Os pesquisadores William Kaelin, do Dana-Farber Cancer Institute, em Boston, Massachusetts; Peter Ratcliffe da Universidade de Oxford, Reino Unido, e Francis Crick Institute em Londres; e Gregg Semenza, da Universidade Johns Hopkins, em Baltimore, Maryland, foram reconhecidos com o Prêmio Nobel de Medicina 2019 por seus estudos sobre a percepção e resposta das células à mudança dos níveis de oxigênio. Os resultados têm implicações no tratamento de uma variedade de doenças, incluindo câncer, anemia, ataques cardíacos e derrames.
O trio já havia recebido o Prêmio de Pesquisa Médica Básica Albert Lasker, em 2016.
O oxigênio é utilizado pelas mitocôndrias presentes em praticamente todas as células animais para converter alimentos em energia útil. Durante a evolução, foram desenvolvidos mecanismos para garantir um suprimento suficiente de oxigênio aos tecidos e células. O corpo carotídeo, adjacente aos grandes vasos sanguíneos de ambos os lados do pescoço, contém células especializadas que detectam os níveis de oxigênio no sangue.
Além da rápida adaptação controlada pelo corpo carotídeo a baixos níveis de oxigênio (hipóxia), existem outras adaptações fisiológicas fundamentais. Uma resposta fisiológica chave à hipóxia é o aumento dos níveis do hormônio eritropoietina (EPO), que leva ao aumento da produção de glóbulos vermelhos (eritropoiese).
Gregg Semenza estudou como a eritropoietina é regulada pela variação dos níveis de oxigênio. Usando camundongos geneticamente modificados, segmentos específicos de DNA localizados ao lado do gene EPO mostraram mediar a resposta à hipóxia. Peter Ratcliffe também estudou a regulação dependente de oxigênio do gene da EPO, e os dois grupos descobriram que o mecanismo de detecção de oxigênio estava presente em praticamente todos os tecidos, não apenas nas células renais onde a eritropoietina é normalmente produzida.
Nas células hepáticas cultivadas, Semenza descobriu um complexo de proteínas que se liga ao segmento de DNA identificado de maneira dependente de oxigênio. Ele chamou esse complexo de fator induzido por hipóxia (HIF). Em 1995, ele conseguiu publicar algumas de suas principais conclusões, incluindo a identificação dos genes que codificam o HIF. Verificou-se que o HIF consiste em duas proteínas diferentes de ligação ao DNA, os chamados fatores de transcrição, agora denominados HIF-1α e ARNT.
Quando os níveis de oxigênio são altos, as células contêm muito pouco HIF-1a. No entanto, quando os níveis de oxigênio são baixos, a quantidade de HIF-1α aumenta para que ele possa se ligar e, assim, regular o gene da EPO, bem como outros genes com segmentos de DNA de ligação ao HIF. Vários grupos de pesquisa mostraram que o HIF-1α, que normalmente é rapidamente degradado, é protegido da degradação na hipóxia.
Em níveis normais de oxigênio, o proteassoma degrada o HIF-1α. Sob tais condições, um pequeno peptídeo, ubiquitina, é adicionado à proteína HIF-1a. A ubiquitina funciona como um marcador para proteínas destinadas à degradação no proteassoma. Como a ubiquitina se liga ao HIF-1α de maneira dependente de oxigênio permaneceu uma questão central.
Na mesma época em que Semenza e Ratcliffe estavam explorando a regulação do gene EPO, William Kaelin Jr. pesquisava uma síndrome herdada, a doença de von Hippel-Lindau (doença da VHL). Esta doença genética leva a um aumento dramático do risco de certos tipos de câncer em famílias com mutações herdadas na VHL. Kaelin mostrou que o gene da VHL codifica uma proteína que impede o aparecimento de câncer. Ele também demonstrou que células cancerígenas sem um gene VHL funcional expressam níveis anormalmente altos de genes regulados por hipóxia; mas quando o gene da VHL foi reintroduzido nas células cancerígenas, os níveis normais foram restaurados, indicando que a VHL estava de alguma forma envolvida no controle das respostas à hipóxia.
Pistas adicionais vieram de vários grupos de pesquisa, mostrando que a VHL faz parte de um complexo que rotula proteínas com ubiquitina, marcando-as para degradação no proteassoma. Ratcliffe e seu grupo de pesquisa demonstraram então que a VHL pode interagir fisicamente com o HIF-1α, vinculando conclusivamente a VHL ao HIF-1a.
Em 2001, em dois artigos publicados simultaneamente, Kaelin e Ratcliffe mostraram que sob níveis normais de oxigênio, grupos hidroxila são adicionados em duas posições específicas no HIF-1a. Essa modificação da proteína, chamada prolil hidroxilação, permite que a VHL reconheça e se ligue ao HIF-1α, explicando como os níveis normais de oxigênio controlam a rápida degradação do HIF-1α com a ajuda de enzimas sensíveis ao oxigênio (chamadas prolil hidroxilases). Pesquisas de Ratcliffe e outros grupos identificaram as prolil hidroxilases responsáveis. Também foi demonstrado que a função de ativação gênica do HIF-1α era regulada por hidroxilação dependente de oxigênio.
O trabalho levou os pesquisadores a desenvolver medicamentos direcionados aos processos de detecção de oxigênio, inclusive para o câncer. Medicamentos que impedem a VHL de se ligar ao HIF e causam sua degradação, chamados inibidores da prolil hidroxilase, também estão sendo investigados como tratamentos para anemia e insuficiência renal.
O Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina é oferecido anualmente pelo Karolinska Institutet.
Publicações-chave:
Semenza, G.L, Nejfelt, M.K., Chi, S.M. & Antonarakis, S.E. (1991). Hypoxia-inducible nuclear factors bind to an enhancer element located 3’ to the human erythropoietin gene. Proc Natl Acad Sci USA, 88, 5680-5684
Wang, G.L., Jiang, B.-H., Rue, E.A. & Semenza, G.L. (1995). Hypoxia-inducible factor 1 is a basic-helix-loop-helix-PAS heterodimer regulated by cellular O2 tension. Proc Natl Acad Sci USA, 92, 5510-5514
Maxwell, P.H., Wiesener, M.S., Chang, G.-W., Clifford, S.C., Vaux, E.C., Cockman, M.E., Wykoff, C.C., Pugh, C.W., Maher, E.R. & Ratcliffe, P.J. (1999). The tumour suppressor protein VHL targets hypoxia-inducible factors for oxygen-dependent proteolysis. Nature, 399, 271-275
Mircea, I., Kondo, K., Yang, H., Kim, W., Valiando, J., Ohh, M., Salic, A., Asara, J.M., Lane, W.S. & Kaelin Jr., W.G. (2001) HIFa targeted for VHL-mediated destruction by proline hydroxylation: Implications for O2 sensing. Science, 292, 464-468
Jakkola, P., Mole, D.R., Tian, Y.-M., Wilson, M.I., Gielbert, J., Gaskell, S.J., von Kriegsheim, A., Heberstreit, H.F., Mukherji, M., Schofield, C.J., Maxwell, P.H., Pugh, C.W. & Ratcliffe, P.J. (2001). Targeting of HIF-α to the von Hippel-Lindau ubiquitylation complex by O2-regulated prolyl hydroxylation. Science, 292, 468-472
