Introduzione
Per noi l'ossigeno è essenziale, senza di esso le nostre cellule morirebbero rapidamente. Proprio per questo, abbiamo sviluppato un sistema dedicato che controlla il livello di ossigeno e induce le opportune risposte quando questo si abbassa troppo cioè in caso di ipossia. Le cellule in carenza di ossigeno mandano un segnale che induce la produzione di globuli rossi e vasi sanguigni. Inoltre le cellule in carenza di ossigeno riprogrammano il loro metabolismo spostando la produzione di energia verso vie diverse che non richiedano ossigeno. Riducono quindi l'attività della piruvato deidrogenasi che porta alla respirazione cellulare e aumentano l'attività della lattato deidrogenasi e così realizzano la fermentazione lattica. Il premio Nobel per la medicina e la fisiologia di quest'anno è stato attribuito a tre ricercatori che hanno scoperto i dettagli di questo processo sensibile all'ossigeno chiarendo il ruolo della sua molecola centrale, il fattore di trascrizione HIF (fattore inducibile da ipossia).

Alti livelli di ossigeno
Il fattore di trascrizione alfa inducibile da ipossia (HIF-alfa) è l'interruttore centrale che permette alle cellule di rispondere alla carenza di ossigeno. E' una proteina di circa 800 amminoacidi con parti che svolgono diverse funzioni.
La struttura mostrata qui a fianco (file PDB 1lqb e 1lm8) include una piccola porzione della regione centrale di HIF-alfa (rosa) che contiene due proline chiave (una è evidenziata in rosso). Quando l'ossigeno è abbondante, queste proline sono idrossilate da enzimi PHD (HIF prolil idrossilasi) e quindi contengono l'ossigeno mostrato in figura come sferetta rossa. La idrossiprolina viene poi riconosciuta da pVHL (blu, von Hippel-Lindau soppressore di tumore) in complesso con elonghina B e C (verde). Questo complesso lega ubiquitina ad HIF-alfa per degradarlo nei proteasomi. Quindi, se i livelli di ossigeno sono normali, HIF-alfa è continuamente degradata e le cellule si comportano in modo normale.

Sentire l'ossigeno
Gli enzimi PHD hanno il compito di sentire i livelli di ossigeno. Inseriscono un atomo di ossigeno in due proline chiave in HIF-alfa usando uno ione metallico e acido alfachetoglutarico. Quando l'ossigeno è scarso, la reazione di PHD è rallentata e le proline non vengono più idrossilate. Un altro enzima, FIH (fattore di inibizione di HIF), realizza un altro tipo di idrossilazione su una asparagina in HIF-alfa e modifica il modo con cui questo interagisce con gli enzimi della trascrizione (file PDB 1h2n, non mostrato qui).

Bassi livelli di ossigeno

Quando vi è poco ossigeno, HIF-alfa non viene idrossilato, non è degradato dai proteasomi e così entra in azione. Va nel nucleo si associa con una proteina simile, chiamata HIF-beta. Insieme si legano a molti siti del DNA e promuovono la trascrizione di geni coinvolti nel metabolismo in carenza di ossigeno e nella rimodellazione del sistema circolatorio per migliorare il trasporto di ossigeno. Questo promuove la crescita di molti tumori, per questo HIF-alfa è diventato un bersaglio nella terapia del cancro.
La struttura illustrata qui a fianco (file PDB 4zpr) ci mostra come questo complesso si lega al DNA (azzurro e blu) usando due tratti di alfa elica uno di
HIF-alfa (rosa) e l'altro di HIF-beta (gialla). Questi interagiscono con la scanalatura maggiore del DNA avvolgendolo a forbice.
Questo dettaglio si vede bene anche nell'immagine qui sotto realizzata con Chimera.
















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Esplorando la struttura
Recentemente, per il trattamento dell'anemia e dell'ischemia, si stanno studiando farmaci capaci di legarsi agli enzimi PHD. Bloccando questi enzimi, il farmaco induce le cellule a credere di aver bisogno di più ossigeno e così le induce a mandare segnali per produrre una quantità maggiore di globuli rossi. Quando i ricercatori hanno ottenuto le prime strutture 3D dell'enzima PHD2, hanno cominciato subito a progettare (con la tecnica del docking molecolare) degli inibitori di questo enzima come i due che sono presenti nei file PDB 2g1m e 2g19 (non mostrati qui).
Qui sotto a destra è mostrato uno dei più promettenti inibitori vadadustat (file PDB 5ox6) che ha superato le prime fasi di test in vitro, ma che è ancora un farmaco in valutazione. Confrontando questo farmaco (verde) con la struttura qui sotto a sinistra di PHD2 legata ad un piccolo frammento di HIF-alfa (rosa) (file PDB 3hqr), possiamo vedere che il nuovo farmaco si lega all'enzima nello stesso punto dell'acido alfachetoglutarico (qui è presente un suo analogo NOG, giallo) ed inoltre è abbastanza grande da bloccare il legame con la prolina-564 (rossa) di HIF-alfa.


Spunti per ulteriori esplorazioni
Vi sono molte strutture di FIH negli archivi PDB che vi permettono di esplorare le sue interazioni con altri substrati e inibitori
Il dominio del complesso FIH che lega il DNA è simile ad una forbice e viene chiamato "basic helix-loop-helix". Potete trovarne altri esempi cercando "bHLH" nel sito PDB.

Bibliografia
5ox6: Yeh, T.L., Leissing, T.M., Abboud, M.I., Thinnes, C.C., Atasoylu, O., Holt-Martyn, J.P., Zhang, D., Tumber, A., Lippl, K., Lohans, C.T., Leung, I.K.H., Morcrette, H., Clifton, I.J., Claridge, T.D.W., Kawamura, A., Flashman, E., Lu, X., Ratcliffe, P.J., Chowdhury, R., Pugh, C.W., Schofield, C.J. (2017) Molecular and cellular mechanisms of HIF prolyl hydroxylase inhibitors in clinical trials. Chem Sci 8: 7651-7668.
4zpr: Wu, D., Potluri, N., Lu, J., Kim, Y., Rastinejad, F. (2015) Structural integration in hypoxia-inducible factors. Nature 524: 303-308.
Semenza, G..L (2012) Hypoxia-inducible factors in physiology and medicine. Cell 148: 399-408.
3hqr: Chowdhury, R., McDonough, M.A., Mecinovic, J., Loenarz, C., Flashman, E., Hewitson, K.S., Domene, C., Schofield, C.J. (2009) Structural basis for binding of hypoxia-inducible factor to the oxygen-sensing prolyl hydroxylases. Structure 17: 981-989.
2g1m, 2g19: McDonough, M.A., Li, V., Flashman, E., Chowdhury, R., Mohr, C., Lienard, B.M.R., Zondlo, J., Oldham, N.J., Clifton, I.J., Lewis, J., McNeill, L.A., Kurzeja, R.J.M., Hewitson, K.S., Yang, E., Jordan, S., Syed, R.S., Schofield, C.J. (2006) Cellular oxygen sensing: crystal structure of hypoxia-inducible factor prolyl hydroxylase (PHD2). Proc.Natl.Acad.Sci.USA 103: 9814-9819.
1h2n: Elkins, J.M., Hewitson, K.S., McNeill, L.A., Seibel, J.F., Schlemminger, I., Pugh, C., Ratcliffe, P., Schofield, C.J. (2003) Structure of factor-inhibiting hypoxia-inducible factor (Hif) reveals mechanism of oxidative modification of Hif-1Alpha. J.Biol.Chem. 278: 1802-1806.
1lqb: Hon, W.C., Wilson, M.I., Harlos, K., Claridge, T.D., Schofield, C.J., Pugh, C.W., Maxwell, P.H., Ratcliffe, P.J., Stuart, D.I., Jones, E.Y. (2002) Structural basis for the recognition of hydroxyproline in HIF-1 alpha by pVHL. Nature 417: 975-978.
1lm8: Min, J.H., Yang, H., Ivan, M., Gertler, F., Kaelin Jr., W.G., Pavletich, N.P. (2002) Structure of an HIF-1alpha -pVHL complex: hydroxyproline recognition in signaling. Science 296: 1886-1889

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