Hif 1 y glucolisis en cancer reb

EL FACTOR INDUCIDO POR LA HIPOXIA-1 (HIF-1)Y LA GLUCÓLISIS EN LAS CÉLULAS TUMORALES*

Alvaro Marín-Hernández

RESUMENEl factor inducido por la hipoxia 1 (HIF-1) tiene un papelfundamental en la respuesta a la baja tensión del oxígeno,ya que regula la expresión de una gran variedad de genes,cuyos productos participan en procesos como laangiogénesis, el metabolismo energético, la eritropoyesisy la proliferación celular. Diversos estudios indican queexiste una relación estrecha entre el cáncer y el HIF-1,debido a que los mecanismos que regulan su expresión seencuentran alterados en las células tumorales. El HIF-1es uno de los factores involucrados en el incremento dela glucólisis en las células tumorales, ya que aumenta laactividad de ciertas isoformas de las enzimas glucolíticas(GLUT1, GLUT3, HKI, HKII, PFK-L, ALD-A, ALD-C,PGK1, ENO-, PYK-M2, LDH-A, PFKFB-3),promoviendo un aumento del flujo glucolítico (producciónde lactato, H+, ATP e intermediarios de la glucólisis). Porotra parte, algunas de estas isoformas participanactivamente en otros procesos como son la inhibición dela apoptosis (HKI y HKII), la transcripción de histonas(LDH-A) y la migración celular (ENO-), las cualesfavorecen el desarrollo tumoral.

PALABRAS CLAVE: Hipoxia, glucólisis, HIF-1,isoenzimas glucolíticas, células tumorales.

ABSTRACTThe hypoxia-inducible factor 1 (HIF-1) is an importantkey mediator during low-oxygen cellular adaptation.Several genes involved in angiogenesis,erythropoiesis, energy metabolism and cell survivalare up-regulated by HIF-1. In tumour cells, HIF-1overexpression and activation is associated withmalignancy, development and angiogenesis; whereasHIF-1 low expression has been determined in normaltissues and benign tumors. At metabolic level, HIF-1-activation stimulates transporters (GLUT1, GLUT3)and glycolytic enzymes (HKI, HKII, PFK-L, ALD-A,ALD-C, PGK1, ENO-, PYK-M2, LDH-A, PFKFB-3) transcription. In consequence, a significantincrement in the glycolytic flux (lactate ,ATP, and H+)and glycolytic intermediates levels are attained. Anadditional role of some of these HIF-induced isoformsas activators of survival, histones transcriptionalactivation (LDH-A), apoptotic inhibition (HKI yHKII) and cellular migration (ENO-) pathways isdiscussed.

KEY WORDS: Hypoxia, glycolysis, HIF-1, glycolyticenzymes, tumour cells.

*Recibido: 19 de agosto de 2008 Aceptado: 14 de abril de 2009Instituto Nacional de Cardiología Ignacio Chávez". Departamento de Bioquímica. Juan Badiano No. 1. Col. Sección XVI. México DF,14080. Correo E: [email protected]

INTRODUCCIONLa baja tensión de oxígeno altera lahomeostasis de la célula, lo que con-duce a la activación del factor induci-do por la hipoxia 1 (HIF-1). El HIF-1tiene como función incrementar latranscripción de genes cuyos produc-tos son proteínas que participan en laangiogénesis, la eritropoyesis, la pro-liferación celular, la remodelaciónvascular y el metabolismo energético;

permitiendo a la célula adaptarse aestas condiciones tan adversas (1).

En la mayoría de los tumores pri-marios de cerebro, páncreas, mama,colon, ovario, pulmón y próstata, y susmetástasis, se detectan altos nivelesdel HIF-1 comparados con los tejidosnormales de los cuales provienen otumores benignos (2). Las causas quepromueven la sobreexpresión del HIF-1 en las células tumorales son la baja

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tensión de oxígeno presente en los tu-mores y las alteraciones en los meca-nismos que regulan su expresión. Porlo anterior, el HIF-1 puede conside-rarse como un marcador tumoral y unblanco terapéutico.

En esta revisión se analiza el pa-pel que juega el HIF-1 en la regula-ción de la glucólisis, así como lasventajas que ofrece a las célulastumorales la expresión de las enzimas

glucolíticas inducida por este factortranscripcional.

Mecanismos de regulación del HIF-1El HIF-1 es un heterodímero queincrementa la transcripción de variosgenes al unirse al ADN en regionesconsenso 5´-RCGTG-3´ (R= A o G).Este factor transcripcional está cons-tituido por dos proteínas llamadasHIF-1 y HIF-1 también conocidocomo ARNT (Aryl hydrocarbon Re-ceptor Nuclear Translocator), las cua-les tienen en su extremo amino termi-nal, un dominio bHLH (basic-Helix-Loop-Helix) y dos dominios PAS(Period clock-Aryl hydrocarbon re-ceptor nuclear translocator-Singleminded) (Fig. 1). El dominio bHLHregula la dimerización del HIF-1 locual controla su unión al ADN. Eldominio PAS, al parecer, participa enla selección del gen blanco (1, 3, 4).

Debido a que la expresión del HIF-1 es constitutiva, la actividad delHIF-1 puede ser regulada exclusiva-mente por la expresión del HIF-1. Ennormoxia (concentración normal deoxígeno ~ 20-50 M), el HIF-1 nose detecta y su tiempo de vida media(t ½) es de 5 minutos, pero en hipoxia(concentración de O

2del 1% o 12.5

µM), su t ½ aumenta considerable-mente hasta 30 minutos (3).

El HIF-1 tiene un dominio de de-gradación altamente sensible al oxí-geno (ODDD: Oxygen -dependentdegradation domain) que regula suestabilidad. Bajo normoxia, este do-minio es hidroxilado en las prolinas402 y 564 por las HIF-1 prolil-4-hidroxilasas, esto permite suinteracción con los aminoácidos 549-572 del dominio de la proteína vonHippel-Lindau (pVHL) (Fig. 1). ElpVHL es un componente del comple-jo E3 ubiquitin ligasa que es el encar-gado de ubiquitinar al HIF-1, con-duciéndolo a ser degradado por elproteosoma (Fig 1). Por otra parte, siel HIF-1 no es degradado, su activi-

dad transcripcional es bloqueada cuan-do las asparaginil-aspartil hidroxilasashidroxilan la asparagina 803, que seencuentra en el dominio detransactivación (CAD) (Fig. 1) (3, 4).

Las hidroxilasas juegan un papelimportante en la regulación de la acti-vidad del HIF-1, sin embargo, bajohipoxia no es claro cómo su actividaddisminuye. Ambas enzimas necesitande varios sustratos para catalizar lahidroxilación del HIF-1: Fe2+, -cetoglutarato, ascorbato y oxígeno. Loque se propone es que bajo hipoxia, lareducción en la concentración de O

2

es la que limita la actividad de lashidroxilasas (3, 4). Sin embargo, conrespecto a la concentración de O

2que

se puede encontrar en el citosol, en loscapilares y en las arteriolas (~12.5- 50µM) (5), las afinidades (Km) de lashidroxilasas por el O

2son demasiado

altas (90 y 230 µM); esto supondríaque las dos enzimas se mantendrían

inactivas aún en normoxia dejando alHIF-1 estable, lo cual no ocurrefisiológicamente. Otra propuesta al-ternativa es que la disminución en laconcentración de O

2promueve un au-

mento en la generación de los radica-les libres en la mitocondria, al pare-cer producidos por el complejo III dela cadena respiratoria (6), aunque noes claro como se generan los radica-les libres (7). Estos radicales oxidanel Fe2+ a Fe3+ lo que limita la activi-dad de las hidroxilasas. Esta propues-ta se ha comprobado experimental-mente en diversos tipos de células(células de hepatoma, célulasvasculares de músculo liso, célulascardíacas, células de epitelio gástri-co, células epiteliales de túbulo re-nal y macrófagos), al no encontrarseHIF-1 estable y activo cuando lascélulas son sometidas a hipoxia y tra-tadas al mismo tiempo con anti-oxidantes (8, 9).

InactivaciónDestrucción

Figura 1. Mecanismos de regulación del HIF-1. Para que VHL se asocie con el HIF-1, éstedeberá ser hidroxilado en las prolinas (Pro) 402 y 564 en las regiones ODDD por las HIF-1prolil-4-hidroxilasas, el HIF-1 es degradado por el proteosoma. Cuando el HIF 1 no esdegradado, su actividad transcripcional puede ser inhibida al ser hidroxilada la asparagina(Asn) 803 del dominio de transactivación (CAD) por las asparaginil-aspartil hidroxilasas, locual inhibe el reclutamiento de los co-activadores (p300) que se unen a HIF-1 para formar elcomplexo transcripcional. Esta es una figura modificada a partir de la referencia 4.

Proteosoma

pVHL

BPASb N-TAD C-TADAHLH BPASb N-TAD C-TADAHLH

OHHO

Pro 402 Pro 564 Asn 803

OH

Prolil-hidroxilasas

Asparaginil-hidroxilasas

ODDD

43REB 28(2): 42-51, 2009 El factor HIF-1 y la glucólisis en las células tumorales

44 Marín-Hernández A

¿Cómo es que el HIF-1 se mantie-ne estable en las células tumorales?La estabilización del HIF-1 se debe ala hipoxia a la que se ven sometidas lascélulas tumorales desde que el tumortiene un tamaño de 2-3 mm de diáme-tro, y aunque los tumores puedan ge-nerar nuevos vasos sanguíneos (proce-so conocido como angiogénesis) estosestán desorganizados, son frágiles yangostos por lo que tienen un flujo irre-gular y dejan, bajo hipoxia, zonas gran-des del tumor (1,3).

Bajo normoxia, la estabilizacióndel HIF-1se promueve por diversosmecanismos en las células tumorales:

a) La activación de algunosoncogenes como v-src, HER2neu y H-RAS o con la pérdida de supresoresde tumores como p53 y PTEN. Aúnno es muy claro el mecanismo por elcual ocurre esto (1, 3).

b) Mutaciones en el factor pVHLque modifican o eliminan el dominio(el cual interacciona con el domi-nio ODDD del HIF-1) lo que impi-de la degradación del HIF-1(1,3).

c) La acumulación del lactato y del

piruvato generados por la glucólisis(incrementada en células tumorales),pueden estabilizar al HIF-1y evitarque sea degradado. Se sospecha queambos monocarboxilatos inhiben laactividad de las hidroxilasas porquecompiten por el sitio de unión del -cetoglutarato (9).

d) Mutaciones en los genes de lasuccinato deshidrogenasa (SDH) y dela fumarato hidratasa (FH) que propi-cian una respuesta de pseudo-hipoxiaque mantiene al HIF-1estable. Estoocurre porque al incrementarse elsuccinato, producto de la reacción delas hidroxilasas, induce una inhibiciónpor producto, en tanto que el fumaratocompite por el sitio de unión del -cetoglutarato de estas enzimas (8, 9).

GlucólisisEn las células tumorales se observa engeneral un aumento en la velocidad deglucólisis con respecto a los tejidos deorigen, inducido por varios mecanis-mos, entre los que destaca la activa-ción del HIF-1, que induce el incre-mento en la transcripción de los genes

de la mayor parte de las enzimas queforman la glucólisis (Fig. 2) (Tabla 1)(1). Sin embargo, a pesar de que algu-nas de las enzimas de la glucólisis tie-nen varias isoformas (Tabla 1), el HIF-1 solo induce el incremento de algu-nas de ellas (Fig. 2). En esta secciónse analizan las características que po-see cada una de las enzimas induci-das por el HIF-1, así como las venta-jas que brindan a las células tumorales.

Transportador de glucosa (GLUT)La familia de transportadores de glu-cosa se divide en tres clases. En la cla-se 1 se agrupa a cuatro transportadores(GLUT1-GLUT4) (Tabla 1) que tienencomo sustrato a la glucosa, de los cua-les el GLUT1 y el GLUT3 son blancodel HIF-1(Fig.2). El GLUT1 se ex-presa normalmente en todos los tejidos,en tanto que el GLUT3 se encuentrapreferentemente en el cerebro. El porqué estos transportadores son sobre-expresados específicamente por el HIF-1 tiene que ver probablemente con susafinidades por la glucosa (lo que pue-de favorecer una mayor entrada de

Enzimas Genes Isoformas OligomerizaciónTransportador de glucosa (GLUT) 4 GLUT1, GLUT2, GLUT3 y GLUT4 M

Hexocinasa (HK) 4 HKI, HKII, HKIII y HKIV MHexosa fosfato isomerasa (HPI) 1 No se conocen isoformas D

Fosfofructocinasa (PFK-I) 3 PFK-L, PFK-M, PFK-P TAldolasa (ALD) 3 ALD-A, ALD-B, ALD-C T

Triosa fosfato isomerasa (TPI) 1 No se conocen isoformas DGliceraldehído 3-P deshidrogenasa (GAPDH) 1 No se conocen isoformas TFosfoglicerato cinasa (PGK) 2 PGK1 y PGK2 MFosfoglicerato mutasa (PGAM) 2 PGAM-A y PGAM-B DEnolasa (ENO) 3 ENO-α, ENO-, ENOγ D

Piruvato cinasa (PK) 2 PK-R, PK-L, PK-M1, PK-M2 T

Lactato deshidrogenasa (LDH) 3 LDH-A y LDHB T

Fosfofructocinasa tipo 2 (PFK-II) 4 PFKFB1, PFKFB2, PFKFB3 y PFKFB4 D

Transportador de monocarboxilatos (MCT) 4 MCT1, MCT2, MCT3, MCT4 M

M, monómero; D, dímero; T, Tetrámero.

Oligomerización

TABLA 1

Isoformas de los transportadores y enzimas que forman parte de la glucólisis


glucosa a la célula, para incrementar laglucólisis), aunque experimentalmentesolo se han determinado las afinidadesde estos transportadores por análogoscomo la 2-desoxi-glucosa (GLUT3, Km= 1.8 mM; GLUT4, Km = 4.6; GLUT1,Km = 6.9mM; GLUT2, Km= 17.1mM)(10), pero no por la glucosa. Por lo tan-to, es difícil establecer si en realidad tie-nen una afinidad alta por su sustrato fi-siológico.Sinembargo, cabeseñalarquepara observar un incremento en la velo-cidad de glucólisis es necesario incre-mentar la cantidad del transportador,pues se ha determinado que esta proteí-

na ejerce un control de flujo importantesobre la glucólisis (30-70%), tanto enlas células tumorales como en las notumorales (11).Asípues, pequeñoscam-bios en la actividad del GLUT modifi-can significativamente el flujo de laglucólisis.

El GLUT1 es el transportador quemás se incrementa en los diversos ti-pos de cáncer (Tabla 2) (12) sobretodo en aquellos con alta proliferacióny malignidad. En cambio, el GLUT3se puede encontrar en el cáncer de pul-món, de colon, de ovario, de laringe yde glándula mamaria (13).

Hexocinasa (HK)La HK tiene cuatro isoenzimas (Ta-bla 1, la reacción que cataliza se indi-ca en la Fig. 2). HKI, HKII y HKIIItienen un peso molecular de 100 kDay la glucocinasa (HKIV) un peso de50 kDa; la diferencia entre lasisoenzimas es su afinidad (Km) por laglucosa (HKIII >HKI > HKII>HKIV), que va de 0.003 hasta 5 mM.La actividad de las isoenzimas I-III esregulada por la concentración de laglucosa 6-fosfato (G6P) que ejercemientras que la HKIV es insensible aesta inhibición (14).

Figura 2. Enzimas de la glucólisis cuyos genes son blancos de HIF-1. HIF-1, factor inducible por la hipoxia-1; GLUT, transportador deglucosa; HK, hexocinasa; HPI, hexosa fosfato isomerasa; PFK, fosfofructocinasa tipo 1; ALD, aldolasa; PFKFB, fosfofructocinasa tipo II;TPI, triosa fosfato isomerasa; GAPDH, gliceraldehído 3-P deshidrogenasa; PGK, fosfoglicerato cinasa; PGAM, fosfoglicerato mutasa; ENO,enolasa; PK, piruvato cinasa; LDH, lactato deshidrogenasa; MCT, transportador de monocarboxilatos; Glu, glucosa; ext, externa; int, inter-na; G6P, glucosa 6-fosfato, F6P, fructosa 6-fosfato; F2-6BP, fructosa 2, 6 bifosfato; F1-6BP, fructosa 1,6 bifosfato; DHAP, dihidroxi acetonafosfato; G3P, gliceraldehído 3-fosfato; 1,3BPG, 1,3 bifosfo-glicerato; 3PG, 3-fosfoglicerato; 2PG, 2-fosfoglicerato; PEP, fosfoenolpiruvato;PIR, piruvato; LAC, lactato.


Los genes de las HKI y HKII sonblanco del HIF-1 (Fig. 2) (1). La so-bre-expresión de la HKII ocurre en lamayoría de los tumores, en tanto queen tumores cerebrales se encuentrapreferentemente la HKI (Tabla 2) (11).Con el incremento en la actividad deambas isoenzimas de la HK se propi-cia un aumento en la velocidad de laglucólisis en las células tumorales,debido a que ejercen un control signi-ficativo sobre esta vía (11).

Otra característica que compartenlas dos enzimas es que pueden unirsea la membrana externa mitocondrial,a través de un segmento de 15aminoácidos hidrofóbicos del extremoamino terminal. La asociación de laHK es preferentemente con el canaldependiente de voltaje (VDAC); a tra-vés de esta unión se puede impedir lasalida del citocromo c mediado por

Bax y Bid (proteínas pro-apoptóticas)con lo cual la célula tumoral se prote-ge contra la apoptosis (15).

Hexosa fosfato isomerasa (HPI)Esta enzima es un homodímero con dossubunidades de 63-kDa (14) de la cualno se conocen isoenzimas (Tabla 1, lareacción que cataliza se indica en la Fig.2). La HPI (también conocida comoAMF, autocrine motility factor) ademásde participar en la glucólisis, puedepromover la migración, la proliferacióncelular y la metástasis (15). Es factibleque esta sea la razón por la cual el HIF-1 incrementa la expresión de esta enzi-ma y se encuentre elevada en los tu-mores (Tabla 2).

Fosfofructocinasa tipo I (PFKI)La PFKI es un homo-heterotetrámerocon un peso aproximado de 380 kDa,

con tres isoenzimas (Tabla 1, la reac-ción que cataliza se indica en la Fig.2). La PFK-M que se encuentra en elmúsculo, la PFK- L que se localiza enel hígado y la PFK-P o C que se en-cuentra preferentemente en lasplaquetas. La combinación de las tresisoenzimas se encuentra en el resto delos tejidos (16).

La PFK-M tiene mayor afinidadpor la fructosa 6-fosfato (F6P) (K

0.5=

0.6-2 mM) y es menos sensible a lainhibición inducida por el ATP; laPKF-L es menos susceptible a la inhi-bición por el citrato (Ki aparente =0.18 mM); la PFK-P es la isoenzimaque tiene la afinidad mas baja por F6P(K

0.5=1.4-4 mM) y es la más suscep-

tible al efecto inhibitorio del citrato(Ki aparente = 0.08 mM) (17). Con-secuentemente, resulta comprensibleque en los tumores las isoenzimas

Datos obtenidos de las referencias 12, 13, 22, 35 y 36. Gm, glándula mamaria; Endo, endometrio; C y C, cabeza ycuello; N. Lin, nódulos linfáticos; SN, sistema nervioso; LR, linfoma reticular; MO, médula ósea.

TABLA 2

Tipos de cáncer en donde se han encontrado expresadas algunas isoformas de las enzimas de la glucólisis

Híg

ad

o

Pá

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s

Gm

Esó

fag

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es

GLUT1 X X X X X X X X X X X XGLUT3 X X X X XHKI X X XHKII X X X X X X X X X X X XHPI X X X X X X X X X X X X X XPFK-L X X X X X X X XALD-A X X X X X X X X X X X X X X XTPI X X X X X X X X X X X X X XGAPDH X X X X X X X X X X X X X X X X X X X XPGK1 X X X X X X X X X X X X X XPGAM-B X X X XENO-α X X X X X X X X X X X X X X XPYK M X X X X X X X X X X X X X X X X X X X XLDH A X X X X X X X X X X X X XPFKFBP3 X X X X XMTC4 No hay reportes

Isoformas Tipos de cáncer

Pu

lmó

n

Pie

l

Colo

n

Endo.

Est

om

ago


PFK- L y PFK-M sean las que se ex-presan preferentemente, por su bajasensibilidad a sus inhibidores fisioló-gicos (aunque el HIF-1 solo afecta laexpresión de la PFK-L). Por lo que enlas células tumorales la PFK se man-tiene muy activa contribuyendo así alincremento de la glucólisis.

Además, cabe señalar que en lascélulas tumorales se mantienen nive-les elevados de la fructosa 2,6bifosfato (F2-6BP), el activador maspotente que se conoce de la PFK tipoI (aspecto abordado en la sección dela PFKII) y que reducesignificativamente el efecto inhibito-rio del ATP y el citrato.

Aldolasa (ALD)La ALD es un tetrámero desubunidades de 40 KDa, de la cual exis-ten tres isoenzimas (Tabla 1), la ALD-A que se encuentra predominantemen-te en el músculo, la ALD-B que se en-cuentra el hígado y la ALD-C en elcerebro, y combinaciones de ellas sedistribuyen en todos los tejidos (16).

Las ALDs A y C son más eficien-tes en catalizar la reacción de lafructosa 1,6 bifosfato (F1-6BP) agliceraldehído 3-fosfato (G3P) ydihidroxi acetona fosfato (DHAP)(F1-6BP > G3P + DHAP) de10 a 20veces que la isoenzima B (18), en tan-to que la ALD B presentan una mayorafinidad por G3P y DHAP que le per-mite generar fácilmente F1-6BP (re-acción reversa, G3P + DHAP > F1-6BP). Debido a esto, la ALD-A y C seencuentran preferentemente en los te-jidos con activa glucólisis como elmúsculo, en cambio la ALD- B se en-cuentra preferentemente en los tejidosgluconeogénicos como el hígado y elriñón. El HIF-1 incrementa la expre-sión de las ALD- A y ALD-C (Fig. 2)(1), lo que favorece el incremento dela glucólisis. De manera interesante,la isoenzima A es la que se encuentraexpresada predominantemente en lostumores (12) (Tabla 2), aunque cabe

señalar que también se ha reportadoel aumento en la expresión de lasisoenzimas B y C.

Triosa fosfato isomerasa (TPI)Es un dímero que consta de dossubunidades de 27 KDa de la cual no seconocen isoenzimas (Tabla 1, la reac-ción que cataliza se indica en la Fig. 2),aunque pueden encontrarse proteínascon modificaciones post-traduccionales(16). La expresión de la TPI es afectadapor el HIF-1, aunque es la enzima conla mayor actividad de todas las enzimasque forman la glucólisis, pues su activi-dadoscilaentre6-61U/mg, mientrasqueel resto de las enzimas de la vía tienenactividades de 0.003 a 0.8 U/mg. En-tonces, es probable que el incrementoobservado en la actividad de la TPI enlos tumores (Tabla 2), más que para fa-vorecer el incremento de la glucólisis,su contribución sea en algún otro pro-ceso que aún se desconoce.

Gliceraldehído 3-fosfato deshidro-genasa (GAPDH)Esta enzima es un homo-tetrámero desubunidades de 37 KDa (14) (Tabla1, la reacción que cataliza se indicaen la Fig. 2). Al igual que otrasenzimas de la glucólisis, la GAPDHejerce otras funciones. Por ejemplo,participa en la endocitosis, en la repa-ración del ADN (debido a que es unauracil ADN glucosilasa y remueveuracilos), en la transcripción, en laexportación de tARN al núcleo y alparecer puede participar también enla apoptosis (15). En los tumores suincremento es inducido por el HIF-1lo que puede favorecer alguna de lasactividades antes descrita.

Fosfoglicerato cinasa (PGK)La PGK es un monómero de 48 kDaque tiene dos isoenzimas (Tabla 1, lareacción que cataliza se indica en laFig. 2); la PGK1 que se expresa entodas las células somáticas y la PGK2que se expresa solamente en el esper-

matozoide. El HIF-1 induce la expre-sión de la PGK1 (Fig. 2) (1) y es laisoenzima que se ha encontrado sobre-expresada en los tumores (Tabla 2).La sobre-expresión de la PGK1 pue-de tener mayor relevancia en otrosprocesos que en la misma glucólisis,pues se ha determinado que la PGK1participa en la generación de laangiostatina (inhibidor de laangiogénesis y la metástasis) que esun producto de la proteolísis de laplasmina. Después de ser secretadapor el tumor, la PGK1 reduce los en-laces disulfuro de la plasmina con locual quedan expuestas secciones queson eliminadas por proteasas, origi-nando la angiostatina (19). Sin embar-go, se desconoce la contribución quepuede tener la angiostatina en el de-sarrollo tumoral.

Fosfoglicerato mutasa (PGAM)Esta enzima cataliza la conversión del3-fosfoglicerato (3PG) a 2-fosfo-glicerato (2PG) (Fig. 2) y tiene comocofactor al 2,3-bifosfoglicerato(2,3BPG). La PGAM es un dímero(Tabla 1) compuesto por las isoenzimasA y B (AA, BB y AB) las cuales estáncodificadas por dos genes diferentes(20). Los parámetros cinéticos deter-minados en las isoenzimas de ratón in-dican que la afinidad de la PGAM-Bpor el 3PG (Km = 0.5 mM) y el 2,3BPG(Km = 25 µM) es mayor con respecto ala PGAM-A (Km= 0.8 mM y 60 µM).En tanto que la afinidad por el 2PGde ambas isoenzimas es similar (Km= 0.28 mM) (21).

En estudios realizados confibroblastos de ratón se encontró queel incremento de ambas isoenzimasfavorecía la proliferación einmortalización de estas células, entanto que cuando se disminuía sutranscripción con ARN de interferen-cia se inducía una senescencia prema-tura (22). Por ello se les ha relaciona-do con la inmortalización de las célu-las tumorales. La sobre-expresión de


la PGAM-B se ha encontrado en di-versos tipos de cáncer (hígado, pul-món, colon y glándula mamaria) (22).El HIF-1 regula la expresión de laPGAM-B (23).

Enolasa (ENO)Es una metaloenzima dímerica (Tabla1, la reacción que cataliza se indicaen la Fig. 2); cada subunidad tiene unpeso molecular de 82-100 KDa. Pue-de estar constituida por la combina-ción de tres isoenzimas , y , en-contrándose solo las siguientes com-binaciones ,, , y (24).La ENO- se encuentra en la mayoríade los tejidos incluyendo el hígado, laENO- se encuentra preferentementeen el músculo y la ENO- se encuen-tra en los tejidos cerebrales (24). Lacaracterización parcial indica que lasisoenzimas tienen una afinidad simi-lar por el 2PG (Km = 30 µM) (25).

El gen de la ENO- es blanco delHIF-1 y se ha observado el aumentoen su transcripción en diversos tiposde cáncer (Tabla 2). Esta isoenzimapuede favorecer el crecimiento y la di-seminación de los tumores (metásta-sis), debido a que actúa como recep-tor del plasminógeno. El sistema delplasminógeno se encarga de degradarlos coágulos de fibrina que se gene-ran en el organismo, así como de fa-vorecer la migración celular debido aque facilita la penetración a través delas barreras proteicas (24).

Piruvato cinasa (PYK)Esta enzima es un tetrámero con cua-tro isoenzimas (Tabla 1, la reacciónque cataliza se indica en la Fig. 2). LaPYK-L que se encuentra en hígado yriñón (tejidos gluconeogénicos) y laPYK- R que se expresa en eritrocitoson codificadas por el mismo gen(compuesto de 12 exones), pero porel uso de promotores alternativos setranscribe una u otra isoforma. El pro-motor específico para PYK-R se lo-caliza en el exón 1 y para PYK-L en

el exón 2. La isoenzima PYK-M1 seencuentra en cerebro, corazón y mús-culo y la PYK-M2 se expresa en lascélulas con activa proliferación comocélulas embrionarias, células stem,leucocitos, plaquetas y célulastumorales. Las isoenzimas M1 y M2son productos de un mismo gen so-metido a splicing alternativo (25).

La PYK-M1 es la única isoformaque no presenta cooperatividad conrespecto al fosfoenolpiruvato (PEP).La PYK-M1 tiene la mayor afinidadpor PEP (Km = 0.08 mM), mientrasque la PYK-R tiene la menor afinidad(Km = 1.4 mM). Tres de las cuatroisoenzimas (R, L y M2) se activan porF1-6BP (Ka = 0.06 a 0.4 µM). El ATPejerce una potente inhibición sobre lasisoformas L y R (Ki = 0.1 y 0.04 mM,respectivamente) y una ligera inhibi-ción sobre las isoformas M1 y M2(Ki= 3 y 2.5 mM, respectivamente).La actividad de la PYK- L y PYK- Rtambién se regula por fosforilación/desfosforilación en cambio, lasisoenzimas M1 y M2 no sonfosforiladas y por lo tanto no son re-guladas por acción hormonal (26).

El HIF-1 incrementa la expresiónde la isoenzima M2, que es la princi-pal isoenzima que se encuentra en tu-mores (Tabla 2). Esto puede favore-cer a la glucólisis por ser poco sensi-ble al efecto inhibitorio del ATP y noser regulada por fosforilación. Ade-más, la PYK-M2 se encuentra comodímero (poco activa) y como tetrámero(activa); la proporción de estas dos for-mas depende de las concentraciones deF1-6BP y de algunas oncoproteínas(pp60 v-src y HPV-16 E7) (27). Recien-temente se ha establecido que la PYK-M2 es la única isoenzima que unepéptidos fosforilados en tirosina; estospéptidos se inducen al ser estimuladala célula por factores de crecimiento(28). A su vez, los péptidos y lasoncoproteínas que interaccionan direc-tamente con la enzima, inducen la li-beración del activador (F1-6BP) de la

PYK-M2, propiciando la dimerizaciónde la enzima y su inactivación. Con estodisminuye el flujo glucolítico y se acu-mulan los intermediarios de la vía an-tes de la PYK, con lo que se favorecela síntesis de ácidos nucleicos, proteí-nas y lípidos indispensables para la du-plicación celular (27, 28).

Lactato deshidrogenasa (LDH)Esta enzima es un tetrámero con 2isoenzimas, LDH-A (isoenzima demúsculo) y LDH-B (isoenzima de co-razón) y con cinco combinaciones for-madas a partir de las dos isoformas(Tabla 1, la reacción que cataliza seindica en la Fig. 2); LDH1(B

4), LDH-

2 (B3A), LDH-3 (B

2A

2), LDH-4 (BA

3)

y LDH-5 (A4), las cuales difieren en

sus propiedades cinéticas. En testícu-lo y en los espermatozoides se expre-sa exclusivamente otra isoenzima dela LDH conocida como LDH-C

4(29).

En los tejidos en donde se generangrandes cantidades de lactato (hígadoy músculo esquelético) se encuentrapredominantemente LDH-5 y LDH-4,isoenzimas con alto contenidosubunidad A que preferentemente ge-nera lactato a partir del piruvato. Encambio en aquellos tejidos que con-sumen lactato (corazón, eritrocito yriñón) se encuentran predominante-mente las isoenzimas con mayor pro-porción de la subunidad B (LDH-1 yLDH-2) que tienen mayor afinidad porlactato (Km = 4 mM) con respecto ala isoenzima A (Km = 7 mM) (30).

Es claro que para favorecer el au-mento en la velocidad de glucólisis ypor lo tanto la producción de lactato, elHIF-1 induce la sobre-expresión de laLDH- A (Fig. 2). Sin embargo, puedeque el incremento en la cantidad de estaenzima también sea para favorecer otrasde las actividades que realiza. Diversosreportes indican que la enzima se une aADN de una sola cadena por lo cual seespecula sobre su participación en latranscripción. La unión de la LDH alADN se inhibe por NADH, porque los


sitios de la enzimaquepermiten launióna la cadena de ADN son próximos alsitio de unión de la coenzima; por ellose considera que la relación NADH/NAD+ puede regular la unión de la LDHalADN.Además, se ha encontrado quela LDH forma parte de un complejotranscripcional denominado OCA-S elcual en fase S induce la transcripciónde la histona H2B (15).

Fosfofructocinasa tipo II (PFK-II)Esta es una enzima homodiméricabifuncional con actividad de cinasa ybifosfatasa que se localizan en los ex-tremos carboxilo y amino terminal,respectivamente (31). Regula las con-centraciones de F2-6BP (el activadormás potente de la PFK-I ), ya que lacinasa sintetiza F2-6BP a partir de F6Py ATP, en tanto que la bifosfatasa de-grada la F2-6BP a F6P y fosfato inor-gánico (Fig. 2).Así, la relación cinasa/bifosfatasa determina que reacción sefavorece y por lo tanto el contenidode F2-6BP en la célula. A su vez, lasdos actividades en la enzima se regu-lan por algunos metabolitos (PEP, -glicerol fosfato y citrato) y porfosforilación en la serina 32 por laproteína cinasa A, que inhiben la acti-vidad de cinasa y favorecen la defosfatasa (31).

En el genoma de la rata y del huma-no hay cuatro genes (PFKFB-1, 2, 3 y4) que codifican para cuatro isoenzimas(hígado, corazón, placenta y testículo)(Tabla 1) de la PFK-II. Al parecer loscuatro genes pueden ser regulados porHIF-1, aunque solo para el gen de laPFKFB-3 se ha demostrado la presen-cia de secuencias consenso para launión de este factor de transcripción(32). El producto de este gen(isoenzima de placenta) se llega a en-contrar sobre-expresado en una granvariedad de tumores (Tabla 2). La pre-sencia de esta isoenzima propicia unaumento en la concentración de la F2-6BP, debido a que la actividad defosfatasa es muy baja (0.2 mU/mg para

la enzima recombinante) en compara-ción de la actividad de cinasa (140 mU/mg); estos valores de actividad corres-ponden a una relación cinasa/fosfatasade 710 que, comparado al valor de otrasisoenzimas (0.4-4.1) es muy alto.Ade-más se ha descrito que la actividad decinasa de PFKFB-3 no se inhibe porfosforilación, debido a que estaisoenzima carece del sitio defosforilación (serina 36) (31).

El aumento en la concentración deF2-6BP en las células tumorales favo-rece el incremento en el flujoglucolítico, debido a que la PFK-I seactiva al máximo y deja de ser inhibidapor el ATP y el citrato.

Transportador de monocarboxi-latos (MCT)Con el aumento en la glucólisis, ellactato y los H+ que se producen tie-nen que ser expulsados por las célu-las tumorales antes de que induzcanestrés osmótico y la acidificación delcitosol, lo cual afectaría lahomeostasis de la célula (33).

La familia de MCTs está compues-ta por 14 miembros. Se ha documen-tado experimentalmente que los pri-meros cuatro miembros (MTC1-MTC4) transportan y expulsan L-lactato así como otros importantesmonocarboxilatos (piruvato y cuerposcetónicos) junto con un protón. Laexpulsión del lactato (generado por laglucólisis) se favorece con la dismi-nución del pH a nivel intracelular.

El MCT1 se encuentra en todos lostejidos, mientras, el MCT2 se expre-sa en el riñón y el cerebro. En retinase localiza el MCT3, en tanto el MCT4se localiza preferentemente en los te-jidos con una activa glucólisis, comomúsculo esquelético, leucocitos, tes-tículo, pulmón, placenta y corazón.Las afinidades que se han determina-do para las cuatro isoformas oscilanentre 0.7 a 28 mM por L-lactato y de0.1 a 150 mM por piruvato, siendo elMTC4 el que mostró la afinidad mas

baja por ambos sustratos (Km = 28 y150 mM) (33).

Hasta el momento, no hay estudiosenfocados en determinar queisorformas de los MCTs se expresanen los diversos tipos de cáncer, aun-que recientemente se describió queMCT4 se sobre-expresa por el HIF-1(34). Por lo tanto, no se descarta queMCT4 se sobre-exprese en algunostipos de cáncer.

La expresión del MTC4 favoreceel incremento de la glucólisis debidoa que la baja afinidad del transporta-dor por piruvato impide la rápida ex-pulsión de esté del interior de la célu-la. Esto permite que la LDH-A lo uti-lice para regenerar NAD+ (Fig. 2),sustrato indispensable para que semantenga la glucólisis activa.Además,este transportador expulsa al lactato ylos H+ (productos de la reacción de laLDH-A), impidiendo la disminucióndel pH intracelular que afectaría laactividad de las enzimas de laglucólisis (Fig. 2).

Integrando la información anterior,el HIF-1 incrementa la velocidad dela glucólisis en las células tumoralesdebido a que induce un aumento en laactividad de todas las enzimas queforman parte de esta vía metabólica.En primera instancia el HIF-1incrementa la actividad de las enzimasque controlan la glucólisis como eltransportador de glucosa (GLUT1 yGLUT3) y la hexocinasa (HKI yHKII). Con ello se facilita la entradade la glucosa y su fosforilación,generándose G6P. Con el incremen-to en la actividad de la HPI se favo-rece la conversión de la G6P a F6P.Posteriormente la PFK-L toma la F6Ppara generar F1-6BP, esta enzima esmuy activa debido a su bajasensiblilidad a la inhibición ejercidapor el ATP y el citrato, lo que permi-te que no se frene la glucólisis. El au-mento en la concentración de la F2-6BP (potente activador de la enzima)inducido por la PFKII (isoenzima


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PFKFB-3) contribuye en esta falta desensibilidad. A partir de la F1-6BP laALD A o ALD C generan G3P yDHAP, como estas enzimas catalizancon mayor eficiencia esta reacción quela reacción reversa (G3P+DHAP > F1-6BP), permiten la acumulación deG3P y DHAP, para que puedan ser to-mados por la TPI (que transforma laDAHP a G3P) y la GAPDH (que trans-forma al G3P a 1,3 bifosfoglicerato).Con el incremento en la actividad dela PGK, de la PGAM y de la ENO sefavorece la transformación del 1,3bifosfo-glicerato a PEP con la gene-ración de ATP. El PEP es tomado porla PYK-M2 para producir piruvato yATP. Esta enzima es muy activa a cau-sa de que no es inhibida por el ATP, esactivada por la F1-6BP y no esfosforilada por acción hormonal. Elpiruvato producido es transformado enlactato por la LDH-A regenerando elNAD+ (Fig. 2), lo que permite que semantenga funcionando la glucólisis.La baja afinidad que tiene la LDH-Apor el lactato impide catalizareficientemente la reacción reversa(lactato > piruvato) y por lo tanto de-

tener a la glucólisis. Finalmente laexpresión del MTC-4 permite que elpiruvato generado no salga de la célu-la para que se regenere el NAD+, ade-más de expulsar eficientemente ellactato y los H+ que afectan el pHintracelular.

Por otra parte el HIF-1 favoreceel desarrollo de las células tumoralesal inducir la expresión de enzimas dela glucólisis, que pueden participaren otros procesos como: la transcrip-ción (GAPDH, LDH-A) , la repara-ción del ADN (GAPDH), la migra-ción celular (HPI), la inhibición dela apoptosis (HKI y HKII), la proli-feración celular (PGAM-B, HPI), lainmortalización celular (PGAM-B),la invasión (ENO-, HPI) y la me-tástasis (ENO-, HPI).

ConclusionesCon base en la información vertidaen esta revisión, podemos concluirque el HIF-1 incrementa la expresiónde determinadas isoformas de lasenzimas glucolíticas en las célulastumorales (Tabla 2), para favorecerel aumento de la glucólisis y de otros

procesos (transcripción reparacióndel ADN, migración celular, inhibi-ción de la apoptosis, proliferacióncelular, inmortalización celular, inva-sión y metástasis), que permiten eldesarrollo de los tumores. Por ello,el HIF-1 es un blanco terapéuticoatractivo.

A este respecto, existen avancesy la inhibición del HIF-1 ha dadocomo resultado una reducción en elcrecimiento tumoral. Sin embargo, enalgunos tipos de cáncer la inhibicióndel HIF-1 causó un aumento en laproliferación celular (37). Por talmotivo, es indispensable establecercuales son las circunstancias que fa-vorecen uno u otro efecto, ya quehasta el momento no es muy claro.Adicionalmente, la inhibición delHIF-1 puede acarrear algunos efec-tos secundarios adversos, sobre todopor que este factor participa en va-rios procesos fisiológicos como en eldesarrollo del corazón, del sistemavascular y de los osteoblastos. Ade-más de ser un factor clave en el desa-rrollo embrionario y en el manteni-miento del sistema inmune (37).


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Hif 1 y glucolisis en cancer reb