Translokator jądrowy receptora arylowych węglowodorów (ARNT/HIF-1β) jest zależny od hipoksji i hipoksji-mimetyków

Abstract

Background: Aryl Hydrocarbon Receptor Nuclear Translocator (ARNT, HIF-1β) jest członkiem rodziny białek basic-Helix-Loop-Helix PER/ARNT/SIM (bHLH/PAS) i istotnym regulatorem transkrypcji w odniesieniu do rozwoju i fizjologicznych procesów adaptacyjnych. Mówi się, że ARNT jest związany z nowotworami i innymi chorobami. Wiadomo, że ARNT ulega translokacji do jądra komórkowego, gdzie następuje akumulacja białka. ARNT jest partnerem heterodimeryzacji aktywowanego ligandem ksenobiotycznym receptora węglowodorów arylowych (AhR), białka Single Minded (SIM), czynnika sercowo-naczyniowego typu helisa-pętla-helisa 1 oraz białka czynnika indukowanego hipoksją (HIF-α). ARNT jest obligatoryjny dla wiązania HIF-1, HIF-2 i HIF-3 do DNA. Podczas gdy degradacja podjednostek HIF-α jest tłumiona przez hipoksję, ARNT jest ogólnie uważany za konstytutywnie wyrażony w nadmiarze wewnątrz komórki, a stabilizacja jest powszechnie uważana za niezależną od tlenu. Jednakże, dostarczamy dowodów, że regulacja ARNT jest znacznie bardziej złożona. Celem naszych badań było ponowne oszacowanie regulacji ekspresji ARNT. Metody: Badaliśmy linie komórkowe różnego pochodzenia, takie jak MCF-7 i T47D (ludzki rak piersi), HeLa (ludzki rak szyjki macicy), Hep3B i HepG2 (ludzki hepatoma), Kelly (ludzki neuroblastoma), REPC (ludzka nerka) i komórki Cos7 (pierwotna nerka naczelnych). W badaniach wykorzystano analizę immunoblot, densytometrię, RT-PCR oraz transfekcję przejściową. Wyniki i Wnioski: Nasze wyniki wskazują, że na poziom białka ARNT wpływa hipoksja i mimetyki hipoksji, takie jak chlorek kobaltu(II)- (CoCl2) i dimetyloksalglicyna (DMOG) w sposób specyficzny dla danej linii komórkowej. Wykazaliśmy, że efekt ten może być wywoływany przez HIF-1α, który odgrywa ważną rolę w procesie stabilizacji ARNT w hipoksji.

© 2013 S. Karger AG, Basel

Wprowadzenie

Nuklearny translokator receptora węglowodorów arylowych (ARNT) jest członkiem rodziny białek basic-Helix-Loop-Helix PER/ARNT/SIM (bHLH/PAS) i kluczowym regulatorem transkrypcji w organogenezie i rozwoju neuronów, jak również w procesach fizjologicznej adaptacji do niedotlenienia i zanieczyszczeń. Oprócz ARNT (HIF-1β), u różnych gatunków występują jeszcze dwie izoformy ARNT2 i ARNT3 (BMAL1, MOP3, JAP3, ARNTL1). ARNT i ARNT2 wykazują >90% identyczność aminokwasową. ARNT ma bardziej wszechobecny wzór ekspresji niż ARNT2 w dorosłych tkankach. Ostatnie badania donoszą o powiązaniu ARNT z kilkoma dysfunkcjami komórek i chorobami, takimi jak rak i cukrzyca .

Jak wszystkie cząsteczki bHLH, ARNT musi dimeryzować, aby tworzyć aktywne kompleksy wiążące DNA. Wiadomo, że ARNT tworzy heterodimery z aktywowanym ligandem ksenobiotyku receptorem węglowodorów arylowych (AhR), z którym indukowane są enzymy metabolizujące, z podjednostkami HIF-α (Hypoxia Inducible Factors) w warunkach niskiego poziomu tlenu, z białkami SIM (Single Minded) odpowiedzialnymi za rozwój neuronów i CHF1 (cardiovascular helix-loop-helix factor 1). Wcześniej wykazaliśmy, że ARNT jest najprawdopodobniej translokowany do jądra na drodze klasycznego importu jądrowego, w którym pośredniczą importyny α/β. Pomimo współistniejącego eksportu jądrowego ARNT gromadzi się głównie w jądrze.

W hipoksji podjednostki α czynnika indukującego hipoksję (HIF-α) są stabilizowane i tworzą heterodimery z ARNT (HIF-1β), które regulują odpowiedź komórkową na niskie poziomy tlenu. Obecnie zidentyfikowano trzy różne izoformy zależnych od tlenu podjednostek HIF-α: HIF-1α, HIF-2α (EPAS1) i HIF-3α . W warunkach normoksycznych białka HIF-α ulegają hydroksylacji przez enzymy Prolyl-Hydroxylase-Domain 1-3 (PHD1-3). Prolyl-hydroksylowany HIF-α służy jako motyw rozpoznawczy dla polikwitynacji przez białko Von Hippel-Lindau (pVHL) i późniejszej degradacji proteasomalnej. Jednakże ARNT nie posiada Domeny Degradacji Zależnej od Tlenu (ODDD) i uważa się, że ulega stałej ekspresji w warunkach normoksji. Obecnie uważa się, że hipoksja nie ma wpływu na poziom ARNT. Istnieją jednak rozproszone badania obserwujące częściowo równoczesny wzrost poziomu białka ARNT w warunkach hipoksji. Poniżej przedstawiamy dowody na to, że ekspresja ARNT jest istotnie zależna i modulowana w zależności od typu ocenianej komórki. Sugeruje to, że komórki nowotworowe mogą tracić zdolność do regulacji ARNT w procesie nowotworzenia. Nasze dane pokazują, że regulacja ekspresji ARNT jest o wiele bardziej złożona niż się powszechnie uważa.

W naszym badaniu badaliśmy ekspresję ARNT pod różnymi typami hipoksji, mimetykami hipoksji i czynnikami indukującymi hipoksję, ujawniając specyficzne dla linii komórkowej i zależne od kofaktora wzorce ekspresji.

Materiały i metody

Kultura komórkowa, indukcja hipoksji i mimetyki hipoksji

Linie komórkowe MCF-7 (ludzki rak przewodowy piersi), T47D (ludzki rak przewodowy piersi), Hep3B (ludzki rak wątrobowokomórkowy), HeLa (ludzki gruczolakorak szyjki macicy), HepG2 (ludzki rak wątrobowokomórkowy) i Cos-7 (komórki nerki podobne do fibroblastów naczelnych) inkubowano w podłożu hodowlanym DMEM (Gibco). Linie komórkowe REPC (primary human kidney, ) i Kelly (human neuroblastoma) były hodowane w podłożu RPMI-1640 (Gibco). Podłoże hodowlane uzupełniono 10% płodową surowicą cielęcą (FCS, Gibco) i odpowiednio 100 IU/ml penicyliny / 100µg/ml streptomycyny. Komórki hodowano w nawilżonej atmosferze w temperaturze 37°C, 5% CO2 i 20,9% O2 (normoksja). Do badań hipoksji, komórki umieszczano w atmosferze nawilżonej w 37°C, 5% CO2, zrównoważonym N2 z 1% lub 3% O2. Chlorek kobaltu(II)- (CoCl2) był używany w rozcieńczeniu 50 µM, a dimetylooksaliloglicyna (DMOG) w rozcieńczeniu 1 mM jako mimetyk hipoksji.

Transformacja przejściowa

Linie komórkowe MCF-7, T47D i Hep3B były transfekowane siRNA przy użyciu odczynnika do transfekcji Lipofectamine™ RNAiMAX (Invitrogen). Komórki hodowano do 50% konfluencji w 6-dołkowych płytkach hodowlanych, a następnie przeprowadzono transfekcję zgodnie z protokołem producenta. Przed zastosowaniem hipoksji medium hodowlane zostało zmienione, a komórki inkubowano kolejne 6 godzin w warunkach normoksycznych.

Analiza immunoblot i densytometria

Do analizy Western blotting komórki były zbierane po leczeniu, przemywane zimnym jak lód PBS, ekstrahowane mocznikowym buforem do lizy i poddawane sonikacji w celu uzyskania lizatów całokomórkowych. Stężenie białka oznaczano przy użyciu Bio-Rad DC Protein Assay zgodnie z protokołem producenta. Ekstrakty białkowe poddano elektroforezie metodą SDS-PAGE i przeniesiono na membrany nitrocelulozowe metodą elektroblottingu półsuchego. Membrany były blokowane przy użyciu 5% mleka beztłuszczowego w PBS. Przeciwciała pierwszorzędowe (HIF-1α: BD transduction, 1:1000; ARNT: Novus 1:1000) inkubowano przez noc, a następnie przez 2 godziny dodawano przeciwciała drugorzędowe odpowiadające HRP (DAKO 1:5000). Jako odczynnika detekcyjnego użyto ECL (GE Healthcare). Ilość białek była porównywana przy użyciu Aida Image Analyser v.4.27 (Raytest) zgodnie z protokołami. Każde tło Western blot było odejmowane od indywidualnego obszaru pomiarowego. Odpowiadające obciążenie Lamin A/C uznano za 100% i obliczono wartość proporcjonalną.

RNA Isolation and RT-PCR

Aby zmierzyć specyficzne ilościowe poziomy mRNA, całkowite RNA izolowano z komórek przy użyciu ABI Prism 6100 Nucleic Acid PrepStation (Applied Biosystems) zgodnie z instrukcjami producenta. Następnie 0,2 µg RNA poddano odwrotnej transkrypcji przy użyciu programu Superscript III (Invitrogen). Wygenerowany cDNA został użyty jako szablon do ilościowej analizy PCR w czasie rzeczywistym (RT-PCR). RT-PCR przeprowadzono przy użyciu ABI 7000 Sequence Detection System (Applied Biosystems), TaqMan Universal PCR Master Mix (Applied Biosystems) oraz KAPA SYBR FAST Universal (Peqlab). Amplifikację przeprowadzono przy użyciu TaqMan Gene Expression Assays (Hs01100353_m1, Applied Biosystems) zgodnie z protokołami producenta. Do normalizacji użyto starterów specyficznych dla genu domowego L28 (sens: 5`-ATGGTCGTGCGGAACTGCT-3` i rewers: 3`-TTGTAGCGGAAGGAATTGCG-5`). Warunki cykliczności obejmowały wstępny etap aktywacji polimerazy w 95°C przez 10 min, a następnie 45 cykli w 95°C przez 15 s, 55°C przez 30 s i w 72°C przez 20 s. Próbki analizowano w czterokrotnym powtórzeniu, a względne ilości mRNA obliczano metodą ∆∆CT.

Statystyki

Analizę statystyczną przeprowadzono przy użyciu oprogramowania GraphPad InStat. Zastosowano test t niesparowanych. Wykresy są przedstawione jako średnie ± odchylenie standardowe (SD). Wykonano testy przeżycia MTT (dane nie pokazane), aby upewnić się, że przeżycie komórek nie różniło się między próbkami.

Wyniki

EkspresjaARNT jest indukowana w hipoksji w komórkach MCF-7, HeLa, Hep3B i REPC

Badaliśmy ilość białek ARNT hodując komórki MCF-7 w warunkach normoksji (21% O2) przez 24 godziny, a następnie przez 48 godzin normoksji (Nox) lub 24 godziny normoksji i 24 godziny hipoksji 1% (Hox 1% 24h, 1% O2) lub tylko 48 godzin hipoksji 1% (Hox 1% 48h, 1% O2). Ekstrakty całych komórek analizowano metodą immunoblottingu z użyciem monoklonalnego mysiego przeciwciała antyARNT. Białko HIF-1α było obserwowane w celu potwierdzenia indukcji komórek hipoksją. Jak pokazano na Rys. 1, poziom białka ARNT był podwyższony w odpowiedzi na hipoksję w komórkach MCF-7. 24-godzinna inkubacja z 1% hipoksją prowadziła do znaczącego wzrostu ARNT w porównaniu z 48-godzinną inkubacją z 1% hipoksją.

Fig. 1

Analiza immunoblotowa poziomu białka ARNT w MCF-7. Analizie poddano lizaty całych komórek (50 µg). Komórki hodowano w warunkach normoksycznych (21% O2), po których następowała 24-godzinna (Hox1% 24h) lub 48-godzinna (Hox 1% 48h) indukcja hipoksji (1% O2). Poziomy białek ARNT indukowane hipoksją są pokazane w porównaniu do normoksycznych (Nox) kontroli mierzonych densytometrycznie. Średnia ± SD; * P < 0,05; ** P < 0,01; *** P < 0,001 (dwuogonowa wartość P; n=6-11). Średnie są przedstawione w procentach. Pokazano reprezentatywny immunoblot. Poziomy białka HIF-1α służą jako kontrola indukcji hipoksji. Lamin A/C służy jako kontrola obciążenia.

http://www.karger.com/WebMaterial/ShowPic/173824

Komórki MCF-7 były inkubowane do 96 godzin w 1% hipoksji, aby ujawnić długoterminowe efekty hipoksji. Komórki MCF-7 wykazywały rosnące stężenie ARNT po 12 godzinach. W dalszej ekspozycji na niedotlenienie stężenie ARNT zaczęło spadać do wartości wyjściowej (ryc. 2).

Fig. 2

Czasowo zależna analiza Immunoblot białka ARNT w MCF-7. Analizie poddano lizaty całych komórek (50 µg). Komórki były hodowane w warunkach hipoksji (1% O2) przez 12h, 24h, 48h, 72h i 96h. Podłoże hodowlane wymieniano codziennie, stosując podłoże wyrównane 1% O2. Poziomy białek ARNT były mierzone densytometrycznie i są wyświetlane w procentach w porównaniu do 12 h hipoksji 1% (H1% 12h). Lamin A/C służy jako kontrola obciążenia.

http://www.karger.com/WebMaterial/ShowPic/173823

Indukcję ARNT spowodowaną różną intensywnością hipoksji mierzono hodując komórki MCF-7 w 3% hipoksji (3% O2) i 1% hipoksji (1% O2) przez 12 i 24 godziny (Fig. 3a).

Ryc. 3

Analiza immunoblot poziomów białka ARNT w MCF-7, HeLa, Hep3B i REPC. Analizie poddano lizaty całych komórek (50 µg). Komórki hodowano w warunkach hipoksji (3% O2 lub 1% O2) przez 12 lub 24 godziny (H3% 12h, H1% 12h, H3% 24h, H1% 24h). Poziomy białek ARNT mierzono metodą densytometryczną i przedstawiono w procentach w stosunku do kontroli normoksycznych (Nox). Poziomy białka HIF-1α służą jako kontrola indukcji hipoksji. Lamin A/C służy jako kontrola obciążenia.

http://www.karger.com/WebMaterial/ShowPic/173822

Aby wyjaśnić różnice między różnymi liniami komórkowymi, hodowaliśmy komórki HeLa, Hep3B i REPC podobne do komórek MCF-7 (Fig. 3b-d). We wszystkich typach komórek poddanych działaniu hipoksji poziom białka ARNT był podwyższony. Niedotlenienie 1% prowadziło do szybszego wzrostu poziomu białka ARNT, ale również do wcześniejszej normalizacji niż niedotlenienie 3%. 3% niedotlenienie wykazuje maksymalną indukcję ARNT po 24 godzinach.

Różne linie komórkowe wykazują różne reakcje na hipoksję i mimetyki hipoksji w odniesieniu do poziomów białka ARNT

Aby zbadać zależność między poziomami ARNT i HIF-α, komórki MCF-7, HeLa, Cos7, REPC, HepG2, Hep3B i Kelly poddano działaniu mimetyków hipoksji: chlorku kobaltu(II)-chlorku (CoCl2) i dimetylooksaloglicyny (DMOG) (ryc. 4a-g).

Rys. 4

Analiza immunoblot poziomów białka ARNT w MCF-7, HeLa, Cos7, REPC, HepG2, Hep3B i Kelly. Analizie poddano lizaty całych komórek (50 µg). Komórki hodowano w warunkach normoksycznych (21% O2) (Nox), hipoksycznych (3% O2) przez 24 godziny (Hox 3% 24h), normoksycznych z 50 µM chlorku kobaltu(II)-chlorku (CoCl2) oraz w warunkach normoksycznych z 1 mM dimetylooksalglicyny (DMOG). Indukcję poziomu białka ARNT pokazano w porównaniu do kontroli normoksycznej (Nox) mierzonej metodą densytometryczną. Średnia ± SD; * P < 0,05; ** P < 0,01; *** P < 0,001 (dwuogonowa wartość P; n = 3 – 7). Średnie są pokazane w procentach. Pokazano reprezentatywny immunoblot. Lamin A/C służy jako kontrola ładowania.

http://www.karger.com/WebMaterial/ShowPic/173821

Komórki HepG2 i Kelly nie odpowiedziały na 24-godzinną hipoksję wzrostem poziomu białka ARNT. Komórki HeLa wykazywały nieznaczną indukcję ARNT w hipoksji i pod wpływem leczenia mimetykami hipoksji, ale efekt ten nie był istotny statystycznie. Komórki MCF-7 wyraźnie wykazywały wzrost poziomu białka ARNT w warunkach 24-godzinnej 3% hipoksji oraz wzrost poziomu białka ARNT w wyniku traktowania CoCl2. Z drugiej strony leczenie DMOG nie miało wpływu na poziom ARNT w komórkach MCF-7, chociaż DMOG jest bardzo silnym stabilizatorem HIF. Komórki Cos7 wykazały silny efekt indukcji ARNT na hipoksję, jak również na mimetyki hipoksji CoCl2 i DMOG. Komórki REPC wykazywały silną odpowiedź na hipoksję, jednak indukcja ARNT przez CoCl2 była stosunkowo niewielka. DMOG obniżał poziom białka ARNT w komórkach REPC. Komórki HepG2 nie reagowały indukcją poziomu białka ARNT na hipoksję ani na DMOG. Komórki HepG2 wykazywały natomiast bardzo silną indukcję ARNT przez CoCl2. Komórki Hep3B zareagowały wzrostem poziomu białka ARNT na wszystkie zabiegi. Komórki Kelly nie wykazywały żadnej reakcji w poziomie białka ARNT, ani na hipoksję, ani na mimetyki hipoksji.

Zmiany w poziomie ARNT mRNA nie korelują z poziomem białka ARNT pod wpływem hipoksji i mimetyków hipoksji

Użyliśmy ilościowej metody RT-PCR, aby zbadać poziomy mRNA związane z obserwowanymi zmianami poziomu białka ARNT. Komórki MCF-7, HeLa, REPC i Hep3B hodowano w warunkach normoksycznych przed poddaniem ich działaniu 3% hipoksji, 1% hipoksji, CoCl2 i DMOG przez 24 godziny (ryc. 5). Komórki MCF-7 wykazywały nieistotny spadek poziomu ARNT mRNA w odpowiedzi na niedotlenienie. Zaobserwowano natomiast istotne obniżenie poziomu ARNT mRNA pod wpływem CoCl2 i DMOG. Podczas gdy komórki HeLa i REPC nie wykazały żadnego wpływu na poziom ARNT mRNA po zabiegach, komórki Hep3B zareagowały na hipoksję silnym obniżeniem ARNT mRNA. W komórkach tych obserwowano słabszą, malejącą reakcję na CoCl2.

Ryc. 5

Ilościowe RT-PCR poziomów ARNT mRNA w komórkach MCF-7, HeLa, REPC i Hep3B. Komórki hodowano w warunkach normoksji (21% O2), a następnie przez 24 godziny w normoksji (Nox), 24 godziny w 3% hipoksji (Hox 3% 24h), 24 godziny w 1% hipoksji (Hox 1% 24h), 50 µM CoCl2 przez 24 godziny (CoCl2) lub 1 mM DMOG przez 24 godziny (DMOG). Do normalizacji wykorzystano gen housekeeping L28. Względne ilości mRNA obliczono metodą ∆∆CT. Na wykresie przedstawiono średnie względne ilości ARNT mRNA w porównaniu z normoksją (Nox). Średnia ± SD; * P < 0,05; ** P < 0,01; *** P < 0,001 (dwuogonowa wartość P; n = 4).

http://www.karger.com/WebMaterial/ShowPic/173820

Białko ARNT jest stabilizowane w obecności HIF-1α

KomórkiMCF-7, T47D i Hep3B transfekowano transientowo siRNA z HIF-1α, aby wyjaśnić wpływ Hif-1α na poziom białka ARNT (ryc. 6). Komórki były inkubowane przez 48 godzin w normoksji z odczynnikiem do transfekcji RNAiMAX i siRNA, po czym następowała 6-godzinna faza regeneracji. Następnie komórki były inkubowane w 1% hipoksji przez 24 godziny. Zaobserwowaliśmy, że poziom białka ARNT obniża się w hipoksji, jeśli HIF-1α został zablokowany. Jednak niespecyficzna transfekcja siRNA nie miała wpływu na obserwowany wzrost poziomu białka ARNT w hipoksji.

Fig. 6

Analiza immunoblot poziomów białka ARNT w MCF-7, T47D i Hep3B traktowanych siRNA. Analizie poddano lizaty całych komórek (50 µg). Komórki hodowano w warunkach normoksycznych (21% O2) i poddawano transfekcji przy użyciu odczynnika do transfekcji Lipofectamine™ RNAiMAX (Invitrogen) oraz siRNA HIF-1α (Hox1% 24h siRNA HIF-1a) lub BlockIt™ (Invitrogen) siRNA (Hox1% 24h siRNA BlockIt) jako kontroli negatywnej dla specyficznego knock down HIF-1α. Poziomy białek ARNT zostały zmierzone metodą densytometryczną i przedstawione w procentach. Poziomy białka HIF-1α służą jako kontrola dla indukcji hipoksyjnej i knock down Hif-1α. Lamin A/C służy jako kontrola obciążenia. (n=4).

http://www.karger.com/WebMaterial/ShowPic/173819

Dyskusja

Jądrowy translokator receptora węglowodorów arylowych (ARNT/HIF-1β) odgrywa rolę jako kluczowy regulator transkrypcji w homeostazie komórkowej. Funkcjonuje jako partner heterodimeryzacji różnych głównych białek regulatorowych, takich jak HIF-α, białka SIM, AhR i CHF1. Dlatego jest zaangażowany w wiele różnych szlaków regulacyjnych komórki. Ze względu na fakt, że uważa się, iż ARNT ulega konstytutywnej ekspresji i nie podlega wpływom zmian fizjologicznych lub farmakologicznych, na przykład hipoksji, we wcześniejszych doniesieniach ARNT nie był uważany za czynnik ograniczający i możliwy cel terapeutyczny. Jednak ostatnie badania wskazują na związek między ARNT a kilkoma chorobami, takimi jak nowotwory. Wiadomo, że HIF-1α i HIF-2α pełnią kluczowe funkcje w rozwoju i/lub terapii nowotworów. Jako ich niezbędny kofaktor, pozbawienie ARNT skutkowałoby nieaktywnym lub obniżonym poziomem kompleksów HIF-α. Aby jeszcze bardziej podkreślić znaczenie ARNT, po raz pierwszy wykazujemy, że hipoksja, mimetyki hipoksji i HIF-1α odgrywają ważną rolę w mechanizmach regulacyjnych ekspresji ARNT w zależności od ocenianego typu komórek.

Zbadaliśmy osiem różnych linii komórkowych 2 różnych gatunków gospodarzy, aby wykazać wpływ hipoksji i mimetyków hipoksji na ekspresję białka ARNT. Komórki raka piersi MCF-7 reagują na hipoksję wzrostem poziomu białka ARNT, podczas gdy poziom ARNT mRNA wydaje się zmniejszać lub pozostawać niezmieniony. Sugeruje to istnienie wzajemnej regulacji zwrotnej pomiędzy stabilizacją białka a syntezą de novo. Podobna regulacja w dół i w górę transkrypcji genów w hipoksji jest znana dla kilku enzymów i cząsteczek. Nasze odkrycia niekoniecznie są wynikiem ogólnego zmniejszenia syntezy mRNA w komórce jako odpowiedzi na stres komórkowy, ponieważ transkrypcja genu ESR2 jest indukowana w hipoksji i HIF-1α knock-down (dane niepublikowane).

Narażenie na hipoksję przez okres dłuższy niż 48 godzin prowadzi do powrotu do podstawowych poziomów białka ARNT, które można zaobserwować w normoksji. Podobny szczyt ekspresji jest znany dla białka HIF-1α po 4 do 12 godzinach w warunkach hipoksji. Dalsza inkubacja hipoksyjna prowadzi do obniżenia poziomu HIF-1α aż do osiągnięcia stanu ustalonego. Fakt ten może sugerować stabilizujący efekt nadekspresji HIF-1α w stosunku do ARNT. Tworzenie kompleksów HIF-1α/ARNT w jądrze może zapobiegać degradacji ARNT przez proteasomy, co jest zgodne z danymi Choi i wsp. oraz Mandl i wsp. W celu zbadania naszych odkryć dokonaliśmy przejściowego wyciszenia HIF-1α w komórkach MCF-7 i zaobserwowaliśmy do 90% redukcję poziomu białka ARNT w hipoksji w porównaniu do normoksji. Efekt ten zaobserwowano również w komórkach T47D i Hep3B. Reakcja krzyżowa pomiędzy siRNA HIF-1α a ARNT z powodu silnej homologii sekwencji pomiędzy ARNT a HIF-α została wykluczona przez analizę in silico sekwencji siRNA i genów. Wyniki te sugerują silną korelację pomiędzy ARNT a ekspresją białka HIF-1α. Wyjaśnieniem może być stabilizujący wpływ niezależnych od O2 partnerów wiążących ARNT, takich jak AhR, SIM i CHF1, na ARNT w normoksji. W hipoksji obniżony poziom AhR, SIM i CHF1 może być kompensowany przez nadekspresję HIF-α w celu stabilizacji ARNT. Znokautowanie HIF-1α mogłoby zatem prowadzić do znacznego obniżenia poziomu ARNT poprzez zmniejszoną syntezę de novo i mniejszą stabilność wobec ubikwitynacji i degradacji proteasomalnej, ponieważ brakuje partnerów do dimeryzacji. Hipoteza ta podkreślałaby, że regulacja ARNT w dużym stopniu zależy od partnerów wiążących, co byłoby zgodne z Choi et al. i Mandl et al. Aby zbadać, czy indukcja HIF-α prowadzi do równoczesnego wzrostu ekspresji ARNT, poddaliśmy komórki działaniu CoCl2 i DMOG. Pomimo tego, że efekt stabilizujący HIF-α przez CoCl2 i DMOG jest analogiczny, komórki MCF-7 po DMOG reagują słabiej wzrostem białka ARNT niż po traktowaniu CoCl2. Obserwacje te są zgodne z efektem stabilizującym HIF-α na ARNT. Odwrotne zachowanie pomiędzy CoCl2 indukującym ARNT w przeciwieństwie do DMOG można było zaobserwować w komórkach HepG2. Co ciekawe, komórki REPC reagują obniżeniem poziomu ARNT pod wpływem DMOG. Chociaż efekt stabilizujący HIF-α wywołany przez DMOG jest podobny do CoCl2, odmienna reakcja komórkowa wywołana przez DMOG nie jest niczym niezwykłym ze względu na inny sposób działania. Z drugiej strony komórki Cos7 i Hep3B reagują na hipoksję i oba mimetyki hipoksji silnym wzrostem poziomu białka ARNT, co jest zgodne z postulowanym przez Mandl i wsp. efektem stabilizującym HIF-α. Fakt, że w przeciwieństwie do różnych nowotworowych linii komórkowych, poziomy ARNT są dobrze regulowane w pierwotnej linii komórkowej Cos7 przez hipoksję i mimetyki hipoksji, może sugerować utratę funkcji podczas nowotworzenia w niektórych guzach. Dane dotyczące ARNT w rozwoju nowotworów komórkowych są skąpe i dlatego konieczne są dalsze badania.

Linia komórkowa Hep3B wykazuje znaczący wzrost poziomu białka ARNT w wyniku wszystkich trzech zabiegów hipoksyjnych, podczas gdy hipoksja i CoCl2 znacznie zmniejszają ARNT mRNA. Wyniki te wspierają hipotezę mechanizmu wzajemnego sprzężenia zwrotnego, który może być również hipotezą w komórkach MCF-7. Odmienne zachowanie wykazuje linia komórkowa nerki REPC. Komórki te reaguj± silnym wzrostem białka ARNT w wyniku hipoksji, ale mniej intensywn± indukcj± w wyniku działania CoCl2, a w przeciwieństwie do tego obniżaj±cym się poziomem białka ARNT w wyniku traktowania DMOG, jak omówiono powyżej. Ale dalej komórki REPC nie wykazują żadnych różnic w poziomach ARNT mRNA pod różnymi zabiegami implikującymi regulację na bazie białka.

Komórki Kelly wykazują stabilne poziomy białka ARNT. Ani hipoksja, ani mimetyki hipoksji nie są w stanie wpłynąć na ARNT. Takie stabilne poziomy ARNT można zaobserwować w komórkach HepG2 również w warunkach hipoksji i traktowania DMOG, ale ta linia komórkowa reaguje silnym wzrostem białka ARNT po traktowaniu CoCl2. Komórki HeLa nie wykazują istotnych zmian poziomu ARNT, ani w odniesieniu do białka, ani mRNA. Wyniki te potwierdzają obecną opinię, że ARNT ulega stałej ekspresji i hipoksja nie ma na nią wpływu, co potwierdził Semenza. My i inni wykazaliśmy, że ten pogląd nie może być uogólniony. Niniejszym przedstawiamy dane, które zaprzeczają hipotezie stale wyrażanego i nieregulowanego partnera heterodimeryzacji ARNT, ale które są zgodne z Chilov et al. Również wspierając Choi et al. i Mandl et al., pokazujemy, że heterodimeryzacja z HIF-α jest ważnym mechanizmem stabilizacji białka ARNT w hipoksji .

Podsumowując, nasze dane sugerują ogólną stabilizującą regulację partnerów wiążących ARNT, takich jak HIF-α, AhR, SIM i CHF1 w odniesieniu do ekspresji ARNT. Ponadto, możemy wykazać, że każda linia komórkowa / typ odrębnie reaguje na hipoksję i mimetyki hipoksji w odniesieniu do indukcji syntezy białka ARNT. Dlatego też nie jest możliwe uniwersalne określenie zakresu komórkowego ekspresji białka ARNT. Wyniki te pokazują, że regulacja ARNT powinna być dalej badana, szczególnie w odniesieniu do nowotworzenia, ponieważ regulacja ARNT jest o wiele bardziej złożona niż się to obecnie ocenia.

Podziękowania

Jesteśmy wdzięczni T. Svenssonowi, B. Rudzewskiemu i A.-K. Hellberg za doskonałe wsparcie techniczne. The authors declare that they have no conflict of interest.

  1. Kewley RJ, Whitelaw ML, Chapman-Smith A: The mammalian basic helix-loop-helix/PAS family of transcriptional regulators. Int J Biochem Cell Biol 2004;36:189-204.
    Zasoby zewnętrzne

    • Pubmed/Medline (NLM)
    • Crossref (DOI)

  2. Shimoda LA, Semenza GL: HIF and the lung: role of hypoxia-inducible factors in pulmonary development and disease. Am J Respir Crit Care Med 2011;183:152-156.
    Zasoby zewnętrzne

    • Pubmed/Medline (NLM)
    • Crossref (DOI)
  3. Nakabayashi H, Ohta Y, Yamamoto M, Susuki Y, Taguchi A, Tanabe K, Kondo M, Hatanaka M, Nagao Y, Tanizawa Y: Clock-controlled output gene Dbp is a regulator of Arnt/Hif-1β gene expression in pancreatic islet β-cells. Biochem Biophys Res Commun 2013;434:370-375.
    Źródła zewnętrzne

    • Pubmed/Medline (NLM)
    • Crossref (DOI)

  4. Labrecque MP, Prefontaine GG, Beischlag TV: The aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator (ARNT) family of proteins: Transcriptional modifiers with multi-functional protein interfaces. Curr Mol Med 2013;13:1047-1065.
    Zasoby zewnętrzne

    • Pubmed/Medline (NLM)
    • Crossref (DOI)

  5. Liang Y, Li W-W, Yang B-W, Tao Z-H, Sun H-C, Wang L, Xia JL, Qin LX, Tang ZY, Fan J, Wu WZ: Aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator is associated with tumor growth and progression of hepatocellular carcinoma. Int J Cancer 2012;130:1745-1754.
    Zasoby zewnętrzne

    • Pubmed/Medline (NLM)
    • Crossref (DOI)

  6. Shi S, Yoon DY, Hodge-Bell K, Huerta-Yepez S, Hankinson O: Aryl hydrocarbon nuclear translocator (hypoxia inducible factor 1beta) activity is required more during early than late tumor growth. Mol Carcinog 2010;49:157-165.
    Zasoby zewnętrzne

    • Pubmed/Medline (NLM)
    • Crossref (DOI)
  7. Chin MT, Maemura K, Fukumoto S, Jain MK, Layne MD, Watanabe M, Hsieh CM, Lee ME: Cardiovascular basic helix loop helix factor 1, a novel transcriptional repressor expressed preferentially in the developing and adult cardiovascular system. J Biol Chem 2000;275:6381-6387.
    Zasoby zewnętrzne

    • Pubmed/Medline (NLM)
    • Crossref (DOI)

  8. Depping R, Steinhoff A, Schindler SG, Friedrich B, Fagerlund R, Metzen E, Hartmann E, Köhler M: Nuclear translocation of hypoxia-inducible factors (HIFs): involvement of the classical importin alpha/beta pathway. Biochim Biophys Acta 2008;1783:394-404.
    Zasoby zewnętrzne

    • Pubmed/Medline (NLM)
    • Crossref (DOI)

  9. Berchner-Pfannschmidt U, Frede S, Wotzlaw C, Fandrey J: Imaging of the hypoxia-inducible factor pathway: insights into oxygen sensing. Eur Respir J 2008;32:210-217.
    Zasoby zewnętrzne

    • Pubmed/Medline (NLM)
    • Crossref (DOI)

  10. Lisy K, Peet DJ: Turn me on: regulating HIF transcriptional activity. Cell death Differ 2008;15:642-649.
    Zasoby zewnętrzne

    • Pubmed/Medline (NLM)
    • Crossref (DOI)

  11. Semenza GL: Hypoxia-inducible factors in physiology and medicine. Cell 2012;148:399-408.
    Zasoby zewnętrzne

    • Pubmed/Medline (NLM)
    • Crossref (DOI)

  12. Kallio PJ, Pongratz I, Gradin K, McGuire J, Poellinger L: Activation of hypoxia-inducible factor 1alpha: posttranscriptional regulation and conformational change by recruitment of the Arnt transcription factor. Proc Natl Acad Sci USA 1997;94:5667-5672.
    Zasoby zewnętrzne

    • Pubmed/Medline (NLM)
    • Crossref (DOI)

  13. Huang LE, Gu J, Schau M, Bunn HF: Regulation of hypoxia-inducible factor 1alpha is mediated by an O2-dependent degradation domain via the ubiquitin-proteasome pathway. Proc Natl Acad Sci USA 1998;95:7987-7992.
    Zasoby zewnętrzne

    • Pubmed/Medline (NLM)
    • Crossref (DOI)

  14. Kaelin WG: Proline hydroxylation and gene expression. Annu Rev Biochem 2005;74:115-128.
    Zasoby zewnętrzne

    • Pubmed/Medline (NLM)
    • Crossref (DOI)

  15. Wang GL, Jiang BH, Rue EA, Semenza GL: Hypoxia-inducible factor 1 is a basic-helix-loop-helix-PAS heterodimer regulated by cellular O2 tension. Proc Natl Acad Sci USA 1995;92:5510-5514.
    Zasoby zewnętrzne

    • Pubmed/Medline (NLM)
    • Crossref (DOI)

  16. Iyer N V, Kotch LE, Agani F, Leung SW, Laughner E, Wenger RH, Gassmann M, Gearhart JD, Lawler AM, Yu AY, Semenza GL: Cellular and developmental control of O2 homeostasis by hypoxia-inducible factor 1 alpha. Genes Dev 1998;12:149-162.
    Zasoby zewnętrzne

    • Pubmed/Medline (NLM)
    • Crossref (DOI)

  17. Chilov D, Camenisch G, Kvietikova I, Ziegler U, Gassmann M, Wenger RH: Indukcja i translokacja jądrowa czynnika indukowanego hipoksją-1 (HIF-1): heterodimeryzacja z ARNT nie jest konieczna do jądrowej akumulacji HIF-1alfa. J Cell Sci 1999;112:1203-1212.
    Zasoby zewnętrzne

    • Pubmed/Medline (NLM)

  18. Frede S, Freitag P, Geuting L, Konietzny R, Fandrey J: Oxygen-regulated expression of the erythropoietin gene in the human renal cell line REPC. Blood 2011;117:4905-4914.
    Zasoby zewnętrzne

    • Pubmed/Medline (NLM)
    • Crossref (DOI)

  19. Gu YZ, Hogenesch JB, Bradfield CA: The PAS superfamily: sensors of environmental and developmental signals. Annu Rev Pharmacol Toxicol 2000;40:519-561.
    Zasoby zewnętrzne

    • Pubmed/Medline (NLM)
    • Crossref (DOI)

  20. Choi H, Chun Y-S, Kim S-W, Kim M-S, Park J-W: Curcumin inhibits hypoxia-inducible factor-1 by degrading aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator: a mechanism of tumor growth inhibition. Mol Pharmacol 2006;70:1664-1671.
    Zasoby zewnętrzne

    • Pubmed/Medline (NLM)
    • Crossref (DOI)
  21. Rankin EB, Giaccia AJ: The role of hypoxia-inducible factors in tumorigenesis. Cell Death Differ 2008;15:678-685.
    Zasoby zewnętrzne

    • Pubmed/Medline (NLM)
    • Crossref (DOI)
  22. Wenger RH, Rolfs A, Marti HH, Bauer C, Gassmann M: Hypoxia, a novel inducer of acute phase gene expression in a human hepatoma cell line. J Biol Chem 1995;270:27865-27870.
    Zasoby zewnętrzne

    • Pubmed/Medline (NLM)
    • Crossref (DOI)
  23. Mandl M, Kapeller B, Lieber R, Macfelda K: Hypoxia-inducible factor-1β (HIF-1β) is upregulated in a HIF-1α-dependent manner in 518A2 human melanoma cells under hypoxic conditions. Biochem Biophys Res Commun 2013;434:166-172.
    Zasoby zewnętrzne

    • Pubmed/Medline (NLM)
    • Crossref (DOI)

    Kontakty z autorami

    Dr. rer. nat. Reinhard Depping

    Universität zu Lübeck, Institut für Physiologie, Zentrum für Medizinische Struktur

    und Zellbiologie, Ratzeburger Allee 160, D-23562 Lübeck (Germany)

    Tel. +49 451 5004712, Fax +49 451 5004171, E-Mail [email protected]

    Article / Publication Details

    First-Page Preview

    Abstract of Original Paper

    Accepted: 30 sierpnia, 2013
    Published online: September 20, 2013
    Issue release date: November 2013

    Number of Print Pages: 10
    Liczba rycin: 0
    Number of Tables: 0

    ISSN: 1015-8987 (Print)
    eISSN: 1421-9778 (Online)

    W celu uzyskania dodatkowych informacji: https://www.karger.com/CPB

Open Access License / Drug Dosage / Disclaimer

Open Access License: This is an Open Access article licensed under the terms of the Creative Commons Attribution-NonCommercial 3.0 Unported license (CC BY-NC) (www.karger.com/OA-license), applicable to the online version of the article only. Dystrybucja dozwolona wyłącznie w celach niekomercyjnych.
Dawkowanie leku: Autorzy i wydawca dołożyli wszelkich starań, aby wybór leków i ich dawkowanie przedstawione w tym tekście były zgodne z aktualnymi zaleceniami i praktyką w momencie publikacji. Jednak ze względu na trwające badania, zmiany w przepisach rządowych oraz stały dopływ informacji dotyczących terapii lekowej i reakcji na leki, zaleca się czytelnikowi sprawdzenie ulotki dołączonej do opakowania każdego leku pod kątem zmian we wskazaniach i dawkowaniu oraz dodatkowych ostrzeżeń i środków ostrożności. Jest to szczególnie ważne, gdy zalecany środek jest lekiem nowym i/lub rzadko stosowanym.
Zrzeczenie się odpowiedzialności: Stwierdzenia, opinie i dane zawarte w tej publikacji są wyłącznie opiniami poszczególnych autorów i współpracowników, a nie wydawców i redaktora(ów). Pojawienie się reklam lub/i odniesień do produktów w publikacji nie stanowi gwarancji, poparcia lub zatwierdzenia reklamowanych produktów lub usług ani ich skuteczności, jakości lub bezpieczeństwa. Wydawca i redaktor(y) zrzekają się odpowiedzialności za jakiekolwiek obrażenia osób lub mienia wynikające z jakichkolwiek pomysłów, metod, instrukcji lub produktów, o których mowa w treści lub reklamach.