La resposta a l'estrès hipòxic són un conjunt de modificacions a nivell transcripcional que pateixen les cèl·lules davant de l'estrès hipòxic. Donada l'exposició de les cèl·lules a ambients pobres en oxigen, on la concentració és inferior a l'òptima, aquestes no poden dur a terme els processos fisiològics amb normalitat.
Com a conseqüència, s'inicia aquesta cascada de senyals dirigida per una família de factors de transcripció anomenats factors induïbles per hipòxia (HIF). Durant aquest procés, HIF s'estabilitza i es transloca al nucli per interaccionar amb motius específics de l'ADN, elements de resposta a la hipòxia (HRE), i dur a terme la transcripció de gens concrets.
Aquesta resposta es dona en mutlitud de procesos, ja que en tot procés de proliferació cel·lular es donen situacions d'hipòxia, ja sigui en un procés fisiològic com l'embriogènesi o en un patològic com el càncer. Tot i així, en aquest darrer cas la resposta es desregula i s'allunya de l'homeòstasi. En el cas dels tumors sòlids, la ràpida proliferació cel·lular causa limitacions en la difusió de l'oxigen, fet que genera un estrès hipòxic al que aquestes cèl·lules es poden adaptar i afavorir la seva supervivència. Per aquest motiu, també tractem la relació de HIF amb aquesta patologia, entre d'altres, i estratègies terapèutiques que s'han desenvolupat.
Paper de l'oxigen L'oxigen (O2) és essencial per al manteniment de l'equilibri fisiològic, satisfent les necessitats metabòliques i bioenergètiques dels sistemes biològics. En situacions de normòxia, on la pressió parcial d'oxigen és adequada, participa en la respiració cel·lular dels organismes aeròbics i és utilitzat als mitocondris per obtenir energia durant la fosforilació oxidativa.
Mitjançant l'oxidació de biomolècules, es genera ATP i altres productes metabòlics que són alliberats al medi. L'oxigen necessari per a aquest procés difon dels pulmons a la sang, on s'uneix a l'hemoglobina dels eritròcits i és transportat cap als teixits perifèrics pel torrent sanguini. Els nivells d'oxigen també regulen el flux sanguini i produeixen respostes de vasodilatació i vasoconstricció per garantir un subministrament adequat i continu de la molècula. En conseqüència, la normòxia assegura el funcionament òptim d'òrgans i teixits, especialment del sistema cardiovascular, respiratori i nerviós.
En condicions d'oxigen inferiors a les necessàries, l'organisme pateix episodis d'hipòxia. Davant de l'estrès hipòxic, s'activen diverses vies i mecanismes de resposta adaptatius per revertir la condició. Aquests processos permeten disminuir el consum energètic per aconseguir una inhibició ràpida de la síntesi proteica, aturar temporalment el cicle cel·lular, augmentar els factors de supervivència i proangiogènics i activar la reprogramació metabòlica.
Factor induïble d'hipòxia (HIF) miniatura|Subunitat HIF1-α del factor de transcripció HIF. En mamífers, la resposta transcripcional primària a l'estrès hipòxic està mediada pels factors induïbles d'hipòxia (HIF).
Els HIF són factors de transcripció de la família dels bHLH que actuen com a heterodímers obligats, és a dir, el complex funcional està format per dues subunitats diferents. En concret, estan formats per una subunitat i una subunitat , encara que existeixen 3 isoformes d'HIFα: HIF1α, HIF2α (també coneguts com a EPAS1) i HIF3α (o IPAS). HIF1α s'expressa en totes les cèl·lules, mentre que HIF2α i HIF3α només ho fan selectivament en alguns teixits incloent cèl·lules endotelials vasculars, pneumòcits tipus II, cèl·lules intersticials renals, cèl·lules parenquimals hepàtiques i cèl·lules de la línia mieloide.
Les subunitats HIFα dimeritzen amb les subunitats estables HIF1β a través dels dominis HLH i PAS. Després, els heterodímers HIF reconeixen i s'uneixen als elements de resposta a la hipòxia del genoma (HREs), similars als motius de lE-box i amb una seqüència consens de DNA [G/A]CGTG.
Vies específiques En condicions de normòxia, les HIFα són hidroxilades i degradades al proteosoma. En conseqüència, la proteïna s'inactiva i no pot induir la transcripció de gens de resposta a l'estrès hipòxic. En canvi, en situacions d'hipòxia, les hidroxilases no poden actuar eficientment degut a l'absència d'oxigen i l'HIFα no hidroxilat restant pot interaccionar amb HIFβ, dirigir-se al nucli i activar la transcripció de gens que indueixen l'angiogènesi i la reprogramació metabòlica.
Així doncs, s'activa una resposta protectora per mantenir l'obtenció d'energia i reduir la producció de ROS mitjançant la reprogramació metabòlica. L'oxigen actua com a acceptor final d'electrons en la fosforilació oxidativa, de manera que una adaptació a la hipòxia consisteix en el canvi del metabolisme cap a formes no oxidatives com la glicòlisi anaeròbica.
HIF1α dirigeix aquesta reprogramació promovent l'expressió de transportadors de glucosa (GLUT1, GLUT3), enzims glicolítics i LDHA (lactat deshidrogenasa A), així com inhibint la piruvat deshidrogenasa i el cicle de Krebs. També s'estimula l'emmagatzematge de lípids i s'inhibeix el catabolisme d'aquests.
Pel que fa a l'efecte sobre els mitocondris, es produeix una inhibició de la biogènesi mitocondrial i una activació de la mitofàgia (BNIP3, BNIP3L, NIX), procés específic de l'autofagia que consisteix en l'eliminació selectiva de mitocondris. A més a més, s'observa una reducció de ROS i l'augment de la supervivència en situacions d'hipòxia.
HIF1α i HIF2α també promouen l'expressió de gens angiogènics en teixits isquèmics, especialment de VEGF (Vascular Endothelial Growth Factor) en cèl·lules parenquimals. Aquest factor se secreta i difón fins a actuar sobre les cèl·lules diana: cèl·lules endotelials, perícits, macròfags... Permet induir la proliferació de les cèl·lules endotelials, la degradació de la matriu extracel·lular per permetre la migració i, sobretot, el reclutament de precursors sanguinis per formar nous vasos a la regió hipòxica.
Vies no específiques Aquests esdeveniments es coordinen amb diverses vies cel·lulars, incloent la resposta a proteïnes mal plegades (UPR, Unfolded Protein Response), la senyalització mTOR i NFkB. Aquests efectors també influeixen en la supervivència cel·lular, l'angiogènesi, el metabolisme i les respostes inflamatòries, alhora que regulen l'expressió gènica i modulen la traducció i degradació de proteïnes.
UPR La resposta a proteïnes mal plegades (UPR) s'activa quan la capacitat de plegament al reticle endoplasmàtic és insuficient, el que provoca l'acumulació de proteïnes en forma d'agregats. Aquest procés és habitual durant situacions d'hipòxia, ja que la manca d'oxigen pot afectar negativament el plegament d'aquestes. La UPR permet disminuir la síntesi de noves proteïnes i l'entrada d'aquestes al reticle, així com augmentar la capacitat de degradació de proteïnes mal plegades i la quantitat de reticle.
És una resposta principalment transcripcional on participen 3 branques que poden actuar en paral·lel i que activen factors de transcripció B-zip: ATF6, PERK i IRE1. Cal destacar que PERK i IRE1 també presenten altres efectes no transcripcionals, com la disminució d'mRNA per evitar més errors. Si es recuperen les condicions adequades la cèl·lula retorna a l'homeòstasi, mentre que si l'estrès és irreparable es produeix l'apoptosi.
mTOR mTOR (Mammalian Target of Rapamycin) és una serina/treonina quinasa molt conservada en eucariotes que pot formar el complex 1 (mTORC1) o 2 (mTORC2). mTORC1 és un activador ubic i constitutiu de la síntesi proteica amb un paper important en l'estrès metabòlic, mentre que mTORC2 promou l'activació del receptor de la insulina i d'IGF1.
En condicions de normòxia, mTOR s'activa i participa en la regulació del creixement cel·lular, la proliferació i el metabolisme en resposta a senyals ambientals i nutricionals. D'altra banda, durant episodis d'hipòxia l'activitat de mTOR s'inhibeix, suprimint també la síntesi proteica per conservar l'energia i adaptar-se a la baixa disponibilitat d'oxigen. Alhora, pot regular la traducció de HIF i altres proteïnes involucrades en l'adaptació a la hipòxia.
NFkB NFkB és un heterodímer format per p50 i p65 amb un paper important en la regulació de l'expressió de gens implicats en respostes inflamatòries, immunològiques, de supervivència cel·lular i de desenvolupament. Generalment es troba al citoplasma unit a la proteïna inhibidora IkB, encara que davant d'estressos cel·lulars (sobretot oxidatiu) s'allibera i es transloca al nucli.
En situacions d'estrès hipòxic, es produeixen diverses respostes adaptatives que poden activar NFkB. Destaca l'activació de citoquines proinflamatòries (TNF-α, IL-1), canvis en l'equilibri redox a causa de la generació de ROS o la interacció, positiva o negativa, amb altres vies com HIF.
Mecanismes de regulació de HIFα El principal mecanisme de regulació de HIFα en condicions de normòxia, on la concentració d'oxigen de l'ambient és adient, consisteix en un seguit d'hidroxilacions en residus ben conservats de la proteïna. Les hidroxilacions poden donar-se en residus de prolina o asparagina segons el tipus d'enzim que intervingui, PHDs o FIH1.
Els enzims PHDs i FIH1 són dos tipus de dioxigenases que pertanyen a la superfamília d'oxigenases dependents de Fe(II) i 2-oxoglutarat, funció la qual depèn de la concentració d'oxigen, ja que l'oxigen molecular és un cosubstrat. Per tant, en absència d'oxigen la seva reacció no es pot dur a terme.
En poques paraules, els enzims s'anomenen dioxigenases ja que incorporen els dos àtoms de l'oxigen molecular (O2) en els participants de la reacció: un dels àtoms s'utilitza en la descarboxilació oxidativa del α-cetoglutarat (o 8-oxoglutarat) per donar succinat i CO2, mentre que l'altre àtom s'incorpora en residus específics de HIFα.
Ambdues proteïnes tenen com a objectiu evitar la heterodimerització de les dues subunitats que conformen HIF en base a la inactivació de HIF1α.
PHDs miniatura|350x350px|Mecanismes de regulació de HIF1α.En la figura es poden veure representats els mecanismes de regulació de HIF1α que s'expliquen en l'apartat, a més de cofactors i inhibidors que modulen el procés. Els membres de la família de "prolyl hydroxylase domain" (PHD), o també coneguda com EgIN o HPH, tenen la funció d'hidroxilar la subunitat HIF1α en normòxia. Aquesta reacció consisteix en incorporar un àtom d'oxigen per tal de modificar la forma de la proteïna. La hidroxilació es duu a terme en un o ambdós residus ben conservats de prolina que estan situats en el domini de transactivació situat a l'extrem N-terminal.
La reacció provoca un canvi conformacional en l'estructura tridimensional de la proteïna que comporta la formació d'un nou lloc d'unió amb el que interacciona una E3 ubiquitin ligasa, von Hippel-Lindau (pVHL). Com a resultat, HIF1α es poliubiquitinitza per ser degradat via proteosomal, ja que les E3 ubiquitin ligases són enzims que formen part del complex d'ubiquitinització i tenen la funció de reconèixer el substrat específic a degradar al proteasoma.
D'aquesta manera, s'evita que les dues subunitats de HIF interaccionin i tingui lloc la seva activitat transcripcional en condicions normals d'oxigen.
Per altra banda, en situacions d'hipòxia la taxa d'hidroxilació de HIF1α disminueix, ja que per poder dur a terme la reacció, la PHD necessita oxigen com a cosubstrat. Això suposa l'acumulació de HIF1α, que ara és lliure de dimeritzar amb els membres de la família HIF i actuar sobre la transcripció de gens relacionats sobretot en la eritropoesi, angiogènesi, autofàgia i metabolisme.
Aquest fet passa d'igual manera en cèl·lules que manquen de pVHL funcional, fet que es dona en la malaltia de von Hippel-Lindau.
FIH1