Expression of the hypoxia-inducible factor as a predictor of the resistance of the organism of laboratory animals to hypoxia
- Authors: Kim A.E.1, Shustov E.B.2, Kashuro V.A.3,4, Ganapolsky V.P.1, Katkova E.B.1
-
Affiliations:
- Kirov Military Medical Academy
- Golikov Scientific and Clinical Center of Toxicology
- St. Petersburg State Pediatric Medical University
- Herzen University
- Issue: Vol 14, No 1 (2023)
- Pages: 61-71
- Section: Original studies
- URL: https://journals.rcsi.science/pediatr/article/view/131600
- DOI: https://doi.org/10.17816/PED14161-71
- ID: 131600
Cite item
Full Text
Abstract
BACKGROUND: One of the key transcriptional regulators that determine the body’s resistance to hypoxia is the hypoxia-inducible factor HIF-1α, the study of the role of which in the body’s resistance to extreme influences can justify new directions in medical technologies for its increase.
AIM: To evaluate the quantitative contribution of the level of expression of the hypoxia-inducible factor HIF-1α in various tissues of laboratory animals to the increase in the resistance of animals to the effects of hypoxic hypoxia.
MATERIALS AND METHODS: The study was carried out on outbred white laboratory rats obtained from the Rappolovo nursery weighing 180–220 g. To conduct the study, animals were previously tested for an individual level of resistance to hypoxia, which made it possible to form experimental groups from highly resistant and low resistant animals. Biological material was taken from all animals (whole blood, plasma, tissues of the heart, liver, kidneys, brain), in which the expression of the HIF-1α and TSPO genes (housekeeping gene) was determined by the Real-Time-PCR method. Total RNA was isolated from the test material by affinity sorption,synthesis of the first strand of cDNA, amplification, followed by determination of the expression level of the HIF-1α gene in rats was carried out according to the instructions and the manufacturer’s protocol by PCR with detection of the accumulation of reaction products in real time (Real-Time PCR) using a CFX-96 detecting amplifier (Bio-Rad, USA) and specific primers and probes for the HIF-1α gene in rats (DNK-Sintez, Russia). Statistical processing of the obtained data was carried out using the ANOVA analysis of variance.
RESULTS: It has been established that the level of resistance of animals to hypoxia is largely determined by their genetic characteristics. Even under normoxic conditions, the expression of the TSPO housekeeping gene in animals with a high level of resistance to hypoxia differed with a high degree of reliability from low-resistance animals (in the kidneys, liver, and brain, on average, by 40–60%; in the heart, by 25%). The values of the expression of this gene, determined in whole blood or plasma, make it possible to differentiate groups of animals according to the level of resistance to hypoxia. A similar ratio between animals with high and low resistance is also observed in tissues obtained immediately after hypoxic exposure. An analysis of the reaction of the genomic regulation system to extreme exposure showed that it increased the expression of the TSPO gene by 1.6–2 times equally in all tissues, regardless of the level of animal resistance. For the HIF-1α gene, similar patterns were found, but the severity of their manifestations is more and significant.
CONCLUSIONS: The main organ that provides a high level of resistance to hypoxia associated with the basic (under normoxic conditions) expression of HIF-1α is the brain. The expression of the hypoxia-inducible factor in it is more than 300 times higher than the expression of the “housekeeping” genes. The second most important organ is the liver, in which HIF-1α expression activity is more than 15 times higher than the expression of “housekeeping” genes. Under conditions of moderate hypoxia, a compensatory-adaptive reaction is noted, associated with the activation of hypoxic defense mechanisms in blood and liver cells, and in low-resistant animals, also in the brain tissue. In the myocardium, such a compensatory-adaptive reaction is activated only in the group of highly resistant animals. A high level of basal expression of the HIF-1α transcription factor under daily (normoxic) conditions may be a predictor of a high level of resistance to hypoxia in a given animal.
Full Text
АКТУАЛЬНОСТЬ
К настоящему времени известно, что одним из ключевых транскрипционных регуляторов, определяющих устойчивость клеток организма к гипоксии, является гипоксия-индуцибельный фактор 1 альфа (HIF-1α), вовлеченный в индукцию транскрипции генов гликолиза и транспортеров глюкозы, гемопоэза, ангиогенеза, образования оксида азота, антиоксидантной защиты, работы клеток эндотелия, надпочечников, адренорецепторов, ростковых факторов, процессов апоптоза регенерации. Свойства HIF-1α достаточно подробно рассмотрены в ряде обзоров [5, 6, 8, 9, 15, 21, 24]. Традиционно HIF-1α изучается при различных видах гипоксических, ишемически-реперфузионных поражениях, заболеваниях сердечно-сосудистой системы, почек, нейродегенеративных заболеваниях [2, 7, 10, 14, 20, 23, 25, 26]. В последние десятилетия акцент в исследованиях HIF сместился в область онкологии, где он в частности рассматривается как фактор ускользания опухоли от химиотерапевтического или радиотерапевтического воздействия [4, 13, 16, 22].
Известно, что в условиях экстремального гипоксического состояния (кратковременное пребывание крыс среднеустойчивой линии Wistar на высоте 12 км) происходит статистически достоверное повышение экспрессии HIF-1α в почках и сердце и снижение в органах, где экспрессия этого транскрипционного фактора в условиях нормоксии была повышенной, а именно в мозге и печени. Причем в менее экстремальных условиях (высота 8–11 км) его экспрессия в печени повышалась, а в тканях мозга снижение в разной степени отмечалось в широком диапазоне высот — от 6 до 12 км [11].
Устойчивость организма к гипоксии во многом определяет и устойчивость к другим критически значимым воздействиям (гипертермия, гипотермия, гипербария, ионизирующие излучения, химические вещества и др.) [17, 19, 27]. Однако количественной оценки этого влияния в изученной нами литературе обнаружить не удалось, что послужило основанием для выполнения данного исследования.
Цель исследования — оценить количественный вклад уровня экспрессии гипоксия-индуцибельного фактора HIF-1α в различных тканях лабораторных животных в повышение устойчивости животных к воздействию экстремальной гипоксической гипоксии. Достижение поставленной цели позволит обосновать новые патогенетические подходы к диагностике и коррекции уровня устойчивости к неблагоприятным воздействиям экстремального диапазона интенсивности.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Лабораторные животные и их содержание
В исследовании использовали здоровых нелинейных белых крыс-самцов с массой тела на начало исследования 180–220 г, поступивших из питомника лабораторных животных «Рапполово» (Ленинградская обл.) в одном привозе, с ветеринарным свидетельством, и прошедших 14-дневный карантин. В течение карантина проводили ежедневный осмотр каждого животного (поведение и общее состояние), дважды в день животных наблюдали в клетках (заболеваемость и смертность). Крысы содержались в стандартных условиях в соответствии с принципами надлежащей лабораторной практики1 в условиях сертифицированного вивария в клетках по 5–10 голов, при контролируемых условиях окружающей среды (температура 22 ± 3 °C и относительная влажность воздуха 30–70 %, световой режим — день/ночь, 12/12). Питание животных осуществлялось полнорационным комбинированным кормом для грызунов, корм и питьевая вода предоставлялись животным в режиме свободного доступа без ограничений. Уход за животными и их кормление обеспечивали прошедшие специальное обучение сотрудники. Для маркировки животных использовали спиртовой раствор пикриновой кислоты. Сопоставимость экспериментальных групп обеспечивали рандомизацией животных, признанных годными для включения в исследование.
Исследование выполняли в соответствии с Национальным стандартом Российской Федерации2, приказом Минздрава России3, согласно утвержденному письменному протоколу, одобренному локальной биоэтической комиссией НКЦТ ФМБА России.
1 ГОСТ 33044–2014 от 01.08.2015 «Принципы надлежащей лабораторной практики».
2 Национальный стандарт РФ. ГОСТ Р-53434–2009 «Принципы надлежащей лабораторной практики».
3 Приказ Минздрава России от 01 апреля 2016 г. № 199н «Об утверждении правил надлежащей лабораторной практики».
Дизайн исследования
Для достижения поставленной цели выполнено моделирование экстремальной гипоксической гипоксии в группах лабораторных животных, достоверно различающихся по уровню устойчивости к заданному воздействию. Для этого прошедшие 14-недельный карантин белые беспородные крысы (40 голов) в фоновом исследовании предварительно тестировались на устойчивость к гипоксии (по критерию резервного времени при воздействии предельно переносимой гипоксической гипоксии).
Для тестирования индивидуального уровня устойчивости к гипоксии животные подвергались барокамерному гипоксическому воздействию путем подъема в барокамере на высоту 11 500 м. Скорость подъема 120–180 м/с (при такой скорости у животных практически не включаются срочные адаптационные реакции). Регистрируемый показатель — время появления второго агонального вдоха (резервное время, Тр), после чего животное «спускалось» с той же скоростью до уровня нормобарии. Анализировалась частотная кривая распределения животных по резервному времени пребывания на площадке. Полученная кривая асимметрична и смещена влево (что отражает степень экстремальности гипоксического воздействия). Для низкоустойчивых животных показатель резервного времени составлял менее 3 мин, для высокоустойчивых он должен быть более 9 мин. Предварительное тестирование позволило сформировать 4 экспериментальные группы по 5 животных, из них две группы (1 и 3) включали в себя животных с низким уровнем устойчивости к гипоксии, и две (2 и 4) — с высоким уровнем устойчивости. Через 12–15 дней после тестирования исходного уровня устойчивости к гипоксии анализировалась экспрессия исследуемых генов HIF-1α и TSPO в образцах тканей лабораторных животных (плазма, цельная кровь, почки, печень, сердце и головной мозг), осуществлялся забор биологического материала для ПЦР-исследования. У животных групп 1 и 2 образцы тканей забирались в нормоксических условиях (без гипоксического воздействия), в группах 3 и 4 — сразу после прекращения воздействия на животных умеренной гипобарической гипоксии (подъем на высоту 7000 м со скоростью 150–165 м/с, пребывание на высоте 30 мин, спуск до уровня нормоксии со скоростью 150 м/с).
Методика изучения экспрессии гипоксия-индуцибельного фактора HIF-1α в ответ на экстремальное воздействие. Сразу же после прекращения гипоксического воздействия животных выводили из эксперимента методом декапитации, и забирали у них образцы цельной крови, почек, печени, сердца и головного мозга. Пробы замораживались в жидком азоте и хранились до выполнения исследования в низкотемпературном холодильнике при температуре –140 °C. Контролем служили аналогичные животные, помещаемые в работающую барокамеру без герметизации и воздействия неблагоприятного фактора («холостой прогон», позволяющий снизить значимость стрессового фактора на животных). Из исследуемого материала выделяли тотальную РНК методом аффинной сорбции на частицах силикагеля согласно протоколу производителя к комплекту реагентов для экстракции РНК/ДНК из клинического материала «АмплиПрайм РИБО-сорб» (ИнтерЛабСервис, Москва). Синтез первой цепи кДНК проводили согласно указаниям инструкции «Комплекта реагентов для получения кДНК на матрице РНК РЕВЕРТА-L» (ИнтерЛабСервис, Москва).
Амплификацию, с последующим определением уровня экспрессии гена HIF-1α крыс, проводили методом ПЦР с детекцией накопления продуктов реакции в режиме реального времени (Real-TimePCR, USA) с помощью детектирующего амплификатора CFX-96 (Bio-Rad, США) и специфических праймеров и зондов к гену HIF-1α крыс (ДНК-Синтез, Россия). Праймеры для последовательностей HIF-1α и TSPO (гену «домашнего хозяйства») были подобраны с помощью программы VectorNTI. Последовательности мРНК HIF-1α и TSPO были взяты в базе данных NCBIGenBank и синтезированы фирмой ООО «ДНК-Синтез», Москва (табл. 1).
Таблица 1. Праймеры и зонды для Real-TimePCR
Table 1. Primers and probes for Real-Time PCR
Исследуемая мишень / Target under study | Олигонуклеотидные праймеры и зонды / Oligonucleotide primers and probes |
Ген HIF-1α / HIF-1α gene | HIF_1a_F: 5-ACTCATCATGACATGTTTACTAAAGGAC-3 HIF_1a_R: 5-TGTCAAACGGAAGATGGCAG-3 ZHIF_1a: 5-ROX-TCACCACAGGACAGTACAGGATGCTTGC-BHQ1-3 |
Ген «домашнего хозяйства» крысы TSPO / TSPO rat “housekeeping” gene | TSPO_F: 5-AGGCTGTGGATCTTTCCAGAAC-3 TSPO_R: 5-GGCTGGGCACCAGAGTGA-3 ZTSPO: 5-FAM-CAATCACTATGTCTCAATCCTGGGTACCCG-BHQ1-3 |
Стадию амплификации кДНК HIF-1α крыс в режиме реального времени проводили в 25 мкл смеси: ПЦР буфер (×10) — 700 ммоль Трис-HCl, pH 8,6; 25 °C, 166 ммоль (NH4)2SO4, 25 ммоль MgCl2, 0,2 ммоль dNTPs, Taq — полимераза, на детектирующем амплификаторе CFX-96 (Bio-Rad, США). Условия проведения амплификации кДНК HIF-1α с праймерами HIF-1α_F/HIF-1α_Rи зонда ZHIF-1α: 95 °C — 15 мин; затем 50 циклов: 95 °C — 30 с, 65 °C — 50 с, 72 °C — 30 с.
Количество исследуемых кДНК (копийных ДНК, полученных из РНК путем обратной транскрипции) в образцах рассчитывали путем определения пороговых циклов ПЦР. Для оценки уровня экспрессии гена HIF-1α в качестве стандарта сравнения использовался ген TSPO, экспрессия которого считается стабильной для животного. Нормализацию количества изучаемых транскриптов к общему количеству кДНК в пробе проводили с помощью отношения HIF-1α/TSPO.
Критерии включения: беспородные лабораторные крысы — самцы массой на начало исследования 180–210 г, у которых за период наблюдения (карантин 14 дней плюс 12–15 дней после фонового тестирования устойчивости) не выявлены признаки какого-либо заболевания, и рандомизированные по уровню устойчивости к гипоксии в одну из четырех экспериментальных групп по признаку полярности устойчивости организма к экстремальному воздействию.
Критерии невключения: животные, у которых в процессе фонового тестирования устойчивости был выявлен средний уровень, не позволяющий отнести их к категории устойчивых или неустойчивых к гипоксии.
Критерии исключения: животные, у которых во время периода наблюдения были выявлены любые признаки какого-либо заболевания.
Рандомизация животных на группы производилась случайным выборочным методом из сформированных блоков животных с высоким или низким уровнем индивидуальной устойчивости к гипоксии.
Методы статистического анализа данных
Статистическую обработку полученных результатов проводили в программной среде процессора таблиц Excel с помощью пакета прикладных программ «Анализ данных» методом дисперсионного анализа ANOVA. Различия между группами оценивали по F-критерию при уровне значимости p < 0,05.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Результаты определения экспрессии генов HIF-1α и TSPO в полярных по уровню устойчивости к гипоксии группах животных представлены в табл. 2–4.
Таблица 2. Экспрессия генов TSPO в разных тканях в нормоксических условиях и после воздействия гипобарической гипоксии у животных с разным уровнем устойчивости к гипоксии, тыс. копий, M ± m
Table 2. Expression of TSPO genes in different tissues under normoxic conditions and after exposure to hypobaric hypoxia in animals with different levels of resistance to hypoxia, thousand copies, M ± m
Ткань / Tissue | Нормоксия (высота 0 м) / Normoxia (height 0 m) | Умеренная гипоксия (высота 7000 м) / Moderatehypoxia (height 7000 m) | ||||
НУ / LR | ВУ /HR | различия / differences | НУ / LR | ВУ / HR | различия / differences | |
Плазма крови / Bloodplasma | 3,2 ± 0,7 | 7,2 ± 0,6 | +125 %, р = 0,002 | 5,6 ± 1,0 | 15,0 ± 0,9 | +167 %, р = 2 · 10–4 |
Цельная кровь / Wholeblood | 165 ± 5 | 293 ± 6 | +78 %, р = 1 · 10–4 | 325 ± 13 | 581 ± 18 | +78 %, р = 5 · 10–6 |
Почки / Kidneys | 3440 ± 53 | 5122 ± 57 | +49 %, р = 3 · 10–8 | 6881 ± 134 | 10205 ± 88 | +48 %, р = 2 · 10–7 |
Печень / Liver | 980 ± 35 | 1490 ± 21 | +52 %, р = 9 · 10–6 | 1967 ± 42 | 3383 ± 151 | +72 %, р = 4 · 10–4 |
Сердце / Heart | 2300 ± 55 | 2780 ± 34 | +21 %, р = 2 · 10–4 | 4597 ± 58 | 5613 ± 50 | +22 %, р = 1 · 10–6 |
Мозг / Brain | 247 ± 13 | 351 ± 6 | +42 %, р = 5 · 10–4 | 495 ± 29 | 719 ± 26 | +45 %, р = 4 · 10–4 |
Примечание. Группы животных: НУ — низкоустойчивые к гипоксии; ВУ — высокоустойчивые к гипоксии. Note. Groups of animals: NR — low resistant to hypoxia; HR — highly resistant to hypoxia.
Таблица 3. Экспрессия гена HIF-1α в разных тканях в нормоксических условиях и после воздействия гипобарической гипоксии у животных с разным уровнем устойчивости к гипоксии, тыс. копий, M ± m
Table 3. Expression of HIF-1α gene in different tissues under normoxic conditions and after exposure to hypobaric hypoxia in animals with different levels of resistance to hypoxia, thousand copies, M ± m
Ткань / Tissue | Нормоксия (высота 0 м) / Normoxia (height 0 m) | Умеренная гипоксия (высота 7000 м) / Moderatehypoxia (height 7000 m) | ||||
НУ / LR | ВУ /HR | различия / differences | НУ / LR | ВУ / HR | различия / differences | |
Плазма крови / Bloodplasma | 0,6 ± 0,1 | 6,1 ± 0,6 | +820 %, р = 5 · 10–4 | 0,4 ± 0,1 | 29,6 ± 2,2 | +597 %, р = 2 · 10–4 |
Цельная кровь / Wholeblood | 104 ± 2 | 328 ± 7 | +215 %, р = 2 · 10–6 | 6802 ± 582 | 18586 ± 1151 | +173 %, р = 1 · 10–4 |
Почки / Kidneys | 1924 ± 49 | 6338 ± 53 | +229 %, р = 7 · 10–12 | 6001 ± 62 | 9735 ± 774 | +62 %, р = 8 · 10–3 |
Печень / Liver | 11385 ± 399 | 29030 ± 117 | +155 %, р = 3 · 10–7 | 97692 ± 1953 | 228238 ± 12419 | +133 %, р = 4 · 10–4 |
Сердце / Heart | 4940 ± 326 | 9785 ± 216 | +98 %, р = 6 · 10–6 | 10057 ± 170 | 23185 ± 215 | +130 %, р = 1 · 10–10 |
Мозг / Brain | 50583 ± 2722 | 121308 ± 4362 | +140 %, р = 4 · 10–6 | 171393 ± 8220 | 32663 ± 1428 | –80 %, р = 5 · 10–5 |
Примечание. Группы животных: НУ — низкоустойчивые к гипоксии; ВУ — высокоустойчивые к гипоксии. Note. Groups of animals: NR — low resistant to hypoxia; HR — highly resistant to hypoxia.
Таблица 4. Уровень экспрессии гена HIF-1α в разных тканях в нормоксических условиях и после воздействия гипобарической гипоксии у животных с разным уровнем устойчивости к гипоксии, нормированный по активности гена TSPO, отн. ед., M ± m
Table 4. The expression level of HIF-1α genes in different tissues under normoxic conditions and after exposure to hypobaric hypoxia in animals with different levels of resistance to hypoxia, normalized by TSPO gene activity, relative units, M ± m
Ткань / Tissue | Нормоксия (высота 0 м) / Normoxia (height 0 m) | Умеренная гипоксия (высота 7000 м) / Moderatehypoxia (height 7000 m) | ||||
НУ / LR | ВУ /HR | различия / differences | НУ / LR | ВУ / HR | различия / differences | |
Плазма крови / Bloodplasma | 0,21 ± 0,01 | 0,84 ± 0,0,01 | +306 %, р = 2 · 10–9 | 0,08 ± 0,01 | 1,96 ± 0,05 | +2360 %, р = 5 · 10–7 |
Цельная кровь / Wholeblood | 0,63 ± 0,01 | 1,12 ± 0,01 | +77 %, р = 2 · 10–9 | 20,8 ± 1,2 | 32,0 ± 1,8 | +54 %, р = 1 · 10–3 |
Почки / Kidneys | 0,56 ± 0,04 | 1,24 ± 0,02 | +121 %, р = 4 · 10–9 | 0,87 ± 0,02 | 0,96 ± 0,08 | +9 %, р = 0,39 |
Печень / Liver | 11,62 ± 0,08 | 19,50 ± 0,30 | +68 %, р = 4 · 10–6 | 49,7 ± 0,2 | 67,4 ± 0,8 | +35 %, р = 1 · 10–5 |
Сердце / Heart | 2,14 ± 0,09 | 3,52 ± 0,04 | +64 %, р = 1 · 10–5 | 2,19 ± 0,03 | 4,13 ± 0,06 | +89 %, р = 2 · 10–7 |
Мозг / Brain | 205 ± 4 | 345 ± 7 | +68 %, р = 9 · 10–7 | 347 ± 5 | 45,4 ± 1,1 | –87 %, р = 2 · 10–7 |
Примечание. Группы животных: НУ — низкоустойчивые к гипоксии; ВУ — высокоустойчивые к гипоксии. Note. Groups of animals: NR — low resistant to hypoxia; HR — highly resistant to hypoxia.
Для финальной оценки экспрессии гена HIF-1α было выполнено его нормирование по экспрессии гена «домашнего хозяйства» TSPO (табл. 4).
Анализ данных табл. 2–4 показывает, что уровень устойчивости животных к гипоксии в существенной степени определяется их генетическими особенностями. Даже в условиях нормоксии экспрессия гена TSPO «домашнего хозяйства» животных с высоким уровнем устойчивости к гипоксии с высокой степенью достоверности отличается от низкоустойчивых животных (в почках, печени и мозге — в среднем на 40–50 %, в сердце — на 25 %). Важно, что даже значения экспрессии этого гена, определяемого в цельной крови или плазме, позволяет дифференцировать группы животных по уровню устойчивости к гипоксии. Интересно, что аналогичное соотношение между животными с высокой и низкой устойчивостью к гипоксии наблюдается и в тканях, полученных сразу после гипоксического воздействия. Анализ реакции системы геномной регуляции на гипоксическое воздействие показал, что подъем животных на высоту 7000 м в 2 раза повышает экспрессию гена TSPO в равной степени во всех тканях, независимо от уровня устойчивости животных к гипоксии (единственным исключением стала экспрессия этого гена в печени — в условиях гипоксии она выросла несколько в большей степени — в 2,27 раза).
Для гена HIF-1α обнаружены аналогичные закономерности, но выраженность их проявлений имеет более существенный (в 2–2,5 раза для условий нормоксии и в 1,6–2,3 раза для условий гипоксии) и достоверный характер. Однако реакция генных механизмов на гипоксическое воздействие в группах устойчивых и неустойчивых животных не такая однородная (см. рисунок), как было отмечено для гена TSPO.
Рисунок. Коэффициенты реактивности на умеренное гипоксическое воздействие экспрессии гипоксия-индуцибельного фактора HIF-1α в разных тканях в группах высоко- и низкоустойчивых животных (ВУ и НУ соответственно) Figure.
Figure. Coefficients of reactivity to moderate hypoxic exposure to the expression of the hypoxia-inducible factor HIF-1α in different tissues in groups of high- and low-resistant animals (HR and LR, respectively)
Обращает на себя внимание тот факт, что для низкоустойчивых к гипоксии животных накопление фрагментов HIF-1α в тесте ПЦР выше, чем для высокоустойчивых (за исключением плазмы крови, для которой у низкоустойчивых животных отмечен не рост, а снижение показателя на 36 %, но оно не является статистически достоверным, р = 0,23). В принципиальном плане отличается реакция на гипоксию для экспрессии HIF-1α в тканях мозга: повышение в 3,5 раза для группы неустойчивых животных и снижение в 3 раза для высокоустойчивых. Такая реакция экспрессии HIF-1α в мозге на гипоксию ранее была описана в работе [11] для группы, не дифференцированной по уровню устойчивости к гипоксии животных.
ОБСУЖДЕНИЕ
Полученные в настоящем исследовании данные свидетельствуют, что основным органом, обеспечивающим высокий уровень устойчивости к гипоксии, связанный с базовой (в условиях нормоксии) экспрессией HIF-1α, является головной мозг. Экспрессия в нем гипоксия-индуцибельного фактора более чем в 300 раз превышает экспрессию генов «домашнего хозяйства». Второй по значимости орган — печень, активность экспрессии HIF-1α в которой более чем 15 раз превышает экспрессию генов «домашнего хозяйства». В условиях умеренной гипоксии отмечена компенсаторно-приспособительная реакция, связанная с активацией механизмов гипоксической защиты в клетках крови и печени, а у низкоустойчивых животных — еще и в ткани мозга. В миокарде такая компенсаторно-приспособительная реакция активизируется только в группе высокоустойчивых животных. Несколько неожиданным кажется полученное отсутствие различий в реакции на гипоксию системы регуляции экспрессии HIF-1α в почках для группы высокоустойчивых животных, а также переключение у этих животных геномного ответа на гипоксию с HIF-1α на иные сигнальные механизмы, что проявилось снижением экспрессии генов этого транскрипционного фактора практически в 7 раз.
Выявленные нами особенности свидетельствуют, что принципиальные механизмы повышения устойчивости к гипоксическому воздействию для организмов со сниженным уровнем устойчивости к гипоксии протекают с участием активации экспрессии трансляционного фактора HIF-1α во всех органах и тканях, а также о наличии особых механизмов компенсаторно-приспособительных реакций на гипоксию в группе высокоустойчивых животных. Полученные данные согласуются с выводами, что в механизме действия прямых антигипоксантов типа амтизола, эффективно защищающих ткани организма от острого гипоксического воздействия именно у неустойчивых к гипоксии лиц, существенную роль играет HIF-1α [1]. Высокий уровень базовой экспрессии транскрипционного фактора HIF-1α в повседневных (нормоксических) условиях может быть предиктором высокого уровня устойчивости данного животного к гипоксии.
При анализе литературных источников нам не удалось найти работ, решающих в прямой постановке задачи, аналогичные тем, что ставили перед собой мы. Однако обнаружены публикации, позволяющие высказать предположения о механизмах влияния высокого уровня экспрессии HIF-1α на переносимость экстремальных воздействий. Среди них можно выявить несколько групп механизмов, основным из которых является стабилизация митохондриальных функций и энергопродукции. Показана способность HIF-1α в большей степени активизировать гликолиз у генетически более устойчивых к гипоксии организмов [18]. Такая активация происходила с использованием сигнального пути mTORC1/eIF4E, а для тканей головного мозга сопровождалась повышением экспрессии транспортера фруктозы GLUT5 и кетогексокиназы, что свидетельствует об активном вовлечении утилизации фруктозы в качестве резервного источника энергии. Доказана активация альтернативного гликолизу пути утилизации глюкозы с генерацией восстановленных эквивалентов и фосфорибозы — пентозофосфатного метаболического шунта, устойчивого к влиянию к гипоксии и митохондриальным дисфункциям, так как его реакции осуществляются на мембранах эндоплазматического ретикулума клеток [3]. Второй универсальный механизм влияния повышенной экспрессии HIF на устойчивость животных к экстремальным воздействиям — снижение скорости апоптоза клеток, индуцированного экстремальным воздействием (гипоксии, в частности). Показано, что у устойчивых к экстремальным воздействиям животных индукция апоптоза идет медленнее, а уровень экспрессии HIF при этом становится достоверно выше [12]. Третий универсальный механизм касается не столько механизмов энергопродукции, дефицитной для экстремальных состояний, сколько механизмов нейроадаптации, стабилизации функций нейронов при неблагоприятных воздействиях [8].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Высокий уровень базовой экспрессии транскрипционного фактора HIF-1α в повседневных (нормоксических) условиях может быть предиктором высокого уровня устойчивости данного животного к гипоксии. Для повышения устойчивости организма к экстремальным воздействиям целесообразно использовать медицинские технологии, повышающие уровень экспрессии гена HIF-1α в повседневных (нормоксических) условиях в ключевых тканях — головном мозге, печени, миокарде.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Вклад авторов. Все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.
ADDITIONAL INFORMATION
Author contribution. Thereby, all authors made a substantial contribution to the conception of the study, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the article, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the study.
Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.
Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.
About the authors
Aleksey E. Kim
Kirov Military Medical Academy
Author for correspondence.
Email: alexpann@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4591-2997
MD, PhD, assistant professor, Department of Pharmacology
Russian Federation, Saint PetersburgEvgeny B. Shustov
Golikov Scientific and Clinical Center of Toxicology
Email: shustov-msk@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5895-688X
MD, PhD, Dr. Sci. (Med.), professor, chief researcher. Golikov Scientific and Clinical Center of Toxicology
Russian Federation, Saint PetersburgVadim A. Kashuro
St. Petersburg State Pediatric Medical University; Herzen University
Email: kashuro@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-7892-0048
MD, PhD, Dr. Sci. (Med.), assistant professor, head of the Department of Biological Chemistry; professor of the Department of Anatomy and Physiology of Animals and Humans
Russian Federation, Saint Petersburg; Saint PetersburgVyacheslav P. Ganapolsky
Kirov Military Medical Academy
Email: ganvp@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7685-5126
MD, PhD, Dr. Sci. (Med.), colonel of the medical service, acting head of the Department of Pharmacology
Russian Federation, Saint PetersburgElena B. Katkova
Kirov Military Medical Academy
Email: elenaelenakatkova@mail.ru
MD, PhD, assistant professor, Department of Pharmacology
Russian Federation, Saint PetersburgReferences
- Aleksandrova AE. Antihypoxant activity and mechanisms of action of some natural and synthetic compounds. Experimental and clinical pharmacology. 2005;68(5):72–78. (In Russ.) doi: 10.30906/0869-2092-2005-68-5-72-78
- Baranova KA, Mironova VI, Rybnikova EA, Samoilov MO. expression in the rat brain during the development of a depressive state and the antidepressive effects of hypoxic preconditioning. Neurochemical Journal. 2010;27(1):40–46. (In Russ.)
- Vetrovoi OV. Rol HIF1-zavisimoi regulyatsii pentozofosfatnogo puti v obespechenii reaktsii mozga na gipoksiyu [dissertation abstract]. Saint Petersburg: St. Petersburg University, 2018. (In Russ.)
- Dzhalilova DS, Makarova OV. HIF-dependent mechanisms of relationship between hypoxia tolerance and tumor development. Biochemistry (Moscow). 2021;86(10):1403–1422. (In Russ.) doi: 10.31857/S0320972521100018
- Dzhalilova DSh, Makarova OV. The role of hypoxia-inducible factor in the mechanisms of aging. Biochemistry (Moscow). 2022;87(9):1277–1300. (In Russ.) doi: 10.31857/S0320972522090081
- Zhukova AG, Kazitskaya AS, Sazontova TG, Mikhailova NN. Hypoxia-inducible factor (HIF): structure, function and genetic polymorphism. Hygiene and sanitation. 2019;98(7):723–728. (In Russ.) doi: 10.18821/0016-9900-2019-98-7-723-728
- Kade AKh, Zanin SA, Sidorenko AN, et al. Р Role of hif ih health and disease. Crimean journal of experimental and clinical medicine. 2021;11(2):82–87. (In Russ.) doi: 10.37279/2224-6444-2021-11-2-82-87
- Lyubimov AV, Khokhlov PP. Participation of HIF-1 in the mechanisms of neuroadaptation to acute stressful exposure. Reviews on Clinical Pharmacology and Drug Therapy. 2021;19(2):183–188. (In Russ.) doi: 10.17816/rcf192183-188
- Popravka ES, Linkova NS, Trofimova SV, Khavinson VKh. HIF-1 is a marker of age-related diseases associated with tissue hypoxia. Uspekhi sovremennoi biologii. 2018;138(3):259–272. (In Russ.) doi: 10.7868/S0042132418030043
- Tregub PP, Kulikov VP, Malinovskaya NA, et al. Hif-1 — alternative signal pathways of activation and formation of tolerance to hypoxia/ischemia. Pathological physiology and experimental therapy. 2019;63(4):115–122. (In Russ.) doi: 10.25557/0031-2991.2019.04.115-122
- Shustov EB, Karkischenko NN, Dulya MS, et al. The expression of hypoxia-inducible factor HIF1α as a criterion for the development of tissue hypoxia. Journal biomed. 2015;63(4):4–15. (In Russ.)
- Huang BJ, Cheng XS. Effect of hypoxia inducible factor-la on thermotolerance against hyperthemia induced cardiomyocytes apoptosis. Chinese Journal of Cardiology. 2013;41(9):785–789. doi: 10.3760/cma.j.issn.0253-3758.2013.09.013
- Harada H, Hiraoka M. Hypoxia-Inducible Factor 1 in tumor radioresistance. Curr Signal Transduct Ther. 2010;5(3): 188–196. doi: 10.2174/157436210791920229
- Jiang Y, Wu J, Keep RF, et al. Hypoxia-inducible factor-1α accumulation in the brain after experimental intracerebral hemorrhage. J Cereb Blood Flow Metab. 2002;22(6):689–696. doi: 10.1097/00004647-200206000-00007
- Ke Q, Costa M. Hypoxia-inducible factor-1 (HIF-1). Mol Pharmacol. 2006;70(5):1469–1480. doi: 10.1124/mol.106.027029
- Kim W, Kim M-S, Kim H-j, et al. Role of HIF-1α in response of tumors to a combination of hyperthermia and radiation in vivo. Int J Hyperth. 2018;34(3): 276–283. doi: 10.1080/02656736.2017.1335440
- Lee T-K, Kim DW, Sim H, et al. Hyperthermia accelerates neuronal loss differently between the hippocampal CA1 and CA2/3 through different HIF-1α expression after transient ischemia in gerbils. Int J Mol Med. 2022;49(4):55. doi: 10.3892/ijmm.2022.5111
- Lin J, Fan L, Han Y, et al. The mTORC1/eIF4E/HIF-1α Pathway Mediates Glycolysis to Support Brain Hypoxia Resistance in the Gansu Zokor, Eospalax cansus. Front Physiol. 2021;12: fphys.2021.626240. doi: 10.3389/fphys.2021.626240
- Moon EJ, Sonveaux P, Porporato PE, et al. NADPH oxidase-mediated reactive oxygen species production activates hypoxia-inducible factor-1 (HIF-1) via the ERK pathway after hyperthermia treatment. PNAS USA. 2010;107(47):20477–20482. doi: 10.1073/pnas.1006646107
- Pan Z, Ma G, Kong L, Du G. Hypoxia-inducible factor-1: Regulatory mechanisms and drug development in stroke. Pharmacol Res. 2021;170:105742. doi: 10.1016/j.phrs.2021.105742
- Pugh CW. Modulation of the Hypoxic Response. Roach R, Hackett P, Wagner P, editors. Hypoxia. Advances in Experimental Medicine and Biology. Vol. 903. Boston: Springer, 2016. P. 259–271. doi: 10.1007/978-1-4899-7678-9_18
- Rohwer N, Cramer T. Hypoxia-mediated drug resistance: Novel insights on the functional interaction of HIFs and cell death pathways. Drug Resist Updat. 2011;14(3):191–201. doi: 10.1016/j.drup.2011.03.001
- Sato T, Takeda N. The roles of HIF-1α signaling in cardiovascular diseases. J Cardiol. 2023;81(2):202–208. doi: 10.1016/j.jjcc.2022.09.002
- Semenza GL. Signal transduction to hypoxia-inducible factor 1. Biochem Pharmacol. 2002;64(5–6):993–998. doi: 10.1016/S0006-2952(02)01168-1
- Sharp FR, Bergeron M, Bernaudin M. Hypoxia-inducible factor in brain. Roach R, Hackett P, Wagner P, editors. Hypoxia. Advances in Experimental Medicine and Biology. Vol. 502. Boston: Springer, 2016. P. 273–291. doi: 10.1007/978-1-4757-3401-0_18
- Soldatova VA, Demidenko AN, Soldatov VO, et al. Hypoxia-inducible factor: Basic biology and involvement in cardiovascular pathology. Asian J Pharm. 2018;12(4): S1173–S1178.
- Wang L, Jiang M, Duan D, et al. Hyperthermia-conditioned OECs serum-free-conditioned medium induce NSC differentiation into neuron more efficiently by the upregulation of HIF-1 alpha and binding activity. Transplantation. 2014;97(12):1225–1232. doi: 10.1097/TP.0000000000000118
Supplementary files

