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Analyse zum Einfluss der Hypoxie induzierbaren Faktoren HIF-1 und HIF-2 auf die Angiogenese von Endothelzellen
Hahne, Martin
Hypoxie und Angiogenese stellen ein charakteristisches Merkmal von chronisch entzündeten, verletzten oder tumorösen Geweben dar. Die Transkriptionsfaktoren Hypoxie induzierbarer Faktor (HIF)-1 und (HIF)-2 steuern die zelluläre und metabolische Antwort auf den verminderten Sauerstoffpartialdruck durch die Induktion von Angiogenese sowie die Adaptation der Bioenergetik von Endothelzellen, was wiederum einen Einfluss auf die Ausprägung der Pathogenese von Erkrankungen mit hypoxischen Erscheinungsbild hat. In dieser Arbeit wurden die unterschiedlichen Rollen von HIF-1 und HIF-2 bei der Adaptation von humanen mikrovaskulären Endothelzellen (HMEC-1) an Hypoxie mittels eines Knockdowns von HIF-1α und HIF-2α untersucht. Der spezifische Knockdown von HIF-1α und HIF-2α wurde mittels einer lentiviral-basierten shRNA-Technologie durchgeführt. Die Angiogenese von HMEC-1 Zellen wurde unter Normoxie (~18% O2) und Hypoxie (<1% O2) durch die Ermittlung der Länge der gebildeten Tubuli und der Anzahl der Verzweigungen funktionell charakterisiert. Des Weiteren wurden zur Bestimmung der Funktionen von HIF-1 und HIF-2 im angiogenen Prozess das Transkriptom, der bioenergetische Status sowie die sekretierten Zytokine der Zellen untersucht. Der Knockdown von HIF-1α bzw. HIF-2α führt zu einem Verlust der unter Hypoxie induzierten Angiogenese in Form von Sprossung und Verzweigung. Ferner ändert sich das Transkriptom von HMEC-1 Zellen mit Knockdown und spiegelt sowohl die überlappenden als auch die distinkten Funktionen von HIF-1 und HIF-2 wider. Dabei scheint HIF-1 der Hauptregulator der bioenergetischen Adaptation von HMEC-1 Zellen zu sein, da für Zellen mit HIF-1α Knockdown eine reduzierte ATP Verfügbarkeit nachweisbar war. Der Knockdown von HIF-2α resultierte in einer verminderten Induktion von Angiogenese modulierenden Faktoren wie VEGF, IL-8 und IL-12, was die Hauptregulatorfunktion von HIF-2 in diesem Prozess repräsentiert. Zusammenfassend fungieren sowohl HIF-1α als auch HIF-2α als wichtige Regulatoren der Angiogenese. HIF-1 und HIF-2 unterscheiden sich aber voneinander in ihrem Potential, den zellulären Energiemetabolismus bzw. die Angiogenese zu regulieren. Dabei beeinflusst HIF-2α die Angiogenese direkt durch die Regulation proangiogener Faktoren, wohingegen HIF-1α den zellulären Energiemetabolismus regelt und damit indirekt die Angiogenese beeinflusst. Die in dieser Arbeit gewonnenen neuen Erkenntnisse zur Rolle von HIF-1 und HIF-2 im Prozess der Angiogenese ermöglichen neue Ansätze zur Behandlung von Erkrankungen mit hypoxischem Erscheinungsbild und sind daher von klinischer Relevanz.
Hypoxia and angiogenesis are features of chronically inflamed and injured tissues as well as tumor tissue. The transcription factors Hypoxia inducible factor (HIF)-1 and (HIF)-2 control cellular and metabolic response to decreased oxygen tension thereby promoting angiogenesis and the adaptation of bioenergetics with implications on the pathogenesis of diseases with a hypoxic environmental pattern. The distinct roles of HIF-1 and HIF-2 in the adaptation of human microvascular endothelial cells (HMEC-1) towards hypoxia were investigated by the knockdown of HIF-1α and HIF-2α, respectively. This was achieved by the specific knockdown of HIF-1α or HIF-2α using lentiviral-based shRNA technology. Angiogenesis of HMECs was studied by investigating both tubuli and node formation under hypoxia (<1% O2) versus normoxia (~18% O2). Furthermore, the transcriptome, the bioenergetic state and the secreted factors of HMEC-1 cells were under investigation in order to determine the roles of HIF-1 and HIF-2. The knockdown of HIF-1α or HIF-2α resulted in a loss in the hypoxia induced node and tubuli formation. The transcriptome of transduced cells was changed in comparison to control cells and reflected the overlapping as well as the distinct functions of HIF-1 and HIF-2. HIF-1 seems to be a key regulator of the bioenergetic adaptation of HMEC-1 cells, as evidenced by the reduced ATP availability in HIF-1α knockdown cells. The knockdown of HIF-2α resulted in a reduced induction of angiogenesis modulating factors like VEGF, IL-8 and IL-12 representing the leading role of HIF-2 in the control of angiogenic factors of endothelial cells. In conclusion, HIF-1α and HIF-2α are both important regulators of angiogenesis. However, they do differ in their ability to regulate cellular energy metabolism and angiogenesis, what leads us to conclude that HIF-2α does directly influence angiogenesis via regulating the synthesis of proangiogenic factors, whereas HIF-1α affects angiogenesis via effects on cellular energy metabolism. These findings provide new insights into regulation of angiogenesis in diseases with a hypoxic environment and are, therefore, considered to be of clinical relevance.
