HIF-1α

HIF-1α (Hypoxia-Inducible Factor 1α, фактор, индуцируемый гипоксией 1α) — это регуляторная субъединица транскрипционного фактора HIF-1, ключевой белок, обеспечивающий адаптацию клеток млекопитающих к недостатку кислорода (гипоксии). HIF-1α относится к семейству белков, содержащих домен bHLH-PAS (basic helix-loop-helix Per-ARNT-Sim), и играет центральную роль в активации генов, ответственных за ангиогенез, эритропоэз, метаболизм глюкозы и выживание клеток в условиях низкого содержания кислорода. В отличие от конститутивно экспрессируемой субъединицы HIF-1β (ARNT), уровень HIF-1α в нормооксических условиях (при нормальном содержании кислорода) поддерживается на низком уровне за счёт быстрого протеасомного разрушения, а при гипоксии стабилизируется и накапливается.

История открытия

Исследования механизмов клеточного ответа на гипоксию начались в 1990-х годах. В 1995 году американские учёные Грегг Семенца и Ван Чжун (Gregg Semenza, Wang Guang) впервые идентифицировали HIF-1 как фактор, связывающийся с гипоксическим элементом ответа (HRE) в энхансере гена эритропоэтина (EPO). В 1997 году была клонирована кДНК HIF-1α, и установлена его регуляция кислородом. За открытие механизмов кислородного чувствительства клеток Грегг Семенца, Уильям Келин и Питер Рэтклифф (Peter Ratcliffe) были удостоены Нобелевской премии по физиологии или медицине в 2019 году.

Структура и изоформы

Белок HIF-1α кодируется геном HIF1A, расположенным у человека на хромосоме 14q23.2. Молекулярная масса полноразмерного белка составляет около 120 кДа. Структура включает несколько функциональных доменов:

• bHLH-домен (basic helix-loop-helix) — отвечает за связывание с ДНК.
• PAS-домены (Per-ARNT-Sim) — обеспечивают димеризацию с HIF-1β и взаимодействие с другими белками.
• ODD-домен (oxygen-dependent degradation domain) — кислород-зависимый домен деградации, содержащий консервативные пролиновые остатки (Pro402 и Pro564), гидроксилирование которых запускает разрушение белка.
• N-TAD и C-TAD (N- и C-концевые транскрипционные активационные домены) — участвуют в рекрутировании коактиваторов (например, p300/CBP).

У позвоночных существуют три изоформы α-субъединицы: HIF-1α, HIF-2α (кодируется геном EPAS1) и HIF-3α (кодируется геном HIF3A). HIF-1α экспрессируется повсеместно, тогда как HIF-2α — преимущественно в эндотелии, почках и лёгких. HIF-3α может действовать как доминантно-негативный регулятор.

Механизм регуляции

Кислород-зависимая деградация

В нормоксии (уровень кислорода около 20% в атмосфере, ~5% в тканях) пролиновые остатки в ODD-домене HIF-1α гидроксилируются ферментами семейства пролилгидроксилаз (PHD1, PHD2, PHD3). Это гидроксилирование требует кислорода, 2-оксоглутарата и аскорбата. Модифицированный HIF-1α распознаётся белком VHL (von Hippel-Lindau), который является компонентом убиквитин-лигазного комплекса E3. Убиквитинирование приводит к быстрой деградации HIF-1α в протеасоме (период полужизни — менее 5 минут).

Гипоксическая стабилизация

При снижении парциального давления кислорода (гипоксия, обычно ниже 5% O₂) активность пролилгидроксилаз снижается, гидроксилирование не происходит, HIF-1α не связывается с VHL и накапливается в цитоплазме. Затем HIF-1α транслоцируется в ядро, где димеризуется с HIF-1β (ARNT). Образовавшийся гетеродимер связывается с последовательностью 5'-RCGTG-3' (гипоксический элемент ответа, HRE) в промоторах и энхансерах генов-мишеней, активируя их транскрипцию.

Дополнительные механизмы

Регуляция HIF-1α также осуществляется на уровне:

• Трансляции: под контролем mTOR-сигнального пути, реагирующего на питательные вещества и факторы роста.
• Ацетилирования/деацетилирования: модификация лизиновых остатков может влиять на стабильность и активность.
• Фосфорилирования: через киназы MAPK и PI3K/Akt, что может усиливать транскрипционную активность.

Гены-мишени

HIF-1α регулирует экспрессию более 100 генов, участвующих в адаптации к гипоксии. Основные группы:

Физиологическая роль

Эмбриональное развитие

HIF-1α необходим для нормального эмбриогенеза. Нокаутные мыши по HIF1A погибают на 10-11 день беременности из-за дефектов сосудистой системы, сердца и нейрального гребня. В раннем развитии гипоксические ниши (например, в плаценте) поддерживают стволовые клетки.

Адаптация к высоте

У людей, проживающих в высокогорных районах (например, в Андах, Тибете, Эфиопии), наблюдаются различные варианты регуляции HIF-1α. У тибетцев, в частности, обнаружены мутации в гене EPAS1 (HIF-2α), снижающие чувствительность к гипоксии и предотвращающие чрезмерное увеличение гематокрита.

Иммунный ответ

HIF-1α регулирует метаболизм и функции иммунных клеток, особенно макрофагов и нейтрофилов, которые часто работают в гипоксических очагах воспаления. Он способствует выживанию клеток в условиях низкого кислорода и активирует продукцию противомикробных факторов.

Ишемия и реперфузия

При ишемических состояниях (инфаркт миокарда, инсульт) HIF-1α активирует защитные программы, включая ангиогенез и метаболическую адаптацию, что может ограничить повреждение тканей. Однако при реперфузии чрезмерная активация HIF-1α может способствовать воспалению.

Роль в патологии

Онкология

HIF-1α играет двойственную роль в развитии рака. В солидных опухолях гипоксия является распространённым явлением, и HIF-1α способствует выживанию раковых клеток, ангиогенезу, метастазированию и устойчивости к химиотерапии и лучевой терапии. Высокий уровень HIF-1α коррелирует с плохим прогнозом при многих видах рака (рак молочной железы, лёгких, почек, глиобластома). В то же время, в некоторых контекстах (например, при ранних стадиях) HIF-1α может подавлять пролиферацию.

Ишемические заболевания

При ишемии миокарда и конечностей HIF-1α активирует защитные гены, но его хроническая активация может приводить к патологическому ремоделированию сосудов и фиброзу.

Воспалительные заболевания

HIF-1α участвует в патогенезе ревматоидного артрита, воспалительных заболеваний кишечника и атеросклероза, регулируя метаболизм макрофагов и продукцию цитокинов.

Гипертрофия и фиброз

В сердце и почках хроническая активация HIF-1α может способствовать развитию фиброза и гипертрофии.

Фармакологическое воздействие

Разработка ингибиторов и активаторов HIF-1α является активной областью исследований.

• Ингибиторы: используются в онкологии для подавления адаптации опухолей к гипоксии. Примеры: эхиномицин (Echinomycin), топотекан (Topotecan), а также ингибиторы пролилгидроксилаз (например, роксадустат, вададустат) — последние, наоборот, стабилизируют HIF-1α.
• Активаторы: применяются для лечения анемии при хронической болезни почек. Препараты, ингибирующие пролилгидроксилазы (например, роксадустат, вададустат, молидустат), повышают уровень HIF-1α и HIF-2α, стимулируя выработку эритропоэтина. В России зарегистрированы роксадустат (Эврензо) и вададустат (Вакзо). Эти препараты относятся к классу ингибиторов HIF-пролилгидроксилаз (HIF-PHI).

Интересные факты

• HIF-1α был открыт в процессе изучения регуляции гена эритропоэтина, который контролирует образование красных кровяных клеток.
• В 2019 году Нобелевская премия по физиологии или медицине была присуждена за открытие механизмов, с помощью которых клетки ощущают и адаптируются к доступности кислорода, где центральную роль играет HIF-1α.
• HIF-1α участвует в регуляции циркадных ритмов, взаимодействуя с белками CLOCK и BMAL1.
• Некоторые вирусы (например, ВИЧ, вирус гепатита B) могут манипулировать системой HIF-1α для создания благоприятной среды для репликации.

Источники

• Semenza, G. L. (2012). Hypoxia-inducible factors in physiology and medicine. Cell, 148(3), 399-408.
• Kaelin, W. G., & Ratcliffe, P. J. (2008). Oxygen sensing by metazoans: the central role of the HIF hydroxylase pathway. Molecular Cell, 30(4), 393-402.
• Schofield, C. J., & Ratcliffe, P. J. (2004). Oxygen sensing by HIF hydroxylases. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 5(5), 343-354.
• Majmundar, A. J., Wong, W. J., & Simon, M. C. (2010). Hypoxia-inducible factors and the response to hypoxic stress. Molecular Cell, 40(2), 294-309.
• Keith, B., & Simon, M. C. (2007). Hypoxia-inducible factors, stem cells, and cancer. Cell, 129(3), 465-472.
• Инструкция по медицинскому применению препарата «Эврензо» (роксадустат), регистрационное удостоверение ЛП-006579.
• Инструкция по медицинскому применению препарата «Вакзо» (вададустат), регистрационное удостоверение ЛП-006580.