BACKGROUND: One of the key transcriptional regulators that determine the body’s resistance to hypoxia is the hypoxia-inducible factor HIF-1α, the study of the role of which in the body’s resistance to extreme influences can justify new directions in medical technologies for its increase.
AIM: To evaluate the quantitative contribution of the level of expression of the hypoxia-inducible factor HIF-1α in various tissues of laboratory animals to the increase in the resistance of animals to the effects of hypoxic hypoxia.
MATERIALS AND METHODS: The study was carried out on outbred white laboratory rats obtained from the Rappolovo nursery weighing 180–220 g. To conduct the study, animals were previously tested for an individual level of resistance to hypoxia, which made it possible to form experimental groups from highly resistant and low resistant animals. Biological material was taken from all animals (whole blood, plasma, tissues of the heart, liver, kidneys, brain), in which the expression of the HIF-1α and TSPO genes (housekeeping gene) was determined by the Real-Time-PCR method. Total RNA was isolated from the test material by affinity sorption,synthesis of the first strand of cDNA, amplification, followed by determination of the expression level of the HIF-1α gene in rats was carried out according to the instructions and the manufacturer’s protocol by PCR with detection of the accumulation of reaction products in real time (Real-Time PCR) using a CFX-96 detecting amplifier (Bio-Rad, USA) and specific primers and probes for the HIF-1α gene in rats (DNK-Sintez, Russia). Statistical processing of the obtained data was carried out using the ANOVA analysis of variance.
RESULTS: It has been established that the level of resistance of animals to hypoxia is largely determined by their genetic characteristics. Even under normoxic conditions, the expression of the TSPO housekeeping gene in animals with a high level of resistance to hypoxia differed with a high degree of reliability from low-resistance animals (in the kidneys, liver, and brain, on average, by 40–60%; in the heart, by 25%). The values of the expression of this gene, determined in whole blood or plasma, make it possible to differentiate groups of animals according to the level of resistance to hypoxia. A similar ratio between animals with high and low resistance is also observed in tissues obtained immediately after hypoxic exposure. An analysis of the reaction of the genomic regulation system to extreme exposure showed that it increased the expression of the TSPO gene by 1.6–2 times equally in all tissues, regardless of the level of animal resistance. For the HIF-1α gene, similar patterns were found, but the severity of their manifestations is more and significant.
CONCLUSIONS: The main organ that provides a high level of resistance to hypoxia associated with the basic (under normoxic conditions) expression of HIF-1α is the brain. The expression of the hypoxia-inducible factor in it is more than 300 times higher than the expression of the “housekeeping” genes. The second most important organ is the liver, in which HIF-1α expression activity is more than 15 times higher than the expression of “housekeeping” genes. Under conditions of moderate hypoxia, a compensatory-adaptive reaction is noted, associated with the activation of hypoxic defense mechanisms in blood and liver cells, and in low-resistant animals, also in the brain tissue. In the myocardium, such a compensatory-adaptive reaction is activated only in the group of highly resistant animals. A high level of basal expression of the HIF-1α transcription factor under daily (normoxic) conditions may be a predictor of a high level of resistance to hypoxia in a given animal.
Актуальность. Один из ключевых транскрипционных регуляторов, определяющих устойчивость организма к гипоксии, — гипоксия-индуцибельный фактор HIF-1α, изучение роли которого в устойчивости организма к экстремальным воздействиям может обосновать новые направления в медицинских технологиях ее повышения.
Цель исследования — оценить количественный вклад уровня экспрессии гипоксия-индуцибельного фактора HIF-1α в различных тканях лабораторных животных в повышение устойчивости животных к воздействию гипоксической гипоксии.
Материалы и методы. Исследование выполнено на беспородных белых лабораторных крысах, полученных из питомника «Рапполово», массой 180–220 г. Для проведения исследования предварительно животные были тестированы на индивидуальный уровень устойчивости к гипоксии, что позволило сформировать экспериментальные группы из высокоустойчивых и низкоустойчивых к воздействию животных. У всех крыс отбирали биологический материал (цельную кровь, плазму, ткани сердца, печени, почек, головного мозга), в которых методом Real-Time-PCR определяли экспрессию генов HIF-1α и TSPO (ген «домашнего хозяйства»). Из исследуемого материала выделяли тотальную РНК методом аффинной сорбции. Синтез первой цепи кДНК, амплификацию, с последующим определением уровня экспрессии гена HIF-1α крыс, проводили методом ПЦР с детекцией накопления продуктов реакции в режиме реального времени (Real-TimePCR) с помощью детектирующего амплификатора CFX-96 (Bio-Rad, США) и специфических праймеров и зондов к гену HIF-1α крыс (ДНК-Синтез, Россия). Статистическая обработка полученных данных осуществлялась методом дисперсионного анализа ANOVA.
Результаты. Установлено, что уровень устойчивости животных к гипоксии в существенной степени определяется их генетическими особенностями. Даже в условиях нормоксии экспрессия гена «домашнего хозяйства» TSPO животных с высоким уровнем устойчивости к гипоксии с высокой степенью достоверности отличалась от таковой у низкоустойчивых животных (в почках, печени и мозге — в среднем на 40–60 %, в сердце — на 25 %). Значения экспрессии этого гена, определяемого в цельной крови или плазме, позволяют дифференцировать группы животных по уровню устойчивости к гипоксии. Аналогичное соотношение между животными с высокой и низкой устойчивостью наблюдается и в тканях, полученных сразу после гипоксического воздействия. Анализ реакции системы геномной регуляции на экстремальное воздействие показал, что она в 1,6–2 раза повышает экспрессию гена TSPO в равной степени во всех тканях, независимо от уровня устойчивости животных. Для гена HIF-1α обнаружены аналогичные закономерности, но выраженность их проявлений имеет более существенный и достоверный характер. Основным органом, обеспечивающим высокий уровень устойчивости к гипоксии, связанным с базовой (в условиях нормоксии) экспрессией HIF-1α, является головной мозг. Экспрессия в нем гипоксия-индуцибельного фактора более чем в 300 раз превышает экспрессию генов «домашнего хозяйства». Второй по значимости орган — печень, активность экспрессии в которой HIF-1α более чем 15 раз превышает экспрессию генов «домашнего хозяйства».
Заключение. Высокий уровень базовой экспрессии транскрипционного фактора HIF-1α в повседневных (нормоксических) условиях может быть предиктором высокого уровня устойчивости данного животного к гипоксии. Вероятно, для повышения устойчивости организма к экстремальным воздействиям целесообразно использовать медицинские технологии, повышающие уровень экспрессии HIF-1α в повседневных (нормоксических) условиях в ключевых тканях — головном мозге, печени, миокарде.