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14 Noviembre 2016

Los caminos moleculares de la hipoxia

Importantes investigaciones han intentado dilucidar la base molecular de la regulación de los niveles de oxígeno y su relación con la expresión génica. Tras décadas de esfuerzos científicos, se descubrió una vía celular en la que participa un heterodímero proteico que es esencial para la detección del oxígeno en sistemas eucariontes: el factor inducible por hipoxia (HIF). Este factor transcripcional es capaz de modular la expresión de entre 500 a 1.000 genes, que median una diversidad de adaptaciones hipóxicas críticas para el desarrollo embrionario, y varias enfermedades y procesos, como el cáncer, inflamación e isquemia tisular. Esto demuestra la gran relevancia de las rutas celulares que dependen de los niveles de oxígeno y de las macromoléculas capaces de censar su disponibilidad biológica.


Detectores de oxígeno

Los cambios en la disponibilidad de oxígeno representan un estímulo fisiológico crítico para todos los organismos que necesitan igualar el suministro de oxígeno con las demandas de los tejidos. Más allá de la contribución al mantenimiento de la bioenergética tisular a través de la producción de ATP, el oxígeno sirve como un aceptor universal de electrones en numerosas vías bioquímicas. No es sorprendente, por tanto, que las respuestas a la hipoxia sean casi instantáneas y altamente conservadas a lo largo de la evolución. La hiperoxia, por su parte, es un evento del cual el organismo debe estar protegido, ya que puede causar daño a lípidos, proteínas y otras biomoléculas. Las respuestas agudas suelen implicar cambios en la actividad de moléculas como canales iónicos, mientras que las adaptaciones a largo plazo Incluyen cambios robustos en los patrones globales de expresión génica. 

En la década de 1990, Gregg Semenza, una genetista de la Universidad Johns Hopkins, y Peter Ratcliffe, un nefrólogo de la Universidad de Oxford, estaban investigando simultáneamente el control transcripcional de los niveles de eritropoyetina, los que varían en respuesta a las concentraciones de oxígeno. En 1995, Semenza y sus colegas (Proc Natl Acad Sci U S A 1995; 92: 5510-4.) reportaron la purificación bioquímica de dos subunidades del factor transcripcional HIF-1: un heterodímero compuesto por la subunidad HIF-1β (de expresión constitutiva y previamente conocido como ARNT) y por HIF-1α (cuya expresión es regulada por oxígeno) (figura 1). La información de secuencias ha revelado que cada subunidad es también un miembro de una superfamilia evolutivamente conservada  de sensores ambientales que responden a diversos estímulos, como la luz, xenobióticos, estados redox y al oxígeno. Los equipos liderados por Semenza y Ratcliffe determinaron que HIF está activo en prácticamente todas las células de mamíferos y es conservado en especies primitivas que carecen de órganos de suministro de oxígeno. Esfuerzos más recientes han demostrado que HIF modula la expresión de aproximadamente 1.000 genes que implicados ampliamente en adaptaciones hipóxicas, incluidos aquellos que regulan el metabolismo, el crecimiento de los vasos sanguíneos, así como también la división celular y la inflamación. 

En estudios aparentemente no relacionados, William Kaelin, un oncólogo del Instituto para el Cáncer Dana-Farber, investigó cómo las variantes patogénicas del gen supresor de tumores VHL que codifica para la proteína von Hippel-Lindau (pVHL), dan como resultado un síndrome de cáncer hereditario que causa tumores altamente vasculares en el ojo, sistema nervioso central y riñón. Además, junto a otros especialistas determinó que las células que carecen de pVHL funcional, poseen elevados niveles transcripcionales de genes inducidos por hipoxia (por ejemplo VEGF)  independientemente de las concentraciones de oxígeno. Además, estudios de cristalografía de rayos X  mostraron que un complejo multiproteico que contiene pVHL se asemeja a la maquinaria dedicada a la degradación de proteínas (a través de la ubiquitination) en levaduras. En 1999, el grupo de Ratcliffe descubrió que células de cáncer renal deficientes de pVHL no degradan HIF-1α ni HIF-2α, una subunidad α relacionada. Otros estudios realizados por múltiples laboratorios mostraron que la eliminación de HIF-α bajo condiciones de oxígeno normales requiere actividad de la ubiquitina ligasa mediada por un complejo de proteínas que incluye pVHL. Sin embargo, las "marcas" en las proteínas HIF-α que permiten el reconocimiento de pVHL y su posterior degradación siguen siendo desconocidas. 

Figura 1: el sentido de la detección del oxígeno.

La maquinaria molecular esencial para la detección de oxígeno celular se activa cuando es abundante (Panel A): las subunidades del factor inducible por hipoxia α (HIF-α) de las que existen 2 tipos: HIF-1 α y HIF-2 α, son hidroxiladas en residuos de prolina altamente conservados por el dominio 2 de la enzima porlil hidroxilasa (PHD), permitiendo su reconocimiento por la proteína de von Hippel-Lindau (pVHL) que contiene complejos de ubiquitina ligasa. El HIF-α hidroxilado es posteriormente degradado por el proteasoma. A medida que disminuyen los niveles de oxígeno (panel B), la hidroxilación de prolil HIF-α disminuye, permitiendo la estabilización reversible de HIF-α, la dimerización con HIF-1β (también conocida como ARNT) y traslocarse al núcleo para la estimulación de la transcrpción génica. Los genes regulados por HIF incluyen 500 a 1000 efectores , que median una diversidad de adaptaciones hipóxicas críticas para el desarrollo embrionario, una fisiología normal y múltiples enfermedades y procesos, como el cáncer, inflamación e isquemia tisular. La estabilización de HIF-α y la activación de los genes diana también se producen en las células de las personas con el síndrome de von Hippel-Lindau (panel C), que es causada por variantes de pérdida de función.

Otros estudios han mostrado que las interacciones entre pVHL y las subunidades HIF-α dependen de la hidroxilación mediada por oxígeno de dos residuos de prolina en cada una de las subunidades HIF-α. Utilizando un enfoque genético en Caenorhabditis elegans, se evidenció que los mutantes de vhl-1 expresaban constitutivamente HIF-1α, al igual que los gusanos deficientes de un gen que codifica una dioxigenasa. Se encontró que esta enzima hidroxila un residuo de prolina altamente conservado en HIF-1α, promoviendo su inestabilidad cuando el oxígeno es relativamente abundante. También se demostró que la prolil hidroxilación es rápidamente inhibida cuando bajan los niveles de oxígeno (figura 1). La secuencia de aminoácidos de la enzima dioxigenasa del gusano permitió la identificación de tres enzimas homólogas en mamíferos, denominadas "PHD" por proteínas que contienen dominios prolil hidroxilasa.

Colectivamente, los estudios dilucidaron un mecanismo por el que la disminución de los niveles de oxígeno resultan en una reducción de la prolil hidroxilación de HIF-α, debido a la inhibición de PHD, la estabilización reversible de HIF-α, y la estimulación de 500 a 1.000Genes regulados por oxígeno que intervienen en diversas adaptaciones a hipoxia a nivel celular, tisular y de organismo. Aunque muchos otros procesos intracelulares -como la actividad de canales iónicos, la transducción de señales, y las reacciones bioquímicas dependientes de oxígeno- censan la disponibilidad de oxígeno, el eje HIF-PHD-pVHL tiene un rol fundamental en la comunicación de las concentraciones de oxígeno a los programas de expresión génica. 

Claramente, la relevancia clínica de este sistema de detección de oxígeno es sustancial: la hipoxia modula numerosos trastornos y procesos, como el cáncer, enfermedades cardiovasculares, hipertensión, accidente cerebrovascular, infecciones bacterianas, inflamación y cicatrización de heridas. 

Fuente bibliográfica

The Hypoxia Response Pathways — Hats Off!

M. Celeste Simon, Ph.D.

Abramson Family Cancer Research Institute and Department of Cell and Developmental Biology of the Perelman School of Medicine, University of Pennsylvania, Philadelphia.

DOI: 10.1056/NEJMcibr1610065

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