, en el complejo III), se generan especies reactivas de oxígeno (ROS). La producción tónica baja de ROS representa una señal de que la función mitocondrial está intacta, mientras que la producción aumentada de ROS, resultante de la disponibilidad reducida o fluctuante de O 2, es una señal de peligro de que la célula está en riesgo de daño oxidativo y si no se corrige la muerte. Nuestra comprensión de los mecanismos por los cuales las células y los organismos experimentan hipoxia han avanzado dramáticamente durante las últimas dos décadas, principalmente a través del descubrimiento del factor de hipoxia inducible 1 (HIF-1) y la delimitación de su papel como el regulador principal de Homeostasis de oxígeno. Este artículo proporcionará una actualización sobre los avances que se han hecho en el campo de la biología del oxígeno desde su última revisión en el número inaugural de Fisiología (70).

Detección de oxígeno y transducción de señales

El aumento o la disminución de la disponibilidad de O2 produce hiperoxia o hipoxia, respectivamente. La hiperoxia se produce fisiológicamente como resultado de una angiogénesis excesiva (80) y clínicamente cuando se administra O2 a pacientes en concentraciones inapropiadamente altas. La hipoxia es un estímulo fisiológico fundamental que se produce en respuesta al crecimiento tisular durante el desarrollo normal (11, 38, 80, 91, 92) y en estados patológicos como anemia, hemorragia y neumonía, que ya han afectado a los humanos. Han ejercido presión selectiva para la evolución de las respuestas adaptativas. Además, el hombre moderno está afligido por nuevos flagelos asociados con una vida larga y / o imprudente, como la enfermedad pulmonar relacionada con el tabaco, la enfermedad cardiovascular aterosclerótica y el cáncer, que no han ejercido presión selectiva debido a su inicio tardío, tanto con respecto a la reproducción Del individuo y evolución de la especie. La hipoxia puede ocurrir de forma continua o intermitente y ser de duración aguda o crónica. Mientras que la hipoxia continua crónica puede ocurrir en un contexto fisiológico o patológico, la hipoxia intermitente crónica sólo ocurre en un contexto patológico. La distinción entre respuestas fisiológicas y patológicas a la hipoxia es importante y se delimitará con más detalle a continuación.

Hipoxia continua

HIF-1 es una proteína heterodimérica que se compone de una subunidad HIF-1 y una OIF regulada HIF-1 \ Subunidad (88). Bajo condiciones normoxic, HIF-1? Se sintetiza e hidroxila en el residuo de prolina 402 y / o 564 por las proteínas del dominio de la hidroxilasa de prolina (PHD2) usando O2 y \ (Figura 1A) para catalizar una reacción de dioxigenasa en la que un átomo de oxígeno se inserta en el residuo de prolina y el otro átomo de oxígeno se inserta en \ alpha - -cicloarato para formar succinato y CO2 (12, 30). La proteína OS-9 se une tanto a PHD2 como a HIF-1α, facilitando así la hidroxilación (4). La hidroxilación de prolyl es necesaria para la unión de la proteína von Hippel-Lindau (VHL), que interactúa con Elongin C y por lo tanto recluta un complejo de ubiquitina ligasa (30, 31). La proteína SSAT2, que interactúa con HIF-1α, VHL y Elongin C, estabiliza la interacción de la VHL con Elongin C, facilitando así la ubiquitinación de HIF-1β. Ubiquitination marcas HIF-1? Para la degradación por el proteasoma (68). FIH-1 se une a HIF-1? Y regula negativamente la función de transactivación (49) por hidroxilación del residuo de asparagina 803, que bloquea la interacción del dominio HIF-1 \ Transactivación con el co-activador p300 o CBP (41). Por lo tanto, tanto la estabilidad como la actividad transcripcional de HIF-1 son reguladas negativamente por la hidroxilación dependiente de O2 (Figura 1A). Cuando las células sufren una hipoxia aguda, las reacciones de hidroxilación se inhiben como resultado de la privación del sustrato (O2) y / o aumento de la producción de ROS mitocondrial, que puede inhibir las hidroxilasas por la oxidación de un ion ferroso en el sitio catalítico (24, 30). La pérdida de actividad hidroxilasa aumenta HIF-1? Estabilidad y función de transactivación, que conduce a su dimerización con HIF-1α, unión de HIF-1 a su secuencia de reconocimiento 5 '- (A / G) CGTG-3' (71) en genes diana y transcripción aumentada de secuencias de genes diana en mRNA

Hipoxia intermitente

Se sabe que se producen episodios breves de hipoxia y reoxigenación (hipoxia intermitente) durante la natación como resultado de apneas desencadenadas por el reflejo nasofaríngeo (60). La mayor preocupación es la hipoxia intermitente crónica que se produce como resultado de la apnea obstructiva del sueño y causa enfermedad cardiovascular (34), como se discutirá más adelante. Aunque la hipoxia intermitente implica episodios cortos (15-30 s) de hipoxia seguida de períodos de reoxigenación más largos (por ejemplo 5 min), se induce la actividad de HIF-1, pero por mecanismos distintos de los que regulan su actividad en condiciones de hipoxia crónica (96) . Las vías de transducción de señales mediante las cuales se ha delineado la hipoxia activa HIF-1 activa en la línea celular PC12 de feocromocitoma de rata, en la que previamente se ha demostrado que la hipoxia induce la despolarización de la membrana y aumenta el Ca2 + intracelular. Cuando estas células se expusieron a 60 ciclos de O2 al 1,5% durante 30 s seguido de O2 al 20% durante 5 min, HIF-1 \ La actividad transcripcional de la proteına y HIF-1 se indujo y aumentó después de 120 ciclos (95). En estas células, la hipoxia intermitente desencadenó la producción de ROS dependiente de NADPH-oxidasa, lo que indujo la actividad de la fosfolipasa C $, $, resultando en la generación de Inositol 1,4-trisphosphate (IP3) y diacylglycerol (Figura 1B) .La unión de IP3 a su receptor cognado llevó a la movilización de Ca2 + intracelular, que activó calcio-calmodulina quinasa (CamK) y, junto con diacylglycerol, proteína inducida (96) CamK fosforiló el coactivador p300, promoviendo de este modo su interacción con HIF-1β, dando como resultado la activación transcripcional (pKC) 95). A diferencia de la hipoxia continua, en la que HIF -1 β se degrada rápidamente (t1 / 2 <5 min) en la reoxigenación (88), los niveles de HIF-1 permanecen persistentemente elevados después de la hipoxia intermitente debido a la activación persistente de mTOR (96), hallazgo que es importante en el contexto de la apnea obstructiva del sueño, en la cual las respuestas patológicas cardiovasculares y respiratorias persisten durante horas después de la terminación de la hipoxia intermitente (63).

Mecanismos independientes de oxígeno para regular HIF-1

Además de las vías dependientes de O _ {2} descritas anteriormente, se han delineado las vías dependientes de O _ {2} que regulan la síntesis y degradación de HIF - 1. Estas vías parecen ser particularmente importantes en el contexto del cáncer.

Regulación de la degradación del HIF-1

Aunque la vía PHD2-VHL es el mecanismo crítico que regula la estabilidad de HIF-1α en respuesta a los cambios en la concentración de O 2 (Figura 1A), estudios recientes han revelado que RACK1 proteína puede unirse a HIF-1 α Interacting con Elongin C, por lo tanto , El reclutamiento de un complejo E3 ubiquitina-proteína ligasa (46). RACK1 puede reemplazar la BVS para promover la ubiquitinación y degradación de HIF-1? Aunque la RACK1 se identificó originalmente como una proteína que estabiliza las interacciones entre PKC y sus sustratos, la actividad de PKC no se requiere para la ubiquitinación y degradación mediada por RACK1 de RACK1-HIF-1. En primer lugar, se sabe que la proteína de choque térmico 90 (HSP90) se une a HIF-1α, HIF-1α, y se ha demostrado que los inhibidores HSP90 inhiben el crecimiento tumoral e inducen la degradación proteasomal de HIF-1? Incluso en células sin VHL (26). RACK1 se mostró a competir con HSP90 para la unión a la PAS-A subdominio de HIF-1? (46). El tratamiento con un inhibidor de HSP90 tal como la 17-alilaminogeldanamicina da lugar a una unión RACK1 sin oposición que conduce a una mayor ubiquitinación y degradación de HIF-1α. La capacidad de los inhibidores HSP90 para inducir HIF-1? La degradación depende de la expresión RACK1 (46). Estos estudios han esbozado un nuevo mecanismo de acción que contribuye al efecto anticancerígeno de los inhibidores HSP90. RACK1 también parece contribuir al mecanismo de acción de otro fármaco importante, la ciclosporina A, que es un inmunosupresor que evita el rechazo de tejidos tras el trasplante mediante la inhibición de la calcineurina, una proteína fosfatasa serina / treonina dependiente de Ca2 + / calmodulina. Se ha demostrado que la ciclosporina A inhibe la expresión inducida por hipoxia de HIF-1α (14, 37). RACK1 consta de siete copias del dominio de repetición WD40 rico en aspartato de triptófano y forma dímeros a través de interacciones homotípicas entre el cuarto dominio de repetición WD40 (WD4) (84). HIF-1? Y Elongin C se unen al dominio de repetición WD7 en monómeros RACK1 separados de modo que la dimerización es necesaria para que RACK1 reclute Elongin C a HIF-1α (47). La fosforilación de RACK1 promueve su dimerización y la subunidad catalítica de calcineurina se une a RACK1 y media su desfosforilación, inhibiendo de este modo la dimerización y degradación de RACK1 \ HIF-1 dependiente? (Figura 2A). Se demostró que Ionomicina, un ionóforo de calcio, aumenta HIF-1? Incluso en las células RCC4, carecen de VHL funcional (47). Por lo tanto, la activación de la calcineurina representa otro mecanismo, además de los identificados en respuesta a la hipoxia intermitente (Figura 1B), por el cual la señalización del calcio puede aumentar la actividad de HIF-1 (Figura 2A).

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