Interaction of HIF1a with heat shock proteins HSP90 and HSP70 in the cerebral cortex during hypoxia
Authors: Кирова Ю.И. , Германова Э.Л. 
Published: December 2020

Цель исследования: изучить динамику экспрессии HIF1a, HSP90 и HSP70 в коре головного мозга (КГМ) крыс с генетически детерминированными различиями в толерантности к дефициту кислорода при воздействиях гипобарической гипоксии разной тяжести, продолжительности и кратности. Методика. Работа выполнена на самцах белых беспородных крыс, типированных по чувствительности к острой гипобарической гипоксии, моделируемой в барокамере (3% О; 190 мм рт.ст.; 11,5 тыс. м). Гипобарическую гипоксию (ГБГ) разной тяжести моделировали в барокамере проточного типа. Давление в камере соответствовало «высотам»: 3000 м (14% О, 526 мм рт.ст.), 5000 м (10% О, 380 мм рт.ст.), 7000 м (8% О, 290 мм рт.ст.). Продолжительность экспозиции при однократном воздействии варьировала от 15 мин до 4 ч (15, 30, 45, 60 мин; 2, 4 ч), при курсовом применении ГБГ (ежедневные сеансы, 20 сут.) - 60 мин. С помощью вестерн-блоттинга определяли содержание HSP90 и HSP70 в цитоплазматическом экстракте, а HIF1a - в ядерном экстракте КГМ. Результаты. Впервые показано, что уровень базовой экспрессии HIF1a и HSP90 в условиях нормоксии выше в КГМ неустойчивых к гипоксии крыс в сравнении с устойчивыми, что указывает на высокую значимость HIF1a-HSP90-зависимых механизмов в поддержании кислородного гомеостаза КГМ низкорезистентных к гипоксии крыс в условиях физиологической нормы. Полученные данные впервые демонстрируют, что в условиях гипоксии разной тяжести и продолжительности сопряженно меняется паттерн срочной экспрессии HSP90 и HIF1a в КГМ - от индукции в условиях гипоксии слабой (14% О, 526 мм рт. ст.) и средней тяжести (10% О, 380 мм рт. ст.) до супрессии в условиях тяжелой гипоксии (8% О, 290 мм рт. ст.). При курсовом применении неповреждающей гипоксии (10% О/14% О, 60 мин, 20 сут.) прогрессирующее увеличение содержания HIF1a в КГМ сопровождается подавлением экспрессии HSP90 и HSP70, что свидетельствует о возможной отрицательной регуляции со стороны HIF1. Данные исследования динамики экспрессии HIF1a, HSP90 и HSP70 при однократном и многократном применении неповреждающей гипоксии позволяют заключить, что для индукции HIF1a-HSP90-зависимых механизмов адаптации необходимо применять короткие курсы (3-8 сут.) часовых гипоксических воздействий средней тяжести. Тяжелая гипоксия при многократном применении вызывает устойчивое подавление экспрессии HSP90, HSP70 и HIF1a в КГМ и срыв HIF1a-HSP90-зависимых механизмов адаптации к дефициту кислорода. Заключение. Применение разных режимов гипобарической гипоксии представляет собой потенциальный подход модуляции стабильности комплекса HIF1a-HSP90 и эффективности HIF1-зависимых механизмов адаптации к дефициту кислорода.

The aim of the study was to investigate the dynamics of expression of HIF1a, HSP90 and HSP70 in the cerebral cortex (CC) of rats with genetically determined differences in tolerance to oxygen shortage in hypobaric hypoxia of different severity, duration and multiplicity. Methods. The study was conducted on white mongrel male rats, divided into groups by sensitivity to acute hypobaric hypoxia (3% O, 190 mm Hg, 11.5 km). Hypobaric hypoxia (HBH) of different severity was modeled in a flow-type altitude chamber. The pressure in the chamber simulated “altitudes” of 3,000 m (14% O, 526 mm Hg), 5,000 m (10% O, 380 mm Hg), and 7,000 m (8% O, 290 mm Hg). Duration of a single exposure varied from 15 min to 4 h (15, 30, 45, 60 min, 2, and 4 h), and each exposure in an HBH course (daily sessions, 20 days) lasted for 60 min. Contents of HSP90 and HSP70 were measured in the CC cytoplasmic extract and content of HIF1a - in the CC nuclear extract using Western blotting. Results. The study showed for the first time that the baseline expression of HIF1a and HSP90 in normoxia was higher in CC of hypoxia low-resistance (LR) rats than in high-resistance rats, which indicated a high significance of HIF1a-HSP90-dependent mechanisms in maintaining CC oxygen homeostasis in LR rats under normal physiological conditions. In hypoxia of different severity and duration, the pattern of urgent expression of HSP90 and HIF1a changed from induction in mild (14% O, 526 mm Hg) and moderate (10% O, 380 mm Hg) hypoxia to suppression in severe hypoxia (8% O, 290 mm Hg). During the course of repeated, non-damaging hypoxia (10% O/14% O, 60 min, 20 days), a progressive increase in the content of HIF1a was associated with depressed expression of HSP90 and HSP70, which suggested a possible negative regulation by HIF1. Studying changes in HIF1a, HSP90 and HSP70 expression during single and repeated exposures to non-damaging hypoxia suggested that short courses (3-8 days) of moderate 60-min hypoxic exposures could be used to induce HIF1a-HSP90-dependent adaptive mechanisms. Repeated severe hypoxia caused a steady suppression of HSP90, HSP70 and HIF1a expression and failure of HIF1a-HSP90-dependent mechanisms of adaptation to oxygen deficiency. Conclusion. Using different modes of hypobaric hypoxia is a potential approach to modulation of HIF1a-HSP90 complex stability and effectiveness of HIF1-dependent mechanisms of adaptation to oxygen deficiency.