facteurs de transcription inductibles par l`hypoxie dans le rein

FACTEURS DE TRANSCRIPTION INDUCTIBLES
PAR L’HYPOXIE DANS LE REIN – LEUR RÔLE
DANS LA RÉGULATION DE L’ÉRYTHROPOÏÉTINE
ET LA PATHOGÉNIE DES MALADIES RÉNALES
S. WIESENER
ET COLL.
par
M. S. WIESENER, W. M. BERNHARDT et K.-U. ECKARDT*
Les deux facteurs inductibles par l’hypoxie HIF-1 et HIF-2 sont les médiateurs
clés de l’adaptation cellulaire à l’hypoxie et sont largement exprimés dans des
conditions d’hypoxie systémique ou régionale. Le schéma de répartition des sousunités spécifiques HIFα dans le rein est sélectif et complémentaire, avec HIF-1α
étant principalement exprimé dans les cellules tubulaires et HIF-2α dans les cellules endothéliales et interstitielles péritubulaires de même que les cellules glomérulaires. La régulation de l’HIF survient principalement par hydroxylation
oxygène-dépendante de résidus proline spécifiques, ce qui est une condition préalable à une dégradation protéolytique ultérieure.
Les gènes cibles HIF sont impliqués dans les mécanismes cellulaires qui
augmentent la tolérance à l’hypoxie ou améliorent l’apport d’oxygène au niveau
systémique ou régional, mais ont également été impliqués dans l’apoptose
cellulaire et les mécanismes profibrotiques. L’érythropoïétine (EPO) est le prototype d’un gène régulé par l’oxygène qui semble être spécifiquement modulé
par HIF-2. Dans les lésions rénales aiguës, la régulation positive du HIF, soit
par détection d’une hypoxie endogène, soit après une intervention pharmacologique, confère une protection aux tissus. La stabilisation du HIF offre donc
une nouvelle approche prometteuse et cliniquement applicable pour la néphroprotection. D’un autre côté, l’activation du système HIF survient dans les
cancers solides, plus particulièrement le cancer du rein, et peut favoriser la
croissance de la tumeur par des mécanismes similaires à ceux qui confèrent une
protection des tissus non tumoraux. Le HIF est de ce fait également exploré
comme cible pour un traitement anti-cancéreux.
* Service de Néphrologie et Hypertension, Université d’Erlanger-Nuremberg, Allemagne.
FLAMMARION MÉDECINE-SCIENCES — ACTUALITÉS NÉPHROLOGIQUES 2008
(www.medecine.flammarion.com)
FACTEURS
DE
TRANSCRIPTION
INDUCTIBLES
PAR
L’HYPO
180
M. S. WIESENER ET COLL.
RÉGULATION DU HIF
Les facteurs de transcription HIF sont hétérodimères, consistant en deux protéines
basiques hélice-boucle-hélice (bHLH) à domaine PAS (Per-Arnt-Sim) : une sousunité β constitutive, également connue sous le nom de ARNT (aryl hydrocarbon
nuclear translocator) et une sous-unité α régulée par l’oxygène [1-3]. Deux isoformes HIFα ont été identifiés comme jouant un rôle majeur dans la réponse transcriptionnelle à l’hypoxie : HIF-1α et HIF-2α. Ils sont régulés d’une manière très
similaire au niveau post-translationnel par la destruction oxygène-dépendante via la
voie ubiquitine-protéasome. En présence d’oxygène, deux résidus proline, bien
définis dans le domaine impliqué dans la dégradation de HIFα, sont hydroxylés.
Ceci est une condition préalable à la liaison de HIFα à un complexe ubiquitine-ligase
qui dirige HIFα vers la destruction protéasomale. Quand il n’y a pas assez d’oxygène
disponible pour jouer le rôle de substrat pour la réaction d’hydroxylation, HIF ne
pénètre pas la voie destructrice, s’accumule et est transloqué dans le noyau cellulaire
afin de former un complexe fonctionnel avec HIFβ et des co-activateurs transcriptionnels. L’interaction avec le co-activateur CBP/p300 est également régulée d’une
manière dépendante de l’oxygène et inhibée sous normoxie. La liaison de l’hétérodimère HIF aux éléments de réponse à l’hypoxie (HRE) des gènes cibles HIF recrute le
complexe transcriptionnel complet et initie la transcription (fig. 1).
L’hydroxylation des résidus proline de HIFα sous l’influence d’oxygène moléculaire est obtenue par un groupe de HIF-prolyl-hydroxylases (PHD) [4]. Trois isoformes différentes de PHD ont été identifiés et leurs rôles fonctionnels ne sont que
partiellement chevauchants. Dans le rein, les trois PHD sont exprimés, bien qu’à
une intensité variable [5].
Le ciblage du HIFα hydroxylé vers la destruction protéasomale nécessite sa
liaison à la protéine von Hippel-Lindau suppresseur de tumeur (pVHL) qui sert de
composant de reconnaissance d’un complexe E3-ubiquitine-ligase. Les mutations
VHL qui affectent sa capacité à lier HIF résultent dans l’incapacité à dégrader HIF
en présence d’oxygène et en la surexpression ultérieure des gènes cibles HIF [6, 7].
Bien que le mécanisme de détection de l’oxygène régulant HIF soit directement
sensible aux changements en oxygène cellulaire, il existe des interactions multiples
avec le métabolisme cellulaire et les cascades de transduction de signaux essentiels.
Les PHD HIF requièrent l’α-cétoglutarate comme co-substrat pour la réaction
d’hydroxylation et puisque l’α-cétoglutarate est également un composant du cycle
de Krebs, cela reflète une interface potentiellement importante entre la signalisation
de HIF et la génération d’énergie. De plus, les PHD sont fer-dépendants, ce qui
reflète un chevauchement avec le métabolisme ferrique cellulaire. En plus de l’activation induite par l’hypoxie ou de l’activation des gènes, de nombreuses molécules
impliquées dans la pathogenèse des maladies rénales ont également été montrées
comme induisant une signalisation de HIF de façon indépendante de l’oxygène,
notamment NO, TNFα, angiotensine II ET ROS [8-11]. Toutefois, la portée selon
laquelle l’activation de HIF indépendamment de l’hypoxie joue un rôle in vivo n’est
pas encore éclaircie.
FACTEURS DE TRANSCRIPTION INDUCTIBLES PAR L’HYPOXIE
181
normoxie
Dégradation
protéosomique
Absence de
transcription
Poly- inylation
it
ubiqu
OH
HIF-1α
OH
OH
HIF-2α
CO2
succinate
PHD1-3
FIH
oxoglutarate
O2
hypoxie
HIF-β
transcription
FIG. 1. — Schéma simplifié de la régulation du HIF. Les isoformes de HIFα : HIF-1α et HIF2α sont hydroxylés en présence d’oxygène à des résidus spécifiques de proline (Pro) par une
famille d’enzymes de prolylhydroxylases (PHD 1-3) et à un résidu aspargyl par le FIH
(factor-inhibiting HIF). Ces réactions d’hydroxylation sont des conditions préalables à la liaison du HIF à un complexe ubiquitine ligase qui contient la protéine VHL en tant que composant de régulation. Le complexe induit la fixation de molécules d’ubiquitine (polyubiquitinylation) et la dégradation protéasomique ultérieure de HIFα. Avec la baisse des tensions en oxygène, la destruction de HIFα est inhibée et HIFα se lie à HIFβ. L’hétérodimère
HIFα/β- recrute le co-activateur p300 et transactive, via une liaison à une séquence d’ADN
spécifique pour les gènes cibles HIF et appelé élément de réponse à l’hypoxie.
OXYGÉNATION RÉNALE
Les deux reins reçoivent normalement approximativement 25 p. 100 de l’apport
total en oxygène du corps. Cependant, les tensions en oxygène à l’intérieur de
certaines zones du rein sont bien plus faibles que dans la plupart des autres tissus et
généralement inférieures à celles dans la veine rénale [12]. Cette situation est
attribuée à l’architecture vasculaire du rein, avec des vaisseaux artériels et veineux
circulant de manière parallèle et en contact étroit sur des distances considérables.
La disposition en contre-courant permet à l’oxygène de diffuser des branches artérielles aux branches veineuses avant d’avoir atteint le lit capillaire péritubulaire
[13]. Les tensions en oxygène sont particulièrement faibles dans la zone médullaire rénale, mais une variabilité marquée a également été mesurée dans le cortex
rénal [14]. En fait, la tension en oxygène comparativement faible dans des conditions « normoxiques » est considérée comme étant la raison principale d’une susceptibilité extraordinaire du rein aux lésions hypoxiques aiguës [15]. De plus, il y a
182
M. S. WIESENER ET COLL.
de plus en plus de preuves que l’hypoxie joue également un rôle important dans la
pathogenèse des maladies rénales chroniques [16-18]. Toute perturbation du flux
sanguin due à une athérosclérose ou une distorsion du glomérule affectera inévitablement la perfusion capillaire péritubulaire. De plus, la pathologie rénale chronique semble être associée à une réduction marquée des capillaires péritubulaires
[18, 19], ce qui devrait contribuer à une réduction des tensions en oxygène des
tissus. D’un autre côté, puisque la consommation d’oxygène du rein dépend principalement de la réabsorption tubulaire du sodium, une réduction du taux de filtration glomérulaire diminuera le besoin en oxygène. Il est ainsi difficile de prévoir
comment seront modifiées les tensions en oxygène des tissus pendant les différentes étapes et dans les différents types de la pathologie chronique du rein.
EXPRESSION DU HIF DANS LE REIN
Dans le rein adulte sain, la détection des sous-unités HIFα se limite à un petit
nombre de cellules. Le niveau d’expression dans les reins normaux est variable et
semble faible, nécessitant le recours à des techniques d’amplification efficaces. En
outre, la détection dépend fortement de nombreuses conditions expérimentales
comme la spécificité des anticorps et la préservation/collecte d’organes. À l’inverse,
dans les états pathologiques ou induits par l’hypoxie, HIFα est exprimé de manière
plus large et à des taux plus élevés. Bien que les taux de HIF tissulaires détectés par
immunohistochimie soient faibles, le HIF est probablement fonctionnel dans le rein
adulte normal, comme cela a été prouvé pour l’érythropoïèse (voir ci-dessous).
Développement embryonnaire
La diminution des apports en oxygène est certainement un signal important, déjà
en place dans le développement embryonnaire. La dissociation ciblée des deux sousunités HIFα résulte en une mortalité embryonnaire [3]. Dans les reins, tant du rongeur que de l’homme, HIF-1 et HIF-2 ont été mis en évidence au cours du développement [20, 21]. La distribution tissulaire des sous-unités HIFα est spécifique au
stade du développement et au type de cellule. Cette expression est corrélée avec
l’expression de facteurs angiogènes importants, suggérant qu’HIFα joue un rôle
majeur [20]. HIF-1α est principalement présent dans les tubes collecteurs, les corps
en S et les cellules glomérulaires, alors que HIF-2α a été trouvé dans les podocytes,
les cellules endothéliales et interstitielles [20, 21]. Quand la morphogenèse rénale est
terminée, les protéines HIF ne sont plus détectables dans le rein normal par immunohistochimie, malgré l’hétérogénéité dans les tensions en oxygène et les faibles concentrations d’oxygène qui surviennent normalement dans la zone médullaire rénale
[20, 22]. Cependant, le système HIF demeure largement inductible dans tout le rein.
Hypoxie systémique
En réponse à une réduction de l’apport en oxygène au rein, induite par une anémie,
une intoxication au monoxyde de carbone ou une réduction de la saturation en
FACTEURS DE TRANSCRIPTION INDUCTIBLES PAR L’HYPOXIE
183
oxygène artériel, le HIF est stabilisé dans différentes régions du rein, avec une distribution qui ressemble à l’expression embryonnaire. Cette distribution est déterminée
par les tensions locales en oxygène et les propriétés endogènes des différentes populations cellulaires rénales [22] (fig. 2). L’induction du HIF par une hypoxie systémique est plus intense dans la papille, ce qui reflète les différentes concentrations
en oxygène du rein. Une accumulation nucléaire marquée de HIF survient également
dans la zone médullaire externe et le cortex rénal, avec cependant une variabilité
significative entre les différents segments tubulaires. Le tube de connexion et les
FIG. 2. — Expression de HIFα dans les reins hypoxiques du rat. Le HIF est exprimé de
manière différentielle dans les reins du rat exposés au monoxyde de carbone pendant
10 heures avec une accumulation de HIF-1α dans les cellules épithéliales tubulaires et de
HIF-2α dans les cellules glomérulaires (Glo), endothéliales et interstitielles.
184
M. S. WIESENER ET COLL.
tubes collecteurs révèlent une induction plus marquée de HIF que les branches larges
de l’anse ascendante de Henle et que le tube contourné distal. À l’intérieur du tube
proximal, la régulation positive de HIF est plus importante dans le segment S1 et S2
que dans le segment S3. En outre, il existe un modèle d’expression séparé de HIF-1
et HIF-2. Alors que les cellules tubulaires n’expriment que HIF-1α, HIF-2α se
trouve dans les cellules glomérulaires, les cellules endothéliales péritubulaires et les
fibroblastes interstitiels. Ainsi, malgré un mode très similaire de régulation et malgré
le fait que de nombreuses lignées cellulaires activent les deux facteurs de transcription sous hypoxie, HIF-1 et HIF-2 semblent avoir des rôles complémentaires plutôt
que redondants in vivo.
Lésions rénales aiguës
Dans de nombreux modèles expérimentaux, on a observé une stabilisation de
HIF dans des régions du rein qui sont supposées hypoxiques à la suite de différents
types de lésions aiguës, comme l’ischémie rénale totale [22, 23], l’infarctus rénal
[24], la néphropathie des poduits de contraste [25] et les lésions hypoxiques des
reins isolés perfusés [26]. Dans tous ces modèles, l’accumulation de HIF survient
généralement à proximité des tubules les plus gravement lésés. Ce phénomène de
« zone frontière » est plus évident après un infarctus rénal, quand une bande de
cellules ayant une accumulation nucléaire de HIF peut être observée entre le centre
de l’infarctus et le tissu normal environnant [24].
Néanmoins, l’accumulation de HIF n’est pas uniforme parmi les différents segments tubulaires, et il existe des preuves que la capacité d’induire le HIF est
inversement corrélée à la gravité des lésions cellulaires. Dans la zone médullaire
externe, les cellules de la branche large de l’anse ascendante ont par exemple une
accumulation relativement faible de HIF dans les modèles de défaillance rénale
aiguë. L’application d’inhibiteurs de réabsorption active de sodium dans cette
partie du tubule, comme le furosémide ou l’ouabaïne, est connue pour préserver
l’intégrité cellulaire et réduire les lésions [27]. Bien que l’inhibition de la
consommation d’oxygène, entraînée par l’inhibition de la réabsorption du
sodium, augmente les tensions en oxygène tissulaires [28], on observe dans ces
conditions une activation de HIF plus significative. Ceci suggère que la capacité à
induire la signalisation de HIF nécessite une tension basse en oxygène spécifique
qui peut varier selon les différents types cellulaires : le système ne pouvant être
activé que lorsque les tensions en oxygène sont soit au-dessus, soit en dessous de
ce niveau. L’inhibition de réabsorption du sodium peut alors ramener des cellules
mise en jeu par un niveau plus faible dans une « fenêtre d’opportunité » pour la
signalisation de HIF. Il est tentant de spéculer que l’activation du système HIF par
l’induction de gènes protecteurs joue un rôle dans la préservation fonctionnelle et
structurelle à la suite de telles manœuvres.
Pathologie chronique du rein
Puisque l’hypoxie des tissus est un mécanisme probable dans différents types
de maladies rénales, il est possible que l’activation du système HIF survienne
dans ces conditions. En effet, l’hypoperfusion s’est avérée induire les lésions
FACTEURS DE TRANSCRIPTION INDUCTIBLES PAR L’HYPOXIE
185
tubulo-interstitielles [29] et les rats transgéniques exprimant un gène rapporteur
sous le contrôle d’un HRE se sont avérés activer le rapporteur dans le modèle du
rein restant et dans le modèle puromycine, suggérant que la signalisation du HIF
est en jeu dans ces situations pathologiques [30]. Les conséquences fonctionnelles sont toutefois moins évidentes. Certains des effets aval du HIF, comme la
formation de nouveaux capillaires, peuvent retarder la progression de la maladie
[31, 32]. De façon cohérente avec cette hypothèse, l’administration chronique de
cobalt, qui peut stabiliser le HIF, a été montrée comme améliorant les lésions
tubulo-interstitielles [32, 33].
D’un autre côté, la signalisation du HIF a également été suggérée comme
favorisant la progression de la maladie rénale par une variété de mécanismes,
notamment par ses effets profibrotiques, son rôle possible dans la transition
épithélio-mésenchymateuse et son impact sur les processus inflammatoires
[34, 35]. Plusieurs gènes, qui sont impliqués dans la fibrogenèse rénale, sont
des cibles directes d’HIF-1, par exemple l’inhibiteur tissulaire des métalloprotéinases 1 [36], l’inhibiteur-activateur du plasminogène 1 [37] et le facteur
de croissance du tissu conjonctif [38]. En outre, l’hypoxie peut favoriser la
libération thrombospondine-dépendante de TGF-β latent [39] et des effets
synergistiques entre l’hypoxie et le TGF-β sur la production de collagènes ont
été mis en évidence [40]. La transition épithélio-mésenchymateuse des cellules
qui est considérée comme jouant un rôle important dans le développement de
la fibrose tubulo-interstitielle, s’est avérée être augmentée sous hypoxie [41] et
il a été suggéré que HIF-1 jouait un rôle majeur dans ce processus [42, 43].
L’impact de la signalisation du HIF sur les processus inflammatoires a juste
commencé à être reconnu. HIF-1 peut favoriser l’adhésion des leucocytes
pendant l’hypoxie [44], moduler la fonction lymphocytaire et la signalisation
des récepteurs de cellules T [45, 46] et semble être essentiel pour l’inflammation médiée par les cellules myéloïdes [6], mais les implications de ces effets
pour les pathologies ou modèles du rein n’ont pas encore été définies.
Une preuve récente indique que le système HIF peut également être impliqué
dans l’induction et/ou la progression des lésions glomérulaires. L’inactivation
spécifique de pVHL dans les podocytes a été récemment montrée capable
d’induire l’effacement du pied des pédicelles, la protéinurie et la formation de
croissants [47].
Un autre aspect très intéressant de la pathologie rénale dans laquelle le système
HIF peut jouer un rôle important est la formation de kystes. L’inactivation spécifique de VHL dans le tubule proximal des souris a conduit au développement de
kystes multiples du rein [48]. De manière cohérente avec ces conclusions, les
kystes rénaux se développent chez les patients souffrant du syndrome VHL [49].
Le développement de lésions kystiques chez ces patients peut également précéder
la formation de carcinomes cellulaires rénaux (voir ci-dessous). L’activation du
HIF et la régulation positive de ses gènes cibles se sont avérées être un événement
préalable dans ce processus [50]. Les cellules revêtant ces lésions kystiques perdent le cil qui fait normalement saillie dans le lumen tubulaire et est censé servir de
mécanocapteur du flux tubulaire. Des altérations dans la transduction de signaux à
travers ce capteur jouent probablement un rôle clé dans la pathogenèse de la pathologie polykystique du rein [51]. Bien que l’inactivation de pVHL ait plusieurs
conséquences potentiellement pertinentes qui sont partiellement indépendantes du
HIF, la perte de cils dans les cellules tubulaires avec un pVHL inactif a été suggérée comme étant médiée par la régulation positive de HIF-1 [52].
186
M. S. WIESENER ET COLL.
De plus, nous avons récemment trouvé que les reins des patients souffrant de la
maladie polykystique du rein et dans un modèle génétique de maladie kystique du
rein chez le rongeur montrent une régulation positive significative du HIF tant
l’épithélium recouvrant les kystes (HIF-1) que dans le stroma des parois kystiques
(HIF-2) [53]. Ceci corrobore les conclusions précédentes indiquant que les reins
kystiques peuvent produire des quantités importantes d’EPO, résultant en une anémie moins grave comparativement à d’autres types de pathologies rénales [54] et
que l’angiogenèse active joue un rôle significatif pour la croissance des kystes [55,
56]. Il est donc possible que le développement des kystes résulte en une hypoxie
des tissus, une stabilisation induite par l’hypoxie de HIF et une induction des gènes
cibles HIF, qui favorisent une nouvelle croissance des kystes.
Cancer du rein
Une stabilisation oxygène-dépendante du HIF par inactivation génique bi-allélique
de pVHL survient chez les patients souffrant du syndrome autosomique dominant de
von Hippel-Lindau, ainsi que dans la majorité des carcinomes rénaux spontanés à
cellules claires, le type le plus fréquent de cancer du rein. Les patients atteints du
syndrome VHL portent une mutation de la lignée germinale du gène VHL et le
second allèle est censé être inactivé par un second hit (hypothèse de Knudson) [57,
58]. Dans les carcinomes rénaux spontanés à cellules claires, les deux allèles sont
successivement inactivés [59]. Dans les deux conditions, l’inactivation du pVHL
conduit à une perte de sa capacité à lier le HIFα hydroxylé et le HIF est stabilisé
indépendamment de la concentration en oxygène [6, 7]. De manière intéressante, il a
été montré que ce processus s’associe à un shift de l’expression du HIF-1 des cellules
tubulaires vers HIF-2, et que ce dernier est d’importance particulière pour la tumorigenèse [60, 61]. L’activation aval des gènes cibles HIF explique la plupart du phénotype caractéristique de ce type de cancer du rein, notamment son degré élevé de
vascularisation et d’érythrocytose occasionnelle [62-64].
LE HIF ET LA RÉGULATION DE L’EPO
Le HIF-1α a été initialement identifié comme une protéine se liant à l’élément
de réponse à l’hypoxie du gène EPO [65, 66]. Cependant, plusieurs preuves
indiquent que c’est HIF-2α, plutôt que HIF-1α qui est important pour la régulation
de l’EPO. Premièrement, seul le HIF-2α est trouvé dans les fibroblastes rénaux
péritubulaires produisant l’EPO [22]. Deuxièmement, les hépatocytes, qui sont le
principal site de production de l’EPO dans le foie, expriment également HIF-2α,
plus que HIF-1α in vivo [67]. Troisièmement, dans les cellules qui expriment aussi
bien HIF-1 que HIF-2, des mécanismes moléculaires non encore définis peuvent
conférer une inductibilité sélective du gène EPO par HIF-2 [68, 69]. Enfin, la délétion génique de HIF-2α chez les souris adultes est associée à une anémie en raison
d’une production d’EPO anormalement basse [70, 71]. De façon intéressante, cette
étude a démontré de manière élégante que le HIF-2α est nécessaire à l’activation
du gène de l’EPO dans des conditions physiologiques « normoxiques », afin de
conserver un hématocrite normal. En outre, une étude récente a mentionné l’exis-
FACTEURS DE TRANSCRIPTION INDUCTIBLES PAR L’HYPOXIE
187
tence d’un gain des mutations fonctionnelles du gène HIF-2α, conduisant à une
polycythémie congénitale [72].
Bien que des progrès significatifs aient ainsi été réalisés dans la compréhension du contrôle moléculaire de la régulation génique de l’EPO, d’importants
aspects de sa régulation in vivo restent mal compris. Avec une hypoxie de plus
en plus profonde, le nombre de fibroblastes interstitiels activant le gène de
l’EPO augmente et le fait de savoir si ceci est directement associé à l’accumulation de HIF dans ces cellules n’a pas encore été prouvé à ce jour.
D’un point de vue clinique, l’une des questions importantes est de savoir
pourquoi la production rénale d’EPO est fortement affectée chez les patients
souffrant de pathologies chroniques du rein ? Des données très récentes de
notre groupe suggèrent que l’activation pharmacologique de HIF (voir ci-dessous) peut considérablement améliorer une production extra-rénale d’EPO
chez les patients en hémodialyse chronique, indiquant que c’est un déréglement du mécanisme de détection de l’oxygène qui provoque une anémie rénale, plutôt qu’une réduction de la capacité de production de l’hormone [73].
LE HIF EN TANT QUE CIBLE
THÉRAPEUTIQUE POTENTIELLE
Le rôle central du HIF dans l’adaptation cellulaire à l’hypoxie et la preuve
croissante de son rôle dans la pathogenèse d’un nombre de maladies le rend une
cible très intéressante pour l’intervention pharmacologique. Les deux approches
pour stimuler et bloquer le système HIF sont suivies.
En termes de stimulation, les approches actuelles reposent sur les besoins des
PHD du HIF en oxoglutarate et en fer qui sont des co-facteurs essentiels pour
l’hydroxylation et la déstabilisation du HIF. Les analogues d’α-cétoglutarate et
les chélateurs du fer peuvent donc être utilisés pour inhiber l’activité des PHD et
ainsi empêcher la dégradation du HIF dans des conditions normoxiques.
Les principaux avantages de cibler HIF au lieu de cibler des gènes uniques ou
leurs produits pour préserver les tissus résident non seulement dans la facilité
d’intervenir pharmacologiquement avec des petites molécules, mais aussi dans le
grand nombre de gènes cibles induits par ce mécanisme de régulation majeur sensible à l’oxygène. Ces gènes incluent l’EPO, l’hème-oxygénase 1 (HO-1) et le
VEGF.
Certaines des protéines codées par ces gènes se sont avérées être suffisantes pour
conférer une néphroprotection, la mieux étudiée étant l’EPO [74-76]. Alors qu’il
est probable que l’augmentation de l’expression rénale du gène de l’EPO puisse
contribuer à l’effet protecteur de la stabilisation du HIF, l’importance réelle de
l’induction du gène EPO est difficile à préciser.
Dans plusieurs modèles de maladie rénale, plusieurs groupes ont prouvé que
l’accumulation de HIF protège d’une aggression ischémique ou toxique ultérieure
(fig. 3). Les méthodes utilisées pour réaliser cette activation de la voie HIF
comprennent l’hypoxie systémique [77, 78] (voir fig. 3), le chlorure de cobalt [32,
33, 79] ; les chélateurs du fer et un analogue 2-oxoglutarate qui inhibent les prolylhydroxylases du HIF [77, 80]. Le dernier groupe d’inducteurs pharmacologiques du
HIF revêt un intérêt significatif en clinique. Ces composés peuvent principalement
188
M. S. WIESENER ET COLL.
A
Ischémie de
40’ du rein
gauche (B)
Néphrectomie
du rein droit
(B)
72 h
–10 h
120 h
0h
Préconditionnement du
CO 0,1 p. 100 vs. normoxie
5
4,5
4
Cisplatine 8 mg/kg b.w.i.p.
(C)
B
IRI
n = 10
3,5
3
Créatinine sérique [mg/dl]
2,5
2
UnT
1,5
1
CO
0,5
0
Sham
0h
24 h
32 h
1,00 C
cisplatine
0,80
n = 10
0,60
Contrôle
0,40
CO
0,20
0,00
0h
24 h
32 h
120 h
Temps
[heures]
FIG. 3. — L’activation du HIF par monoxyde de carbone (CO) protège contre les lésions
rénales aiguës. Le pré-traitement hypoxique avec du CO à 0,1 p. 100 pendant 10 heures (h)
avant l’aggression rénale aiguë stabilise le HIF et protège des lésions rénales :
– ischémiques (IRI) (A, B) et ;
– toxiques induites par cisplatine (A, B) avec une amélioration de la créatinine sérique ;
– comparativement aux contrôles normoxiques (B, C). UnT – non traité (*p < 0,05).
FACTEURS DE TRANSCRIPTION INDUCTIBLES PAR L’HYPOXIE
189
être administrés tant oralement que parentéralement et des essais cliniques sont déjà
en cours pour tester leur capacité à traiter des anémies en stimulant la production
endogène d’EPO [73, 80, 81].
Inversement, étant donné le rôle central de l’activation du HIF dans la pathogenèse du cancer du rein, l’inhibition du HIF apparaît également comme une
approche attrayante pour retarder la progression du cancer du rein. L’activation
du HIF par hypoxie locale survient également dans de nombreux autres types de
cancers, ainsi le ciblage du HIF est une stratégie anti-cancéreuse potentielle qui
ne se limite pas au cancer du rein. Néanmoins, étant donné le rôle central de son
activation génique dans le carcinome rénal à cellules claires, de telles approches
semblent très prometteuses et peuvent conduire à prouver le principe de leur efficacité dans ce type de cancer.
BIBLIOGRAPHIE
1. SEMENZA GL. Hydroxylation of HIF-1 : oxygen sensing at the molecular level. Physiology
(Bethesda), 2004 ; 19 : 176-182.
2. BERRA E, GINOUVES A, POUYSSEGUR J. The hypoxia-inducible-factor hydroxylases bring fresh air
into hypoxia signalling. EMBO Rep, 2006 ; 7 (1) : 41-45.
3. WENGER RH. Cellular adaptation to hypoxia : O2-sensing protein hydroxylases, hypoxia-inducible
transcription factors, and O2-regulated gene expression. FASEB J, 2002 ; 16 (10) : 1151-1162.
4. SCHOFIELD CJ, RATCLIFFE PJ. Oxygen sensing by HIF hydroxylases. Nat Rev Mol Cell Biol, 2004 ;
5 (5) : 343-354.
5. WILLAM C, MAXWELL PH, NICHOLS L et al. HIF prolyl hydroxylases in the rat ; organ distribution
and changes in expression following hypoxia and coronary artery ligation. J Mol Cell Cardiol,
2006 ; 41 (1) : 68-77.
6. MAXWELL PH, WIESENER MS, CHANG GW et al. The tumour suppressor protein VHL targets
hypoxia-inducible factors for oxygen-dependent proteolysis. Nature, 1999 ; 399 (6733) : 271-275.
7. WIESENER MS, MUNCHENHAGEN PM, BERGER I et al. Constitutive activation of hypoxia-inducible
genes related to overexpression of hypoxia-inducible factor-1a in clear cell renal carcinomas.
Cancer Res, 2001 ; 61 (13) : 5215-5222.
8. RICHARD DE, BERRA E, POUYSSEGUR J. Nonhypoxic pathway mediates the induction of hypoxiainducible factor 1α in vascular smooth muscle cells. J Biol Chem, 2000 ; 275 (35) : 26765-26771.
9. BRUNE B, ZHOU J. The role of nitric oxide (NO) in stability regulation of hypoxia inducible factor-1α
(HIF-1α). Curr Med Chem, 2003 ; 10 (10) : 845-855.
10. SANDAU KB, ZHOU J, KIETZMANN T, BRUNE B. Regulation of the hypoxia-inducible factor 1a by the
inflammatory mediators nitric oxide and tumor necrosis factor-a in contrast to desferroxamine and
phenylarsine oxide. J Biol Chem, 2001 ; 276 (43) : 39805-39811.
11. ZHOU J, BRUNE B. Cytokines and hormones in the regulation of hypoxia inducible factor-1α (HIF-1α).
Cardiovasc Hematol Agents Med Chem, 2006 ; 4 (3) : 189-197.
12. LUBBERS DW, BAUMGARTL H. Heterogeneities and profiles of oxygen pressure in brain and kidney
as examples of the pO2 distribution in the living tissue. Kidney Int, 1997 ; 51 (2) : 372-380.
13. SCHUREK HJ, JOST U, BAUMGARTL H et al. Evidence for a preglomerular oxygen diffusion shunt in
rat renal cortex. Am J Physiol, 1990 ; 259 (6 Pt 2) : F910-F915.
14. LEICHTWEISS HP, LUBBERS DW, WEISS C et al. The oxygen supply of the rat kidney : measurements
of int4arenal pO2. Pflugers Arch, 1969 ; 309 (4) : 328-349.
15. ROSEN S, EPSTEIN FH, BREZIS M. Determinants of intrarenal oxygenation : factors in acute renal
failure. Ren Fail, 1992 ; 14 (3) : 321-325.
16. ECKARDT KU, ROSENBERGER C, JURGENSEN JS, WIESENER MS. Role of hypoxia in the pathogenesis
of renal disease. Blood Purif, 2003 ; 21 (3) : 253-257.
190
M. S. WIESENER ET COLL.
17. NANGAKU M. Chronic hypoxia and tubulointerstitial injury : a final common pathway to end-stage
renal failure. J Am Soc Nephrol, 2006 ; 17 (1) : 17-25.
18. FINE LG, BANDYOPADHAY D, NORMAN JT. Is there a common mechanism for the progression of different types of renal diseases other than proteinuria ? Towards the unifying theme of chronic
hypoxia. Kidney Int Suppl, 2000 ; 75 : S22-S26.
19. MANOTHAM K, TANAKA T, MATSUMOTO M et al. Evidence of tubular hypoxia in the early phase in
the remnant kidney model. J Am Soc Nephrol, 2004 ; 15 (5) : 1277-1288.
20. BERNHARDT WM, SCHMITT R, ROSENBERGER C, et al. Expression of hypoxia-inducible transcription
factors in developing human and rat kidneys. Kidney Int, 2006 ; 69 (1) : 114-122.
21. FREEBURG PB, ABRAHAMSON DR. Hypoxia-inducible factors and kidney vascular development. J
Am Soc Nephrol, 2003 ; 14 (11) : 2723-2730.
22. ROSENBERGER C, MANDRIOTA S, JURGENSEN JS et al. Expression of hypoxia-inducible factor-1α and
-2α in hypoxic and ischemic rat kidneys. J Am Soc Nephrol, 2002 ; 13 (7) : 1721-1732.
23. EICKELBERG O, SEEBACH F, RIORDAN M et al. Functional activation of heat shock factor and
hypoxia-inducible factor in the kidney. J Am Soc Nephrol, 2002 ; 13 (8) : 2094-2101.
24. ROSENBERGER C, GRIETHE W, GRUBER G et al. Cellular responses to hypoxia after renal segmental
infarction. Kidney Int, 2003 ; 64 (3) : 874-886.
25. ROSENBERGER C, HEYMAN SN, ROSEN S et al. Up-regulation of HIF in experimental acute renal failure :
evidence for a protective transcriptional response to hypoxia. Kidney Int, 2005 ; 67 (2) : 531-542.
26. ROSENBERGER C, ROSEN S, SHINA A et al. Hypoxia-inducible factors and tubular cell survival in isolated perfused kidneys. Kidney Int, 2006 ; 70 : 60-70.
27. EPSTEIN FH, BREZIS M, SILVA P, ROSEN S. Physiological and clinical implications of medullary
hypoxia. Artif Organs, 1987 ; 11 (6) : 463-467.
28. PRASAD PV, EDELMAN RR, EPSTEIN FH. Noninvasive evaluation of intrarenal oxygenation with
BOLD MRI. Circulation, 1996 ; 94 (12) : 3271-3275.
29. MATSUMOTO M, TANAKA T, YAMAMOTO T, et al. Hypoperfusion of peritubular capillaries induces
chronic hypoxia before progression of tubulointerstitial injury in a progressive model of rat
glomerulonephritis. J Am Soc Nephrol, 2004 ; 15 (6) : 1574-1581.
30. TANAKA T, MIYATA T, INAGI R et al. Hypoxia in renal disease with proteinuria and/or glomerular
hypertension. Am J Pathol, 2004 ; 165 (6) : 1979-1992.
31. KANG DH, JOLY AH, OH SW et al. Impaired angiogenesis in the remnant kidney model : I. Potential
role of vascular endothelial growth factor and thrombospondin-1. J Am Soc Nephrol, 2001 ; 12 (7) :
1434-1447.
32. TANAKA T, KOJIMA I, OHSE T et al. Cobalt promotes angiogenesis via hypoxia-inducible factor and
protects tubulointerstitium in the remnant kidney model. Lab Invest, 2005 ; 85 (10) : 1292-1307.
33. TANAKA T, MATSUMOTO M, INAGI R, et al. Induction of protective genes by cobalt ameliorates tubulointerstitial injury in the progressive Thy1 nephritis. Kidney Int, 2005 ; 68 (6) : 2714-2725.
34. HAASE VH. The VHL/HIF oxygen-sensing pathway and its relevance to kidney disease. Kidney
Int, 2006 ; 69 (8) : 1302-1307.
35. HIGGINS DF, KIMURA K, BERNHARDT WM, et al. Hypoxia promotes fibrogenesis in vivo via HIF-1
stimulation of epithelial-to-mesenchymal transition. J Clin Invest, 2007 ; 117 (12) : 3810-3820.
36. NORMAN JT, CLARK IM, GARCIA PL. Hypoxia promotes fibrogenesis in human renal fibroblasts.
Kidney Int, 2000 ; 58 (6) : 2351-2366.
37. KIETZMANN T, ROTH U, JUNGERMANN K. Induction of the plasminogen activator inhibitor-1 gene
expression by mild hypoxia via a hypoxia response element binding the hypoxia-inducible factor-1
in rat hepatocytes. Blood, 1999 ; 94 (12) : 4177-4185.
38. HIGGINS DF, BIJU MP, AKAI Y et al. Hypoxic induction of Ctgf is directly mediated by Hif-1. Am J
Physiol Renal Physiol, 2004 ; 287 (6) : F1223-F1232.
39. ZHANG H, AKMAN HO, SMITH EL et al. Cellular response to hypoxia involves signaling via Smad
proteins. Blood, 2003 ; 101 (6) : 2253-2260.
40. FALANGA V, ZHOU L, YUFIT T. Low oxygen tension stimulates collagen synthesis and COL1A1
transcription through the action of TGF-beta1. J Cell Physiol, 2002 ; 191 (1) : 42-50.
41. MANOTHAM K, TANAKA T, MATSUMOTO M et al. Transdifferentiation of cultured tubular cells
induced by hypoxia. Kidney Int, 2004 ; 65 (3) : 871-880.
42. KRISHNAMACHARY B, ZAGZAG D, NAGASAWA H et al. Hypoxia-inducible factor-1-dependent repression of E-cadherin in von Hippel-Lindau tumor suppressor-null renal cell carcinoma mediated by
TCF3, ZFHX1A, and ZFHX1B. Cancer Res, 2006 ; 66 (5) : 2725-2731.
43. HIGGINS DF, KIMURA K, BERNHARDT WM et al. Hypoxia promotes fibrogenesis in vivo via HIF-1
stimulation of epithelial-to-mesenchymal transition. J Clin Invest, 2007 ; 117 (12) : 3810-3820.
FACTEURS DE TRANSCRIPTION INDUCTIBLES PAR L’HYPOXIE
191
44. KONG T, ELTZSCHIG HK, KARHAUSEN J et al. Leukocyte adhesion during hypoxia is mediated by
HIF-1-dependent induction of beta2 integrin gene expression. Proc Natl Acad Sci U S A, 2004 ;
101 (28) : 10440-10445.
45. NEUMANN AK, YANG J, BIJU MP et al. Hypoxia inducible factor 1 a regulates T cell receptor signal
transduction. Proc Natl Acad Sci USA, 2005 ; 102 (47) : 17071-17076.
46. SITKOVSKY M, LUKASHEV D. Regulation of immune cells by local-tissue oxygen tension : HIF1 a
and adenosine receptors. Nat Rev Immunol, 2005 ; 5 (9) : 712-721.
47. DING M, CUI S, LI C et al. Loss of the tumor suppressor Vhlh leads to upregulation of Cxcr4 and
rapidly progressive glomerulonephritis in mice. Nat Med, 2006 ; 12 (9) : 1081-1087.
48. RANKIN EB, TOMASZEWSKI JE, HAASE VH. Renal cyst development in mice with conditional inactivation of the von Hippel-Lindau tumor suppressor. Cancer Res, 2006 ; 66 (5) : 2576-2583.
49. BROWNE G, JEFFERSON JA, WRIGHT GD et al. Von Hippel-Lindau disease : an important differential
diagnosis of polycystic kidney disease. Nephrol Dial Transplant, 1997 ; 12 (6) : 1132-1136.
50. MANDRIOTA SJ, TURNER KJ, DAVIES DR et al. HIF activation identifies early lesions in VHL
kidneys : evidence for site-specific tumor suppressor function in the nephron. Cancer Cell, 2002 ; 1
(5) : 459-468.
51. SIMONS M, WALZ G. Polycystic kidney disease : cell division without a c(l)ue ? Kidney Int 2006 ;
70 (5) : 854-864.
52. ESTEBAN MA, HARTEN SK, TRAN MG, MAXWELL PH. Formation of primary cilia in the renal epithelium is regulated by the von Hippel-Lindau tumor suppressor protein. J Am Soc Nephrol, 2006 ;
17 (7) : 1801-1806.
53. BERNHARDT WM, WIESENER MS, WEIDEMANN A et al. Involvement of hypoxia-inducible transcription factors in polycystic kidney disease. Am J Pathol, 2007 ; 170 (3) : 830-842.
54. ECKARDT KU, MOLLMANN M, NEUMANN R et al. Erythropoietin in polycystic kidneys. J Clin Invest,
1989 ; 84 (4) : 1160-1166.
55. HON WC, WILSON MI, HARLOS K et al. Structural basis for the recognition of hydroxyproline in
HIF-1 a by pVHL. Nature, 2002 ; 417 (6892) : 975-978.
56. WEI W, POPOV V, WALOCHA JA et al. Evidence of angiogenesis and microvascular regression in
autosomal-dominant polycystic kidney disease kidneys : a corrosion cast study. Kidney Int, 2006 ;
70 (7) : 1261-1268.
57. FLEMING S. Genetics of renal tumours. Cancer Metastasis Rev, 1997 ; 16 (1-2) : 127-140.
58. MAHER ER. Von Hippel-Lindau disease. Curr Mol Med, 2004 ; 4 (8) : 833-842.
59. KIM WY, KAELIN WG. Role of VHL gene mutation in human cancer. J Clin Oncol, 2004 ; 22 (24) :
4991-5004.
60. RAVAL RR, LAU KW, TRAN MG et al. Contrasting properties of hypoxia-inducible factor 1 (HIF-1)
and HIF-2 in von Hippel-Lindau-associated renal cell carcinoma. Mol Cell Biol, 2005 ; 25 (13) :
5675-5686.
61. SOWTER HM, RAVAL RR, MOORE JW et al. Predominant role of hypoxia-inducible transcription factor
(Hif)-1α versus Hif-2α in regulation of the transcriptional response to hypoxia. Cancer Res, 2003 ;
63 (19) : 6130-6134.
62. WIESENER MS, SEYFARTH M, WARNECKE C et al. Paraneoplastic erythrocytosis associated with an ;
99 (10) : 3562-3565.
63. WIESENER MS, MUNCHENHAGEN P, GLASER M et al. Erythropoietin gene expression in renal carcinoma is considerably more frequent than paraneoplastic polycythemia. Int J Cancer, 2007 ; 121
(11) : 2434-2442.
64. TURNER KJ, MOORE JW, JONES A, et al. Expression of hypoxia-inducible factors in human renal
cancer : relationship to angiogenesis and to the von Hippel-Lindau gene mutation. Cancer Res,
2002 ; 62 (10) : 2957-2961.
65. WANG GL, SEMENZA GL. Desferrioxamine induces erythropoietin gene expression and hypoxiainducible factor 1 DNA-binding activity : implications for models of hypoxia signal transduction.
Blood, 1993 ; 82 (12) : 3610-3615.
66. WANG GL, SEMENZA GL. Purification and characterization of hypoxia-inducible factor 1. J Biol
Chem, 1995 ; 270 (3) : 1230-1237.
67. WIESENER MS, JURGENSEN JS, ROSENBERGER C et al. Widespread hypoxia-inducible expression of
HIF-2α in distinct cell populations of different organs. FASEB J, 2003 ; 17 (2) : 271-273.
68. W ARNECKE C, Z ABOROWSKA Z, K URRECK J et al. Differentiating the functional role of
hypoxia-inducible factor (HIF)-1α and HIF-2α (EPAS-1) by the use of RNA interference :
erythropoietin is a HIF-2α target gene in Hep3B and Kelly cells. FASEB J, 2004 ; 18 (12) :
1462-1464.
192
M. S. WIESENER ET COLL.
69. RANKIN EB, BIJU MP, LIU Q. Hypoxia-inducible factor-2 (HIF-2) regulates hepatic erythropoietin
in vivo. J Clin Invest, 2007 ; 117 (4) : 1068-1077.
70. SCORTEGAGNA M, MORRIS MA, OKTAY Y et al. The HIF family member EPAS1/HIF-2α is required
for normal hematopoiesis in mice. Blood, 2003 ; 102 (5) : 1634-1640.
71. GRUBER M, HU CJ, JOHNSON RS et al. Acute postnatal ablation of Hif-2α results in anemia. Proc
Natl Acad Sci USA, 2007 ; 104 (7) : 2301-2306.
72. PERCY MJ, FURLOW PW, LUCAS GS et al. A gain-of-function mutation in the HIF2A gene in familial
erythrocytosis. N Engl J Med, 2008 ; 358 (2) : 162-168.
73. BERNHARDT WM, WIESENER MS, SCHMIEDER RE et al. The Prolyl Hydroxylase Inhibitor FG-2216
Stimulates EPO Production in Nephric and Anephric Dialysis Patients – Evidence for an Underutilized Production Capacity for EPO in Liver and Kidneys. ASN 2007, Abstract.
74. SHARPLES EJ, THIEMERMANN C, YAQOOB MM. Novel applications of recombinant erythropoietin.
Curr Opin Pharmacol, 2006 ; 6 (2) : 184-189.
75. SHARPLES EJ, PATEL N, BROWN P et al. Erythropoietin protects the kidney against the injury and
dysfunction caused by ischemia-reperfusion. J Am Soc Nephrol, 2004 ; 15 (8) : 2115-2124.
76. PATEL NS, SHARPLES EJ, CUZZOCREA S et al. Pretreatment with EPO reduces the injury and dysfunction
caused by ischemia/reperfusion in the mouse kidney in vivo. Kidney Int, 2004 ; 66 (3) : 983-989.
77. BERNHARDT WM, CAMPEAN V, KANY S et al. Preconditional activation of hypoxia-inducible factors
ameliorates ischemic acute renal failure. J Am Soc Nephrol, 2006 ; 17 (7) : 1970-1978.
78. WEIDEMANN A, BERNHARDT WM, KLANKE B et al. HIF-activation protects from cisplatin-induced
acute toxic kidney injury. J Am Soc Nephrol, in press. 2008.
79. MATSUMOTO M, MAKINO Y, TANAKA T et al. Induction of renoprotective gene expression by cobalt
ameliorates ischemic injury of the kidney in rats. J Am Soc Nephrol, 2003 ; 14 (7) : 1825-1832.
80. HILL P, SHUKLA D, TRAN MG, et al. Inhibition of hypoxia inducible factor hydroxylases protects
against renal ischemia-reperfusion injury. J Am Soc Nephrol, 2008 ; 19 (1) : 39-46.
81. WIECEK A, PIECHA G, IGNACY W et al. Pharmacological stabilization of HIF increases hemoglobin
concentration in anemic patients with chronic kidney disease. Nephrol Dial Transplant, 20
[Suppl. 5], v195. 6-4-2005.
82. MELILLO G. HIF-1 : a target for cancer, ischemia and inflammation--too good to be true ? Cell
Cycle, 2004 ; 3 (2) : 154-155.