Ген EPAS1

Ген EPAS1 (англ. endothelial PAS domain-containing protein 1, также известный как HIF-2α) — это ген, кодирующий белок, который является одной из субъединиц фактора, индуцируемого гипоксией (HIF). Он играет ключевую роль в клеточном ответе на недостаток кислорода (гипоксию), регулируя экспрессию генов, участвующих в ангиогенезе, эритропоэзе, метаболизме и клеточном выживании. Ген расположен на 2-й хромосоме человека (локус 2p21).

История открытия

Ген EPAS1 был впервые идентифицирован и клонирован в конце 1990-х годов независимо несколькими группами исследователей. В 1997 году группа под руководством Грегга Л. Семензы (лауреата Нобелевской премии по физиологии или медицине 2019 года) описала белок HIF-2α как новый член семейства факторов, индуцируемых гипоксией. Первоначально его назвали EPAS1 (endothelial PAS domain-containing protein 1) из-за высокой экспрессии в эндотелиальных клетках. Впоследствии было установлено, что EPAS1 является гомологом HIF-1α, но имеет отличные функции и тканеспецифичность.

Структура и регуляция

Генетическая организация

Ген EPAS1 имеет длину около 80 тысяч пар оснований и содержит 16 экзонов. Кодирующая последовательность транслируется в белок длиной 870 аминокислотных остатков. Белок HIF-2α содержит несколько функциональных доменов:

• bHLH-домен (basic helix-loop-helix) — отвечает за связывание с ДНК и димеризацию с белком ARNT (HIF-1β).
• PAS-домены (Per-ARNT-Sim) — участвуют в димеризации и сенсорной функции.
• ODD-домен (oxygen-dependent degradation domain) — содержит пролиновые остатки, которые гидроксилируются в присутствии кислорода, что приводит к убиквитинированию и деградации белка.
• C-концевой домен — включает участки для взаимодействия с коактиваторами транскрипции.

Регуляция кислородом

В нормоксических условиях (нормальный уровень кислорода) пролиновые остатки в ODD-домене HIF-2α гидроксилируются ферментами пролилгидроксилазами (PHD1, PHD2, PHD3). Это модифицирование распознаётся белком VHL (von Hippel-Lindau), который является компонентом убиквитин-лигазного комплекса. В результате HIF-2α подвергается протеасомной деградации. При гипоксии активность пролилгидроксилаз снижается, HIF-2α стабилизируется, перемещается в ядро, димеризуется с ARNT и связывается с последовательностями HRE (hypoxia response elements) в промоторах целевых генов.

Функции

Регуляция эритропоэза

Одной из главных функций HIF-2α является стимуляция продукции эритропоэтина (EPO) в почках и печени. В отличие от HIF-1α, который регулирует преимущественно метаболические пути, HIF-2α является основным транскрипционным фактором, контролирующим синтез EPO. Это делает ген EPAS1 критическим для адаптации к хронической гипоксии, например, при проживании на большой высоте.

Ангиогенез и сосудистая система

HIF-2α активирует экспрессию генов, участвующих в формировании новых кровеносных сосудов, включая фактор роста эндотелия сосудов (VEGF) и его рецепторы. Он также регулирует тонус сосудов через экспрессию оксида азота (NO) и эндотелина-1.

Метаболизм и клеточное выживание

Белок участвует в переключении клеточного метаболизма с окислительного фосфорилирования на гликолиз в условиях гипоксии, а также в регуляции апоптоза и клеточной пролиферации. В опухолевых клетках HIF-2α часто способствует устойчивости к гипоксии и агрессивному росту.

Развитие и эмбриогенез

У мышей нокаут гена Epas1 приводит к летальности на стадии эмбриона из-за нарушений развития сердечно-сосудистой системы и плаценты. Это указывает на его незаменимую роль в нормальном развитии.

Клиническое значение

Высотная адаптация

Ген EPAS1 является одним из ключевых в адаптации человека к жизни на больших высотах. У тибетцев, живущих на высоте более 4000 метров, обнаружены специфические варианты (полиморфизмы) гена EPAS1, которые наследуются от денисовцев — древней популяции людей. Эти варианты снижают уровень гемоглобина и предотвращают патологическое сгущение крови (полицитемию), характерное для жителей низменностей, поднимающихся в горы. Исследования 2010-х годов показали, что у тибетцев частота аллеля EPAS1, связанного с низким уровнем гемоглобина, достигает 80%, в то время как у ханьцев она составляет менее 10%.

Онкология

Мутации и амплификации гена EPAS1 обнаружены при некоторых типах рака, включая светлоклеточный рак почки, феохромоцитому и параганглиому. В частности, при болезни фон Гиппеля-Линдау, вызванной мутациями в гене VHL, наблюдается накопление HIF-2α, что способствует опухолевому росту. Разрабатываются ингибиторы HIF-2α (например, белзутифан), которые проходят клинические испытания для лечения рака почки.

Сердечно-сосудистые заболевания

Нарушения регуляции EPAS1 связаны с развитием лёгочной гипертензии, ишемической болезни сердца и инсультов. У пациентов с хронической обструктивной болезнью лёгких (ХОБЛ) повышенная экспрессия EPAS1 может приводить к патологическому ремоделированию сосудов.

Другие заболевания

Полиморфизмы в гене EPAS1 ассоциированы с риском развития сахарного диабета 2-го типа, ожирения и некоторых нейродегенеративных заболеваний. Исследования на животных моделях показывают, что EPAS1 участвует в регуляции воспалительных процессов и иммунного ответа.

Эволюционная консервативность

Ген EPAS1 высококонсервативен у позвоночных. Ортологи найдены у млекопитающих, птиц, рыб и амфибий. У рыб, обитающих в условиях гипоксии (например, у голого карпа), наблюдаются адаптивные изменения в последовательности EPAS1, аналогичные тибетским. У денисовцев, архаичных гоминид, обнаружена версия гена, которая затем передалась современным тибетцам и способствовала их выживанию в высокогорье.

Интересные факты

• В 2019 году Нобелевская премия по физиологии или медицине была присуждена Уильяму Кэлину, Питеру Рэтклиффу и Греггу Семензе за открытие механизмов клеточного ответа на гипоксию, ключевым элементом которого является HIF-2α.
• У тибетцев вариант EPAS1, полученный от денисовцев, не только снижает гемоглобин, но и улучшает усвоение кислорода в лёгких.
• Мутации в гене EPAS1, вызывающие его конститутивную активацию, приводят к редкому наследственному заболеванию — семейной параганглиоме-феохромоцитоме.

Источники

• Semenza G.L. (2012). Hypoxia-inducible factors in physiology and medicine. Cell, 148(3), 399-408.
• Huerta-Sánchez E. et al. (2014). Altitude adaptation in Tibetans caused by introgression of Denisovan-like DNA. Nature, 512(7513), 194-197.
• Keith B. et al. (2011). HIF-2α: a key regulator of oxygen homeostasis and cancer. Nature Reviews Cancer, 11(9), 618-629.
• Maxwell P.H. et al. (1999). The tumour suppressor protein VHL targets hypoxia-inducible factors for oxygen-dependent proteolysis. Nature, 399(6733), 271-275.
• Chen R. et al. (2020). EPAS1 variants and high-altitude adaptation in Tibetans. Human Genetics, 139(1), 1-10.