Механизм клеточного ответа на гипоксию
Нобелевская премия по физиологии и медицине — 2019
11.10.2019 • ТАТЬЯНА РОМАНОВСКАЯ • НОБЕЛЕВСКИЕ ПРЕМИИ, ГЕНЕТИКА, МЕДИЦИНА
https://elementy.ru/novosti_nauki/433549/Nobelevskaya_premiya_po_fiziologii_i_meditsine_2019
Рис. 1. Лауреаты Нобелевской премии по физиологии и медицине 2019 года. Слева направо: Уильям Кэлин (William Kaelin), Питер Рэтклифф (Peter Ratcliffe) и Грегг Семенза (Gregg Semenza). Фото из статьи J. H. Hurst, 2016. William Kaelin, Peter Ratcliffe, and Gregg Semenza receive the 2016 Albert Lasker Basic Medical Research Award
В этом году Нобелевской премии в области физиологии и медицины удостоены американцы Уильям Кэлин и Грегг Семенза, а также британец Питер Рэтклифф. В 2016 году работы этих исследователей уже получили оценку в виде другой престижной награды — премии Альберта Ласкера, ежегодно присуждаемой в США за фундаментальные медицинские исследования. Согласно официальной формулировке Нобелевского комитета, лауреаты отмечены «за открытие механизмов, посредством которых клетки воспринимают доступность кислорода и адаптируются к ней».
Следует отметить, что в действительности речь идет не о любых клетках, а в первую очередь о клетках человека и животных. Пожалуй, отправным пунктом исследований в области адаптации к гипоксии можно считать период конца 60-х годов XX века, когда физиологи приступили к внимательному изучению реакций организма человека на подъем в горы или анемические состояния. Эти исследования привели к открытию эритропоэтина — гормона, который выделяется в кровь (преимущественно тканями почек, а также печени), причем продукция его резко возрастает в ответ на дефицит кислорода.
|
|
|
Распространяясь по организму, и достигая костного мозга, эритропоэтин стимулирует формирование эритроцитов, что обеспечивает значительное улучшение снабжения тканей кислородом уже в течение нескольких часов после начала гипоксии. Однако еще долгое время никто не знал, во-первых, как именно клетки «оценивают» количество кислорода, во-вторых, все ли клетки на это способны, и, в-третьих, какие механизмы лежат в основе реализации клеточного ответа. Именно за решение этих вопросов и была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине в этом году.
Исследования, которые получили высшую оценку Нобелевского комитета, были начаты на рубеже 80-х и 90-х годов XX века. Причем каждый из трех лауреатов пришел в эту область своим особым путем.
Питер Рэтклифф первоначально получил медицинское образование, затем перепрофилировался на молекулярную биологию. В конце 80-х его исследовательская работа была связана с изучением болезней почек, среди которых некоторую долю составляют патологии ишемической этиологии. Как уже было сказано, именно почки вырабатывают эритропоэтин в ответ на состояние гипоксии. В 1990 году Рэтклифф основал в Оксфорде лабораторию биологии гипоксии, которую возглавлял более 20 лет, поставив перед собой цель разобраться в механизмах регуляции экспрессии гена эритропоэтина.
|
|
|
Тематика работ Грегга Семензы до начала 90-х годов касалась заболеваний, обусловленных нарушениями эритропоэза, таких как талассемия. В 1992 году он выделил новый белок, связывающийся с регуляторным участком в гене эритропоэтина и обеспечивающий стимуляцию транскрипции данного гена при недостатке кислорода. Также, как и Рэтклифф, Семенза с этого момента практически полностью переключился на исследование молекулярных и клеточных механизмов адаптации организма к гипоксии.
Уильям Келин — специалист по опухолям, занимавшийся в конце 80-х — начале 90-х годов проблемой наследственного заболевания Гиппеля — Линдау. Этот синдром с аутосомно-доминантным наследованием выражается в повышенном риске возникновения рака (чаще всего образуются опухоли головного или спинного мозга, сетчатки, почек). В 1988 году было установлено, что причиной заболевания являются мутации в гене VHL (аббревиатура, образованная от англоязычного названия заболевания, von Hippel — Lindau disease). И, как выяснилось впоследствии, белок, кодируемый этим геном, является еще одним из ключевых игроков в ответе клеток на вариации в концентрации кислорода в среде.
|
|
|
Любопытно отметить, что в первое время статьи из всех трех лабораторий выходили одна за другой, и нередко практически одновременно исследователи параллельно публиковали полученные результаты, описывающие одни и те же детали механизма. Впрочем, десятилетие спустя у них начали появляться и совместные публикации.
Механизм клеточного ответа на гипоксию
Первоначальной моделью для изучения механизма реакции клеток на гипоксию стала регуляция гена эритропоэтина в клетках почек или печени. За десяток лет выяснились основные этапы этой регуляции, общая схема которой приведена на рис. 2.
Рис. 2. Общая схема контроля реакции клеток на доступность кислорода. А — при гипоксии белок VHL, курсирующий вместе с другими компонентами убиквитинирующего комплекса (элонгины B и C, CUL-2) между ядром и цитоплазмой, не взаимодействует с HIFα. Субъединицы фактора HIF, поступая в ядро, связываются и направляются к генам-мишеням, активируя их транскрипцию. B — при нормализации доступа кислорода происходит убиквитинирование белка HIFα, опосредованное его взаимодействием с VHL, после чего HIFα экспортируется в цитоплазму и разрушается протеасомами. Рисунок из статьи I Groulx, S. Lee, 2002. Oxygen-Dependent Ubiquitination and Degradation of Hypoxia-Inducible Factor Requires Nuclear-Cytoplasmic Trafficking of the von Hippel-Lindau Tumor Suppressor Protein
|
|
|
Первоначально в 1991 году Рэтклифф с коллегами обнаружил около 3'-концевого участка гена эритропоэтина регуляторный участок (энхансер), присутствие которого определяет способность гена повышать уровень экспрессии при дефиците кислорода (C. W. Pugh et al., 1991. Functional analysis of an oxygen-regulated transcriptional enhancer lying 3' to the mouse erythropoietin gene). Годом позже в лаборатории, где работал Грегг Семенза был выделен и исследован транскрипционный фактор, связывающийся с ДНК в этой области, — он получил название HIF (G. L. Semenza, G. L. Wang, 1992. A nuclear factor induced by hypoxia via de novo protein synthesis binds to the human erythropoietin gene enhancer at a site required for transcriptional activation). Этот белок формируется из двух субъединиц: одна из них обозначается как HIFα, другая — HIFβ. Вскоре было установлено, что HIF работает не только в почках и печени, но и во всех прочих типах клеток организма (G. L. Wang, G. L. Semenza, 1993. General involvement of hypoxia-inducible factor 1 in transcriptional response to hypoxia).
Здесь можно отметить, что у человека и других позвоночных обе субъединицы фактора HIF представлены семействами, включающими по 3 паралогичных гена, которые работают в разных типах клеток и регулируют разные наборы генов. Причем белковый продукт гена HIF3α, по-видимому, является ингибитором по отношению к продукту гена HIF1α. Тонкости функциональных особенностей всех паралогов все еще не до конца изучены.
Количество мРНК и белка HIFβ в клетках относительно постоянно, оно не зависит от концентрации кислорода, а вот субъединица HIFα является регулируемой. Во-первых, ее количество в клетке держится на низком уровне при нормальном уровне кислорода, но резко возрастает при гипоксии. Во-вторых, при гипоксии он обнаруживается исключительно в ядре, а при нормальном уровне кислорода — преимущественно в цитоплазме, что обеспечивается взаимодействием белка с вспомогательными белками системы переноса белков между ядром и цитоплазмой.
Исследования Кэлина позволили выяснить, что количество белка HIFα регулируется посредством протеолиза — разрушения при помощи протеасом (M. Ivan et al., 2001. HIFα Targeted for VHL-Mediated Destruction by Proline Hydroxylation: Implications for O2 Sensing). Протеасомы узнают белки-мишени по пришитым убиквитиновым меткам. В случае HIFα убиквитинирование осуществляется при участии того самого белка VHL, который уже упоминался выше. Ген, кодирующий белок VHL, входит в число наиважнейших генов-супрессоров опухолей. И это, по-видимому, напрямую связано с его ролью в регуляции HIF — как минимум, отчасти (W. G. Kaelin, 2005. The von Hippel-Lindau tumor suppressor protein: roles in cancer and oxygen sensing, K. Kondo et al., 2003. Inhibition of HIF2α Is Sufficient to Suppress pVHL-Defective Tumor Growth).
Позднее были установлены новые подробности. Оказалось, что для взаимодействия с VHL требуется появление гидроксильных групп (-OH) на двух остатках пролина в молекуле HIFα. Гидроксилирование осуществляется ферментами PHD (Prolil hydroxylase), которые кодируются тремя паралогичными генами (PHD1,2,3). Эта реакция происходит при непосредственном участии молекулярного кислорода (O2), а также требует присутствия ионов железа и аскорбиновой кислоты. При недостатке какого-то из этих компонентов реакция гидроксилирования становится невозможной, что приводит к прекращению взаимодействия HIFα с VHL, и количество белка HIFα начинает расти.
Еще одной составляющей изученного механизма оказалось гидроксилирование по остатку аспарагина в молекуле HIFα, которое осуществляется (при тех же условиях, что и гидроксилирование по пролину) другим ферментом, названным FIH1 (Factor inhibiting HIF). Гидроксилирование остатка аспарагина препятствует взаимодействию HIFα с транскрипционным коактиватором (CBP или p300), без которого уровень активации транскрипции генов-мишеней оказывается заметно ниже.
Аспарагин-гидроксилаза и пролин-гидроксилазы имеют разный порог активации. Полномасштабный ответ на гипоксию развивается при парциальном давлении кислорода около 1% от нормы или ниже. При этой концентрации гидроксилазы абсолютно неактивны. По мере повышения концентрации кислорода после гипоксии первым активируется белок FIH-1, который гидроксилирует остатки аспарагина, приводя к частичному подавлению активаторной функции HIF, а при дальнейшем приближении концентрации кислорода к нормальному уровню становится активной и диоксигеназа PHD, гидроксилирующая остатки пролина, и концентрация HIFα начинает быстро снижаться (рис. 3).
Рис. 3. Схема регулирования функции фактора HIF гидроксилазами. EGLN — альтернативное название фермента PHD, остальные пояснения в тексте. Рисунок из статьи W. G. Kaelin, 2005. Proline hydroxylation and gene expression
Позже оказалось, что помимо убиквитинирования, VHL способен блокировать работу HIF еще и другим путем — привлекая к нему белки-репрессоры, препятствующие активации транскрипции генов-мишеней, как показано на рис. 4.
Рис. 4. Взаимодействие VHL и HIFα, реализующееся только при нормальном уровне доступа кислорода, но не при гипоксии, влечет за собой два рода событий: во-первых, убиквитинирование и деградацию HIFα в цитоплазме, а во-вторых, привлечение репрессорных белков (на этой схеме — VHLaK, KAP) к области взаимодействия HIFα с ДНК. Рисунок из статьи Z. Li et al., 2003. The VHL protein recruits a novel KRAB-A domain protein to repress HIF-1α transcriptional activity
Регуляция с участием HIF затрагивает в сумме более трех сотен генов, функция которых заключается в обеспечении снабжения тканей кислородом, стимулировании регенеративных процессов и включении защитных механизмов внутри клеток, подвергшихся воздействию гипоксии (J. Schödel et al., 2011. High-resolution genome-wide mapping of HIF-binding sites by ChIP-seq).
Например, одной из таких защитных реакций является повышение интенсивности реакций гликолиза (расщепления глюкозы до молочной кислоты в цитозоле клеток), как альтернативного пути наработки АТФ (в обычных условиях основная доля АТФ производится за счет кислородного дыхания, осуществляемого митохондриями). Также гипоксия стимулирует аутофагию, и одновременно подавляет некоторые особенно энергозатратные процессы. На уровне межтканевой регуляции происходит стимуляция не только эритропоэза, но и ангиогенеза (роста сосудов) — благодаря стимуляции синтеза и секреции фактора роста эндотелия сосудов VEGF, расширения капилляров, интенсивности вентиляции легких и целого ряда других физиологических процессов. В нервной ткани обнаружилась выраженная реакция на колебания снабжения мозга кислородом в клетках астроцитах. Оказалось, что выделяемый ими эритропоэтин не только участвует в активации эритропоэза, но и стимулирует миграцию нейробластов в область ишемического повреждения мозга, то есть регенерацию нервной ткани (J. C. Chavez et al., 2006. The Transcriptional Activator Hypoxia Inducible Factor 2 (HIF-2/EPAS-1) Regulates the Oxygen-Dependent Expression of Erythropoietin in Cortical Astrocytes).
Вся система реакций на уровне молекул, клеток и организма включает множественные взаимовлияния, как положительные, так и отрицательные, формирующие разнообразные обратные связи (рис. 5). Весьма примечательно, что в число генов, активируемых фактором HIF, входят гены ферментов гидроксилаз, которые в конечном итоге ограничивают реализацию ответа на гипоксию.
Рис. 5. Общая схема взаимных регуляций компонентов системы реакции на гипоксию. Рисунок из статьи W. G. Kaelin Jr., P. J. Ratcliffe, 2008. Oxygen Sensing by Metazoans: The Central Role of the HIF Hydroxylase Pathway
А при чрезмерно затянувшемся состоянии гипоксии к регуляции подключается p53 — еще один известный супрессор опухолей. В комплексе с белком Mdm2, он связывает HIFα, что приводит опять же к убиквитинированию и протеасомной деградации этого белка. К тому же белок p53 конкурирует c HIF за связывание коактиваторных белков CBP/p300.
Дата добавления: 2019-11-16; просмотров: 97; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!