Nobel Ödüllü Keşif HIF Proteini
Başak YERLİ, Sakaya Üniversitesi Tıp Fakültesi
Hipoksi İle İndüklenen Faktör
Hipoksik koşullarda yaşamlarını sürdürebilmek için hücreler anjiogenezi, demir metabolizmasını, glikoz metabolizmasını, hücre proliferasyon ve sağ kalımını kontrol eden bir seri genin transkripsiyonuna gerek duyar. Bu hücreler tarafından hipoksik koşullarda sentezlenen bir transkripsiyon faktörü olan“hipoksi ile indüklenen faktör (HIF)” proteini, hedef genlerin enhancer bölgesinde bulunan ve hipoksiye cevap elementi (HRE) olarak tanımlanan 5’-(A/G)CGTG-3’ dizisine bağlanarak ifade edilmelerini sağlamaktadır.(1)
Bugüne kadar tanımlanmış üç tip HIF proteini vardır: HIF-1, HIF-2 ve HIF-3. Her üç protein de dimerik yapıya sahip ökaryotik transkripsiyon faktörleridir. Proteinlerin α-alt üniteleri birbirinden farklılık gösterirken (HIF-1α, HIF-2α, ve HIF-3α); β-alt üniteleri birbirinin aynı (ARNT) yapıdadır. Dokularda hipoksiye karşı ilk 24 saatten daha kısa bir süre içinde gelişen hızlı cevabı HIF-1α koordine etmektedir.(2)
Hipoksi genellikle solid tümör, miyokard enfaktüsü ve inflamasyonda patofizyolojik bir durum olarak ortaya çıkarken; embriyonik gelişim sırasında ve egzersiz yapan kaslarda fizyolojik bir durumdur. Oksijene bağımlı regülasyonu gerçekleşen HIF-1, insan genomundaki tüm genlerin direkt veya indirekt ana düzenleyicidir. Oksijen seviyeleri tüm hücre tiplerinde ifade edilen heterodimek yapıdaki HIF-1 transkripsiyon faktörü proteinin alfa alt ünitesinin stabilizasyonunu, hücre içi lokalizasyonunu ve transkripsiyonunu etkilerken; beta alt birimi yapısal olarak ifade edilmekte ve oksijen seviyelerinden etkilenmemektedir. Hidroksilasyon, asetilasyon, fosforilasyon ve degredasyon gibi birçok adımla stabilizasyonu gerçekleşen alfa alt ünitesi; anjiogenez, karbonhidrat metabolizması ve inflamasyon üzerindeki etkileri nedeniyle hipoksideki gerçek belirteç görevini üstlenmektedir.(3)
Hipokside (HIF-1), tümörlerin anjiyogenezinde ve memeli gelişiminde önemli rol oynayan oksijene bağımlı transkripsiyonel aktivatördür. HIF-1a'nın stabilitesi ve aktivitesi çeşitli çeviri sonrası modifikasyonlar, hidroksilasyon, asetilasyon ve fosforilasyon ile düzenlenir.Bu nedenle HIF-1a PHD, pVHL, ARD-1 ve p300/CBP gibi çeşitli protein faktörleri ile etkileşime girmektedir.(4)
Normoksik durumlarda HIF-1a ya iki prolil kalıntısının hidroksilasyonu ile lizin kalıntısının asetilasyonu HIF-1a ile VHL-ubikitin ligaz kompleksinin etkileşime girmesine ve HIF-1A’ nın proteozom tarafından parçalanmasına yol açar.
Hipoksi durumunda, HIF-1a alt birimi kararlı hale gelir ve transkripsiyonel aktivitesini modüle etmek için p300/CBP gibi koaktivatörlerle etkileşime girer. Sonunda, HIF-1 hipoksik koşullar altında çok sayıda hipoksi indükleyici genlerin ana düzenleyici olarak hareket eder. HIF-1'in hedef genleri özellikle anjiyogenez, hücre proliferasyonu/sağkalım ve glikoz/demir metabolizması ile ilişkilidir. Ayrıca HIF-1a aktivasyonunun çeşitli tümörler ve onkojenik yollar ile yakından ilişkili olduğu bildirilmiştir.
Kanserin ilerlemesinde HIF-1’in rolüne ait bilgiler, insan kanser biyopsi örnekleri ve deney hayvanları çalışmalarına dayanır. İmmünohistokimyasal analizler ile HIF-1’in kolon, meme, akciğer, over, prostat, deri ve mide dahil olmak üzere birçok insan malign kanserlerinde aşırı ekspresyonu gösterilmiştir. Daha da ötesi, meme ve kolon kanser metastazlarının pek çoğunda HIF-1alfa birikimi saptanmıştır.(5,6) Bu görüş yetersiz HIF-1alfa’ya sahip fare ve insan kanser hücre serilerinde yapılan deneylerle desteklenmiştir. HIF-1alfa protein seviyelerinin çeşitli kanserlerde, yeni tedavi stratejileri planlanırken bir biyomarkır olarak kullanılabileceği öne sürülmüştür.(7,8)
Yeni kan damarlarının oluşumu, anjiyogenez, gelişim ve hastalık sırasında önemli bir süreçtir. Anjiyogenez tümör büyümesi ve ilerlemesinde önemli bir adım olarak bilinir. Anjiyogenez hipoksik koşullarla da indüklenir ve HIF-1 tarafından düzenlenir. HIF-1 ekspresyonu majör HIF-1 hedef geni, vasküler endotel hücre büyüme faktörü (VEGF) indüksiyonu sonucu hipoksiye bağlı anjiyogenez ile ilişkilidir.
Bu nedenle, HIF-1a ile etkileşerek bloke eden proteinler tümör büyümesini inhibe eder.Bu bulgulara dayanarak, HIF-1 antikanser tedavileri için bir ana hedef olabilir.(9)
HIF-1α proteininin normoksik koşullarda sentezi ve stabilizasyonu
HIF-1 stabilizasyonu ve aktivasyonunda esas rolü oksijen miktarı oynamasına rağmen cevabın şiddeti büyüme faktörüne dayalı sinyal yolaklarından olan Ras/Raf/MAPK ve PI3K/Akt/mTOR tarafından ayarlanmaktadır. Bu yolaklar hipoksiden bağımsız olarak normoksik koşullarda HIF-1 aktivitesi üzerinde etkilidirler (10).
Hücresel boyutta hipoksiye maruz kalmak proliferasyon üzerinde ani ve geri dönüşümlü bir etki oluşturur. Replikonlar genişlemeyi birkaç dakikalığına bırakarak G1/S fazı duraksamasına neden olurken, tekrar normoksik koşullara geri dönüldüğünde yine birkaç dakika içinde eski işleyiş devam eder. Hipoksiye cevaben oluşan G1/S duraksaması p53 tümör supressör gen aracılığıyla olmaktadır. Normoksik koşullarda p53 hücrelerde bir ubikitin-ligaz olan HDM2 tarafından degredasyona uğratılarak minimum düzeyde tutulur.
Hipoksik koşullarda ise HIF-1 e dayalı stabilizasyonu nedeniyle hücrelerde p53 ve p53’e
bağımlı genlerin seviyesi artar. Hipoksi p53’ün seviyesini HDM2’nin aşağı regülasyonu ile arttırır. Ekstrem hipoksik durumlarda hücre o anda S fazında ise p53 birikimi sınırlanır. Bu grup hücrelerde yığılma p53 üzerindeki Serin15’in ATR- bağımlı fosforilasyonu aracılığıyla gerçekleşir.
Reoksijenlenmede ise bir miktar DNA hasarının oluştuğu ve p53’ün bu kez ATM-bağımlı fosforilasyonunun ve diğer ATM hedeflerinin fosforilasyonunun gerçekleştiği bildirilmektedir. Bu durum hem ATR hem de ATM’nin solid tümörlerdeki hipoksik durumlarda kritik bir cevap oluşturduklarını ortaya koymaktadır.(10)
Şiddetli ve uzun hipoksi durumu apopitozu başlatabilirken, akut ve orta şiddetli hipoksilerde hücreler çevresel strese adapte olarak yaşamlarını sürdürebilirler. Hipoksi durumunda replikasyon duraksar, ATR uyarılır ve p53 fosfatlanarak hücre apopitoza sevk edilir. Yeniden oksijenlemede kısmi bir DNA hasarı oluşabilir ve sonucunda ATM uyarılır ve yine p53 fosfatlanarak hücre apopitoza sevk edilir. Her iki durumda da eğer P53 mutasyonu veya kaybı söz konusu ise hipoksiye tolerans gelişir.(10)
Kaynakçalar
1- Wang GL, Jiang BH, Rue EA, Semenza GL.
Hypoxia-inducible factor 1 is a basic-helix-loop- helix-PAS heterodimer regulated by cellular O2
tension. Proc Natl Acad Sci USA 1995;92:5510–4.
2- Koh MY, Powis G. Passing the button: the HIF swich. Trends in Biochemical Sciences 2012; 37(9):364-72.
3- Schmid T, Zhou J, Brüne HIF-1 and p53: communication of transcription factors under hypoxia. Journal of Cellular and Molecular
Medicine 2004;8(4):423-31.
4- Lee JW, Bae SH, Jeong JW, Kim SH, Kim KW. Hypoxia-inducible factor
(HIF-1)alpha: its protein stability and biological functions. Exp Mol Med. 2004
Feb 29;36(1):1-12. Review. PubMed PMID: 15031665.
5- Bruick RK, McKnight SL. A conserved family of prolyl-4-hydroxylases that modify HIF. Science 2001; 294: 1337-1340.
6- Brusselmans K, Bono F, Maxwell P, Dor Y, Dewerchin M, Collen D, Herbert JM, Carmeliet P. Hypoxia-inducible factor 2-α (HIF-2α) is involved in the apoptotic response to hypoglycemia but not to hypoxia. J Biol Chem 2001; 276: 39192-39196.
7- Chen C, Pore N, Behrooz A, Ismail-Beigi F, Maity A. Regulation of glut1 mRNA by hypoxia-inducible factor-1. Interaction between H-ras and hypoxia. J Biol Chem 2001; 276: 9519-9525.
8- Conway EM, Collen D, Carmeliet P. Molecular mechanisms of blood vessel growth. Cardiovasc Res 2001; 49: 507-521.
9- Hypoxia-induced angiogenesis during carcinogenesis.
Choi KS, Bae MK, Jeong JW, Moon HE, Kim KW.
J Biochem Mol Biol. 2003 Jan 31;36(1):120-7.
10- Paez JG, Sellers WR. PI3K/PTEN/AKT pathway. Cancer Treat Res 2003;115:145-67.