miniaturadeimagen|Estroma tumoral y matriz extracelular en hipoxia La hipoxia tumoral es un trastorno en el que las células tumorales han sido privadas de oxígeno. A medida que el tumor crece, sobrepasa rápidamente el suministro de sangre, dejando partes del tumor con regiones donde la concentración de oxígeno es significativamente menor que en los tejidos sanos. Los microambientes hipóxicos en los tumores sólidos son el resultado de una consumición de oxígeno disponible de entre el 70 y 150 μm de la vasculatura del tumor que cuando proliferan rápidamente las células tumorales limitan así la cantidad de oxígeno disponible para su difusión en el tejido tumoral. Con el fin de apoyar el crecimiento y la proliferación continua en entornos hipóxicos difíciles se ha descubierto que las células cancerígenas alteran su metabolismo. Asimismo, se sabe que la hipoxia cambia el comportamiento celular y está relacionada con la remodelación de la matriz extracelular y el aumento del comportamiento migratorio y metastásico.
Cambios en la glucólisis Un cambio particular en el metabolismo, conocido históricamente como el efecto Warburg, se produce en altas tasas de gloculosis tanto en células cancerosas normóxicas como hipóxicas. La expresión de los genes responsables de las enzimas glucolíticas y de los transportadores de glucosa son mejorados por numerosos oncogenes, incluyendo RAS, SRC y MYC.
Cambios inducidos por la HIF-1A en la expresión génica Habitualmente, la hipoxia conduce a un aumento de la producción del factor inducible por hipoxia (HIF-1, por sus siglas en inglés), que contiene subunidades de HIF-1α y HIF-1β, y que actúa como un factor de transcripción regulatorio clave responsable de los cambios celulares adaptativos. En humanos, se ha demostrado que el HIF-1 aumenta la expresión de los genes que afectan a una serie de áreas clave de la fisiología. Este abanico de genes va desde los que intervienen en el desencadenamiento de una respuesta inflamatoria hasta los responsables del metabolismo del hierro. Es particularmente destacable cuando se centra en el metabolismo, se ha demostrado que el HIF-1 afecta a los genes glucolíticos para hacer frente a las reducciones en la disponibilidad y consumo de oxígeno.
Estos genes incluyen: familia de portadores de soluto 2 (GLUT1), hexoquinasa (HK), fosfoglucosa isomerasa (IGP), fosfofructoquinasa (PFKL), fructosa-bisfosfato aldolasa (ALDO), gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa (GAPDH), fosfoglicerato quinasa (PGK), fosfoglicerato mutasa (PGM), enolasa 1 (ENOA), piruvato quinasa (PK), piruvato deshidrogenasa quinasa, isozima 1 (PDK1) y lactato deshidrogenasa A (LDH-A). Además de las alteraciones en la concentración de oxígeno asociadas con microambientes hipóxicos, los gradientes de concentración de glucosa que se encuentran en los tumores también influyen en la tasa de glucolosis aeróbica y anearóbica. El elemento de respuesta a los carbohidratos (ChoRE, por sus siglas en inglés) es responsable de regular la expresión génica de la enzima glucolítica en respuesta a los cambios en las concentraciones de glucosa a través de una interacción vinculante en la misma secuencia de consenso que el HIF-1. Las interacciones de HIF-1 y ChoRE con la secuencia de ADN 5'-RCGTG-3' conducen a una mayor expresión de los genes mencionados anteriormente.
Expresión del transportador GLUT-1
El GLUT-1 es un miembro de la familia de transportadores GLUT de 14 transportadores de hexosa responsables de facilitar el transporte de azúcares de hexosa a lo largo del gradiente de concentración. De la familia de los que se cree que mantienen el transporte de glucosa basal en casi todos los tipos de células, el GLUT-1 es el expresado en mayor cantidad. Se ha demostrado que los niveles de GLUT-1, aumentan los cambios en los niveles de ARNm y proteínas en respuesta a las condiciones de hipoxia. Además, se ha demostrado que el transporte de GLUT-1 aumenta con los trastornos de hipoxia. Con el papel de transportar los azúcares desde el entorno extracelular al intracelular, el GLUT-1, junto con otros miembros de la familia GLUT, puede controlar la velocidad del metabolismo glucolítico celular. Al tener un mayor nivel de GLUT-1, en el caso de tumores hipóxicos, aumenta el flujo de glucosa en las células, lo que permite una mayor tasa de glucólisis y, por lo tanto, mayores riesgos de metástasis (como se explica a continuación).
Expresión de la hexoquinasa 2 La hexoquinasa (HK, por sus siglas en inglés) es la primera enzima durante la gloculosis que convierte la glucosa en glucosa-6-fosfato mediante el proceso de fosforilación dependiente de trifosfato de adenosina (ATP, por sus siglas en inglés). La reacción de la hexoquinasa activa la glucosa para los pasos siguientes, proceso importante para el desarrollo de la glucólisis. En los tumores hipóxicos, aumenta significativamente la abundancia de ARNm hexoquinasa, así como los niveles de proteína. El aumento de la expresión de la hexoquinasa 2, que en algunos casos es casi 10 veces mayor, permite un aumento del flujo de glucosa a través de la gloculosis posterior al aumento de la absorción por parte de GLUT-1.
Expresión de la fosfoglucosa isomerasa La fosfoglucosa isomerasa (PGI, por sus siglas en inglés) es una enzima citosólica catalizadora,ç con funciones tanto en la glucólisis como en las vías de la gluconeogénesis. Es responsable de catalizar la interconversión de la glucosa 6-fosfato y la fructosa 6-fosfato. Extracelularmente, la PGI se conoce como un factor de motilidad autocrino (FMA) que provoca funciones de diferenciación mitogénicas, motogénicas, así como la progresión tumoral y la metástasis. La activación de la PGI a través de los mecanismos propuestos inducidos por el HIF-1 tiene como resultado en una mayor conversión de glucosa 6-fosfato a fructosa 6-fosfato y también contribuye a la motilidad celular y a la invasión durante la metástasis del cáncer.
Expresión de 6-fosfofructo-2-quinasa/fructosa 2,6-bisfosfatasa
Las 6-fosfofructo-2-kinasas/fructosa 2,6-bisfosfatasas (PFKFBs) pertenecen a una familia de enzimas bifuncionales dependientes de ATP responsables de controlar el nivel de glucólisis mediante la fructosa-1,6-bisfosfato. La expresión de estas enzimas (PFK-2/FBPase-2) inducidas por HIF-1 alteran posteriormente el equilibrio de la fructosa-2,6-bifosfato, que desempeña un papel importante como activador alostérico de la fosfo-fructoquinasa 1 (PFK-1). La PFK-1 es una enzima que controla uno de los pasos más críticos de la glucólisis. La regulación de PFK-1 también está regulada por el estado de la energía celular como resultado al efecto inhibidor del ATP. Una mayor cantidad de fructosa-2,6-bisfosfato en las células cancerosas, es el resultado de la expresión HIF-1 de PFK-2/FBPase-2, que activa la PFK-1 permitiendo así un mayor flujo glucolítico convirtiendo la fructosa6-fosfato en fructosa-1,6-bisfosfato. La regulación alostérica de la glucólisis mediante la fructosa-2,6-bisfosfato permite a las células cancerosas mantener un equilibrio glucolítico para satisfacer sus demandas bioenergéticas y biosintéticas.
Expresión de la fructosa-1,6-bisfosfato aldolasa La fructosa-1,6-bisfosfato aldolasa (ALDO) pertenece a la familia que abarca las aldolasa A, B y C. en la glucólisis, las enzimas aldolasa dividen la fructosa-1,6-bisfosfato en dos moléculas de 3-C que incluyen al gliceraldehído-3-fosfato (GAP) y al fosfato de dihidroxiacetona (DHAP). Con la expresión mediada por el HIF-1 de aldolasa A en condiciones hipóxicas, la catálisis de la fructosa-2,6-bisfosfato a gliceraldehído-3-fosfato y fosfato de dihidroxiacetona se incrementa, lo que conduce a un mayor flujo glucolítico.
Expresión de gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa La enzima glucolítica gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa (GAPDH) es responsable de la conversión oxidativa de gliceraldehído-3-fosfato (GADP) a 1,3-bisfosfoglicerato (1,3BPG). La regulación de la expresión de la gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa es máxima (4-5 veces) en condiciones hipóxicas de hasta 24 horas en células endoteliales vasculares. Se han propuesto varios modelos para los mecanismos exactos de activación de la gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa.
Expresión de fosfoglicerato quinasa 1 Se ha demostrado que la hipoxia induce una acumulación 10 veces mayor de fosfoglicerato quinasa 1 (PGK-1) ARNm en células de hepatoma de ratón (Hepa 1c1c7). El fosfoglicerato quinasa 1 es una enzima implicada en la conversión de 1,3-bifosfoglicerato (1,3-BPG) a 3-fosfoglicerato (3-P-G), lo que da lugar a la producción de ATP a partir de ADP. Se cree que la inducción de la expresión génica por el HIF-1 depende de la presencia de un translocador nuclear de receptores de hidrocarburos aromáticos (ARNT1). Se cree que la región N-terminal de Arnt y el HIF-1 trabajan juntos para inducir la transcripción de la fosfoglicerato quinasa 1.
Expresión de la fosfogliceratomutasa La fosfoglicerato mutasa B (PGM-B) es una de las últimas enzimas glucolíticas responsables de la conversión de 3-fosfoglicerato (3PG) en 2-fosfoglicerato (2PG). Se demostró que tanto los niveles de proteínas como de ARNm se multiplicaron por 2 y 3 en la investigación que exponía a los fibroblastos pulmonares fetales de las ratas a condiciones hipóxicas. El aumento de los niveles pareció estar regulado a nivel transcripcional, como en el caso de muchas de las otras enzimas glucolíticas. El mayor control de los niveles se mostró durante 16 horas siguientes, por lo que refuerza su papel de contribuir a un mayor flujo glucolítico para la adaptación de las células a la hipoxia.
Expresión de la enolasa 1 La enolasa 1, también conocida como enolasa-α, está codificada por el gen ENOA que es responsable de convertir el 2-fosfoglicerato en fosfoenolpiruvato durante la gloculosis. Tanto la sobreexpresión de la enolasa 1 como sus modificaciones postraduccionales podrían ser de útiles para el trabajo de diagnóstico y pronóstico en lo que se refiere al cáncer. Aunque las funciones exactas de las modificaciones postranslacionales no se han esclaricido totalmente, se muestran patrones entre ciertos tipos de células cancerosas que sugieren pueden tener una influencia importante en la función, la localización y la inmunogenicidad. Aparte de su papel fomentando el flujo glucolítico y la producción de energía anearóbica, se ha demostrado que provoca una respuesta inmunitaria humoral y celular específica. En todos los niveles, la sobreexpresión de la enolasa 1 inducida por la hipoxia puede tener un papel importante en los tumores hipóxicos, incluyendo un claro incremento en la respiración anearóbica.
Expresión de piruvato-quinasa La piruvato-quinasa M activada con HIF-1 viene en múltiples isoformas conocidas como PKM1 y PKM2. Se ha demostrado que la piruvato-quinasa convierte el fosfoenolpiruvato en piruvato formando ATP a partir de ADP. Junto con la fosfo-fructoquinasa 1, la piruvato-quinasa también es activada alostéricamente por la fructosa-2,6-bisfosfato. Se ha demostrado que en células cancerosas la piruvato-quinasa M2 interactúa directamente con el HIF-1α mejorando la unión al HIF-1 y la captación de p300 para los elementos de respuesta a la hipoxia. Este bucle de retroalimentación positiva conduce a la transactivación de HIF-1 y al efecto amplificado del metabolismo de la glucosa.