Hipoxia tumoral. Papel del factor inducible por hipoxia

Tumor hypoxia: the role of HIF

Avelino Fraga, Ricardo Ribeiro y Rui Medeiros

Instituto Português Oncologia, Oncologia Molecular, Porto, Portugal

Dirección para correspondencia

RESUMEN

Los tumores sólidos, por lo general, existen y progresan en un ambiente de hipoxia; así se observa que las células tumorales son resistentes a la apoptosis y se acompañan de un aumento de la angiogénesis, volviéndose más agresivas, con capacidad invasora y resistentes al tratamiento.
La genética y los mecanismos biológicos subyacentes a este fenómeno son todavía poco claros, pero muchos estudios sugieren un papel del factor inducible por hipoxia (hipoxia inducible factor [HIF]) en este proceso. En condiciones de hipoxia, la subunidad alfa no es destruida y activará la transcripción de un conjunto de genes que contribuyen a la agresividad del tumor. Su expresión está asociada a un aumento del potencial metastásico que se verifica tanto en estudios animales, como en tumores humanos.
La hipoxia tumoral se ha convertido en un factor clave en la progresión tumoral y se asocia a un mal pronóstico, sobre todo en tumores de riñón y próstata. Este trabajo tiene por objetivo revisar la importancia de la hipoxia en la carcinogénesis y en la progresión tumoral, presentando una revisión de los conocimientos actuales sobre el tema, mecanismos de acción y la activación del HIF-1a.

Palabras clave: HIF, Hipoxia, Cáncer.

ABSTRACT

Solid tumors usually occur and progress in a hypoxic enviroment, suggesting that tumor cells are resistant to apoptosis and are associated to an increased angiogenesis, which makes them more aggressive, with invasive capacity and resistant to treatment.
The genetic and biological mechanisms underlying this phenomenon are still unclear, but many studies suggest a role of HIF in this process. Under hypoxic conditions, the alpha subunit is not destroyed, and will activate transcription of a set of genes contributing to tumor aggressiveness. Its expression is associated to an increased metastatic potential that has been shown in both animal studies and human tumors.
Tumor hypoxia has emerged as a key factor in tumor progression and is associated to a poor prognosis, particularly in kidney and prostate tumors. The purpose of this study was to review the significance of hypoxia in carcinogeneses and tumor progression by reviewing the current knowledge on the subject and the mechanisms of action and activation of HIF-1a.

Introducción

El factor inducible por hipoxia (hipoxia inducible factor [HIF]) es un factor de transcripción que regula la respuesta celular a la hipoxia y actúa como regulador de la homeostasis del oxígeno^1-3. La identificación del sistema de transcripción HIF por Wang y Semenza⁴ es crucial para entender la fisiología del O₂; sabemos actualmente que el HIF y la hipoxia son los mayores determinantes en la angiogénesis y que, por ejemplo, regulan los procesos de invasión y metastización determinantes de la agresividad tumoral.

El factor de transcripción activa genes que codifican las proteínas que aumentan la disponibilidad del oxígeno y permiten la adaptación metabólica en ausencia de oxígeno, controlando la expresión de decenas de productos de los genes y proteínas implicados en la angiogénesis, la eritropoyesis, la glucólisis, la invasión, la apoptosis, el tono vascular, la regulación del pH, la homeostasis epitelial y la resistencia a los fármacos.

Se identificaron más de 60 genes diana inducidos por HIF², mientras que otros son suprimidos⁷; todavía muchas funciones son dependientes del HIF⁷.

Estructura molecular del HIF-1a

El gen HIF1A, que codifica el HIF-1a, se localiza en el locus 14q21-q24⁹, que contiene 15 exones¹⁰. Es un heterodímero compuesto por cadenas alfa (reguladas por el O₂) y beta, dispuestas en doble hélice (bHLH); pertenece a una familia de factores de transcripción que consta de tres subunidades alfa (HIF-1a, HIF-2a, HIF-3a) y a una subunidad beta (HIF 1b), también llamada translocador nuclear aril hidrocarburos ARNT)^4,11,15.

Hay 2 locales de señalización nuclear (NLS), situados en el C-terminal (aminoácidos 718-721) y en el N-terminal (aminoácidos 17-33), pero sólo el C-terminal es el responsable por la acumulación nuclear del HIF-1a¹⁶. Además, se sabe que el HIF contiene 2 dominios de transactivación (TAD) en el C-terminal (aminoácidos 531-575 y 786-826), que están separados por una secuencia de aminoácidos (575-786) que inhiben la transactivación¹⁷ (fig. 1).

Figura 1 - Estructura molecular de HIF-1

La parte N-terminal de la molécula (aminoácido 1-390) contiene el dominio bHLH-PAS, que es necesario para la dimerización y ligación al ADN¹⁸. Las interacciones entre los dominios bHLH de ambas subunidades regulan su dimerización¹⁹.

El dominio C-terminal tiene como función señalizar la translocación del HIF-1a para el núcleo, la estabilización proteica y la interacción con el coactivador p300¹⁷. En el dominio de la degradación oxígeno-dependiente (ODD) del HIF-1a, los residuos de prolina en las posiciones 402 y 564 tienen un importante impacto en la estabilidad de la proteína en condiciones de normoxia, pues permiten, cuando están hidroxiladas, el reconocimiento por la proteína Von Hippel Lindau (pVHL) y la posterior activación de la vía de degradación de la ubiquitina^20-25. La hidroxilación de los residuos de prolina en el ODD del HIF-1a representa el punto crítico que regula la estabilidad de la proteína^26,27 (fig. 2). La actividad de la transcripción de genes HIF1A se encuentra, de este modo, regulada por la tensión de oxígeno celular.

Figura 2 - Reglamento de la estabilidad y la actividad del factor inducible
por hipoxia. Adaptado de Brahimi-Horn y Pouyssegur⁹⁴.

Mecanismos moleculares del HIF y de la activación del HIF1A

En presencia de O₂, los dominios de hidroxilación de la prolina (PHD1, 2, 3) provocan la hidroxilación específica en dos residuos de prolina (P402 y P564) en el ODD del HIF-1a, permitiendo el reconocimiento del HIF-1a por la pVHL, formándose el complejo E3 ubiquitina, que transformará el HIF-1a en un objetivo para la degradación^30-33. Jaakkola et al³² demostraron que la interacción entre la pVHL y el dominio específico del HIF-1a están regulados por la hidroxilación del residuo de prolina (HIF-1a P564) por una enzima denominada HIF-1a prolil hidroxilasa (HIF-PH), necesitando de hierro y oxígeno.

En condiciones de hipoxia, el O₂ molecular no está disponible y de esta forma las enzimas están inactivas, lo que implica un aumento de los valores del HIF-1a³⁶. El HIF-1a no es hidroxilado y, por tanto, degradado, provocando su acumulación en la forma heterodimizada con la subunidad beta (HIF-β). Este heterodímero emigra para el núcleo, donde se unirá a las secuencias específicas del ADN, activando genes implicados en la adaptación a la hipoxia, supervivencia celular, angiogénesis y metástasis, como, por ejemplo, el factor de crecimiento endotelial vascular (VEGF), el factor de crecimiento de transformación-alfa (TGF-a), el transportador 1 de glucosa (GLUT-1), o la anhidrasa carbónica IX (CA9), entre muchos otros, que sabemos están implicados en el desarrollo y la agresividad tumoral^37,38.

Por tanto, el principal regulador del HIF es el oxígeno^22,39. El segundo en importancia son los oncogenes, que pueden contribuir para estabilizar la proteína o degradarla. Por ejemplo, el producto del gen supresor tumoral TP53, proteína p53, inhibe la actividad del HIF-1a, volviéndose un objetivo para la degradación proteosómica⁴⁰. Sin embargo, las deleciones o mutaciones de TP53 pueden facilitar la acumulación del HIF1a en situaciones de hipoxia, aumentando la expresión del VEGF por las células tumorales.

El producto del gen supresor tumoral VHL también regula la estabilidad del HIF-1a⁴², ya que en presencia de oxígeno la pVHL puede ligarse a la subunidad HIF-1α, transformándose en un objetivo para la prolil-hidroxilación^25-27. Además, otros oncogenes (v-Src o RasV12) inhiben la prolil-hidroxilación, lo que implica estabilización del HIF-1a^39-42.

También sabemos que la expresión del gen HIF1A puede regularse por otras vías, principalmente las vías de señalización intracelular, tales como la proteína cinasa B (Akt) y la 3- fosfatil-inositol-cinasa (PI3K), aunque todavía no está claro su papel en estas vías de regulación.

También están descritas otras moléculas reguladoras del HIF1A, tales como las especies reactivas de oxígeno (ROS) participantes en la carcinogénesis o citocinas, como el factor de necrosis tumoral (TNF-a) y la angiotensina^49-53, bien como otras vías de señalización, como el RAS/RAF1/MEK1/ERK1/2 y/op53/JNK, que se activan en respuesta de los oncogenes, factores de crecimiento o hipoxia (fig. 3).

Figura 3 - Vías de señalización y regulación de HIF-1 α: oncogenes,
factores de crecimiento e hipoxia. Adaptado de Shi YH et al⁷⁴.

La hipoxia es la reducción de la tensión de oxígeno, que se define en términos clínicos por la reducción de la disponibilidad de oxígeno hasta niveles críticos, es decir, los valores de tensión inferiores al 7%⁵³.

El HIF-1a está involucrado en la respuesta a la hipoxia y también en la homeostasis del oxígeno, en la respuesta a la isquemia del miocardio, isquemia cerebral, isquemia de la retina, hipertensión pulmonar, la preeclampsia, el retraso en el crecimiento intrauterino y el cáncer. Tiene un papel central tanto en los mecanismos fisiológicos homeostáticos, como en los etiopatológicos. Actúa sobre genes diana, dado que su función es regulada por factores de crecimiento y alteraciones genéticas implicadas en la progresión tumoral^54,55.

Los vasos aberrantes pueden desaparecer en cualquier momento, pero a veces pueden reutilizarse, provocando reoxigenación local, estimulando cambios repentinos de hipoxia y reoxigenación como resultado de la angiogénesis local^56-59.

El medio ambiente tumoral está bien caracterizado, si lo entendemos como una fluctuación de hipoxia y privación de nutrientes que lleva a la adaptación genética y epigenética de clones celulares, aumentado la capacidad de invasión y metastización.

Además, estas adaptaciones a la hipoxia vuelven a los tumores más difíciles de tratar y con mayor resistencia a las terapias. Una parte importante de este proceso consiste en la adaptación de los productos de los genes en respuesta a la hipoxia y muchos de estos genes reguladores de hipoxia son mediados por el HIF1A⁶⁰; se estima que alrededor del 1% del genoma es regulado por la hipoxia.

La hipoxia tumoral por sí sola es un importante factor epigenético de la regulación de la proteína HIF-1a. Además de inhibir las PSD y al HIF-1a, la hipoxia genera radicales libres de oxígeno, que son capaces de estabilizar la proteína HIF-1a y de inducir los genes HIF y VEGF^61,62.

Cuando se establece la hipoxia, hay una respuesta celular para evitar la apoptosis⁶³ y se activa el factor de transcripción HIF-1a, que genera un heterodímero con el HIF-1β(ARNT) en el elemento de la respuesta a la hipoxia (HRE), lo que lleva a una respuesta celular múltiple con activación de los oncogenes⁶⁴, aumento de la vascularización con producción de VEGF, aumento del transporte de glucosa (GLUT1) y de la actividad de la anhidrasa carbónica (CA9) y aun a la inducción de varios genes apoptóticos^65-67. Se sabe que el HIF actúa sobre los genes codificadores de la eritropoyetina, transferrina, endotelina-1, sintetasa inducible de óxido nítrico (iNOS), hemooxigenasa 1, factor de crecimiento insulínico-2 (IGF-2), proteína de unión 1, 2 y 3, al factor de crecimiento insulínico (IGFBP 1, 2, 3), transportadores de glucosa (GLUT) y enzimas glucolíticas^18,28,68 (fig. 4), promoviendo la adaptación metabólica a la hipoxia, y es también regulado por la presión de O₂, dependiendo de la expresión de la subunidad HIF-1a⁶⁹. La capacidad de adaptación de la hipoxia por las células malignas es fundamental para el crecimiento tumoral (tabla 1).

Figura 4 - Respuestas determinadas por factor inducible por hipoxia: actúa ]]> como el principal regulador fisiológico de la hipoxia. Adaptado de Acker y Plate⁹³.

Hipoxia, factor inducible por hipoxia y cáncer

La hipoxia es significativamente menor en los tumores en que el promedio de la presión de O₂ es superior al 1,5%^53,79,80.

Las células tumorales, para sobrevivir, tienen que adaptarse a la baja presión de pO₂; muchos productos genómicos están implicados en la neoangiogénesis tumoral. Estas adaptaciones contribuyen a la supervivencia fenotípica y la agresividad clínica⁸¹. La hipoxia tumoral se ha asociado a mal pronóstico en numerosos tipos de cáncer⁸².

Los clones de células tumorales tienen la capacidad de adaptarse a microambientes hipóxicos, ya sea en los locales primarios, como en los sitios de metástasis. Los mecanismos genéticos y epigenéticos de la adaptación a la hipoxia (inestabilidad genética, glucólisis aeróbica, la pérdida de control del ciclo celular, la pérdida de señales de la apoptosis) son característicos de malignidad⁶⁰ (fig. 5).

Figura 5 - Reglamento de HIF-1a.

Hay pruebas de que la hipoxia puede controlar y mantener la inestabilidad genética. Esta inestabilidad genética puede disminuir la reparación del ADN y aumentar la tasa de mutaciones⁶⁶.

Sabemos que la activación de la glucólisis aeróbica representa un evento inicial del proceso de transformación neoplásica, probablemente como respuesta al aumento de la proliferación celular⁸⁶, ya que las células con una elevada tasa de proliferación consumen más oxígeno. Los tumores tienen un aumento de la glucólisis y sabemos que la concentración de la glucosa y de los componentes de la vía glucolítica son influyentes en el HIF^87,88. El pH tumoral es más ácido debido a la mayor producción de lactato y CO₂. Para sobrevivir, las células necesitan mantener un equilibrio entre el pH intracelular y el extracelular; esto se logra a costa de varios transportadores. La anhidrasa carbónica IX (CA9) ejerce un papel fundamental en este equilibrio; varios estudios han demostrado la correlación entre la hipoxia, angiogénesis, HIF-1a y el CA9⁸⁹.

Por tanto, los niveles del HIF son adaptados para que las células mantengan una elevada tasa de proliferación y, por otra parte, el aumento de la proliferación celular puede inducir una mayor expresión del HIF²⁸. Ante las situaciones de hipoxia, en las que la acción de los factores de crecimiento lleven a un aumento de la proliferación celular y, por tanto, a una mayor necesidad de oxígeno, el HIF-1a será más expresado y activado, induciendo a la expresión de genes que codifican las moléculas proangiogénicas y que permiten una adaptación metabólica a la hipoxia, siendo el activador más potente de genes que codifican las enzimas glucolíticas y los factores de crecimiento proangiogénicos^28,90-93, ya que los tumores no pueden progresar sin la angiogénesis que permite la difusión del oxígeno, la glucosa y otros nutrientes^77,78.

La angiogénesis consiste en el desarrollo de nuevos vasos a partir de la red vascular preexistente y tiene un papel preponderante en los diversos mecanismos fisiopatológicos benignos (cicatrización, heridas, isquemia, retinopatía diabética) y malignos (el crecimiento del tumor y metástasis); el VEGF desempeña un papel fundamental en la angiogénesis y está regulado por el HIF^94-96.

Actualmente, existen evidencias de que los vasos tumorales son desorganizados y sin estructura adecuada para la circulación, lo que conduce frecuentemente al colapso. Dado que el crecimiento tumoral requiere oxígeno, nutrientes y una función metabólica apropiada para su desarrollo, es necesario promover los factores de la angiogénesis para inhibir la apoptosis de las células tumorales desencadenadas por la hipoxia. Por tanto, la angiogénesis como respuesta a la hipoxia tumoral está mediada por el HIF-1a⁵⁵.

El HIF-1a se ha considerado un factor clave en la regulación del VEGF y su receptor (VEGRF), como de otros factores angiogénicos. Varios estudios inmunohistoquímicos realizados en diversos modelos tumorales⁷¹ revelan que la expresión del HIF-1a está asociada a un aumento del VEGF y de la vascularización y metastización, que implican un peor pronóstico^72,76. Parecer existir una relación directa entre la angiogénesis y la metastización en diversos tipos de tumores, como melanomas, gliomas, pulmón, mama, ovario vejiga y próstata^97,98, comprobándose que las proteínas diana del HIF-1a están implicadas en la proliferación, supervivencia, adhesión y movilidad de las células neoplásicas.

Por otra parte, el aumento de la expresión del HIF-1a, combinada con las mutaciones inactivadas en los genes supresores como VHL, p53, PTEN o la amplificación de los oncogenes Akt, RAS, ERK1/2, se ha observado con frecuencia en los pacientes oncológicos; estas alteraciones están asociadas a crecimiento tumoral, invasión y metástasis.

Zhong et al⁹⁹ han demostrado una expresión aumentada del HIF-1a en alrededor del 53% de los tumores, incluidos el de colon, gástricos, pancreáticos, pulmón, ovario, próstata, renal, melanoma y glioblastoma. El aumento de expresión del HIF-1a está asociado a una supervivencia más corta en el cáncer de mama y de útero, y a la mala respuesta al tratamiento en el cáncer nasofaríngeo, resaltando el papel de la hipoxia tumoral en el pronóstico^72,100-104 (tabla 2).

En el cáncer de próstata, se encuentra expresado en los estadios iniciales de la carcinogénesis y esa expresión está relacionada con los indicadores de diagnóstico y pronóstico para la rediviva temprana y metastización, pudiendo ser el HIF-1 un potencial biomarcador del pronóstico. Su importancia en la progresión tumoral lo convierte en un objetivo plausible en las estrategias de quimioprevención, así como en la capacidad de inhibir la angiogénesis⁶⁰. Los estudios experimentales realizados en células de cáncer de próstata en ratones muestran que una sobreexpresión del HIF-1a se asocia a un mayor crecimiento y potencial metastático¹⁰⁸. Del mismo modo, en los seres humanos también se ha encontrado una mayor expresión del HIF-1a en los tumores de próstata^48,99. En el CaP, en particular los pacientes con cáncer metastizado u hormonorresistente, se ha demostrado que el gen VEGF, principalmente inducido por el HIF-1a está frecuentemente sobreexpresado, lo que sugiere una acción central de esta molécula en este proceso^105,106.

El sistema HIF actúa como el máximo regulador de la respuesta a la hipoxia, iniciando la cascada de mecanismos que permiten que el tumor se adapte al medio ambiente hostil, y surge como un importante factor de transcripción en la biología del cáncer.

Conclusión

La activación del HIF es regulada por diversos mecanismos a partir de la estabilización de la subunidad HIF-1a que envuelve múltiples señales y vías.

La hipoxia, algunos genes supresores tumorales, factores de crecimiento y citocinas aumentarán la estabilidad y/o transactivación del HIF1A, lo que resulta en un incremento de la producción del HIF-1a y, como consecuencia, la angiogénesis tumoral, la adaptación metabólica a la hipoxia y el aumento de la supervivencia celular, debido a su acción en varios genes diana. El HIF-1a será crucial en la iniciación de la angiogénesis, en el crecimiento tumoral, la progresión y la metastización.

De esta forma, nos parece fundamental desenvolver técnicas para bloquear o inhibir la angiogénesis y el factor HIF1a, reduciendo la posibilidad de desarrollar neoplasias más agresivas y, de este modo, reducir la morbilidad y mortalidad por cáncer.

El HIF-1a podría constituir un marcador temprano de la carcinogénesis, con valor predictivo de progresión tumoral y valor pronóstico.

Figura 6 - Papel del HIF en la supervivencia y la muerte celular. ]]> Adaptado de Acker y Plate⁹³.

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Dirección para correspondencia:
Correo electrónico: avfraga@gmail.com ]]> (A. Fraga).

Recibido: 16 de abril de 2009
Aceptado: 25 de junio de 2009