Mechanismen und Konsequenzen sauerstoffabhängiger Genregulation

Die ständige Verfügbarkeit von molekularem Sauerstoff (O2) ist ein elementarer Bestandteil multizellulärer Lebensformen. Zur Aufrechterhaltung der Homöostase sind diese auf die Bildung des Energiesubstrates ATP durch oxidative Phosphorylierung angewiesen. Aus diesem Grunde mußten höhere Organismen während der Evolution komplexe Systeme entwickeln, die die Aufnahme und Verteilung von O2 in jede Zelle sicherstellen, sowie eine Adaptation in Phasen der Hypoxie erlauben. Mit der Identifikation des Transkriptionsfaktors "Hypoxia-inducible Factor-1" (HIF-1, 1995) wurde ein entscheidender Regulator der hypoxischen Adaptation gefunden. Unter anderem werden Prozesse wie die Erythropoiese, die Angiogenese, die Modulation des Gefäßtonus, des Glukosetransportes und der Glykolyse wesentlich durch HIF reguliert. HIF ist ein Heterodimer bestehend aus zwei Untereinheiten; einer konstitutiven beta- und einer regulativen alpha-Untereinheit. Letztere zeigt ein inverses Expressionsmuster zur perizellulären O2-Konzentration. Unter normoxischen Bedingungen ist HIFalpha instabil und wird mit einer Halbwertzeit von nur wenigen Minuten degradiert. Erst unter Hypoxie wird HIFalpha stabilisiert und ist transkriptionell aktiv. Es konnten bisher zwei funktionell relevante O2-abhängige alpha-Untereinheiten identifiziert werden: HIF-1 und HIF-2alpha. Die Bedeutung dieser beiden Systeme, der unterliegenden Regulationsmechanismen sowie die Relevanz dieses Systems in vivo waren weitgehend ungeklärt und sind wesentlicher Teil der hier zusammengefaßten Arbeiten. In den vorgelegten Studien ist es gelungen, die Expression und Regulation der beiden unterschiedlichen HIFalpha Isoformen sowohl in der Zellkultur, als auch in gesunden Geweben zu charakterisieren. In Zellkulturen zeigte sich ein sehr ähnliches Regulationsmuster hinsichtlich der O2-abhängigen Degradation, bzw. dem Induktionsverhalten unter Hypoxie, sowie der chemisch/pharmakologischen Modulation, so dass offensichtlich beide Isoformen über den gleichen O2-Sensing- und Transduktionsapparat reguliert werden. An Geweben von gesunden Ratten führten wir eine systematische Analyse der Expression und Regulation der beiden HIFalpha Isoformen durch. Nur unter systemischer Hypoxie konnten deutliche Signale für beide Isoformen gesehen werden. Interessanterweise zeigte sich, daß beide nur von spezifischen Zellpopulationen exprimiert werden. In vivo lassen sich also klare Unterschiede im Expressionsmuster der beiden Systeme feststellen. Über die unterschiedlichen zellulären Funktionen und different exprimierten Zielgene vermuten wir einen funktionell relevanten Unterschied. Mit der Identifikation des "von Hippel Lindau" Tumor Suppressor Gens als der bindende Anteil der E3 Ubiquitin Ligase, die für die HIFalpha Destruktion verantwortlich ist, konnte ein wichtiger Beitrag zu der späteren Klärung des O2-Sensing-Mechanismus geleistet werden. Diese Befunde wurden initial anhand von Zellkultur-Linien erhoben, liessen sich aber auf Nierenzellkarzinome aus einer klinischen Sammlung übertragen. Letzterer Befund ist daher für das Verständnis der Rolle von HIF für die Tumorbiologie, eventuell aber auch für die Entwicklung therapeutischer Ansätze von Bedeutung.The permanent availability of molecular oxygen (O2) is an elemental need of multicellular life. For the maintenance of hemeostasis these are dependent on generation of the energy substrate ATP by oxidative phoshorylation. For this reason higher organisms had to develop complex systems during evolution that ensure the uptake and distribution of O2 into each cell, as well as permit adaptation to phases of hypoxia. With the identification of the transcription factor "Hypoxia-inducible Factor-1" (HIF-1, 1995) a master regulator of hypoxic adaptation has been found. Amongst others processes like erythropoiesis, angiogenesis, modulation of vascular tone, glucose transport and glycolysis are largely regulated by HIF. HIF is a heterodimer consisting of two subunits, a constitutive beta and a regulative alpha subunit. The latter shows an inverse relationship to the pericellular O2 concentration. HIFalpha is instable under normoxic conditions and degrades with a half life of only a few minutes. Under hypoxia the HIFalpha subunits are stabilised and are transcriptionally active. To date two functionally relevant O2-dependent alpha subunits have been identified: HIF-1 and HIF-2alpha. The importance of these two systems, the underlying regulatory mechanisms, as well as the relevance of this system in vivo were largely unknown and are a major part of the summarised studies. The presented work succeeded in characterising the expression and regulation of both HIFalpha isoforms in cell culture as well as healthy tissues. In tissue culture a very similar pattern of regulation was seen for oxygen dependent degradation, induction under hypoxia and chemical/pharmacological modulation, indicating that both subunits are regulated by the same O2-sensing and transduction apparatus. We undertook a systematic analysis of expression and regulation of both HIFalpha subunits in tissues of healthy rats. Signals for HIFalpha could only be seen under systemic hypoxia. Interestingly, both subunits were expressed by specific and different cell populations. Therefore, clear differences can be seen in expression pattern of both systems in vivo. We suspect that these differences will be functionally relevant through differing cellular functions and gene expression profile. With the identification of the "von Hippel Lindau" tumor suppressor gene as the binding part of the E3 ubiquitin ligase, which is responsible for HIF degradation, an important contribution to the clarification of the oxygen sensing mechanism was provided. Initially this data was generated in tissue culture lines, but could also be confirmed in renal cell carcinomas of a clinical collection. The latter finding is of importance for the understanding of the role of HIF in tumor biology, possibly also for the development of therapeutic strategies