Nobel de Hipoxia dopado con EPO

El premio Nobel de fisiología o medicina de 2019 fue para William Kaelin, Jr., Sir Peter Ratcliffe, y Gregg Semenza, por sus descubrimientos y estudios de como las células se adaptan a los niveles de oxígeno. Es una historia detectivesca para averiguar como la variación en los niveles de oxígeno, la hipoxia en altura por ejemplo, cambia la expresión de muchos genes para adaptarse a estas circunstancias. Estos cambios, en los organismos más complejos son a todos los niveles, desde los cambios en el metabolismo, cambios en los tejidos, aumento del número de glóbulos en sangre o incremento del gasto cardiaco y ventilación. Dependiendo también de cuanto dure de la falta de oxígeno se producen uno y no otros, pero ¿Cómo?

Siguiendo la rueda de la EPO, por utilizar un símil ciclista, había que explicar cómo la falta de oxígeno inducía tantos cambios en los organismos a nivel celular. Gracias a los estudios de los ochenta de equipos formados por Maurice Bondurant, Mark Koury, y Jaime Caro, entre otros, se estudió a fondo la Eritropoyetina, la EPO, hormona que se produce en condiciones de hipoxia.

Encontraron la secuencia genética que la producía y lo siguiente fue seguir la estela, clonar el gen, y ver qué promovía su activación, qué proteínas se unían a las secuencias que flanquean este gen y cómo reclutan la maquinaria de expresión. Tras mucho acotar, dieron con una secuencia de 50 pares de bases anterior al gen capaz de regular su expresión. A dicha secuencia se la denominó, HRE de elemento de respuesta a la hipoxia en inglés.

HIF (inducible factor)-ARNT bound to HRE DNA hypoxia response element
Los factores inducibles por hipoxia son dos proteínas HIF-1a en rosa y ARNT en fuxia que unidas como heterodímero a la secuencia específica de DNA llamada HRE de unos 50 pb, controla las respuestas a hipoxia de muchos genes y regula las respuestas adaptativas debidas a la falta de oxígeno.
Hypoxia-inducible factors are heterodimeric DNA-binding complexes that control the hypoxia responses of several genes and regulate the adaptive responses to the lack of oxygen.

Fue finalmente el equipo de Semenza en 1992 el que primero alcanzó otra meta volante, encontró una proteína que se unía a esta secuencia específicamente y que era inducida por bajos niveles de oxígeno. Lo denominaron pues, factor inducible por hipoxia o HIF ,en inglés. Un año más tarde, tanto el equipo de Ratcliffe como el de Semenza, demostraron que el inductor del gen EPO era común en muchos tipos de células en mamíferos.

En 1995, también el grupo de Wang y Semenza consiguió clonar y purificar el HIF. Vieron que este factor, si no es eliminado se acumula en el núcleo y actúa activando genes necesarios para la respuesta a la falta de oxígeno. A nivel de organismo, en los riñones desencadenaba la producción de EPO para fabricar más glóbulos rojos. Descubrieron que este factor HIF tenía dos componentes, era dimérico, uno de ellos el HIF-1a era regulado por la concentración de oxígeno y el otro HIF-1b, que se expresaba siempre y que era ya conocido como ARNT. Conocido por unirse a otros factores como el de respuesta a dioxínas o DRE. Ambos en pareja, como se ve en la figura son capaces de unirse a las secuencias específicas HRE del ADN.

Por ese mismo tiempo, el equipo de Kaelin, alcanzo otra meta, descubrió un gen supresor de tumores llamado VHL capaz parar ciertos tumores al ser reintroducido. Poco después, otros grupos observaron que la mutación de este gen en familias con predisposición al cáncer o en células mutadas, aumentaban la expresión de los genes relacionados con la hipoxia. Se había establecido un nexo entre regulación de hipoxia y cáncer, lo que tenía cierto sentido por las necesidades metabólicas, normalmente aumentadas, de los tumores. Parecía que la carrera se complicaba pero se hacía más interesante. 

La relación estrecha entre cáncer y oxígeno estaba a punto de frenar la escapada e iba a precisar de unas enzimas llamadas prolil hidroxilasas (PHDs). Son proteínas que marcan otras proteínas con grupos OH. En 2001, los grupos de Ratclife y kaelin vieron que la hidroxilación enzimática dependiente de oxígeno de dos prolinas aumentaba la degradación del factor de hipoxia HIF tras la interacción con VHL.

En condiciones normales de oxígeno la subunidad alfa (HIF-1α)  del factor inducible por hipoxia es marcada con oxígeno (hidroxilada) por estas enzimas llamadas PHDs (prolil hidroxilasas) que hace de señalización para su degradación y por tanto, la no señalización de falta de oxígeno.

Hay otra enzima importante llamada Factor inhibidor de HIF (FIH) que también hidroxila un residuo, pero esta vez en la parte terminal y lo marca desactivando algunas interacciones, pero no induce su destrucción. Es un doble mecanismo de control para que la parte de HIF que no haya sido marcada por las PHDs no señale hipoxia, los dos dependientes de oxígeno.

Consecuencias de los diferentes niveles de oxígeno, en condiciones normales, con falta de oxígeno moderada y severa. Regulación por degradación o nión a elementos reguladores del ADN o DNA.

En condiciones de hipoxia más severa, las PHDs están desactivadas y se produce una estabilización de HIF-1α, su acumulación, su translocación al núcleo y unión a su pareja beta, también llamada ARNT. Juntas, forman el dímero capaz de unirse al ADN en sitios específicos HRE y activar genes necesarios en caso de hipoxia severa, dando lugar a grandes cambios.

Si hay niveles medios de oxígeno, con la modificación terminal inducida por FIH, el factor de inducción HIF se unirá al ADN pero no podrá llevar a cabo su labor total de inducción de todos los genes de hipoxia. Al ir marcado podrá activar unos genes pero otros no, al no poder unir otros factores necesarios. Así, con otros muchos detalles se logró comprender los mecanismos moleculares que regulan la respuesta a los niveles de oxígeno.

fih hif-inhibitor 1h2n oxidred-factor-inhibiting-hypoxia-inducible-factor surface ribbo protein 3dc
EL FIH o factor de inhibición de HIF es una hidroxilasa que añade un grupo OH a otras proteínas modificándolas para alterar su función normal. Esta hidroxilación es dependiente de oxígeno y esta relacionada entre otras cosas con la respuesta adaptativa a los niveles de oxígeno. En el caso del factor HIF lo marca o inhibe hidroxilado un asparagina en su extremo N-terminal, Asn803 .

Ni que decir tiene que además de ciencia básica, todos estos puntos de control son posibles dianas para fármacos nuevos que podrían servir en todo tipo de dolencias relacionadas con el cáncer o con niveles disminuidos de oxígeno, propios de muchas patologías. Todo un tour de force científico que ha merecido un Nobel y en el que ha participado muchos grupos de personas, no todos galardonados.

REFERENCIAS

How cells sense and adapt to oxygen availability. Nobel Prize

The conservation and functionality of the oxygen-sensing enzyme Factor Inhibiting HIF (FIH) in non-vertebrates. Rachel J. Hampton-Smith, Briony A. Davenport, Yagnesh Nagarajan, Daniel J. Peet. PLOS Published: April 29, 2019

Characterization of an Oxygen/Redox-Dependent Degradation Domain of Hypoxia-Inducible Factor α (HIF-α) Proteins. Vickram Srinivas, Li-Ping Zhang, Xiao-Hong Zhu, Jaime Caro

The asparaginyl hydroxylase FIH (Factor Inhibiting HIF) is an essential regulator of metabolism. Na Zhang, Zhenxing Fu, Sarah Linke, Johana Chicher, Jeffrey J Gorman, DeeAnn Visk, Gabriel G. Haddad, Lorenz Poellinger, Daniel J Peet, Frank Powell, and Randall S. Cell Metab. 2010 May 5; 11(5): 364–378.

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