Hypoxia-inducible factor prolyl 4-hydroxylases regulating erythropoiesis, and hypoxia-inducible lysyl oxidase regulating skeletal muscle development during embryogenesis

Abstract

Erythropoiesis is the process of red blood cell production. The main regulator is the erythropoietin (EPO) hormone, which is strongly upregulated in low oxygen concentration (hypoxia) in cells via the hypoxia-inducible transcription factor HIF. The stability of HIF is regulated in an oxygen-dependent manner by three HIF prolyl 4-hydroxylases, all of which are known to participate in the regulation of erythropoiesis. A role in erythropoiesis of a fourth prolyl 4-hydroxylase, P4H-TM, which possesses a transmembrane domain, is not known, but it is able to hydroxylate HIF at least in vitro and in cellulo. The role of P4H-TM in erythropoiesis was studied by administering a HIF-P4H inhibitor, FG-4497, to P4h-tm null, Hif-p4h-3 null, and Hif-p4h-2 hypomorph mouse lines. The current study suggests that P4H-TM is involved in the regulation of EPO production, hepcidin expression and erythropoiesis. P4H-TM can thus be a new target for inhibition when designing novel pharmacological treatment strategies for anemia.

LOX is required for crosslink formation between lysine residues in fibrillar collagens and elastin. These crosslinks enhance the tensile strength of collagen fibers and provide elasticity to elastic fibers and thus generate important structural support for tissues. LOX is required for normal embryonic development of the cardiovascular and pulmonary systems, and its depletion leads to a generalized elastinopathy and collagenolysis leading to perinatal death of Lox null mice. The development of muscles is a delicate process, which requires coordinated signaling and a homeostatic balance between the muscle and muscle connective tissue. Based on the drastic defects that were found in the present study in the skeletal muscle of Lox null mice, lack of LOX clearly disturbs this balance and increases transforming growth factor β (TGF-β) signaling, which leads to defects in the skeletal muscles. The impaired balance can cause muscle disorders, such as Duchenne Muscular Dystrophy (DMD). Despite the clinical significance, very little is known about the mechanisms controlling this homeostatic balance. The discovery of LOX as a regulating factor during skeletal muscle development will help to clarify the role of extracellular matrix (ECM) in muscle development and in muscle related congenital diseases.

Tiivistelmä

Erytropoieesi on fysiologinen prosessi, jossa tuotetaan veren punasoluja ja jonka pääsäätelijänä toimii erytropoietiini (EPO) hormoni. EPO:n geeni ilmentyy voimakkaasti alhaisessa happipitoisuudessa (hypoksia) hypoksia-indusoituvan transkriptiotekijän (HIF) toimesta. HIF-tekijän stabiilisuutta säätelee kolme HIF-prolyyli-4-hydroksylaasientsyymiä (HIF-P4H) hapesta riippuvaisesti, ja niiden tiedetään siten osallistuvan myös erytropoieesin säätelyyn, HIF-P4H-2:n toimiessa pääsäätelijänä. Neljännen transmembraanisen prolyyli-4-hydroksylaasin (P4H-TM) roolia erytropoieesissa ei vielä tiedetä, mutta sen tiedetään säätelevän HIF-tekijää. Työssä käytettiin Hif-p4h-2, Hif-p4h-3 ja P4h-tm muuntogeenisiä hiirilinjoja, joiden entsymaattinen aktiivisuus on alentunut tai poistettu. P4H-TM:n osallisuutta erytropoieesin säätelyyn tutkittiin antamalla hiirilinjoille HIF-P4H-entsyymejä inhiboivaa lääkettä. Tutkimuksen tulokset osoittavat ensimmäistä kertaa P4H-TM:n säätelevän EPO-geenin ilmentymistä ja siten erytropoieesia. Ennestään tiedettyjen HIF-P4H entsyymien inhiboinnin lisäksi P4H-TM:n inhibointia voidaan pitää uutena kohteena uusien farmakologisten hoitokeinojen kehityksessä.

Lysyylioksidaasi (LOX) katalysoi säikeisten kollageenien välisten sekä elastisten säikeiden välisten poikkisidosten muodostumista. Pokkisidokset antavat vetolujuutta kollageeneille ja joustavuutta elastisille säikeille ja ovat siten tärkeitä kudoksen rakenteelle. LOX:ia tarvitaan sikiön kehityksen aikana mm. hengitys-, sydän- ja verisuonielimistöjen kehityksessä. LOX:in puutos hiirillä aiheuttaa viallisia elastisia- ja kollageenisäikeitä, johtaen poikasten kuolemaan synnytyksen yhteydessä.

Lihasten kehitys on tarkoin säädelty prosessi, jossa lihas ja lihaksen sidekudos säätelevät toisiansa. LOX:n suhteen poistogeenisissä Lox^-/- sikiöissä löydettiin selviä ongelmia luurankolihasten kehityksessä. LOX:n puutoksen osoitettiin lisäävän transformoivan kasvutekijä beetan (TGF-β) määrää, joka estää luustolihaksia kehittymästä normaalisti. LOX kykenee sitoutumaan TGF-β:aan ja inhiboimaan sen aktiivisuutta ja LOX:n puuttuessa inhibointia ei tapahdu. Tutkimus osoittaa LOX:n olevan keskeinen tekijä lihaksen kehityksessä ja siten auttaa ymmärtämään sidekudoksen merkitystä luurankolihasten kehityksessä ja siihen liittyvissä sairauksissa.