Molekulare Effektoren des Transkriptionsfaktors HIF-1 im Rahmen der zellulären Anpassung an Sauerstoffmangel

Abstract

Sauerstoff stellt aufgrund seiner Bedeutung als finaler Elektronenakzeptor in der oxidativen Phosphorylierung eine unabdingbare Voraussetzung für die Existenz der Mehrzahl von Organismen dar. Eine kritische Abnahme der Sauerstoffkonzentration (Hypoxie) kann durch Einschränkung der zellulären Energiesynthese lebensbedrohliche Folgen haben. Mehrzellige Organismen besitzen daher ein komplexes Programm zur Adaptation an Hypoxie, dem letztlich ein verbesserter Sauerstofftransport im Blut, eine erhöhte Organperfusion, Blutgefäßneubildung und eine Aktivierung der Glykolyse bei gleichzeitiger Reduktion der Mitochondrienfunktion zugrunde liegt. Hypoxie besitzt dabei als Charakteristikum verschiedenster Prozesse, z.B. der Embryonalentwicklung, der Entzündung sowie der malignen Transformation zentrale physiologische und pathophysiologische Relevanz. Der Hypoxie-induzierbare Transkriptionsfaktor 1 (HIF 1) stellt einen entscheidenden Vermittler der zellulären Adaptation an Hypoxie dar. Eine Vielzahl von Studien lässt vermuten, dass HIF 1 eine funktionelle Bedeutung für die Pathogenese inflammatorischer, neoplastischer und degenerativer Erkrankungen zukommt, wobei die zugrunde liegenden Mechanismen weitgehend unklar sind. Gegenstand der vorliegenden Arbeit war daher die umfangreiche Charakterisierung der pathobiologischen Funktion von HIF-1 im Rahmen der erwähnten Krankheitsbilder einschließlich der beteiligten molekularen und zellbiologischen Mechanismen. Zunächst wurde unter Anwendung des Cre-loxP-Systems eine Gewebe-spezifische Inaktivierung von HIF-1 in mononukleären Phagozyten bzw. Chondrozyten etabliert. Zur HIF-1-Hemmung in vitro wurde eine funktionelle Inaktivierung der regulatorischen alpha- Untereinheit von HIF 1 (HIF 1alpha) mittels lentiviraler RNA-Interferenz erarbeitet. Es konnte gezeigt werden, dass HIF-1 eine kausale Bedeutung für die Pathogenese der hier verwendeten Modellsysteme einnimmt. So wurde HIF-1 erstmalig als zentraler Faktor für die regelrechte Funktion mononukleärer Phagozyten identifiziert. Darüber hinaus konnte eine wesentliche Bedeutung von HIF-1 für die Pathobiologie von Chondrozyten gezeigt werden. Außerdem deuteten die Ergebnisse auf eine differentielle Rolle von HIF-1 im Rahmen neoplastischer Erkrankungen hin: Im Magenkarzinom konnte eine thogenetisch relevante HIF-1-Expression nachgewiesen werden, das humane hepatozelluläre Karzinom zeigte dagegen keine relevante Aktivität des Faktors. Zusammengefasst dokumentiert die vorliegende Arbeit eine kausalpathogenetische Relevanz von HIF 1 für die Makrophagen-vermittelte Entzündung, das Magenkarzinom und die Osteoarthrose. Es kann daher vermutet werden, dass HIF 1-inhibierende Strategien eine sinnvolle Ergänzung der aktuellen Behandlungsverfahren für inflammatorische, degenerative und maligne Erkrankungen darstellen.

Oxygen constitutes a central prerequisite for the existence of the majority of animals and plants due to its role as an electron acceptor during oxidative phosphorylation. Reduction of oxygen partial pressure (hypoxia) may result in significant limitation of cellular energy synthesis and thereby can exert deleterious effects in the whole organism. To subvert potentially harmful consequences of hypoxia, multicellular organisms have developed a complex program to adapt to low oxygen levels. Improved oxygen transport in blood, increased organ and tissue perfusion, development of new blood vessels (angiogenesis) and activation of glycolysis represent central features of this hypoxic adaptation. Hypoxia is a common characteristic of diverse physiological and pathophysiological processes, e.g. embryonic development, inflammation and malignant transformation. The hypoxia-inducible transcription factor HIF-1 represents the pivotal molecular mediator of cellular adaptation to low oxygen levels. A vast number of studies points towards a functional relevance of HIF-1 for the pathogenesis of inflammatory, neoplastic and degenerative diseases. However, the underlying molecular mechanisms remain largely elusive. Therefore, the presented work aimed at performing a comprehensive characterization of the pathobiological role of HIF-1 in the context of the aforementioned diseases including the underlying molecular and cell biological mechanisms. By applying the Cre-loxP-system, a tissue-specific functional inactivation of HIF-1 in cells of the myeloid lineage and in chondrocytes was established. Inactivation of HIF-1alpha, the oxygen-regulated subunit of HIF-1, in vitro was achieved by means of lentivirally transduced RNA interference. It could be shown that HIF-1 represents a pivotal factor for maintaining physiological myeloid cell function in the context of various in vivo inflammation models. Furthermore, HIF-1 was identified as being centrally involved in the expression of cartilage type II and aggrecane, two characteristic and important members of the extracellular matrix in cartilage, in chondrocytes. Finally, the results point towards a tissue-specific role of HIF-1 during tumor pathogenesis: While gastric cancer displayed robust and functional HIF-1 expression, hepatocellular carcinoma cells failed to show significant expression of HIF-1alpha. Taken together, this work showed a functional relevance of HIF-1 for the pathogenesis of myeloid-mediated inflammation, gastric cancer and osteoarthritis. It can be concluded that inhibition of HIF-1 constitutes a reasonable supplementation to established therapeutic strategies against inflammation, gastric cancer and degenerative diseases.