HIF1A

HIF1 представляет собой гетеродимерную bHLH-структуру^[11], состоящую из двух субъединиц — HIF-1α или α-субъединицы и ядерного транслокатора AH-рецептора (ARNT), β-субъединицы. HIF-1α содержит базовую область спираль-петля-спираль (helix-loop-helix) рядом с C-концом, за которой следуют два разных домена PAS (PER-ARNT-SIM) и PAC (PAS-ассоциированный с C-концом домен)^[7][12]. Полипептид HIF-1α также содержит мотив сигнала ядерной локализации (NTL), два трансактивирующих домена CTAD и NTAD и промежуточный ингибирующий домен (ID), который может подавлять транскрипционные активности CTAD и NTAD^[13]. В общей сложности имеется три изоформы HIF1A, образованные путём альтернативного сплайсинга, однако изоформа 1 была выбрана в качестве канонической структуры и является наиболее широко изученной изоформой в структуре и по выполняемым функциям^[14][15].

Ген HIF1A человека кодирует альфа-субъединицу, транскрипционный фактор HIF-1A, фактора, индуцируемого гипоксией (HIF1)^[16]. Уровень экспрессии HIF-1A зависит от его активизации GC-промоторной области^[17]. В нормоксических условиях (при нормальной концентрации кислорода) в большинстве клеток ген HIF1A конститутивно экспрессируется на низких уровнях, однако при гипоксии транскрипция HIF1A часто значительно повышается^{[17][18][19][20][21][22]}. Как правило, кислород-независимый путь регулирует экспрессию белка, а зависящий от кислорода путь регулирует деградацию^[23]. При независимом от гипоксии способе экспрессия HIF1A может регулироваться через чувствительным к окислительно-восстановительным реакциям механизмом^[24].

Фактор транскрипции HIF-1 играет важную роль в клеточном ответе на системные уровни кислорода у млекопитающих^[25][26]. Активность HIF1A регулируется множеством посттрансляционных модификаций: гидроксилирование, ацетилирование и фосфорилирование^[27]. HIF-1, как известно, индуцирует транскрипцию более 60 генов, включая VEGF и эритропоэтин, участвующих в биологических процессах, таких как ангиогенез и эритропоэз, которые способствуют продвижению и увеличению доставки кислорода в гипоксические области^[10][28][29]. HIF-1 также индуцирует транскрипцию генов, участвующих в пролиферации и выживаемости клеток, а также в метаболизме глюкозы и железа^[29]. В соответствии с его динамической биологической ролью HIF-1 реагирует на системные уровни кислорода, подвергаясь конформационным изменениям, и связывается с HRE-промоторными регионами генов, чувствительных к гипоксии, для последующей индукции транскрипции^{[30][31][32][33][34]}. Стабильность HIF-1α, субклеточная локализация, а также активность транскрипции особенно зависят от уровня кислорода. Альфа-субъединица образует гетеродимер с бета-субъединицей. При нормоксических условиях VHL-опосредованный путь убиквитин-протеазы быстро разрушает молекулы HIF-1α; однако при гипоксии предотвращается деградация белка HIF-1α и происходит накопление HIF-1A, чтобы связываться с HIF-1β для осуществления транскрипционных ролей генов-мишеней^[35][36]. Ферменты пролилгидроксилаза (PHD) и HIF-пролилгидроксилаза (HPH) участвуют в специфической посттрансляционной модификации остатков пролина HIF-1A (P402 и P564 в домене ODD), позволяющую связывать VHL с HIF-1α^[34]. Ферментативная активность кислородного датчика диоксигеназы PHD зависит от уровня кислорода, так как он требует кислорода в качестве одного из основных субстратов для переноса на остаток пролина HIF-1α^[31][37]. Затем гидроксилированный остаток пролина HIF-1α распознаётся и погружается в гидрофобное ядро онкосупрессорного белка von Hippel—Lindau (VHL), который сам является частью фермента убиквитинлигазы^[38][39]. Гидроксилирование остатка пролина HIF-1α также регулирует его способность связываться с коактиваторами при гипоксии^[40][41]. Функция гена HIF1A может быть эффективно исследована нокдауном siRNA, основанной на независимой проверке^[42].

В нормальных условиях после травмы происходит деградация HIF-1α пролилгидроксилазами (PHD). В июне 2015 года учёные обнаружили, что продолжение регуляции HIF-1α через ингибиторы PHD восстанавливает потерянные или повреждённые ткани у млекопитающих, которые имеют ответ на восстановление; и продолжающаяся понижающая регуляция HIF-1α приводит к заживлению с помощью рубцевого ответа у млекопитающих с предыдущим восстановительным ответом на потерю ткани. Акт регулирования HIF-1α может либо отключить, либо включить ключевые процессы регенерации млекопитающих^[43][44].

Содержание HIF-1α (и его последующая активность) регулируется транскрипционно с помощью NF-κB-зависимого способа^[45]. Кроме того, скоординированная активность пролилгидроксилаз (PHD) поддерживает соответствующий баланс белка HIF-1A в посттрансляционной фазе^[46].

Факторы, увеличивающие концентрацию HIF-1A^[47]:

Факторы уменьшающие концентрацию HIF-1A^[47]:

HIF-1 сверхэкспрессируется при многих злокачественных новообразованиях человека^[48][49]. Сверхэкспрессия HIF-1 в значительной степени связана с продвижением роста опухоли и метастазов, посредством участии в инициировании ангиогенеза и регулировании клеточного метаболизма для преодоления гипоксии^[50]. Гипоксия способствует апоптозу как в нормальных, так и в опухолевых клетках^[51]. Однако гипоксические условия в микроокружении опухоли особенно, наряду с накоплением генетических изменений (мутаций), часто способствуют избыточной экспрессии HIF-1^[10].

Значительная экспрессия HIF-1 отмечена в большинстве исследованных солидных опухолей, которые включают рак толстой кишки, карцинома молочной железы, поджелудочной железы, почек, аденокарцинома предстательной железы, карцинома яичника, рак головного мозга и мочевого пузыря^[49][52]. Клинически повышенные уровни HIF-1 в ряде видов рака, включая рак шейки матки, немелкоклеточный рак лёгкого, рак молочной железы (LV-положительный и отрицательный), олигодендроглиома, рак орофарингии, рак яичников, рак эндометрия, рак пищевода, опухоли головы и шеи, и рак желудка, были связаны с агрессивной прогрессией опухоли и, таким образом, были замечены как прегностический и прогностический маркер устойчивости к лучевой терапии, химиотерапии и повышенной смертности^{[23][50][53][53][54][55][56]}.

Экспрессия HIF-1A также может регулировать прогрессирование опухоли молочной железы. Повышенные уровни HIF-1A могут быть обнаружены при раннем развитии рака и были обнаружены при ранней карциноме in situ протоков, доинвазивной стадии развития рака молочной железы, а также связаны с повышенной плотностью микроциркуляторности при опухолевых поражениях^[57]. Более того, несмотря на гистологически определённую низкосортную, отрицательную опухоль молочной железы лимфатических узлов в подгруппе исследованных пациентов, обнаружение значительной экспрессии HIF-1A способно самостоятельно предсказать плохой ответ на терапию^[50]. Аналогичные результаты были опубликованы в исследованиях рака мозга и рака яичников, а также указывают на регуляторную роль HIF-1A в инициировании ангиогенеза посредством взаимодействия с проангиогенными факторами, такими как VEGF^[56][58]. Исследования мультиформной глиобластомы показывают поразительное сходство между моделью экспрессии HIF-1A и уровнем транскрипции гена VEGF^[59][60]. Кроме того, высокосортные глиобластома-мультиформные опухоли с высокой экспрессией VEGF, похожие на рак молочной железы с имеющейся гиперэкспрессией HIF-1A, демонстрируют значительные признаки процесса неоваскуляризации (новая васкуляризация) опухоли^[61]. Это дополнительно указывает на регуляторную роль HIF-1A в продвижении прогрессирования опухоли, вероятно, посредством индуцированных гипоксией путей экспрессии VEGF^[60].

Сверхэкспрессия HIF-1A в опухолях может также возникать в гипоксически-независимом пути. В гемагиобластоме экспрессия HIF-1A встречается в большинстве клеток, отобранных из хорошо васкуляризированной опухоли^[62]. Хотя при карциноме почки и гемагиобластоме ген von Hippel-Lindau инактивирован, HIF-1A всё ещё экспрессируется на достаточно высоких уровнях^[52][58][62]. В дополнение к сверхэкспрессии VEGF в ответных повышенных уровнях HIF-1A путь PI3K/AKT также участвует в росте опухоли. При раке предстательной железы часто встречающаяся мутация PTEN, связана с прогрессированием опухоли в сторону маглинизационной стадии, повышенной сосудистой плотностью и ангиогенезом^[63].

Во время гипоксии, избыточная экспрессия опухолевого супрессора р53 может быть связана с HIF-1A-зависимым путём для инициирования апоптоза^[51]. Более того, p53-независимый путь может также индуцировать апоптоз через путь Bcl-2. Однако чрезмерная экспрессия HIF-1A является туморогенной и индивидуально-специфической и зависит от сопровождающих генетических изменений и уровней присутствующих про-и антиапоптотических факторов. Одно исследование, связанное с карциномой эпителия яичников показало, что HIF-1A и нефункциональный супрессор опухолей р53 имеет корреляцию с низкими уровнями апоптоза опухолевых клеток и плохим прогнозом^[64]. Кроме того, ранние стадии рака пищевода с показанной сверхэкспрессией HIF-1 и отсутствием экспрессии BCL2 также не привели к фотодинамической терапии^[65]. Исследования мультиформной глиобластомы показывают поразительное сходство между моделью экспрессии белка HIF-1A и уровнем транскрипции гена VEGF.

Хотя исследовательские усилия по разработке терапевтических препаратов для лечения связанных с гипоксией опухолевых клеток продолжаются в течение многих лет, до сих пор нет никакого прорыва, который показал селективность и эффективность при нацеливании на HIF-1A-путь для уменьшения прогрессирования опухоли и ангиогенеза^[66]. Успешные терапевтические подходы в будущем также могут быть особенно специфичными для конкретных видов рака у людей и, по-видимому, вряд ли будут широко применяться из-за генетически гетерогенного характера многих типов и подтипов рака.

HIF-1A взаимодействует со следующими белками: