Regulación de la glucólisis por el HIF

La glucólisis, la cual tiene lugar en el citoplasma, describe la conversión anaeróbica de una molécula de glucosa en dos moléculas de piruvato. El metabolismo de la glucosa es activado a través de la actividad independiente de oxígeno de diez enzimas metabólicas que comprende la ruta glucolítica que resulta en la generación de equivalentes energéticos bioquímicos en la forma de adenosina trifosfato (ATP), la reducción concomitante de nicotinamida adenosina dinucleotido (NAD) a NADH y la generación de piruvato. En presencia de niveles suficientes de oxígeno molecular (O₂), el piruvato generado es metabolizado en la mitocondria por el ciclo de ácidos tricarboxílicos (TCA) que proporciona electrones a la cadena transportadora de electrones (ETC) para generar 36 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa que entra a la ruta glucolítica. En condiciones de estado estacionario, las actividades combinadas de la glucolisis, el ciclo TCA y la ETC usualmente resultan en la generación de niveles suficientes de  ATP para los requerimientos energéticos de las células, los tejidos y el organismo, y por tanto para el mantenimiento de la homeostasis.

   En las células de mamíferos, la captación de glucosa es activada por dos mecanismos: el transporte activo de glucosa como ocurre en las células epiteliales del intestino delgado a través de transportadores de glucosa dependientes de sodio (SGLT), o alternativamente, vía difusión facultativa a través de transportadores de glucosa (GLUT) localizados en la membrana celular de múltiples tipos de células. Una vez en el interior de la célula, la glucosa es oxidada a una tasa definida por las enzimas limitantes de la glucólisis. Estas enzimas: hexoquinasa, fosfofructoquinasa (PFK) y piruvato quinasa son reguladas alostéricamente y tienen roles importantes en la regulación del flujo glucolítico.

   En condiciones donde la demanda de oxígeno por un tejido excede al aporte (hipoxia), las células reducen la fosforilación oxidativa (OXPHOS) mitocondrial dependiente de O₂ y usan preferencialmente la ruta glucolítica independiente de O₂ para la mantener una producción de suficiente ATP para satisfacer los requerimientos bio-energéticos. Este “switch” metabólico en respuesta a la hipoxia es iniciado por el control alostérico de las enzimas glucolíticas por el ATP. En condiciones de hipoxia, donde la OXPHOS es inhibida se produce un bajo nivel de ATP, lo cual disminuye la relación ATP/AMP (adenosina monofosfato). Esta reducción en la carga energética reduce la inhibición alostérica del ATP sobre la PFK. La PFK activada utiliza ATP para producir fructosa1,6-bifosfato y promover el flujo a través de la ruta glucolítica. El ATP inhibe alostéricamente a la piruvato quinasa para reducir la tasa de glucólisis cuando la carga de energía es alta. Por tanto, bajo condiciones de hipoxia, la reducción en la carga de energía disminuye la inhibición alostérica del ATP  sobre la piruvato quinasa, lo cual resulta en la generación de piruvato a partir de fosfoenolpiruvato. La piruvato quinasa también es activada por fructosa-1,6-bifosfato para promover el flujo completo a través de la ruta glucolítica.

   La regulación alostérica de la glucólisis bajo condiciones de hipoxia es seguida por la regulación transcripcional al alza de transportadores de glucosa y enzimas glucolíticas por el factor  inducible por hipoxia (HIF). Esta regulación de enzimas glucolíticas permite un incremento en el flujo a través de la ruta glucolítica y mantener la producción celular de ATP bajo condiciones de hipoxia. Cuando el balance de oxígeno (y la relación ATP/AMP) es restaurado, las células usualmente pueden revertir su estrategia metabólica primaria a la OXPHOS, un fenómeno conocido como efecto Pasteur. Mientras este incremento en el flujo glucolítico es beneficioso para la supervivencia de la célula durante la hipoxia, los mecanismos que incrementan este flujo pueden ser manipulados por las células cancerosas para promover su supervivencia aun en presencia de niveles suficientes de O₂ (conocido como glucólisis aeróbica o efecto Warburg). Por tanto, los mecanismos centrales que median este “switch” metabólico son de mucha importancia en la salud y en la enfermedad. Hasta el presente, han sido descritos múltiples mecanismos como reguladores de la glucólisis bajo condiciones de hipoxia, incluyendo aquellos dependientes de las acciones de la  ruta HIF, la ruta PI3K/AKT y la modificación post-translacional de enzimas glucolíticas, entre otros.

   El HIF es una proteína heterodimérica que consiste en una subunidad α sensible al O₂ (HIF-1α, HIF-2α, HIF-3α) y una subunidad β expresada constitutivamente (HIF-1β/ARNT (Aryl hidrocarbon receptor nuclear translocator). De los tres homólogos identificados en animales superiores, el HIF-1α es el responsable de regular la glucólisis en condiciones de hipoxia. En presencia de niveles suficientes de O₂ (normoxia), el HIF-1α tiene una vida media corta, estimada en 5-10 minutos. En condiciones normóxicas, la proteína  HIF-1α es rápidamente degradada como resultado de la hidroxilación dependiente de O₂ en los residuos prolina (Pro⁴⁰² y Pro⁵⁶⁴) de la subunidad α. Esta hidroxilación la llevan a cabo miembros de la familia del dominio prolil hidroxilasa (PHD), de los cuales tres isoformas han sido caracterizadas en células de mamíferos. La hidroxilación del HIF-1α promueve su unión a la proteína von Hippel-Lindau (VHL), un componente del complejo E3 ubiquitina ligasa, el cual permite la poliubiquitinización  y posterior degradación proteosomal de la subunidad α. El HIF-1α también es hidroxilado por el factor inhibidor de HIF (FIH) en el residuo asparagina (Asn⁸⁰³) del dominio de activación transcripcional  del C-terminal para impedir la activación transcripcional del HIF en condiciones de normoxia a través de la inhibición de la unión con la proteína de unión al elemento de respuesta del coactivador AMP cíclico (CBP)/p300. Por tanto, la hidroxilación dependiente de O₂ sirve para reprimir al HIF-1α en condiciones de normoxia.

   La hidroxilación del HIF-1α por PHD y FIH dioxigenasas es dependiente de la disponibilidad de O₂ y los co-factores 2-oxoglutarato, Fe (II) y ascorbato. La hidroxilación del HIF-1α es suprimida bajo condiciones de hipoxia, resultando en la estabilidad de la subunidad HIF-1α y su acumulación en el citoplasma cuando la célula está desprovista de un adecuado aporte de O₂. El HIF-1α acumulado es posteriormente trasladado al núcleo donde se dimeriza con HIF-1β/ARNT. La unión del heterodímero a los elementos de respuesta (HRE) a la hipoxia en la región promotora/aumentadora de los genes blanco inicia la transcripción de aquellos genes que promueven la adaptación a la hipoxia.

   Entre las respuestas adaptativas mediadas por el HIF-1α para promover la supervivencia celular en condiciones de hipoxia está la reprogramación dependiente de HIF-1α del metabolismo de la glucosa para reducir la dependencia de la producción de energía dependiente de O₂. Esta reprogramación es activada por la regulación al alza dependiente de HIF-1α de los genes que codifican transportadores de glucosa (por ejemplo, GLUT1 y GLUT3) y enzimas de la ruta glucolítica así como también la supresión de la OXPHOS para promover un incremento  en el flujo glucolítico. El incremento en la captación de glucosa y su posterior metabolismo bajo condiciones de hipoxia ayuda a mantener la producción celular de ATP concomitantemente con una reducción del metabolismo oxidativo. La regulación al alza de los transportadores de glucosa y las enzimas glucolíticas es mediada por la unión del HIF-1α a la secuencia 5´-(AG)/CGTG-3´de los elementos de respuesta a la hipoxia en la región promotora de los genes que codifican estas proteínas para incrementar su expresión. Los genes que codifican a las enzimas glucolíticas PFK-tipo hígado (PFKL), aldolasa (ALDA), fosfoglicerato quinasa-1 (PGK1), enolasa (ENOL) y lactato deshidrogenasa-A (LDHA) contienen sitios de unión para el HIF-1α en sus regiones aumentadoras y son reguladas al alza directamente por el HIF-1α en respuesta a la hipoxia.

   Además de la regulación al alza dependiente de HIF-1α de las enzimas glucolíticas en respuesta a la hipoxia, el HIF-1α puede suprimir la OXPHOS bajo condiciones de hipoxia reduciendo la entrada de metabolitos al ciclo TCA vía inducción dependiente de HIF-1α de la piruvato deshidrogenasa quinasa 1 (PDK1) y la LDHA. La PDK1 fosforila al complejo piruvato deshidrogenasa (PDH), previniendo la conversión de piruvato en acetil CoA y, por consiguiente, impidiendo el inicio del ciclo TCA. El HIF-1α también activa la transcripción de LDHA que cataliza la conversión del piruvato generado en el metabolismo glucolítico en lactato y la concomitante generación de NAD+, un cofactor esencial para permitir la actividad glucolítica continua. Conjuntamente LDHA y PDK1 impiden la entrada de piruvato al ciclo TCA disminuyendo la generación de acetil CoA a partir de piruvato y en cambio incrementan la producción de lactato. El lactato producido a partir del piruvato puede ser removido de la célula por los transportadores monocarboxilato 4 (MCT4) para evitar la inhibición competitiva de la LDHA.

  El IGF-1α también regula la capacidad OXPHOS alterando directamente la actividad mitocondrial. El HIF-1α induce autofagia mitocondrial en respuesta a la hipoxia confiriendo un efecto protector a la célula hipóxica al reducir los niveles de especies reactivas de oxígeno (ROS). Más aún, la hipoxia reduce la capacidad respiratoria regulando la expresión de la citocromo oxidasa de una manera dependiente de IGF-1α para limitar la generación de ROS bajo condiciones de hipoxia promoviendo, por tanto, la evasión de la muerte celular inducida por estrés oxidativo.

   EL HIF-1α, además de la estabilización y posterior activación  en respuesta a la hipoxia, también puede ser activado farmacológicamente usando moléculas que inhiben las acciones de las enzimas PHD, como quelantes de hierro (por ejemplo, deferoxamina, DFO) o moléculas que compiten por el 2-oxoglutarato. La modulación de la actividad de las enzimas PHD es beneficiosa para promover respuestas anti-inflamatorias a través de la inducción selectiva de muerte celular en monocitos, neutrófilos y aumentando la función de la barrera epitelial intestinal en respuestas pro-angiogénesis vía regulación al alza dependiente de HIF-1α del factor de crecimiento endotelial vascular (VEGF), ofreciendo protección en la enfermedad isquémica y ayudando a mejorar la anemia en pacientes con enfermedad renal a través de la estimulación de la producción de eritropoyetina (EPO) y regulando la absorción y el metabolismo de hierro.

   En el contexto del metabolismo de la glucosa, la inhibición de la hidroxilasa protege a las células epiteliales alveolares de la insuficiencia bioenergética y la muerte celular in vitro e in vivo aumentando el metabolismo glucolítico a través del HIF-1α. La inhibición de la hidroxilasa también es citoprotectora en las células epiteliales del túbulo proximal renal en una situación de privación de oxígeno-glucosa por isquemia, a través de la regulación al alza de la ruta glucolítica. Mientras estas observaciones sugieren que la promoción de la glucólisis a nivel celular a través de la activación farmacológica del HIF-1α es citoprotectora, a nivel del organismo, la activación sostenida de la ruta HIF-1α resulta en una reducción de la capacidad respiratoria mitocondrial, reducida capacidad de ejercicio y mayor concentración sanguínea de lactato a través de la regulación al alza dependiente de HIF-1α de los genes glucolíticos y la supresión de la OXPHOS bajo condiciones de normoxia. Por otra parte, aunque estos hallazgos enfatizan que el HIF-1α juega un rol prominente en la regulación del metabolismo de la glucosa, también hay datos que demuestran que la promoción de la glucólisis, por ejemplo, a través de la inhibición de la hidroxilasa, puede ser perjudicial para el organismo a nivel integrativo. Los estudios recientes reportan que el incremento en el metabolismo glucolítico en hipoxia puede tener efectos sobre la fisiología celular en células inmunes y endoteliales.

   El HIF-2α también es regulado negativamente por la prolil y asparaginil hidroxilación. Mientras el HIF-1α es expresado en todos los tipos de células, la expresión del HIF-2α es específica de tipo de célula y ha sido reportada en células endoteliales vasculares, células epiteliales de riñón y tracto gastrointestinal, células del parénquima hepático y neumocitos tipo II. En condiciones de hipoxia, el HIF-2α se dimeriza con el  HIF-1β, expresado constitutivamente, para regular la transcripción de numerosos genes. A pesar de las similitudes entre el HIF-1α y el HIF-2α en términos de secuencia de aminoácidos, la estabilización y el reconocimiento de los HRE de los genes blanco puede ser diferente. Procesos como la eritropoyesis, la absorción y el metabolismo del hierro y el desarrollo y la función de los cuerpos carotídeos dependen grandemente de la expresión de HIF-2α mientras la expresión de los genes que codifican a los transportadores de glucosa GLUT1  y al VEGF parece ser regulada por HIF-1α y HIF-2α. Mientras los genes regulados por HIF-1α y HIF-2α pueden superponerse, múltiples estudios reportan que los genes glucolíticos son regulados exclusivamente por el HIF-1α. Es evidente que los efectos mediados por el HIF-1α en la promoción del flujo glucolítico y la reducción de la capacidad OXPHOS juegan un rol importante en la adaptación celular a la hipoxia.

   En conclusión, bajo condiciones de hipoxia, la mayoría de células eucariotas pueden cambiar su estrategia metabólica primaria de una respiración predominantemente mitocondrial a un incremento en la glucólisis para mantener los niveles de ATP. Los estudios con modelos in vivo e in vitro han demostrado una profunda capacidad de las células hipóxicas para adaptarse a la privación de O₂ alterando las respuestas transcripcionales y traslacionales para promover la captación de glucosa y su posterior metabolismo anaeróbico. Esta reprogramación del metabolismo inducida por la hipoxia es clave para satisfacer los requerimientos energéticos celulares durante el estrés hipóxico agudo. A nivel transcripcional, este cambio metabólico puede ser regulado por varias rutas incluyendo al HIF-1α, el cual induce un incremento en la expresión de enzimas glucolíticas. Mientras este incremento en el flujo glucolítico es beneficioso para el mantenimiento de la homeostasis bioenergética durante la hipoxia, las rutas que median este incremento también pueden ser explotadas por las células cancerosas para promover la supervivencia y el crecimiento tumoral. El incremento en el metabolismo glucolítico durante la hipoxia también puede tener profundos efectos en la fisiología celular en células inmunes y células endoteliales.

Fuente: Kierans SJ, Taylor CT (2021). Regulation of glycolysis by the hipoxia-inducible factor (HIF): implications for cellular physiology. Journal of Physiology 599: 23-37.