Роль гипоксийного сигнального пути в адаптации клеток к гипоксии | Титова О.Н., Кузубова Н.А., Лебедева Е.С. | «РМЖ» №4 от 16.09.2020

Hif — основной регулятор метаболической функции иммунных клеток

Основной механизм, с помощью которого HIF регулирует эффекторную функцию иммунных клеток, а следовательно, влияет на развитие воспаления, заключается в контроле клеточного метаболизма [14, 25–27]. Мигрируя в очаги воспаления из сосудистого русла, иммунные клетки оказываются в гипоксическом микроокружении и должны соответствующим образом адаптироваться.

Контролируемый HIF-сигнальной системой гликолиз является основным источником продукции АТФ в гранулоцитах [26]. HIF-сигналинг — один из ключевых ассоциированных с митохондриями механизмов клеточной регуляции. Обе изоформы, HIF-1α и HIF-2α, одинаково уменьшают зависимость клетки от митохондриального окислительного фосфорилирования, подавляя цикл трикарбоновых кислот и стимулируя ремоделирование клеточного метаболизма в сторону увеличения анаэробной продукции АТФ [28–30].

Гипоксия является общей чертой микросреды физиологических и патологических иммунологических ниш [5]. При физиологической гипоксии HIF способствует гомеостазу врожденных и адаптивных иммунных клеток, тогда как при патологической гипоксии передача сигналов HIF может вызывать повреждение тканей и дисфункцию иммунных клеток [5].

HIF оказывает специфическое влияние на экспрессию генов различных типов иммунных клеток и присущую им эффекторную функцию [3, 4]. В нейтрофилах HIF играет ключевую роль в регуляции продолжительности жизни, продукции антимикробных пептидов и апоптозе [31, 32].

Активация HIF-сигнального пути в нейтрофилах мыши и человека увеличивает их выживаемость, экспрессию β2-интегрина, продукцию антимикробных пептидов и экспрессию ключевых гликолитических ферментов [26, 31, 32]. Отсутствие HIF-1α в нейтрофилах ингибирует генерацию АТФ, что приводит к ухудшению воспалительного ответа из-за уменьшения агрегации и подвижности нейтрофилов, снижает их способность проникать в ткани и убивать бактерии.

HIF-сигналингу принадлежит важная роль в регуляции фенотипической поляризации макрофагов (M1 и M2) [32]. Делеция гена HIF-1α нарушает выработку АТФ, что отрицательно влияет на выживаемость, инвазию, подвижность, агрегацию и бактерицидную активность макрофагов [32].

Показано, что HIF-1α усиливает миграцию макрофагов в очаг заражения, увеличивая экспрессию рецептора хемокина CXCR4 и уменьшая экспрессию рецептора хемокина CCR5 [14]. Мишенью для HIF-1α является IL-8. Увеличение секреции этого цитокина альвеолярными макрофагами рассматривается как фактор риска быстрого развития острого респираторного дистресс-синдрома.

Современные данные свидетельствуют о том, что HIF-опосредованное метаболическое перепрограммирование участвует в активации, дифференцировке, пролиферации, миграции и апоптозе дендритных клеток [14, 31, 33]. HIF является важным регулятором синтеза интерферона-γ (IFN-γ), а также продукции IL-22 и IL-10 в дендритных клетках человека и мыши [14].

HIF-1α играет ключевую роль в регуляции выживания в Т-клетках человека, что затем было подтверждено на мышиных моделях с нокаутами HIF-1α и рVHL [14]. HIF-1α-сигналинг контролирует метаболическое перепрограммирование, дифференцировку и функцию регуляторных (Treg) клеток, а также баланс Th17/Treg-клеток, имеющий значение для патогенеза аутоиммунных заболеваний [14, 34].

Активация HIF-1α в CD8 -T-клетках способствует гликолитическому метаболизму, который необходим для эффекторной функции и генерации популяции CD8 -T-клеток с противоопухолевой активностью [35]. Гликолитический метаболизм в CD8 -T-клетках, вызванный условным нокаутом гена VHL, способствует ускоренной дифференцировке долгоживущих эффекторных CD8 -T-клеток памяти против вирусной инфекции [36].

В исследовании А. Palazon et al. [37] гипоксия и сигнальный путь HIF влияли на инфильтрацию опухоли цитотоксическими Т-клетками, а делеция гена HIF-1α приводила к уменьшению инфильтрации и снижению киллинга опухолевых клеток. В условиях гипоксии сигнальная система HIF усиливает гликолитический метаболизм в В-лимфоцитах, что влияет на их развитие, пролиферацию, апоптоз и выработку высокоаффинных антител [14, 38].

Стабилизация HIF-1α играет существенную роль в выживании и функционировании эозинофилов и тучных клеток. Активация сигнального пути HIF-1α индуцирует синтез провоспалительных цитокинов IL-8 и TNFα тучными клетками после стимуляции лигандами Toll-подобных рецепторов и экспрессию гена гистидиндекарбоксилазы, катализируя образование гистамина [14].

В тучных клетках бронхиального эпителия активация HIF-1 стимулирует экспрессию VEGF, приводя к повышенной проницаемости сосудов, экстравазации белка в альвеолярное пространство и отеку дыхательных путей [14]. HIF-1α и HIF-2α контролируют хемотаксис эозинофилов, участвуя в патогенезе бронхиальной астмы [39].

HIF-1α-сигналинг поддерживает базофильную активность в процессе хронического воспаления [40]. Недавние исследования выявили связь между HIF и образованием внеклеточных ловушек тучных клеток и нейтрофилов, обеспечивающих антимикробную защиту [41, 42].

Дыхательный центр продолговатого мозга

Основная функция дыхательной системы заключается в обеспечении газообмена кислорода и углекислого газа между окружающей средой и организмом в соответствии с его метаболическими потребностями. В целом эту функцию регулирует сеть многочисленных нейронов ЦНС, которые связаны с дыхательным центром продолговатого мозга.

Под дыхательным центром понимают совокупность нейронов, расположенных в разных отделах ЦНС, обеспечивающих координированную деятельность мышц и приспособление дыхания к условиям внешней и внутренней среды. В 1825 г. П. Флуранс выделил в ЦНС «жизненный узел», Н.А. Миславский (1885) открыл инспираторную и экспираторную части, а позже Ф.В. Овсянниковым был описан дыхательный центр.

Дыхательный центр представляет собой парное образование, состоящее из центра вдоха (инспираторного) и центра выдоха (экспираторного). Каждый центр регулирует дыхание одноименной стороны: при разрушении дыхательного центра с одной стороны наступает прекращение дыхательных движений с этой стороны.

Экспираторный отдел — часть дыхательного центра, регулирующая процесс выдоха (его нейроны располагаются в вентральном ядре продолговатого мозга).

Инспираторный отдел — часть дыхательного центра, регулирующая процесс вдоха (локализуется преимущественно в дорсальном отделе продолговатого мозга).

Нейроны верхнего отдела моста, регулирующие акт дыхания, были названы пневмотаксическим центром. На рис. 1 показано расположение нейронов дыхательного центра в различных отделах ЦНС. Центр вдоха обладает автоматизмом и находится в тонусе. Центр выдоха регулируется из центра вдоха через пневмотаксический центр.

Ппевмотаксический комплекс — часть дыхательного центра, расположенная в области варолиева моста и регулирующая вдох и выдох (во время вдоха вызывает возбуждение центра выдоха).

Рис. 1. Локализация дыхательных центров в нижней части ствола мозга (вид сзади):

ПН — пневмотаксический центр; ИНСП — инспираторный; ЗКСП — экспираторный. Центры являются двусторонними, но для упрощения схемы на каждой из сторон изображен только один. Перерезка по линии 1 не отражается на дыхании, по линии 2 отделяется пневмотаксический центр, ниже линии 3 наступает остановка дыхания

В структурах моста тоже различают два дыхательных центра. Один из них — пневмотаксический — способствует смене вдоха на выдох (за счет переключения возбуждения из центра вдоха на центр выдоха); второй центр осуществляет тоническое влияние на дыхательный центр продолговатого мозга.

Экспираторный и инспираторный центры находятся в реципрокных отношениях. Под влиянием спонтанной активности нейронов инспираторного центра возникает акт вдоха, во время которого при растяжении легких возбуждаются механорецепторы. Импульсы от механорецепторов по афферентным нейронам возбуждающего нерва поступают вдыхательный центр и вызывают возбуждение экспираторного и торможение инспираторного центра. Это обеспечивает смену вдоха на выдох.

В смене вдоха на выдох существенное значение имеет пневмотаксический центр, который свое влияние осуществляет через нейроны экспираторного центра (рис. 2).

Рис. 2. Схема нервных связей дыхательного центра:

1 — инспираторный центр; 2 — пневмотаксический центр; 3 — экспираторный центр; 4 — механорецепторы легкого

В момент возбуждения инспираторного центра продолговатого мозга одновременно возникает возбуждение в инспираторном отделе пневмотаксического центра. От последнего по отросткам его нейронов импульсы приходят к экспираторному центру продолговатого мозга, вызывая его возбуждение и по индукции — торможение инспираторного центра, что приводит к смене вдоха на выдох.

Таким образом, регуляция дыхания (рис. 3) осуществляется благодаря согласованной деятельности всех отделов ЦНС, объединенных понятием дыхательного центра. На степень активности и взаимодействие отделов дыхательного центра влияют различные гуморальные и рефлекторные факторы.

Клеточно-молекулярный механизм адаптации к патологической гипоксии

Основным регулятором клеточного ответа на дефицит кислорода считается семейство индуцируемых гипоксией факторов (hypoxia inducible factors, HIFs) [4, 7, 8]. Открытие HIF-опосредованного молекулярного механизма клеточной адаптации к недостатку кислорода послужило основанием для присуждения трем исследователям (W.G. Kaelin, G.L. Semenza, P.J. Ratcliffe)

Нобелевской премии в области физиологии и медицины за 2022 г. Формирование долгосрочной адаптации к недостаточному снабжению клеток кислородом генетически детерминировано и сопряжено с экспрессией специфического белкового фактора HIF, который выполняет функцию активатора транскрипции и ключевого регулятора различных клеточных и системных ответов на гипоксию [9].

HIF представляет собой гетеродимерный ДНК-связывающий транскрипционный фактор, состоящий из лабильной субъединицы HIFα и стабильно экспрессируемой субъединицы HIF-1β, также известной как ядерный транслокатор арильных углеводородных рецепторов (ARNT).

HIF представлен во всех типах клеток. Субъединица HIF-1β/ARNT участвует в ряде процессов, не связанных с гипоксией, тогда как α-субъединица является гипоксически-регулируемым компонентом. При нормоксии HIFα в небольшом количестве обнаруживается в цитоплазме, но при гипоксии ее содержание резко возрастает и определяется исключительно в ядре.

Кислородозависимая регуляция субъединицы HIFα происходит на посттранскрипционном уровне и опосредуется семейством диоксигеназ (HIF-гидроксилазы), которое включает три пролилгидроксилазы (PHD1, 2, 3) и аспарагин-гидроксилазу — фактор, ингибирующий HIF (FIH) [7, 13].

В условиях нормоксии, когда снабжение клеток кислородом превышает потребность, пролилгидроксилазы гидроксилируют HIF и направляют его на опосредованное убиквитин-E3-лигазой фон Гиппеля — Линдау (рVHL) убиквитинирование с последующей протеасомной деградацией (рис. 1).

Ген, кодирующий белок VHL, входит в число важнейших генов — супрессоров опухолей. Помимо убиквитинирования, рVHL может блокировать HIF, привлекая к нему белки-репрессоры, препятствующие активации транскрипции генов-мишеней. Еще один механизм подавления HIF обеспечивается фактором, ингибирующим HIF, который гидроксилирует HIFα по остатку аспарагина, препятствуя взаимодействию HIFα с белками-коактиваторами транскрипции (CBP и p300), вследствие чего заметно снижается уровень активации транскрипции генов-мишеней [5, 13].

Бóльшая часть клеточного потребления кислорода при нормоксии происходит в митохондриях во время генерации молекул АТФ посредством окислительного фосфорилирования, но имеется некоторый запас немитохондриального кислорода, от наличия которого и зависит деградация субъединиц HIFα.

Реакции гидроксилирования происходят при непосредственном участии молекулярного кислорода, а также ионов железа (Fe2 ) и α-кетоглутарата. При недостатке любого из этих компонентов реакция гидроксилирования становится невозможной, взаимодействие HIFα с белком VHL прекращается, что приводит к увеличению содержания белка HIFα.

Полноценный клеточный ответ на гипоксию развивается при снижении напряжения кислорода (рО2) примерно на 1% нормы и ниже. При этих значениях рО2 и отсутствии немитохондриального кислорода HIF-гидроксилазы теряют свою активность, что приводит к стабилизации субъединиц HIFα и образованию стабильных димеров HIF в результате соединения с HIF-1β в ядре (см. рис. 1).

Описаны две основные транскрипционно активные изоформы димеров HIF (HIF1 и HIF2), которые содержат наряду с HIF-1β либо субъединицу HIF-1α, либо субъединицу HIF-2α и имеют различные, но во многом перекрывающиеся наборы экспрессируемых генов-мишеней.

После сборки комплекс HIF связывается с отвечающим на гипоксию элементом (HRE) генома — пентануклеотидной последовательностью ДНК, которая присутствует в промоторах генов-мишеней HIF (см. рис. 1). Таким образом, стабилизация HIFα является начальным этапом запуска канонического пути HIF и позволяет клетке осуществлять транскрипционную программу, регулируя «гипоксические» гены, участвующие в гипоксическом сигналинге [13].

Исследованиями последних лет установлено, что HIFs, индуцируя транскрипцию более 300 генов, являются центральными регуляторами многих врожденных и адаптивных иммунологических функций, включая ангиогенез, пролиферацию, миграцию, регенерацию, презентацию антигенов, продукцию цитокинов и антимикробных пептидов, фагоцитоз, аутофагию и апоптоз, клеточное метаболическое перепрограммирование [7, 14, 15].

HIF1 способствует гликолизу и подавляет окислительное фосфорилирование; HIF1 и HIF2 стимулируют сосудистый эндотелиальный фактор роста VEGF и выживаемость клеток, усиливают экспрессию и транскрипцию эндотелина-1 и ангиотензинпревращающего фермента [5, 16].

Перекрест сигнальных путей hif и nf-κв

Воспаленная слизистая бронхов представляет собой гипоксическую среду, для которой характерно увеличение экспрессии HIF-1α [17, 18]. Активация HIF-1α подавляет врожденные иммунные механизмы защиты, присущие клеткам бронхоальвеолярного эпителия [19], усиливает апоптоз альвеолоцитов 2 типа, препятствуя заживлению эпителия после повреждения, изменяет профиль генной экспрессии альвеолоцитов 2 типа и угнетает экспрессию сурфактантных протеинов [20].

Тесное, перекрестное взаимодействие существует между HIF-сигналингом и сигнальной системой ядерного транскрипционного фактора κВ (NF-κB), одного из основных регуляторов воспаления и иммунных реакций [5, 17]. Эти сигнальные пути имеют общие стимулы, общие регуляторы и гены-мишени [6, 21].

Пролилгидроксилазы, которые регулируют HIF, также обеспечивают чувствительность к гипоксии сигнального пути NF-κB посредством кислородозависимого гидроксилирования его ключевых компонентов [5, 22]. Повышенная каноническая активность NF-κB, которая вызывается цитокинами или бактериальными лигандами (например, липополисахаридом), способствует транскрипции мРНК HIF-1α, стимулируя тем самым активность HIF в условиях хронического воспаления [5].

Исследования in vitro показали, что HIF-1α активирует NF-κB, который в свою очередь контролирует транскрипцию HIF-1α из генома. Активация HIF-1α может происходить одновременно с ингибированием NF-κB [5, 21]. Гипоксическая активация NF-κB опосредована киназой IκB (IKK)

и TGFβ-активированной киназой. Киназный комплекс фосфорилирует ингибитор IκB, что приводит к его деградации и высвобождению/транслокации димеров NF-κB в ядро. HIF-ингибирующие факторы способны снижать активность воспалительной киназы IKK и подавлять воспаление [1].

Истощение HIF-1α в клетках млекопитающих приводит к увеличению транскрипционной активности NF-κB [21]. Таким образом, HIF-1α предотвращает чрезмерную активацию NF-κB-провоспалительных реакций, способных оказать повреждающее действие на ткани. С другой стороны, NF-κB является прямым модулятором экспрессии HIF-1α при воспалении.

Примером перекреста сигнальных путей HIF и NF-κB может служить их взаимодействие при хронической обструктивной болезни легких (ХОБЛ), для которой характерно персистирующее воспаление [23]. На модели ХОБЛ, созданной у крыс, блокирование транскрипционной активности NF-κB путем ингибирования IκB-киназы с помощью целекоксиба (селективного ингибитора циклооксигеназы-2) сопровождалось снижением экспрессии NF-κB-регулируемых генов, к числу которых относится HIF-1α, о чем свидетельствовало уменьшение содержания белка HIF-1α в бронхоальвеолярной лаважной жидкости (БАЛЖ) [24].

Возможный механизм торможения HIF-сигнального пути представлен на рис. 2. В цитоплазме NF-κB находится в неактивном состоянии в комплексе с ингибиторным белком IκBa. Под влиянием воспалительного стимула происходит фосфорилирование IκBa (IκBa-р) специфической IκB-киназой с последующей деградацией ингибиторного белка убиквитинпротеасомной системой.

Свободный NF-κB поступает в ядро и активирует транскрипцию контролируемых генов, в данном случае HIF-1α и циклооксигеназы-2 (сyclooxygenase-2, СОХ-2). Ингибирование IκB-киназы (-), опосредованное целекоксибом, блокирует транскрипционную активность NF-κB, вследствие чего подавляется экспрессия генов HIF-1α и СОХ-2 и продукция соответствующих белков.

Следствием ингибирования активности гипоксийного сигналинга было снижение содержания провоспалительного цитокина интерлейкина (IL) 17 в БАЛЖ, нейтрофильно-лимфоцитарного воспаления и восстановление структуры бронхоальвеолярного эпителия и его функциональной активности [24].

Результаты исследования подтвердили существование функциональной связи HIF-1α- и NF-κB-сигнальных каскадов, обеспечивающих интеграцию воспалительных и гипоксических регуляторных механизмов в патогенезе заболеваний дыхательных путей, что может стать основой для нового подхода к патогенетическому лечению ХОБЛ.

Крайне сложное перекрестное взаимодействие двух важнейших сигнальных систем представляет значительные трудности для изучения, но очень важно для определения механизмов этого взаимодействия при заболеваниях, при которых гипоксическое воспаление является преобладающим фактором, а также для разработки новых терапевтических стратегий.

Регистр лекарственных средств россии рлс пациент 2003. — москва, регистр лекарственных средств россии, 2002. — 1.5.2.1. дыхательная система. физиология дыхания