Faktor induciran hipoksijom

**Faktori inducirani hipoksijom (HIF-ovi)** su transkripcijski faktori koji reaguju na smanjenje dostupnog kisika u ćelijskom okruženju, odnosno na hipoksiju. Također reaguju i na slučajeve pseudohipoksije, poput nedostatka tiamina. I hipoksija i pseudohipoksija dovode do poremećaja u proizvodnji adenozin trifosfata (ATP) u mitohondrijima.

## Otkriće 
HIF transkripcijski kompleks otkrili su 1995. godine Gregg L. Semenza i postdoktorski istraživač Guang Wang. Godine 2016. William Kaelin Jr., Peter J. Ratcliffe i Gregg L. Semenza dobili su Laskerovu nagradu za svoj rad na razjašnjavanju uloge HIF-1 u prepoznavanju kisika i njegove uloge u preživljavanju u uslovima niskog nivoa kisika. Godine 2019. ista trojica zajednički su dobila Nobelovu nagradu za fiziologiju ili medicinu za svoj rad na razjašnjavanju načina na koji HIF prepoznaje i prilagođava ćelijski odgovor dostupnosti kisika.

## Struktura 
Aerobni organizmi izražavaju visoko konzervirani transkripcijski kompleks HIF-1, koji je heterodimer sastavljen od alfa i beta podjedinice, pri čemu je beta podjedinica konstitutivno izražen nuklearni translokator aril-hidrokarbonskog receptora (ARNT). HIF-1 pripada PER-ARNT-SIM (PAS) podfamiliji unutar porodice transkripcijskih faktora sa osnovnim heliks-petlja-heliks (bHLH) motivom. Alfa i beta podjedinica su slične po strukturi i obje sadrže sljedeće domene:

* **N-terminalni kraj** – bHLH domen za vezivanje za DNK
* **Centralni region** – Per-ARNT-Sim (PAS) domen, koji omogućava heterodimerizaciju
* **C-terminalni kraj** – regrutuje koregulatorne proteine uključene u transkripciju

## Članovi 
Sljedeći su članovi ljudske HIF porodice (porodice faktora induciranih hipoksijom):

## Funkcija 
Ekspresija HIF1α u hematopoetskim matičnim ćelijama objašnjava njihovu mirujuću (neaktivnu) prirodu, jer se metabolički održavaju na niskom nivou kako bi se očuvala njihova potencija tokom dugih vremenskih perioda u životnom ciklusu organizma.

HIF signalna kaskada posreduje u djelovanju hipoksije, stanja niske koncentracije kisika, na ćeliju. Hipoksija često sprječava diferencijaciju ćelija. Ipak, hipoksija podstiče formiranje krvnih sudova i igra važnu ulogu u razvoju vaskularnog sistema kod embriona i tumora. Hipoksija u ranama takođe podstiče migraciju keratinocita i obnavljanje epitela. Stoga ne iznenađuje da je modulacija HIF-1 identifikovana kao obećavajući terapijski pristup u liječenju rana.

Općenito, HIF faktori su od ključne važnosti za razvoj. Kod sisara, delecija gena za HIF-1 dovodi do smrti u perinatalnom periodu. Pokazano je da je HIF-1 od presudnog značaja za preživljavanje hondrocita, jer omogućava tim ćelijama prilagođavanje uslovima niskog nivoa kisika unutar rastnih ploča kostiju. HIF takođe ima centralnu ulogu u regulaciji ljudskog metabolizma.

## Mehanizam 
mini|400x400piksel| Nobelova nagrada za fiziologiju ili medicinu 2019: Kako ćelije osjećaju i prilagođavaju se dostupnosti kisika. U normoksičnim uslovima, Hif-1 alfa je hidroksiliran na dva prolinska ostatka. Zatim se povezuje sa VHL-om i označava ubikvitinom, što rezultira proteasomskom degradacijom. U hipoksičnim uslovima, Hif-1 alfa se premešta u ćelijsko jedro i povezuje se sa Hif-1 beta. Ovaj kompleks se zatim veže za HRE regiju DNK, što rezultira transkripcijom gena koji su uključeni u mnoštvo procesa, uključujući eritropoezu, glikolizu i angiogenezu.
Alfa podjedinice HIF-a hidroksiliraju se na konzerviranim prolinskim ostacima pomoću HIF prolin-hidroksilaza, što omogućava njihovo prepoznavanje i ubikvitinaciju od strane VHL E3 ubikvitin ligaze, koja ih označava za brzu razgradnju u proteasomu. Ovo se dešava samo u normoksičnim uslovima. U hipoksičnim uslovima, HIF prolin-hidroksilaza je inhibirana, jer koristi kisik kao kosubstrat.

Inhibicija prenosa elektrona u kompleksu sukcinat dehidrogenaze uslijed mutacija u genima SDHB ili SDHD može izazvati nakupljanje sukcinata koji inhibira HIF prolin-hidroksilazu, stabilizujući HIF-1α. Ovo se naziva pseudohipoksija.

HIF-1, kada je stabilizovan uslovima hipoksije, pojačava ekspresiju nekoliko gena koji omogućavaju preživljavanje u uslovima niskog nivoa kisika. To uključuje enzime glikolize, koji omogućavaju sintezu ATP-a nezavisno od kisika, kao i faktor rasta vaskularnog endotela (VEGF), koji pospješuje angiogenezu. HIF-1 djeluje vezujući se za elemente odgovornih na hipoksiju (HRE) u promotorima koji sadrže sekvencu 5'-RCGTG-3' (gdje je R purin, odnosno A ili G). Studije pokazuju da hipoksija moduliše metilaciju histona i reprogramira hromatin. Ovaj rad je objavljen istovremeno sa radom dobitnika Nobelove nagrade za fiziologiju ili medicinu 2019. godine, Williama Kaelina Jr. Ovo djelo je istaknuto u nezavisnoj uredničkoj napomeni.

Pokazano je da mAKAP (protein koji veže protein kinazu A) organizira E3 ubikvitin ligaze, što utiče na stabilnost i pozicioniranje HIF-1 unutar jedra, na mjestu njegovog djelovanja. Smanjenje nivoa mAKAP-a ili ometanje njegovog usmjeravanja ka području oko jedra (u kardiomiocitima) narušava stabilnost HIF-1 i transkripcijsku aktivaciju gena koji učestvuju u odgovoru na hipoksiju. Ovo sugerira da prostorna organizacija signalnih komponenti osjetljivih na kisik može imati značajnu ulogu u ćelijskom odgovoru na smanjeni nivo kisika.

Napredno znanje o molekularnim regulatornim mehanizmima aktivnosti HIF-1 u hipoksičnim uslovima oštro se razlikuje od oskudnih informacija o mehanističkim i funkcionalnim aspektima regulacije HIF-1 posredovane NF-κB-om u normoksičnim uslovima. Ipak, stabilizacija HIF-1α je zabilježena i u nehipoksičnim uslovima putem još uvijek nepoznatog mehanizma. Pokazano je da je NF-κB (nuklearni faktor κB) direktan modulator ekspresije HIF-1α u prisustvu normalnog pritiska kisika. Studije koje koriste siRNK (mala interferirajuća RNK) za pojedine članove NF-κB pokazale su različite efekte na nivoe HIF-1α mRNK, što ukazuje na to da NF-κB može regulisati bazalnu ekspresiju HIF-1α. Na kraju, pokazano je da, kada se endogeni NF-κB indukuje tretmanom sa TNFα (tumorski nekrotični faktor α), nivoi HIF-1α se takođe mijenjaju na NF-κB-zavisan način. HIF-1 i HIF-2 imaju različite fiziološke uloge. HIF-2 reguliše proizvodnju eritropoetina u odraslom dobu.

### Popravak, regeneracija i podmlađivanje 
U normalnim okolnostima nakon povrede, HIF-1α (hipoksijski-inducibilni faktor 1-alfa) se razgrađuje djelovanjem prolil hidroksilaza (PHD). U junu 2015. godine, naučnici su otkrili da kontinuirano povećanje nivoa HIF-1α putem inhibitora PHD enzima može regenerisati izgubljeno ili oštećeno tkivo kod sisara koji imaju urođeni odgovor na regeneraciju, dok smanjenje HIF-1α kod sisara koji su ranije pokazivali sposobnost regeneracije vodi ka zacjeljivanju uz stvaranje ožiljka. Regulacija HIF-1α može, dakle, ili uključiti ili isključiti ključni mehanizam regeneracije kod sisara.

Jedan od procesa regeneracije u kojem je HIF-1α uključen jeste zacjeljivanje kože. Istraživači sa Medicinskog fakulteta Univerziteta Stanford pokazali su da aktivacija HIF-1α može spriječiti i liječiti hronične rane kod dijabetičnih i starih miševa. Ne samo da su rane kod miševa brže zacijelile, već je i kvalitet nove kože bio bolji od originalne.

Dodatno, opisan je regenerativni učinak modulacije HIF-1α na ćelije stare kože, kao i pomlađujući efekat na kožu lica kod starijih pacijenata. Modulacija HIF-a povezana je i sa povoljnim učinkom na gubitak kose.

Biotehnološka kompanija Tomorrowlabs GmbH, osnovana 2016. u Beču od strane ljekara Dominika Duschera i farmaceuta Dominika Thora, koristi ovaj mehanizam. Na osnovu patentirane aktivne supstance HSF ("HIF-jačajući faktor"), razvijeni su proizvodi koji imaju za cilj promovisati regeneraciju kože i kose.

## Kao terapijska meta 
### Anemija 
Razvijeno je nekoliko lijekova koji djeluju kao selektivni inhibitori HIF prolin-hidroksilaze. Najznačajniji spojevi su: roksadustat (FG-4592), vadadustat (AKB-6548), daprodustat (GSK1278863), desidustat (ZYAN-1) i molidustat (Bay 85-3934), a svi su namijenjeni za oralnu primjenu u liječenju anemije. Drugi značajni spojevi iz ove grupe, koji se koriste u istraživačke svrhe, ali nisu razvijeni za medicinsku upotrebu kod ljudi, uključuju: MK-8617, YC-1, IOX-2, 2-metoksiestradiol, GN-44028, AKB-4924, Bay 87-2243, FG-2216 i FG-4497. Inhibicijom enzima prolin-hidroksilaze povećava se stabilnost HIF-2α u bubrezima, što dovodi do povećane endogene proizvodnje eritropoetina.

Oba spoja kompanije FibroGen dospjela su do II faze kliničkih ispitivanja, ali su ona privremeno obustavljena u maju 2007. godine nakon smrti učesnika ispitivanja koji je uzimao FG-2216 usljed fulminantnog hepatitisa (zatajenja jetre), iako nije jasno da li je smrt zaista bila uzrokovana ovim spojem. Zabrana daljeg testiranja FG-4592 ukinuta je početkom 2008. godine, nakon što je FDA pregledala i odobrila detaljan odgovor kompanije FibroGen. Roksadustat, vadadustat, daprodustat i molidustat su sada svi prošli u III fazu kliničkih ispitivanja za liječenje renalne anemije. Također je pokazano da je hronična upala samoodrživa i da narušava mikrookruženje kao rezultat abnormalno aktivnih transkripcionih faktora. Kao posljedica toga dolazi do poremećaja ravnoteže faktora rasta, hemokina, citokina i reaktivnih kisikovih vrsta (ROS) u ćelijskom miljeu, što zatim stvara osnovu za rast i preživljavanje neophodnu za *de novo* razvoj raka i metastaza. Ovi rezultati imaju brojne implikacije za niz patoloških stanja u kojima su NF-κB i HIF-1 deregulirani, uključujući reumatoidni artritis i tumor. Stoga se smatra da će razumijevanje međusobne komunikacije između ova dva ključna transkripciona faktora, NF-κB i HIF-a, u velikoj mjeri unaprijediti proces razvoja lijekova.

### Neurologija 
Istraživanja provedena na miševima ukazuju da stabilizacija HIF-a putem inhibitora HIF prolil-hidroksilaze poboljšava memoriju povezanu s hipokampusom, najvjerovatnije zahvaljujući povećanoj ekspresiji eritropoetina. Aktivatori HIF puta, poput spoja ML-228, mogu imati neuroprotektivne efekte i predstavljaju potencijalne terapije za moždani udar i povrede kičmene moždine.

### Karcinom bubrežnih ćelija povezan s von Hippel-Lindauovom bolešću 
Belzutifan je inhibitor hipoksijom inducibilnog faktora-2α (HIF-2α) koji se istražuje kao potencijalni lijek za karcinom bubrežnih ćelija povezan s von Hippel–Lindauovom bolešću.

## Reference 
Kategorija:Transkripcijski faktori
Kategorija:Fiziologija
Kategorija:Molekularna biologija
Kategorija:Epigenetika
Kategorija:Geni na hromosomu 2
Kategorija:Geni na hromosomu 19
Kategorija:Geni na hromosomu 14