Clonagem e expressão do fator 1 humano induzível por hipóxia (HIF-1) na levedura Saccharomyces cerevisiae

Abstract

O fator 1 induzível por hipóxia (HIF-1) é um regulador central da resposta à mudanças na concentração de oxigênio e tem um papel importante nos processos fisiológicos e patológicos em humanos. Este fator de transcrição é expresso quando as células de mamíferos são submetidas à condições de hipóxia e ativa cerca de 70 genes alvos regulados por oxigênio. HIF-1 é uma proteína heterodimérica composta por dois membros da família de proteínas contendo o domínio basic helix-loop-helix (bHLH)-PER-ARNT-SIM (PAS), HIF-1α (atua unicamente na resposta à hipóxia) e o HIF-1β (também conhecido como translocador nuclear do receptor de aril hidrocarbono, ARNT, que é constitutivamente expresso). A estabilidade e a atividade do HIF-1α são reguladas por modificações pós-traducionais, tais como fosforilação, hidroxilação, nitrosilação e acetilação. Sob normóxia, HIF-1α é constitutivamente expresso e subsequentemente hidroxilado pela HIF prolil hidroxilase (HPH) levandoo a ser rapidamente marcado para a degradação mediada pelo proteasoma. A seqüência de eventos que leva a ativação do HIF-1α e os efeitos paradoxais do HIF- 1 (efeitos pro- e anti-apoptóticos) não são completamente entendidos. Também não estão claros como os mecanismos dependentes e independentes de oxigênio que contribuem para as modificações pós-traducionais do HIF-1α, translocação nuclear, heterodimerização com o ARNT, ligação ao DNA em regiões regulatórias cis de genes alvos e recrutamento de cofatores. Portanto, as proteínas que interagem com o HIF-1α e as modificações pós-traducionais precisam ser melhor entendidas. Células de leveduras compartilham vários aspectos de sua bioquímica com os organismos multicelulares tais como, respostas transcricionais e celulares e mecanismos de modificações pós-traducionais de proteínas. Além disso, elas são fáceis de manipular sob diferentes condições de laboratório. Este trabalho visou avaliar a viabilidade da expressão do HIF-1 na levedura Saccharomyces cerevisiae como um modelo alternativo de expressão. Em células de leveduras, HIF-1 não é alvo de degradação sob condições de normóxia, já que esse microorganismo não possui a via de degradação mediada pelo von Hippel Lindau (proteína supressora de tumor). Pretendemos usar esse modelo de expressão para estudar as modificações pós-traducionais do HIF-1α e sua interação com outras proteínas que possam afetar sua dimerização/co-ativação, sob diversas condições. Estabelecemos então uma linhagem de levedura que expressa o HIF-1α e o ARNT constitutivamente sob condições normais de oxigênio. Também mostramos que o HIF-1α recombinante humano foi capaz de formar o heterodímero com o ARNT e se ligar ao elemento responsivo a hipóxia (HRE) da eritropoietina humana. Além disso, nós descrevemos a presença desse motivo no genoma de levedura e mostramos que esse organismo pode conter motivos HRE funcionais. _______________________________________________________________________________ ABSTRACT

The hypoxia-inducible factor-1 (HIF-1) is a central regulator in the response to changes in oxygen concentration and plays an important role in physiological and pathological processes in humans. This transcription factor is expressed when mammalian cells are subjected to hypoxia and activates transcription of over 70 oxygen-regulated target genes. HIF-1 is a heterodimeric protein composed of two members of the basic helix-loop-helix (bHLH)-containing PER-ARNT-SIM (PAS) domain family, HIF-1α (unique to the hypoxia response) and HIF-1β (also known as the aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator, ARNT, which is constitutively expressed). HIF-1α stability and activity are regulated by post-translational modifications such as phosphorylation, hydroxylation, nitrosation and acetylation. Under normoxia, HIF-1α is constitutively expressed and subsequently hydroxylated by a HIF prolyl hydroxylase (HPH) causing it to be rapidly targeted for proteasomemediated degradation. The sequence of events that leads to the full activation of HIF- 1α and the paradoxical effects of HIF-1 (pro- and anti-apoptotic effects) are not completely understood. Neither is clear how oxygen-dependent nor oxygenindependent mechanisms contribute to the post-translational modifications of HIF-1α, nuclear translocation, heterodimerization with ARNT, DNA binding to the cisregulatory region of target genes and recruitment of cofactors. Therefore, HIF-1α interacting partners and the pos-translational modifications need to be better elucidated. Yeast cells share several aspects of its biochemistry with multicellular organism such as, transcriptional and cellular responses and mechanisms of protein post-transcriptional modifications. In addition they are easy to manipulate under different laboratory conditions. This work aimed to evaluate the viability of HIF-1 expression in the yeast Saccharomyces cerevisiae as an alternative expression model. In yeast cells, HIF-1 may not be targeted to degradation under normoxic conditions, since this microorganism lacks the pathway mediated by the von Hippel Lindau-VHL (a tumor suppressor protein). We intend to used this expression model to study the post-translational modifications and its interaction with other proteins that may affect its dimerization/co-activation. We established a yeast strain overexpressing HIF-1α and ARNT in a constitutive manner under normal conditions of oxygen. We also showed that recombinant HIF-1α was able to form a heterodimer with ARNT and bind to human erythropoietin hypoxia responsive element (HRE) motif. Additionally, we described the presence of this motif in the yeast genome and showed that this organism may harbor HRE motifs.