Фактор, индуцируемый гипоксией (HIF)

18 декабря 2022

Фактор, индуцируемый гипоксией (HIF)

В 1968 году Летние Олимпийские игры проводились в Мехико на высоте около 2300 метров над уровнем моря. В то время многие спортсмены и их тренеры заметили, что тренировки в условиях высокогорья проходят намного эффективнее. И хотя эффект от таких тренировок был известен давно, после игр спортсмены из множества стран ввели в свой режим регулярные сборы в горах. 

Разреженный воздух благотворно влиял на их сердечно-сосудистую, дыхательную и кровеносную системы. Хотя было ясно, что тренировки в условиях пониженного содержания кислорода полезны для организма, точные механизмы, лежащие в основе этого метода, были неизвестны. 

Со временем ответ был найден: в основе этого явления лежит фактор, индуцируемый гипоксией - Hypoxic inducible factor (HIF). Он действует как «датчик кислорода» в организме, активируя широкий спектр процессов, увеличивающих работоспособность организма. Так стало известно, что HIF не только увеличивают количество эритроцитов, а значит и работоспособность, но и позволяет получить другие полезные эффекты.

Открытие фактора, индуцируемого гипоксией

Фактор, индуцируемый гипоксией (HIF), был открыт профессором Греггом Семензой из Университета Джона Хопкинса в начале 1990-х годов. Вместе с двумя другими учеными он получил Нобелевскую премию по медицине 2019 года за объяснение механизма действия HIF в организме человека.

Значимость HIF для организма человека

HIF можно представить как «датчика кислорода» в организме, который срабатывает в случае недостатка кислорода в клетках. Он контролирует один из важнейших процессов в организме – адаптацию клеток, тканей и органов к недостатку кислорода.

Существование HIF свидетельствует о том, что, вопреки распространенному мнению, человеческий организм достаточно хорошо подготовлен к временному недостатку кислорода. 

Эта функция важна, поскольку каждая клетка тела нуждается в кислороде для выработки энергии. В случае нехватки кислорода, например, в горах, при физических нагрузках или при нарушении снабжения кислородом отдельных частей тела после травмы, происходит активация синтеза HIF. Это помогает быстро восстановить снабжение организма достаточным количеством кислорода для выработки энергии и заживления ран.

HIF не только обеспечивает адаптацию клеток к нехватке кислорода, но и подает сигнал для самовосстановления организма.

Образование HIF и его компоненты

HIF представляет собой низкомолекулярный белок, который постоянно вырабатывается в каждой клетке организма. Его наиболее распространенной субъединицей является HIF-1α.

Белок HIF состоит из двух компонентов: альфа-HIF и бета-HIF. Компонент альфа-HIF активирует белок: он подает сигнал для запуска процесса адаптации. При достаточном снабжении кислородом компонент альфа-HIF разрушается под действием продуктов распада, возникающих при выработке энергии. Компонент бета-HIF при этом не разрушается, сохраняясь для дальнейшего использования.  

Когда поступление кислорода к клеткам снижается, накопленный компонент альфа-HIF может объединяться с компонентом бета-HIF. Сочетание этих компонентов запускает ряд процессов в ядре клетки с участием генов. Профессор Грегг Семенза сообщает о прямом или косвенном влиянии HIF более чем на 1000 генов. Можно предположить, что в будущем список этих генов пополнится.

Влияние HIF на организм человека

HIF оказывает большое влияние на организм. Как уже упоминалось, он способен активировать несколько сотен генов. Мы не ставим своей задачей подробно описать каждый эффект от HIF, а сосредоточимся только на самых важных из них.

Наиболее широко известным эффектом HIF является образование эритропоэтина в почках и печени. Эритропоэтин, зачастую кратко называемый EPO, он способствует формированию эритроцитов. 

Пласт клеток на внутренней поверхности вен, эндотелии, реагирует на активацию HIF повышением выработки фактора роста эндотелия сосудов (VEGF). Благодаря нему увеличивается выработка оксида азота (NO) в организме человека. Обе реакции благоприятно влияют на состояние сосудов. 

Еще один положительный эффект заключается в увеличении выработки инсулинозависимого белка-переносчика глюкозы GLUT-4. В долгосрочной перспективе он снижает резистентность к инсулину и позволяет более эффективно использовать углеводы.

В конечном счете каждая клетка организма реагирует на HIF. Если митохондрии, отвечающие за выработку энергии в клетке, не получают достаточно кислорода для синтеза источника энергии (аденозинтрифосфорной кислоты), то их первоначальная реакция заключается в изменении формы. На втором этапе они начинают делиться, чтобы более эффективно производить большее количество энергии. При этом начинается процесс деградации старых и поврежденных митохондрий.

Отрицательное воздействие HIF

Некоторые виды опухолей приводят к локализованным процессам гипоксии. В этих случаях воздействие HIF меняется на отрицательное: увеличение выработки EPO и улучшение кровоснабжения только ускоряют рост раковых клеток.

Будет ли действие HIF-1α полезным или вредным, зависит от дозы гипоксии. При неконтролируемой гипоксии, например, в случае локализованных процессов гипоксии при онкологических заболеваниях или апноэ во сне, HIF становится опасным. Он оказывает разрушительное воздействие на митохондрии.

Впрочем, при контролируемой гипоксии с адаптацией к индивидуальным потребностям, например, в случае с интервальными гипоксическими тренировками, HIF обеспечивает серьезные терапевтические преимущества. При этом его действие не ограничивается отдельными органами, а распространяется на весь организм, что положительно сказывается на количестве и качестве митохондрий.

Использование HIF в оздоровительных целях

Изменения в работе организма, вызванные действием HIF, как правило, приводят к повышению работоспособности. Это не только способствует улучшению физической формы, но и обеспечивает защиту здорового организма от болезней и процессов старения. 

Если у человека есть проблемы со здоровьем, действие HIF может замедлить развитие заболеваний или вовсе избавить от них. Например, при интервальных гипоксических тренировках HIF можно активировать без каких-либо усилий, просто вдыхая воздух то с пониженным, то с нормальным содержанием кислорода. Действие HIF сопоставимо с эффектом от спортивной тренировки, но вызывает в организме гораздо более масштабные процессы.