저산소증 유도인자

1. 개요

저산소증 유도 인자(HIF)는 산소 농도가 낮아지는 저산소 환경에 대한 세포의 적응 반응을 조절하는 전사 복합체이다. 1995년 그레그 L. 세멘자에 의해 발견되었으며, 2019년 세멘자는 윌리엄 캐린 주니어, 피터 J. 래트클리프와 함께 HIF가 산소 가용성에 대한 세포 반응을 감지하고 적응하는 기전을 밝힌 공로로 노벨 생리학·의학상을 수상했다. HIF는 알파와 베타 서브 유닛으로 구성된 이형 복합체로, 다양한 유전자의 발현을 조절하여 혈관 생성, 세포 생존, 물질대사 조절 등 다양한 생리적 기능을 수행한다. HIF는 빈혈, 염증, 암, 신경 질환 등 다양한 질병의 치료 표적으로 연구되고 있으며, 특히 HIF 프롤릴 하이드록실화 효소 억제제는 빈혈 치료에 사용된다.

2. 발견

HIF 전사 복합체는 1995년 그레그 L. 세멘자와 박사 후 연구원 광 왕에 의해 발견되었다. 2016년, 윌리엄 캐린 주니어, 피터 J. 래트클리프, 그레그 L. 세멘자는 저산소 환경에서 HIF-1의 역할 규명과 산소 감지 역할에 대한 공로를 인정받아 래스커상을 수상했다. 2019년, 이 세 사람은 HIF가 산소 가용성에 대한 세포 반응을 어떻게 감지하고 적응하는지 규명한 공로로 노벨 생리학·의학상을 공동 수상했다.

3. 구조

대부분의 산소를 호흡하는 생물은 고도로 보존된 전사 복합체 HIF-1을 발현하는데, 이는 알파와 베타 서브 유닛으로 구성된 이형 복합체이고, 베타 서브 유닛은 아릴 탄화수소 핵 전위체(ARNT)로 구성된다. HIF-1은 전사 인자 중 기본 나선-고리-나선(bHLH)에서 PER-ARNT-SIM(PAS)에 속한다. 알파와 베타 서브유닛은 구조적으로 비슷하며. 둘 다 다음 도메인을 포함한다.

* N-말단 - DNA 결합을 위한 bHLH 도메인
* 중앙 영역 - Per-ARNT-Sim (PAS) 도메인, 이합체화를 촉진
* C-말단 - 전사 보조 조절 단백질을 모집

HIF-1α는 유비퀴틴-프로테아좀계를 거친 단백질 분해에 의해 그 기능이 억제되며, 그 분해 과정에는 폰 히펠-린다우 유전자 산물(pVHL)이 관여한다. HIF-1α는 PHD 단백질 도메인을 보유하는 효소에 의해 프롤린 (Pro) 잔기가 수산화된다. 저산소 상태에서는 프로테아좀 의존적인 HIF의 분해는 일어나기 어렵고, 정상 산소압 하에서 활발하게 진행된다. 분해를 면한 HIF-1α는 핵 내로 이동한 후 HIF-1β와의 헤테로이량체 형성 및 CBP/p300 등의 히스톤 아세틸화 효소와의 결합이 이루어지며, 이러한 복합체는 DNA 상의 저산소 반응성 영역(HRE)이라고 불리는 반응 엘리먼트 (5'-ACGTG-3')에 결합한다.

HIF-1α의 저산소 이외의 요인에 의한 유도 경로로서 증식 인자가 세포막에 존재하는 티로신 키나아제 관련형 수용체에 결합함으로써 발생하는 신호 전달이 있다. 리간드가 결합하면 PI3 키나아제-Akt 경로 및 MAP 키나아제 경로가 활성화되어 HIF-1α의 전사를 촉진한다.

HIF-2α는 Endothelial Per-ARNT-Sim(EPAS) 단백질 등으로 불리기도 하며, 그 아미노산 서열은 HIF-1α와 48%의 상동성을 가진다. HIF-1α가 전신 조직에 광범위하게 발현하는 데 반해, HIF-2α는 주로 폐나 상피 세포에서 발현이 높다.
HIF-3α는 HIF-1β와 이량체를 형성하고, DNA상의 HRE에 결합함으로써 다양한 유전자의 전사를 활성화한다. HIF-3α의 스플라이싱 변이체로서 IPAS가 발견되었으며, 소뇌의 푸르키녜 세포나 각막 상피에서 발현하고 있다. IPAS는 HIF-1α와의 상호 작용을 통해 DNA 결합을 억제하여 HIF-1의 기능을 억제한다.

4. 구성

인간 HIF 계열의 구성원은 다음과 같다.

HIF-1α는 일반적인 산소압 조건에서는 유비퀴틴-프로테아좀계를 거친 단백질 분해에 의해 그 기능이 억제된다. 이 분해 과정에는 유비퀴틴 리가아제 복합체의 기질 인식 서브유닛으로 기능하는 폰 히펠-린다우 유전자 산물(pVHL)이 관여한다. pVHL에 의한 단백질 인식에는 수산화가 관여하며, HIF-1α는 PHD 단백질 도메인을 보유하는 효소에 의해 아미노기 말단 측으로부터 402번째 및 564번째 프롤린 (Pro) 잔기가 수산화된다. 이러한 아미노산 잔기는 HIF-2α에서도 보존된다. PHD의 활성은 산소 농도에 의존하므로, 저산소 상태에서는 프로테아좀 의존적인 HIF 분해가 억제되고, 정상 산소압 하에서 활발하게 진행된다. 분해를 면한 HIF-1α는 핵 내로 이동하여 HIF-1β와 헤테로이량체를 형성하고 CBP/p300 등의 히스톤 아세틸화 효소와 결합한다. 이 복합체는 DNA 상의 저산소 반응성 영역(Hypoxia Responsive Element, HRE)이라고 불리는 반응 엘리먼트 (5'-ACGTG-3')에 결합한다.

HIF-1α는 증식 인자가 세포막의 티로신 키나아제 관련형 수용체에 결합하여 발생하는 신호 전달을 통해 유도될 수 있다. 리간드가 HER2 등의 수용체에 결합하면 PI3 키나아제-Akt 경로 및 MAP 키나아제 경로가 활성화되어 HIF-1α의 전사를 촉진한다.

HIF-1α는 1992년에 그렉 세멘자 등에 의해 발견되었으며,, 세포의 산소 반응 분자 기작을 밝히는 계기가 되었다는 점에서 세멘자는 2019년 노벨 생리학·의학상을 수상했다.

HIF-2α는 Endothelial Per-ARNT-Sim(EPAS) 단백질 등으로 불리기도 하며, 아미노산 서열은 HIF-1α와 48%의 상동성을 가진다. HIF-1α가 전신 조직에 광범위하게 발현하는 반면, HIF-2α는 주로 폐나 상피 세포에서 발현된다.

HIF-3α는 HIF-1β와 이량체를 형성하고, DNA상의 HRE에 결합하여 다양한 유전자의 전사를 활성화한다. HIF-3α의 스플라이싱 변이체인 IPAS는 소뇌의 푸르키녜 세포나 각막 상피에서 발현된다. IPAS는 전사 활성을 나타내지 않지만 HIF-1α와의 상호 작용을 통해 DNA 결합을 억제하여 HIF-1의 기능을 억제한다. 폐나 심장에서는 저산소 상태에서 IPAS가 유도된다는 보고가 있으며, 이러한 조직에서는 음성 피드백 기전으로 기능할 가능성이 있다.

5. 기능

HIF(저산소증 유도인자) 신호는 세포에서 저산소 환경의 영향을 조정하며, 낮은 산소 농도는 종종 차별화로부터 세포를 보존한다. 저산소 환경은 혈관 형성을 촉진하여 배아와 종양에서 혈관계 형성에 중요하며, 상처에서는 각질 세포의 이동과 상피 세포의 회복을 촉진한다. HIF-1 조절은 상처 치유의 유망한 치료 패러다임으로 확인되었다.

일반적으로, HIF는 발달에 필수적이다. 포유동물에서 HIF-1 유전자를 제거하면 분만 상태에서 죽음에 이르게 된다. HIF-1은 연골 세포의 생존에 필수적인 것으로 보이는데, 뼈의 판의 생존을 통해 세포가 저산소 상태에 적응하게 한다. HIF는 사람의 물질대사 규칙에서 중심 역할을 한다.

조혈 줄기 세포에서 HIF1α 발현은 줄기 세포의 휴지 상태를 설명하는데, 이는 생물체의 생명 주기 동안 줄기 세포의 효능을 오랫동안 보존하기 위해 대사적으로 낮은 속도로 유지되기 때문이다.

HIF-1α는 세포핵으로 이동하면 HIF-1β와 결합한다. HIF-1β는 방향족 탄화수소 수용체(AhR)와 결합하여 수송 담체로 작용하는 것으로 알려져 있으며, AhR 수송 담체(Arnt)라고도 불린다. HIF-1α의 Asp803잔기는 히스톤 아세틸기 전이효소(HAT) 활성을 가진 분자 복합체 CBP/p300을 DNA상의 HRE로 운반하여, 목적 유전자의 전사를 촉진한다。HIF는 혈관 신생 및 세포 증식, 당 대사, pH 조절 및 아폽토시스 등 다양한 유전자의 조절에 관여한다. HIF에 의해 발현 조절을 받는 유전자로서 적혈구의 증식 촉진에 관여하는 에리스로포이에틴이 1995년에 처음 발견되었으며, 이어서 혈관 내피 성장 인자(VEGF) 또한 혈관 신생 및 세포 증식을 조절하는 유전자로서 발견되었다. 그 외에도 HIF-1α는 아드레노메듈린, 매트릭스 메탈로프로테이나제(MMPs), 엔도텔린(ET)-1, 일산화 질소 합성 효소(NOS)2 등 다양한 유전자를 조절하고 있으며, 인간 동맥 내피 세포의 유전자를 마이크로어레이법으로 분석한 결과, 전체의 2%에 달하는 유전자가 HIF-1α에 의해 직접 또는 간접적으로 조절되고 있다는 것이 보고되었다。

6. 기작

정상 산소 조건에서 HIF의 알파 소단위체는 보존된 프롤린 잔기에서 HIF 프롤릴 수산화 효소에 의해 수산화된 후, VHL E3 유비퀴틴 연결 효소에 의해 인식되어 유비퀴틴화되고 프로테아좀에 의한 빠른 분해를 위해 표지된다. 저산소 조건에서는 HIF 프롤릴 수산화 효소가 공기질소원으로서 산소를 사용하기 때문에 억제된다. 숙신산 탈수소 효소 복합체에서 SDHB 또는 SDHD 유전자의 돌연변이로 인한 전자 전달 억제는 HIF 프롤릴 수산화 효소를 억제하여 HIF-1α를 안정화시키는 숙신산의 축적을 유발할 수 있으며, 이를 가성 저산소증이라고 한다.

저산소 조건에 의해 안정화되면 HIF-1은 해당 작용 효소와 혈관 내피 성장 인자 (VEGF)를 포함한 여러 유전자를 상향 조절하여 저산소 조건에서 생존을 촉진한다. 해당과정 효소는 산소 독립적인 방식으로 ATP 합성을 가능하게 하며, VEGF는 혈관 신생을 촉진한다. HIF-1은 시퀀스 5'-RCGTG-3'(R은 퓨린, A 또는 G)를 포함하는 프로모터의 저산소 반응 요소(HRE)에 결합하여 작용한다. 저산소증은 히스톤 메틸화를 조절하고 염색질을 재프로그래밍한다. 이 연구는 2019년 노벨 생리학·의학상 수상자 윌리엄 케일린 주니어의 논문과 함께 게재되었으며, 독립적인 사설에서 강조되었다.

근육 A 키나아제-앵커링 단백질 (mAKAP)이 E3 유비퀴틴 연결 효소를 조직하여 핵 내 HIF-1의 안정성과 위치에 영향을 미치는 것으로 나타났다. mAKAP의 고갈 또는 심장 근육 세포의 핵 주변 부위로의 표적화 중단은 HIF-1의 안정성과 저산소증과 관련된 유전자의 전사 활성을 변경하여, 산소 민감성 신호 구성 요소의 "구획화"는 저산소 반응에 영향을 줄 수 있다.

NF-κB (핵 인자 κB)가 정상 산소압이 있는 상태에서 HIF-1α 발현의 직접적인 조절자임이 밝혀졌다. 개별 NF-κB 구성원에 대한 siRNA (small interfering RNA) 연구는 HIF-1α mRNA 수준에 대한 차별적인 영향을 보여 NF-κB가 기저 HIF-1α 발현을 조절할 수 있음을 나타낸다. 내인성 NF-κB가 TNFα (종양 괴사 인자 α) 처리에 의해 유도되면 HIF-1α 수준도 NF-κB 의존적 방식으로 변경되는 것으로 나타났다. HIF-1과 HIF-2는 서로 다른 생리학적 역할을 하며, HIF-2는 성인기 에리트로포이에틴 생산을 조절한다.

HIF-1α는 유비퀴틴-프로테아좀계를 거친 단백질 분해에 의해 그 기능이 억제되며, 이 과정에는 유비퀴틴 리가아제 복합체의 기질 인식 서브유닛으로 기능하는 폰 히펠-린다우 유전자 산물(pVHL)이 관여한다. pVHL에 의한 단백질의 인식에는 수산화가 관여하며, HIF-1α는 PHD 단백질 도메인을 보유하는 효소에 의해 아미노기 말단 측으로부터 402번째 및 564번째 프롤린 (Pro) 잔기가 수산화된다. 이 잔기는 HIF-2α에서도 보존된다. PHD의 활성은 산소 농도에 의존하므로, 저산소 상태에서는 프로테아좀 의존적인 HIF의 분해가 일어나기 어렵고, 정상 산소압 하에서 활발하게 진행된다. 분해를 면한 HIF-1α는 핵 내로 이동한 후 HIF-1β와의 헤테로이량체 형성 및 CBP/p300 등의 히스톤 아세틸화 효소와의 결합이 이루어지며, 이러한 복합체는 DNA 상의 저산소 반응성 영역(Hypoxia Responsive Element, HRE)이라고 불리는 반응 엘리먼트 (5'-ACGTG-3')에 결합한다.

HIF-1α의 저산소 이외의 요인에 의한 유도 경로로서 증식 인자가 세포막에 존재하는 티로신 키나아제 관련형 수용체에 결합함으로써 발생하는 신호 전달이 있다. 수용체(HER2 등)에 리간드가 결합하면 PI3 키나아제-Akt 경로 및 MAP 키나아제 경로가 활성화되어 HIF-1α의 전사를 촉진한다.

HIF-1α는 1992년에 그렉 세멘자 등에 의해 발견되었으며, 세포의 산소 반응 분자 기작을 밝히는 계기가 되었다는 점에서 세멘자는 2019년 노벨 생리학·의학상을 수상했다.
HIF-2α는 Endothelial Per-ARNT-Sim(EPAS) 단백질 등으로 불리기도 하며, 그 아미노산 서열은 HIF-1α와 48%의 상동성을 가진다. HIF-1α가 전신 조직에 광범위하게 발현하는 데 반해, HIF-2α는 주로 폐나 상피 세포에서 발현이 높다.
HIF-3α는 HIF-1β와 이량체를 형성하고, DNA상의 HRE에 결합함으로써 다양한 유전자의 전사를 활성화한다. HIF-3α의 스플라이싱 변이체로서 IPAS가 발견되었으며, 소뇌의 푸르키녜 세포나 각막 상피에서 발현하고 있다. IPAS는 그 자체로는 전사 활성을 나타내지 않지만 HIF-1α와의 상호 작용을 통해 DNA 결합을 억제하여 HIF-1의 기능을 억제한다. 폐나 심장에서는 저산소 상태에서 IPAS가 유도된다는 보고가 있으며, 이러한 조직에서는 음성 피드백 기전으로 기능할 가능성이 있다.

7. 의학적 응용

7.1. 빈혈 치료

최근, HIF 프롤린 하이드록실화효소 저해제에 선택적으로 작용하는 여러 약물이 개발되었다. 이 약물들은 프롤린 하이드록실화효소 저해를 통해 신장에서 HIF-2α의 안정성을 높여 에리트로포이에틴의 내생성을 일으킨다. 가장 주목할 만한 화합물은 록사두스타트(Roxadustat, FG-4592), 바다두스타트(Vadadustat, AKB-6548), 다프로두스타트(Daprodustat, GSK1278863), 데시두스타트(Desidustat, ZYAN-1), 몰리두스타트(Molidustat, Bay 85-3934)인데, 모두 빈혈 치료를 위한 경구 투여 약물로 개발되었다. 이 계열의 다른 중요한 화합물로는 MK-8617, YC-1, IOX-2, 2-메톡시에스트라디올, GN-44028, AKB-4924, Bay 87-2243, FG-2216 및 FG-4497 등이 있으며, 연구에만 쓰이고 사람의 의약품 목적으로는 개발되지 않았다. 파이브로겐(FibroGen)의 두 화합물은 2상 임상시험까지 진행되었지만, 2007년 5월 FG-2216을 복용한 시험 참가자가 급성 간염(간부전)으로 사망하면서 일시 중단되었다. 그러나 사망 원인이 FG-2216 복용 때문인지는 확실하지 않다. 2008년 초, FDA는 파이브로겐의 대응을 검토하고 승인하여 FG-4592에 대한 추가 시험 중단이 해제되었다. 록사두스타트, 바다두스타트, 다프로두스타트, 몰리두스타트는 신장성 빈혈 치료를 위한 3상 임상시험을 통과했다.

7.2. 염증 및 암 치료

최근의 연구는 정상 산소 상태에서의 HIF 도입이 만성 염증 성분이 있는 질병 환경에서 심각한 결과를 초래할 수 있음을 시사한다. 만성 염증은 자급자족하고, 이상 활동을 보이는 전사 인자에 의해 미세 환경을 변형한다는 것이 밝혀졌다. 그 결과, 성장인자, 케모카인, 사이토카인, 활성산소(ROS) 균형에서의 변형이 세포적 환경에서 암의 새로운 발달과 전이에 필요한 성장과 생존의 축을 제공한다. 그러므로, NF-κB와 HIF, 두 중요한 핵심 번역 인자 사이의 상호작용에 대한 이해는 약물 발달의 과정을 크게 향상시킬 것으로 생각된다.

HIF 활동은 암과 종양의 성장에 필요한 혈관 신생 또한 포함한다. 그래서 페네틸 아이소티오시아네이트 및 아크리플라빈과 같은 HIF 방해 인자가 항암 효과에 대해 연구되고 있다.

7.3. 신경 질환 치료

HIF 프롤릴 하이드록실라제 억제제를 사용하여 HIF를 안정화시키면 해마 기억력이 향상되며, 이는 에리트로포이에틴 발현 증가에 기인하는 것으로 보인다. ML-228과 같은 HIF 경로 활성제는 신경 보호 효과가 있을 수 있으며, 뇌졸중 및 척수 손상의 잠재적 치료법으로 관심의 대상이 되고 있다.

7.4. 폰 히펠-린다우병 관련 신세포암

벨주티판은 폰 히펠-린다우병 관련 신세포암 치료를 위해 연구 중인 저산소증 유도 인자-2α 억제제이다.

8. 복구 및 재생

일반적인 상황에서 부상 후 HIF-1α는 프롤릴 수산화 효소(PHD)에 의해 분해된다. 그러나 2018년 6월, 과학자들은 PHD 억제제를 통해 HIF-1α를 지속적으로 상향 조절하면 복구 반응을 보이는 포유류에서 손실되거나 손상된 조직을 재생시키고, HIF-1α를 지속적으로 하향 조절하면 이전에 조직 손실에 대한 재생 반응을 보였던 포유류에서 흉터 반응으로 치유된다는 것을 발견했다. HIF-1α를 조절하는 행위는 포유류의 재생이라는 핵심 과정을 끄거나 켤 수 있다.

HIF1A가 관여하는 재생 과정 중 하나는 피부 치유이다. 스탠퍼드 의과대학의 연구원들은 HIF1A 활성화가 당뇨병 환자와 노령 쥐의 만성 상처를 예방하고 치료할 수 있음을 입증했다. 쥐의 상처가 더 빨리 치유되었을 뿐만 아니라 새로운 피부의 질이 원래 피부보다 훨씬 더 좋았다. 또한, 노화된 피부 세포에 대한 HIF-1A 조절의 재생 효과가 설명되었고 노화된 얼굴 피부에 대한 회춘 효과가 환자들에게서 입증되었다. HIF 조절은 또한 탈모에 대한 유익한 효과와 관련이 있다.

의사 도미니크 두셔와 약리학자 도미니크 토르가 2016년 비엔나에서 설립한 생명공학 회사 Tomorrowlabs GmbH는 이 메커니즘을 활용한다. 특허 출원 중인 HSF("HIF 강화 인자") 활성 성분을 기반으로 피부와 모발 재생을 촉진하는 제품이 개발되었다.