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HIF1A

El factor inducible por hipoxia 1-alfa , también conocido como HIF-1-alfa , es una subunidad de un factor de transcripción heterodimérico factor inducible por hipoxia 1 ( HIF-1 ) que está codificado por el gen HIF1A . [5] [6] [7] El Premio Nobel de Fisiología o Medicina 2019 fue otorgado por el descubrimiento de HIF.

HIF1A es una proteína que contiene un dominio PAS de hélice-bucle-hélice básica y se considera el regulador transcripcional maestro de la respuesta celular y del desarrollo a la hipoxia . [8] [9] La desregulación y sobreexpresión de HIF1A por hipoxia o alteraciones genéticas se han implicado fuertemente en la biología del cáncer, así como en una serie de otras fisiopatologías, específicamente en áreas de vascularización y angiogénesis , metabolismo energético , supervivencia celular e invasión tumoral. [7] [10] La presencia de HIF1A en un entorno hipóxico es necesaria para impulsar el desarrollo placentario normal en la gestación temprana. [11] Se han identificado otras dos transcripciones alternativas que codifican diferentes isoformas . [7]

Estructura

HIF1 es una estructura básica heterodímera de hélice-bucle-hélice [12] que se compone de HIF1A, la subunidad alfa (esta proteína), y el translocador nuclear del receptor de hidrocarburos arílicos ( Arnt ), la subunidad beta. HIF1A contiene un dominio básico de hélice-bucle-hélice cerca del C-terminal , seguido de dos dominios PAS (PER-ARNT-SIM) distintos y un dominio PAC (C-terminal asociado a PAS). [8] [6] El polipéptido HIF1A también contiene un motivo de señal de localización nuclear, dos dominios transactivadores CTAD y NTAD, y un dominio inhibidor intermedio (ID) que puede reprimir las actividades transcripcionales de CTAD y NTAD. [13] Hay un total de tres isoformas de HIF1A formadas por empalme alternativo, sin embargo, la isoforma 1 ha sido elegida como la estructura canónica y es la isoforma más ampliamente estudiada en estructura y función. [14] [15]

Gen y expresión

El gen humano HIF1A codifica la subunidad alfa, HIF1A del factor de transcripción factor inducible por hipoxia (HIF1). [16] Su nivel de expresión proteica se puede medir mediante anticuerpos contra HIF-1-alfa a través de varios métodos de detección biológica, incluyendo transferencia Western o inmunotinción. [17] El nivel de expresión de HIF1A depende de la activación de su promotor rico en GC. [18] En la mayoría de las células, el gen HIF1A se expresa constitutivamente en niveles bajos en condiciones normóxicas, sin embargo, en hipoxia , la transcripción de HIF1A a menudo se regula positivamente de manera significativa. [18] [19] [20] [21] [22] [23] Por lo general, la vía independiente del oxígeno regula la expresión proteica y la vía dependiente del oxígeno regula la degradación. [10] De manera independiente de la hipoxia, la expresión de HIF1A puede regularse positivamente a través de un mecanismo sensible a redox . [24]

Función

Premio Nobel de Fisiología/Medicina 2019: Detección y adaptación del oxígeno celular mediante Hif-alfa

El factor de transcripción HIF-1 desempeña un papel importante en la respuesta celular a los niveles sistémicos de oxígeno en mamíferos. [25] [26] La actividad de HIF1A está regulada por una serie de modificaciones postraduccionales : hidroxilación , acetilación y fosforilación . [27] Se sabe que HIF-1 induce la transcripción de más de 60 genes, incluidos VEGF y eritropoyetina que están involucrados en procesos biológicos como la angiogénesis y la eritropoyesis , que ayudan a promover y aumentar el suministro de oxígeno a las regiones hipóxicas. [10] [28] [27] HIF-1 también induce la transcripción de genes involucrados en la proliferación y supervivencia celular , así como en el metabolismo de la glucosa y el hierro . [27] De acuerdo con su papel biológico dinámico, HIF-1 responde a los niveles sistémicos de oxígeno experimentando cambios conformacionales y se asocia con regiones HRE de promotores de genes sensibles a la hipoxia para inducir la transcripción. [29] [30] [31] [32] [33]

La estabilidad, la localización subcelular y la actividad transcripcional de HIF1A se ven especialmente afectadas por el nivel de oxígeno. La subunidad alfa forma un heterodímero con la subunidad beta. En condiciones normóxicas , la vía de la ubiquitina proteasa mediada por VHL degrada rápidamente HIF1A; sin embargo, en condiciones de hipoxia, se previene la degradación de la proteína HIF1A y los niveles de HIF1A se acumulan para asociarse con HIF1B para ejercer funciones transcripcionales en genes diana [34] [35] Las enzimas prolil hidroxilasa (PHD) y HIF prolil hidroxilasa (HPH) están involucradas en la modificación postraduccional específica de los residuos de prolina de HIF1A (P402 y P564 dentro del dominio ODD), lo que permite la asociación de VHL con HIF1A. [33] La actividad enzimática de la dioxigenasa sensora de oxígeno PHD depende del nivel de oxígeno, ya que requiere oxígeno como uno de sus principales sustratos para transferirse al residuo de prolina de HIF1A. [30] [36] El residuo de prolina hidroxilada de HIF1A es luego reconocido y enterrado en el núcleo hidrofóbico de la proteína supresora de tumores de von Hippel-Lindau (VHL), que a su vez es parte de una enzima ubiquitina ligasa . [37] [38] Una vez que el HIF1A hidrolizado está enterrado en la proteína VHL, VHL lo transportará a un proteasoma para digerir y destruir HIF1A. Esto evita que HIF1A ingrese al núcleo celular para llevar a cabo la transcripción de muchas vías reguladoras diferentes. Muchas de estas vías son necesarias para el desarrollo placentario adecuado en la gestación temprana. En condiciones normóxicas, el HIF1A se hidroxilará y destruirá, lo que conduce a la necrosis, desorganización y crecimiento excesivo del tejido placentario. [39] [40] La hidroxilación del residuo de prolina HIF1A también regula su capacidad para asociarse con coactivadores en hipoxia. [41] [42] La función del gen HIF1A se puede examinar eficazmente mediante la supresión de ARNi basándose en una validación independiente. [43]

Reparación, regeneración y rejuvenecimiento.

En circunstancias normales, después de una lesión, la HIF1A se degrada por las prolil hidroxilasas (PHD). En junio de 2015, los científicos descubrieron que la regulación positiva continua de HIF1A a través de inhibidores de PHD regenera el tejido perdido o dañado en mamíferos que tienen una respuesta de reparación; y la regulación negativa continua de HIF1A da como resultado la curación con una respuesta de cicatrización en mamíferos con una respuesta regenerativa previa a la pérdida de tejido. El acto de regular HIF1A puede desactivar o activar los procesos clave de la regeneración de los mamíferos. [44] [45] Uno de esos procesos regenerativos en los que participa HIF1A es la regeneración de los nervios periféricos . Después de una lesión axonal, HIF1A activa VEGFA para promover la regeneración y la recuperación funcional. [46] [47] HIF1A también controla la curación de la piel. [48] Investigadores de la Facultad de Medicina de la Universidad de Stanford demostraron que la activación de HIF1A podía prevenir y tratar heridas crónicas en ratones diabéticos y ancianos. No solo las heridas de los ratones sanaron más rápido, sino que la calidad de la nueva piel era incluso mejor que la original. [49] [50] [51] [52] Además, se describió el efecto regenerativo de la modulación de HIF-1A en las células cutáneas envejecidas [53] [54] y se demostró un efecto rejuvenecedor en la piel facial envejecida en pacientes. [55] La modulación de HIF también se ha relacionado con un efecto beneficioso sobre la caída del cabello. [56] La empresa de biotecnología Tomorrowlabs GmbH, fundada en Viena en 2016 por el médico Dominik Duscher y el farmacólogo Dominik Thor, hace uso de este mecanismo. [57] Basándose en el ingrediente activo HSF ("factor de fortalecimiento de HIF") pendiente de patente, se han desarrollado productos que supuestamente promueven la regeneración de la piel y el cabello. [58] [59] [60] [61]

Regulación

La abundancia de HIF1A (y su actividad posterior) está regulada transcripcionalmente de una manera dependiente de NF-κB . [62] [63] Además, la actividad coordinada de las prolil hidroxilasas (PHD) mantiene el equilibrio apropiado de la proteína HIF1A en la fase postraduccional. [64]

Los PHD dependen del hierro, entre otras moléculas, para hidroxilar HIF1A; como tal, los quelantes de hierro como la desferrioxamina (DFO) han demostrado ser exitosos en la estabilización de HIF1A. [65] La HBO ( terapia de oxígeno hiperbárico ) y los imitadores de HIF1A como el cloruro de cobalto también se han utilizado con éxito. [65]

Factores que aumentan el HIF1A [66]

Factores que disminuyen el HIF1A [66]

Papel en el cáncer

La sobreexpresión de HIF1A se encuentra en muchos cánceres humanos. [67] [68] La sobreexpresión de HIF1A está fuertemente implicada en la promoción del crecimiento tumoral y la metástasis a través de su papel en el inicio de la angiogénesis y la regulación del metabolismo celular para superar la hipoxia. [69] La hipoxia promueve la apoptosis tanto en células normales como tumorales. [70] Sin embargo, las condiciones hipóxicas en el microambiente tumoral especialmente, junto con la acumulación de alteraciones genéticas, a menudo contribuyen a la sobreexpresión de HIF1A . [10]

Se ha observado una expresión significativa de HIF1A en la mayoría de los tumores sólidos estudiados, que incluyen cánceres de estómago , colon , mama , páncreas , riñones , próstata , ovario , cerebro y vejiga . [71] [68] [67] Clínicamente, los niveles elevados de HIF1A en varios cánceres, incluidos el cáncer de cuello uterino , el carcinoma de pulmón de células no pequeñas , el cáncer de mama (LV-positivo y negativo), oligodendroglioma , cáncer orofaríngeo , cáncer de ovario , cáncer de endometrio , cáncer de esófago , cáncer de cabeza y cuello , y cáncer de estómago , se han asociado con una progresión tumoral agresiva y, por lo tanto, se ha implicado como un marcador predictivo y pronóstico de resistencia al tratamiento con radiación , quimioterapia y aumento de la mortalidad. [10] [72] [73] [74] [75] [71] [76] La expresión de HIF1A también puede regular la progresión del tumor de mama . Los niveles elevados de HIF1A se pueden detectar en el desarrollo temprano del cáncer, y se han encontrado en el carcinoma ductal temprano in situ , una etapa preinvasiva en el desarrollo del cáncer de mama, y ​​también se asocia con una mayor densidad de microvasculatura en las lesiones tumorales . [77] Además, a pesar de un tumor de mama de bajo grado, negativo para los ganglios linfáticos, determinado histológicamente en un subconjunto de pacientes examinados, la detección de una expresión significativa de HIF1A pudo predecir de forma independiente una respuesta deficiente a la terapia. [69] También se han informado hallazgos similares en estudios de cáncer cerebral y cáncer de ovario, y sugieren un papel regulador de HIF1A en el inicio de la angiogénesis a través de interacciones con factores proangiogénicos como VEGF . [75] [78] Los estudios de glioblastoma multiforme muestran una sorprendente similitud entre el patrón de expresión de HIF1A y el del nivel de transcripción del gen VEGF . [79] [80] Además, los tumores multiformes de glioblastoma de alto grado con un patrón elevado de expresión de VEGF, similar al cáncer de mama con sobreexpresión de HIF1A, muestran signos significativos de neovascularización tumoral . [81]Esto sugiere además el papel regulador de HIF1A en la promoción de la progresión tumoral, probablemente a través de vías de expresión de VEGF inducidas por hipoxia. [80]

[71] La sobreexpresión de HIF1A en tumores también puede ocurrir en una vía independiente de la hipoxia. En el hemangioblastoma, la expresión de HIF1A se encuentra en la mayoría de las células muestreadas del tumor bien vascularizado. [82] Aunque tanto en el carcinoma renal como en el hemangioblastoma, el gen de von Hippel-Lindau está inactivado, HIF1A todavía se expresa en niveles altos. [78] [82] [67] Además de la sobreexpresión de VEGF en respuesta a niveles elevados de HIF1A, la vía PI3K / AKT también está involucrada en el crecimiento del tumor. En los cánceres de próstata, la mutación PTEN que ocurre comúnmente se asocia con la progresión del tumor hacia una etapa agresiva, mayor densidad vascular y angiogénesis. [83]

Durante la hipoxia, la sobreexpresión del supresor tumoral p53 puede estar asociada con la vía dependiente de HIF1A para iniciar la apoptosis. Además, la vía independiente de p53 también puede inducir la apoptosis a través de la vía Bcl-2 . [70] Sin embargo, la sobreexpresión de HIF1A es específica del cáncer y del individuo, y depende de las alteraciones genéticas acompañantes y de los niveles de factores proapoptóticos y antiapoptóticos presentes. Un estudio sobre el cáncer epitelial de ovario muestra que HIF1A y el supresor tumoral no funcional p53 se correlacionan con niveles bajos de apoptosis de células tumorales y un mal pronóstico. [75] Además, los pacientes con cáncer de esófago en etapa temprana con sobreexpresión demostrada de HIF1 y ausencia de expresión de BCL2 también fracasaron con la terapia fotodinámica. [84]

Si bien los esfuerzos de investigación para desarrollar medicamentos terapéuticos dirigidos a las células tumorales asociadas a la hipoxia han estado en curso durante muchos años, aún no ha habido ningún avance que haya demostrado selectividad y eficacia en la focalización de las vías HIF1A para disminuir la progresión tumoral y la angiogénesis. [85] Los enfoques terapéuticos exitosos en el futuro también pueden ser altamente específicos de cada caso para cánceres e individuos particulares, y parece poco probable que sean ampliamente aplicables debido a la naturaleza genéticamente heterogénea de los muchos tipos y subtipos de cáncer.

Interacciones

Se ha demostrado que HIF1A interactúa con:

Véase también

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