Механизмы клеточной адаптации к гипоксии

Abstract

Когда клетки не получают достаточно кислорода, который необходим для жизни, они пытаются найти другие способы выжить. Эта проблема важна, поскольку она возникает во многих повседневных ситуациях, таких как на большой высоте или при интенсивных физических нагрузках, а также при серьезных заболеваниях, таких как сердечные приступы, инфекции и рак. Клетки, которые не получают достаточно кислорода, склонны прибегать к особым стратегиям выживания, чтобы продолжать функционировать и жить. Самым важным из них является белок, называемый HIF (фактор, индуцируемый гипоксией), который действует как датчик и переключатель. Он помогает включать определенные гены, которые позволяют клетке приспосабливаться. В условиях гипоксии клетки смягчают стресс с помощью транскрипционных и посттранскрипционных механизмов, в первую очередь регулируемых HIF. Эти адаптации позволяют клеткам сохранять кислород, переходя от окислительного метаболизма к гликолизу и снижая потребление энергии для таких процессов, как деление клеток. HIF контролирует гены, отвечающие за поддержание кислородного баланса, включая те, которые связаны с потреблением кислорода, эритропоэзом, ангиогенезом и митохондриальным метаболизмом [1]. Другая ключевая система, задействованная в этом процессе, это активированная протеинкиназа (AMPK) и механистический (млекопитающий) рапамициновый путь (mTOR). Это два белка, которые работают вместе, чтобы управлять энергией клетки. Механизмы сигнализации питательных веществ в основном осуществляются AMPK и mTOR, которые регулируют клеточный гомеостаз, что осуществляется путем обнаружения клеточного АТФ и уровней питательных веществ, в основном глюкозы и аминокислот. В то же время он стимулирует использование накопленных ресурсов для производства энергии, достаточной для выживания. AMPK также блокирует mTOR, который обычно способствует росту и делению клеток, что бесполезно, когда клетка испытывает трудности [2].

When cells do not get enough oxygen, which is a necessity for life, they try and find other ways to survive. This problem is important because it happens in many everyday situations like high altitudes or intense exercise, but also in serious medical conditions such as heart attacks, infections, and cancer. Cells that are not receiving enough oxygen tend to resort to special survival strategies to make sure it continues functioning and living. The most important of these is a protein called HIF (hypoxia-inducible factor), which acts like a sensor and a switch. It helps turn on certain genes that allow the cell to adjust. Under hypoxic conditions, cells mitigate stress through transcriptional and post-transcriptional mechanisms primarily governed by HIF. These adaptations enable cells to conserve oxygen by shifting from oxidative metabolism to glycolysis and reducing energy consumption for processes like cell division. HIF controls genes responsible for maintaining oxygen balance, including those linked to oxygen consumption, erythropoiesis, angiogenesis, and mitochondrial metabolism [1]. Another key system involved is the activated protein kinase (AMPK) and mechanistic (mammalian) rapamycin (mTOR) pathway. These are two proteins that work together to manage the cell’s energy. The mechanisms nutrient signaling are done largely by AMPK and the mTOR which regulate cellular homeostasis, which is done by detecting cellular ATP and nutrient levels, mostly glucose and amino acids. At the same time, it encourages the use of stored resources to produce just enough energy for survival. AMPK also blocks mTOR, which normally promotes cell growth and division, something that isn’t helpful when the cell is struggling [2].