Hüpoksiast indutseeritud faktor

Hüpoksiast indutseeritud faktor (HIF) on transkriptsioonifaktorite alla kuuluv valkude perekonna liige, mille sisaldus rakkudes suureneb hapnikuvaeguse (hüpoksia) tingimustes ning mis vahendab rakkude vastust vähendatud hapnikusisaldusele keskkonnas, käivitades erinevate geenide avaldumist. Näiteks osaleb HIF rakkude ainevahetuse ümberlülitamisel oksüdatiivsest fosforüülimisest anaeroobsele glükolüüsile (tõstes glükoosi transporterite ja glükolüüsis osalevate ensüümide ekspressiooni), stimuleerib angiogeneesi (tõstes vaskulaarse endoteeli kasvufaktorite ja nende retseptorite ekspressiooni) ja tõhustab vereloomet (tõstes hormooni erütropoetiini ekspressiooni).
HIF avastamise eest said teadlased William Kaelin Jr, Peter Ratcliffe ja Gregg Semenza 2019. aastal Nobeli auhinna füsioloogia või meditsiini alal.
HIF-tüüpi valgud on olemas kõigis loomades, kuid allpool on need vaadeldud detailsemalt inimorganismi kontekstis. Lühendit HIF ei tohiks segamini ajada sarnase lühendiga HIV, mis tähistab inimese immuunpuudulikkuse viirust.
HIF struktuur ning hapnikutundlikkuse mehhanism.
HIF funktsioneerib heterodimeerina, koosnedes alfa-alaühikust ja beeta-alaühikust (viimast nimetatakse ka arüülsüsivesinike retseptori tuumalokalisatsiooni vahendajaks, ingl k "aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator" ehk ARNT). Inimese genoomis on teadaolevalt kodeeritud kokku kolm HIF alfa-alaühikut (geenid "HIF1A", "HIF3A" ja "EPAS1") ja kaks HIF beeta-alaühikut (geenid "ARNT" ja "ARNT2"), kuigi mõningate uuringute kohaselt eksisteerivad ka oluliselt vähem uuritud HIF beeta-alaühikud "ARNT3" ja "ARNT4".
Alfa- ja beeta-alaühikute üldine struktuur on suhteliselt sarnane. Mõlema valgu N-terminaalis paikneb nn nukleaarse lokalisatsiooni signaal (NLS) ning sellele järgnevad domeenid, mis vastutavad heterodimeeri moodustumise ja DNA-ga seondumise eest. Valkude C-terminaalis paiknevad aga domeenid, mis aitavad siduda teisi regulatoorseid valke, abistamaks transkriptsiooni käivitumist. HIF alfa-alaühikus sisaldub lisaks nn hapniksõltuv degradeerimisdomeen (ingl k "oxygen-dependent degradation domain" ehk ODDD), mis tingib alfa-alaühiku lagundamist hapnikurikkas keskkonnas. Seevastu HIF beeta-alaühikus selline domeen puudub ning beeta-alaühik on püsiv ka hapniku juuresolekul.
HIF alfa-alaühiku lagundamiseks on vajalik mitme ensüümi koostöö. Kõigepealt toimub alfa-alaühiku ODDD-s proliinijäägi hüdroksüülimine, mida katalüüsib ensüüm HIFi prolüül-hüdroksülaas (PHD2) ning mis vajab reaktsiooni ühe lähteainena lihtainelist hapnikku. Selle modifikatsiooni tulemusena muutub HIF alfa-alaühik äratuntavaks nn von Hippel-Lindau kasvaja supressorvalgu jaoks (VHL). VHL kuulub suurema kompleksi koosseisu, mis sisaldab lisaks valke elongiin B, elongiin C ja kulliin-2. See kompleks tervikuna käitub ubikvitiini ligaasina, katalüüsides HIF alfa-alaühiku ubikvitinüülimist. Ubikvitiin omab elusrakkudes märgise rolli, mida omakorda tuvastavad rakusisesed valkude degradatsiooni eest vastutavad mehhanismid. Seega toimub kokkuvõttes hapnikurikkas keskkonnas HIF alfa-alaühiku pidev suunamine lagundamisse proteaaside poolt, mistõttu HIF heterodimeer ei saa moodustuda. Lisaks sellele „kanoonilisele“ mehhanismile eksisteerivad HIF aktiivsuse pärssimiseks hapnikurikkas keskkonnas ka muud viisid, kus mängivad rolli sekundaarsed virgatsained, kofaktorid ja hapnikku sisaldavad reaktiivsed osakesed.
Heterodimeerne aktiivne HIF seondub DNAs nukleotiidijärjestusele 5'-RCGTG-3' (kus R on puriin, enamasti adeniin), mida nimetatakse ka hüpoksiale reageerivaks elemendiks (ingl k "hypoxia response element" ehk HRE). Inimese genoomis sisaldub HRE enam kui 100 geeni promootoralas, käivitades vastusena vähendatud hapnikusisaldusele keskkonnas vereloome, angiogeneesi, glükolüüsi, kartsinogeneesi ja teiste normaalsete või patoloogiliste protsessidega seotud geenide avaldumist.
HIF seos haigustega.
Kuna HIF reageerimine hapnikusisaldusele keskkonnas on vahetult põimunud teiste valkude tööga (sealhulgas PDH2 ja VHL), siis sageli on HIFiga seotud patoloogiate mehhanism tingitud just inaktiveerivatest mutatsioonidest "PDH2" ja eriti "VHL" geenides.
Näiteks on selliseid mutatsioone kirjeldatud päriliku polütsüteemia korral (haiguste rühm, mille puhul toimub erütrotsüütide anomaalne ületootmine, mis omakorda tõstab vere viskoossust). Nimelt stimuleerib erütrotsüütide tootmist hormoon erütropoetiin, mille ekspressioon neerudes käivitub terves organismis HIF vahendusel vastusena hüpoksiale. Inaktiveerivad mutatsioonid geenides "PDH2" ja "VHL" või aktiveerivad mutatsioonid geenis "HIF2A" põhjustavad HIF-tüüpi signaaliraja aktiveerumist ka väljaspool hüpoksia konteksti, mis viibki kokkuvõttes EPO ületootmiseni.
"VHL" inaktiveerivad mutatsioonid on seotud ka nn von Hippel-Lindau sündroomiga – see on haruldane geneetiline häire, mille puhul patsientidel tekivad tsüstid ja healoomulised kasvajad mitmetes kehapiirkondades. Lisaks tõstab von Hippel-Lindau sündroom neeruvähi tekke riski. Ka need sümptomid on seotud HIF-tüüpi valkude anomaalselt kõrge aktiivsusega, mis panustavad kasvajate tekkesse ja arengusse näiteks angiogeneesi (veresoonte võrgustiku teke) stimuleerimise kaudu või vähirakkude ainevahetuse „ümberlülitamise“ kaudu, mis võimaldab vähirakkudel hüpoksia tingimustes paremini ellu jääda (nn Warburgi efekt). Seepärast pakuvad HIF-tüüpi valgud suurt huvi onkoteraapia sihtmärkidena ning HIF1A ja HIF2A inhibiitorid on jõudnud kliinilistesse katsetuste eri etappidesse. 2024. aasta novembri seisuga on kliinilises kasutuses siiski vaid üks HIF-tüüpi valkudele suunatud inhibiitor – belzutifan, mida kasutatakse von Hippel-Lindau sündroomist tingitud neeruvähi raviks.