Oksygenaza hemowa-1 — więcej niż cytoprotekcja
advertisement
Oksygenaza hemowa-1 — więcej niż cytoprotekcja STRESZCZENIE O ksygenaza hemowa-1 (HO-1) jest enzymem rozkładającym hem do trzech produktów: jonów żelaza, tlenku węgla i biliwerdyny. Jej właściwości wykraczają jednak daleko poza usuwanie prooksydacyjnego hemu z mikrośrodowiska. Na przestrzeni ostatnich kilkudziesięciu lat udowodniono, że poza właściwościami cytoprotekcyjnymi i przeciwutleniającymi HO-1 wywiera wpływ na całe spektrum procesów komórkowych. Reguluje zarówno wrodzoną, jak i nabytą odpowiedź immunologiczną, między innymi obniżając stan zapalny. Przyspiesza powstawanie naczyń krwionośnych. Wpływa na cykl komórkowy, a w zależności od typu komórek, może zarówno przyśpieszać, jak i hamować podziały komórkowe. Wreszcie najnowsze badania wykazują, że reguluje również procesy różnicowania komórek progenitorowych w kierunku komórek dojrzałych. Co ciekawe, ten aspekt działania HO-1 wydaje się być również specyficzny komórkowo. W prezentowanej pracy przedstawiono zarówno efekty, jak i mechanizmy tych procesów, omawiając je na przykładzie komórek różnych typów. WPROWADZENIE — IZOFORMY I WŁAŚCIWOŚCI ENZYMATYCZNE OKSYGENAZ HEMOWYCH Oksygenaza hemowa (HO, ang. heme oxygenase) to białko odkryte w 1968 roku jako mikrosomalny enzym katalizujący utlenienie hemu (protoporfiryny IX żelaza) do bilirubiny IXα, barwnika żółci. W latach osiemdziesiątych odkryto dwie izoformy tego enzymu (HO-1 i HO-2), kodowane przez odrębne geny (HMOX1 na chromosomie 22 i HMOX2 na chromosomie 16) i różniące się masą (HO-1 – 32 kDa, HO-2 – 36 kDa), poziomem syntezy w różnych tkankach (HO-1 jest najintensywniej syntetyzowane w śledzionie, natomiast HO-2 w mózgu i jądrach), odpowiedzią na sygnały zewnątrzkomórkowe (HO-1 uważana jest za indukowaną, a HO-2 za konstytutywną formę enzymu) czy też kinetyką katalizowanej reakcji enzymatycznej. Mimo tych różnic, HO-1 i HO-2 rozkładają hem uwolniony z białek hemowych na drodze tej samej reakcji chemicznej, korzystając z tych samych substratów czy też kofaktorów. Produktami ich działania są niezmiennie dwuwartościowe jony żelaza (Fe2+), tlenek węgla (CO) oraz biliwerdyna IXα, redukowana przez reduktazę biliwerdynową (BvR, ang. biliverdin reductase) do bilirubiny (Ryc. 1). W latach dziewięćdziesiątych odkryto trzecią z izoform HO, HO-3, ale jej obecność udało się potwierdzić jak dotąd jedynie u szczurów, a doniesienia na temat funkcji HO-3 różnią się. W związku z niską aktywnością enzymatyczną uważa się, że odpowiada raczej za transport i wiązanie hemu, a ostatnie prace sugerują, że HO-3 jest jedynie pseudogenem powstałym na bazie transkryptu HO-2 [1]. BIOLOGICZNA ROLA METABOLITÓW HO Biologiczne skutki działania HO nie ograniczają się do usunięcia silnego czynnika oksydacyjnego, jakim jest hem uwolniony z białek hemowych. To produkty rozkładu hemu, CO, Fe2+ oraz biliwerdyna i bilirubina, mają najistotniejszy wpływ na fizjologię komórki [1]. Choć CO znany jest głównie z toksycznego działania, wiążąc się do hemu będącego grupą prostetyczną hemoglobiny, mioglobiny czy też mitochondrialnego cytochromu c hamuje transport tlenu, rozprzęga transport elektronów w łańcuchu oddechowym i prowadzi do produkcji anionorodnika ponadtlenkowego (O2.-), to badania ostatnich lat sugerują jego istotne działanie jako regulatora komórkowych szlaków przekazu sygnału [2,3]. CO hamuje aktywność kanałów potasowych zależnych od poziomu Ca2+ oraz aktywuje rozpuszczalną cyklazę guanylową (sGC ang. soluble guanyl cyclase), zwiększając stężenie cyklicznego guanozynomonofosforanu (cGMP, ang. cyclic guanosine monophosphate) i wpływając m.in. na rozluźnienie mięśniówki naczyń [1,4]. Najprawdopodobniej również poprzez aktywację sGC CO hamuje agregację płytek krwi, co razem z indukcją trombolizy działa przeciwzakrzepowo [1,5,6]. Natomiast poprzez nasilenie przekazu sygnału zależnego od p38 MAPK wykazuje działanie przeciwzapalne, zmniejsza adhezję Postępy Biochemii 61 (2) 2015 Magdalena Kozakowska Józef Dulak Alicja Józkowicz* Zakład Biotechnologii Medycznej, Wydział Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii, Uniwersytet Jagielloński, Kraków Zakład Biotechnologii Medycznej, Wydział Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii, Uniwersytet Jagielloński, ul. Gronostajowa 7, 30-387 Kraków; tel.: (12) 664 64 11, e-mail: [email protected] * Artykuł otrzymano 15 grudnia 2014 r. Artykuł zaakceptowano 23 stycznia 2015 r. Słowa kluczowe: oksygenaza hemowa-1, tlenek węgla, angiogeneza, proliferacja, apoptoza, różnicowanie Wykaz skrótów: BvR (ang. biliverdin reductase) — reduktaza biliwerdynowa; CORMs (ang. CO-releasing molecules) — związki uwalniające CO; eNOS (ang. endothelial NOS) — śródbłonkowa syntaza tlenku azotu; EPC (ang. endothelial progenitor cells) — komórki progenitorowe śródbłonka; HIF-1α (ang. hypoxia inducible factor-1α) — czynnik indukowany przez hipoksję-1α; HO-1 (ang. heme oxygenase) — oksygenaza hemowa-1; IFNγ (ang. interferon γ) — interferon γ; IL (ang. interleukin) — interleukina; MAPK (ang. mitogen activated protein kiases) — kinazy aktywowane mitogenami; MCP-1 (ang. monocyte chemotactic protein-1) — białko chemotaktyczne monocytów-1; MIP-1β (ang. macrophage inflammatory protein-1β) — makrofagowe białko zapalne-1β; MSC (ang. mesenchymal stem cells) — mezenchymalne komórki macierzyste; ROS (ang. reactive oxygen species) — reaktywne formy tlenu; SDF-1α (ang. stromal derived factor-1α) — czynnik pochodzenia stromalnego-1α; sGC (ang. soluble guanylyl cyclase) — rozpuszczalna cyklaza guanylanowa; TNFα (ang. tumor necrosis factor-α) — czynnik martwicy nowotworów-α; VEGF (ang. vascular endothelial growth factor) — czynnik wzrostu śródbłonka naczyń; VSMC (ang. vascular smooth muscle cells) — komórki mięśniówki gładkiej naczyń Podziękowania: Badania autorów dotyczące roli HO-1 finansowane są ze środków na projekty badawcze przyznanych przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego (Iuventus Plus — IP2012 025572) oraz Narodowego Centrum Nauki (Harmonia — NCN 2012/06/M/ NZ1/00008 oraz Maestro — NCN 2012/06/A/ NZ1/00004). 147 Rycina 1. Enzymatyczny rozkład hemu. W obecności dostarczonego przez NADPH elektronu oraz tlenu HO przecina mostek α-metinowy w hemie, uwalniając równomolarne ilości CO, Fe2+ oraz biliwerdyny-IXα. BvR katalizuje następnie redukcję biliwerdyny-IXα do bilirubiny-IXα [161]. leukocytów, hamuje ekspresję genów kodujących cytokiny prozapalne, takich jak czynnik martwicy nowotworów-α (TNFα, ang. tumor necrosis factor-α), IL-1β, IL-6, interferon γ (IFNγ, ang. interferon γ) i makrofagowe białko zapalne-1β (MIP-1β, ang. macrophage inflammatory protein-1β), a zwiększa poziom przeciwzapalnej IL-10 [7]. Inny aspekt działania CO związany z odpowiedzią układu odpornościowego to hamowane dojrzewania komórek dendrytycznych oraz proliferacji limfocytów T [8]. CO reguluje również cykl komórkowy w komórkach śródbłonka, mięśniach gładkich ściany naczynia (VSMC, ang. vascular smooth muscle cells), hepatocytach, makrofagach i kardiomiocytach, przy czym w zależności od typu komórek może działać proproliferacyjnie i antyapoptotycznie (np. w śródbłonkach) lub antyproliferacyjnie i proapoptotycznie (np. w VSMC) [1,9]. Wyniki badań in vitro znajdują potwierdzenie w obserwowanym in vivo protekcyjnym działaniu CO. Udowodniono, że zastosowanie po niedotlenieniu serca związku uwalniającego CO (CORM, ang. CO-releasing molecule) zmniejsza obszar blizny pozawałowej [10], a inhalacje niskimi stężeniami CO chronią płuca przed uszkodzeniami związanymi z hiperoksją [11]. CO postrzegany jest również jako czynnik odpowiedzialny za regulację przez HO-1 ciśnienia krwi u kobiet w ciąży zauważono korelację między niskim poziomem CO a występowaniem nadciśnienia i stanu przedrzucawkowego, zaś u zwierząt wzrost ciśnienia krwi po podaniu inhibitorów aktywności HO-1 [1,12]. Okazuje się ponadto, że CO w sposób kompleksowy wpływa na procesy związane z tworzeniem nowych naczyń krwionośnych. Po pierwsze aktywując p38 nasila proliferację i migrację komórek śródbłonka, a hamuje ich apoptozę [1,13]. Po drugie, CO nasila produkcję czynnika wzrostu śródbłonka naczyń (VEGF, ang. vascular endothelial growth factor) w komórkach mięśni gładkich [14], komórkach śródbłonka [15,16] oraz w kardiomiocytach [17]. Ponadto stymuluje syntezę [17], a przede wszystkim zwiększa stabilizację i aktywność czynnika indukowanego przez hipoksję-1α (HIF-1α, ang. hypoxia inducible factor-1α) [18]. Podobnie, nasila również produkcję czynnika pochodzenia stromalnego-1α (SDF-1, α, ang. stromal derived factor-1α) [17] oraz jest mediatorem jego proangiogennego działania [19]. Wreszcie, poprzez aktywację kinazy Akt i śródbłonkowej syntazy tlenku azotu (eNOS, ang. endothelial nitric oxide synthase) ułatwia mobilizację ze szpiku kostnego komórek progenitorowych śródbłonka (EPC, ang. endothelial progenitor cells), wspomagających tworzenie naczyń krwionośnych de novo [20], najprawdopodobniej głównie na drodze parakrynnej stymulacji neowaskulogenezy [21]. 148 Biliwerdyna i jej zredukowana forma bilirubina przez długi czas postrzegane były jedynie jako końcowe produkty rozkładu hemu, które po uprzednim związaniu z kwasem glukuronowym powinny być jak najszybciej wydalone. W formie niezwiązanej są potencjalnie toksyczne. Nadmiar bilirubiny powoduje fizjologiczną żółtaczkę noworodków, która może przerodzić się w żółtaczką patologiczną, co z kolei może prowadzić do pojawienia się żółtaczki jąder podkorowych mózgu [1]. Późniejsze badania pokazały jednak, że zarówno biliwerdyna, jak i bilirubina, hamują kaskadę dopełniacza, a sama bilirubina ma właściwości przeciwutleniające i może chronić błony lipidowe przed peroksydacją spowodowaną wolnymi rodnikami tlenowymi lub azotowymi [22]. Dzięki temu chroni kardiomiocyty przed apoptozą i poprawia funkcjonowanie serca po niedotlenieniu i reoksygenacji oraz wykazuje właściwości neuroprotekcyjne [1]. Opisano również zdolność bilirubiny i biliwerdyny do hamowania proliferacji limfocytów T, zmniejszania nacieku leukocytarnego, hamowania adhezji leukocytów i osłabiania chemotaksji monocytów, a w efekcie do ochrony przeszczepów przed uszkodzeniem i odrzuceniem [23]. Ponadto biliwerdyna może stymulować produkcję VEGF i IL-8 w keratynocytach [14], a bilirubina hamuje proliferację komórek mięśni gładkich naczyń [24], obniżając ryzyko miażdżycy i choroby wieńcowej [25]. Jony Fe2+, podobnie jak pozostałe produkty rozkładu hemu, mogą być toksyczne reagując z H2O2 prowadzą do powstawania jednej z najbardziej reaktywnych form tlenu, rodnika hydroksylowego (HO.) [1]. Z drugiej jednak strony Fe2+ indukują ekspresję genu kodującego pompę zależną od ATP, która jest odpowiedzialna za selektywną akumulację jonów żelaza w niektórych tkankach oraz obniżenie ich stężenia w innych, co chroni komórki przed apoptozą [1,26]. Co więcej, Fe2+ nasilają syntezę ferrytyny, białka chelatującego jony Fe2+ i działającego cytoprotekcyjnie w komórkach hodowanych w obecności TNFα lub utlenionych lipoprotein o niskiej gęstości (oxLDL, ang. oxidised low density lipoproteins) [26]. REGULACJA SYNTEZY HO-1 Choć zdarza się, że podobnie jak HO-2 także gen kodujący HO-1 ulega w niektórych tkankach ekspresji konstytutywnej, w zdecydowanej większości przypadków jego ekspresja jest niska w warunkach kontrolnych i ulega indukcji po stymulacji różnymi aktywatorami, m.in. w odpowiedzi na traktowanie komórek cytokinami prozapalnymi, erytropoetyną, etanolem, insuliną, metalami ciężkimi, prostaglandynami, promieniowaniem ultrafioletowym, reaktywnymi formami tlenu (ROS, ang. reactive oxygen species), tlenkiem azotu (NO) [27]. Wpływ niedotlenienia zależy natomiast od typu oraz pochodzenia komórek i może prowadzić zarówno do nasilenia, jak i do zmniejszenia poziomu HO-1 [1]. HO-1 jest także opisywana jako białko szoku cieplnego u gryzoni, jednak u ludzi jego synteza nie rośnie w odpowiedzi na wysoką temperaturę [1]. Hem, hemina oraz protoporfiryny IX kobaltu (CoPPIX), cyny (SnPPIX) i cynku (ZnPPIX) również indukują syntezę HO-1, przy czym dwa ostatnie związki są jednocześnie inhibitorami jej aktywności [1,28]. Inne czynniki wpływające na syntezę HO-1 to m.in. hipoksja (w komórkach gryzoni), prostaglandyna J2 czy lipopolisacharyd (LPS, www.postepybiochemii.pl STAT3 i, w przypadku mysiego genu Hmox1, HIF-1α, a zaangażowanie tych czynników transkrypcyjnych w regulację syntezy HO-1 zostało już potwierdzone [1,29,34]. Ostatnio wykazano też, że sama HO-1, której krótsza i pozbawiona końca C nieaktywna enzymatycznie forma jądrowa aktywuje czynnik transkrypcyjny AP-1 [35], wpływa na poziom transkrypcji genu HMOX1 [36]. Rycina 2. Regulacja ekspresji genu kodującego HO-1 na poziomie transkrypcji. W warunkach kontrolnych transkrypcja HMOX1 hamowana jest przez represor Bach1, który wiąże się do sekwencji ARE, uniemożliwiając wiązanie czynników transkrypcyjnych. Stymulacja komórek różnymi czynnikami aktywuje szlaki przekazu sygnału zależne od kinaz MAPK, kinaz białkowych A i C, kinazy PI3K/Akt, co prowadzi do: 1) dysocjacji inhibitora Bach1 od sekwencji ARE; 2) rozpadu cytoplazmatycznego kompleksu Nrf2/Keap1 i translokacji Nrf2 do jądra, gdzie po asocjacji z białkami Maf wiąże się do sekwencji ARE; 3) aktywacji innych czynników transkrypcyjnych i ich wiązania z odpowiednimi sekwencjami w promotorze HMOX1; 4) transkrypcji HMOX1, prowadzącej do powstania enzymu HO-1, który na skutek cięcia enzymatycznego może być przekształcany w krótszą, jądrową formę HO-1, nasilającą aktywność AP1. W komórkach ludzkich poziom transkrypcji zależy ponadto od liczby powtórzeń GT w promotorze HO-1 [1,27,29]. ang. lipopolisacharide) [27,29]. W zależnym od nich procesie aktywacji syntezy HO-1 zaangażowane są m.in. szlak przekazywania sygnału zależny od p38, jak również kinazy ERK, c-Jun, PI3K/Akt oraz kinazy białkowe C (PKC, ang. protein kinase C) i A (PKA) [27,29]. Niewiele istnieje natomiast inhibitorów syntezy HO-1, hamujący efekt wywiera np. deferoksamina (DFX, ang. desferoxamine) lub w niektórych warunkach hipoksja [30]. Ostatnie badania sugerują, że nowym czynnikiem obniżającym syntezę HO-1 jest kwas walproinowy [31]. Regulacja ekspresji genu kodującego HO-1 na poziomie transkrypcji odbywa się głównie poprzez aktywację czynnika transkrypcyjnego Nrf2 (Nrf2, ang. nuclear factor erythroid 2-related factor-2) [32] (Ryc. 2). Oddysocjowanie inhibitora Keap1 (ang. Kelch-like associating protein 1) umożliwia translokację do jądra, gdzie Nrf2 tworzy kompleks z małymi białkami Maf i wiąże się do sekwencji wiążącej czynniki przeciwutleniające (ARE, ang. antioxidant reponsive element) w promotorze HO-1. Represorem transkrypcji HO-1 jest natomiast czynnik Bach1, w normalnych warunkach asocjujący z białkami Maf i blokujący sekwencję ARE [1,27,29,33]. Ponadto, w promotorze genu HMOX1 znajdują się miejsca wiązania dla AP-1, NFkB, Postępy Biochemii 61 (2) 2015 W komórkach ludzkich synteza HO-1 jest dodatkowo zależna od polimorfizmu promotora. W promotorze genu HMOX1, około 250 par zasad powyżej miejsca startu transkrypcji znajduje się bowiem różna (od n = 11 do n = 40) liczba powtórzeń GT, negatywnie wpływających na transkrypcję. Okazuje się, że obecność dłuższych sekwencji powtórzeń GT (n ≥ 29) koreluje z niższą zawartością HO-1, podczas gdy posiadanie allelu krótkiego, o n ≤ 23, wiąże się z wyższym poziomem HO-1 w warunkach kontrolnych oraz indukcją syntezy w odpowiedzi na CoPPIX, LPS, H2O2 czy prostaglandynę J2 (PGJ2, ang. prostaglandin-J2) [37]. Wykazano przy tym, że komórki śródbłonka z allelem krótkim HO-1 mają lepszy status oksydoredukcyjny mierzony stosunkiem stężenia zredukowanej i utlenionej formy glutationu, lepiej przeżywają w warunkach stresu oksydacyjnego, efektywniej proliferują w odpowiedzi na VEGF i produkują mniej niektórych cytokin prozapalnych [37]. Polimorfizm promotora HO-1 wykazuje rozkład bimodalny, co koreluje z zapadalnością na choroby układu krążenia i nowotwory, brak allelu krótkiego HO-1 zwiększa ryzyko wystąpienia choroby niedokrwiennej serca u pacjentów chorych na cukrzycę oraz gruczolakoraka płuc, żołądka i raka płaskonabłonkowego jamy ustnej [1,38]. HO-1 JAKO REGULATOR FIZJOLOGII KOMÓREK PROLIFERACJA Wpływ jaki HO-1 wywiera na proliferację w dużej mierze zależy od typu badanych komórek, może ona zarówno nasilać, jak i hamować ten proces. Wykazano na przykład, że w przypadku raka piersi lub raka prostaty farmakologiczna lub genetyczna indukcja HO-1 zmniejszała tempo podziałów komórkowych [39,40]. Ponadto HO-1 hamowała proliferację komórek raka wątrobokomórkowego [41] oraz komórek nabłonka [42], mezangialnych komórek nerki [43] i astrogleju [44]. Podobny efekt wywierała też na limfocyty T, co zostało potwierdzone w doświadczeniach z wykorzystaniem chemicznej indukcji HO-1 [45] lub zahamowania jej aktywności [46]. Mediatorem tego efektu jest CO, który w sposób niezależny od cGMP obniża w sposób zależny od p21 poziom IL-2 [47]. Najszerzej w literaturze opisane jest jednak antyproliferacyjne działanie HO-1 w komórkach mięśni gładkich. Efekt taki wykazano dla VSMC w doświadczeniach in vitro, potwierdzając go poprzez użycie farmakologicznego i genetycznego hamowania HO-1 [1]. Zmniejszenie proliferacji VSMC i towarzyszące mu obniżenie ryzyka miażdżycy opisano również in vivo u myszy [48], szczurów [49] i świń [50]. Choć pojawiają się doniesienia dotyczące mięśni gładkich układu oddechowego (HASMC, ang. human airway smooth muscle cell), sugerujące znaczenie biliwerdyny jako mediatora działania HO-1 [51], znacznie częściej za cząsteczkę efektorową uważa się CO. Wykazano, iż inhalacja CO hamowała proliferację HASMC poprzez obniżanie aktywacji kinaz ERK1/2, a oś HO-1/CO działała antyproliferacyjnie w 149 szoną lub obniżoną proliferacją keratynocytów. STRES OKSYDACYJNY I APOPTOZA Rycina 3. Regulacja przez HO-1 procesów komórkowych. W kwadratach umieszczono bezpośrednie i pośrednie mediatory działania HO-1 oraz ich białka efektorowe. Dokładny opis zamieszczono w tekście pracy. VSMC w sposób pośredni, zależny od aktywności sGC, poprzez obniżanie syntezy mitogenu ET-1 i płytkowego czynnika wzrostu (PDGF-B, ang. platelet-derived growth factor-B) w komórkach śródbłonka. Ponadto, bezpośredni wpływ HO-1 i CO na cykl komórkowy VSMC wynikał z niezależnego od cGMP nasilenia syntezy białka p21, osłabienia fosforylacji pRb oraz obniżenia poziomu cykliny A i aktywności kinazy cyklinozależnej-2 (Cdk2, ang. cyclin dependent kinase-2) [1,13]. Odwrotny efekt HO-1 wykazano w ludzkich komórkach śródbłonkowych żyły pępowinowej (HUVEC, ang. human umbilical vein endothelial cells), gdzie obniżona aktywność HO-1 po traktowaniu SnPPIX hamowała proliferację indukowaną przez VEGF, w sposób zależny od produkcji CO [16]. Co ciekawe, wydaje się, że i w tym przypadku HO-1 reguluje poziom i aktywność białek wpływających na cykl komórkowy. Wykazano między innymi, że obniża poziom p21 i p27 [52]. Może działać również pośrednio, poprzez nasilenie produkcji VEGF, czynnika wzrostu pochodzenia wątrobowego (HDGF, ang. hepatic derived growth factor) oraz naskórkowego czynnika wzrostu (EGF, ang. epidermal growth factor) [52]. Długotrwała nadprodukcja HO-1 w komórkach HUVEC wywierała jednak efekt antyproliferacyjny, zależny od obniżonej aktywności eNOS [53]. Promowanie proliferacji poprzez aktywację HO-1 opisano również in vivo w komórkach raka trzustki, płuc, naczyniaka, wątrobiaka, mięsaka i czerniaka [54]. Ponadto nie tylko wykazano podwyższony poziom HO-1 w szybko dzielących się keratynocytach, podczas gojenia ran [55] czy w trakcie rozwoju łuszczycy [56], ale potwierdzono również, że zahamowanie aktywności HO-1 [55] lub podniesienie poziomu jej syntezy [57] koreluje odpowiednio ze zwięk- 150 Pierwsze badania wykazujące cytoprotekcyjne działanie HO-1 pojawiły się na początku lat dziewięćdziesiątych i dotyczyły ochrony fibroblastów przed promieniowaniem ultrafioletowym [58], nerek przed skutkami rabdomiolizy [59] oraz śródbłonka przed stresem oksydacyjnym [60]. Od tego czasu wielokrotnie wskazywano, że HO-1 hamuje apoptozę. Jej działanie polega m.in. na usuwaniu ze środowiska hemu, który jest związkiem indukującym apoptozę i powodującym produkcję ROS w reakcji Fentona [61]. Niekorzystne działanie hemu niwelowane jest też na inne sposoby. CO blokując utlenianie Fe2+ w grupie hemowej hamuje jego efekty prooksydacyjne [62], a wywołana przez hem peroksydacja lipidów może być także wstrzymywana przez bilirubinę [61]. HO-1 wpływa na wewnątrzkomórkowy szlak apoptozy ułatwiając przywracanie prawidłowych wartości potencjału błony mitochondrialnej [63], przy czym CO blokuje uwalnianie cytochromu c z mitochondriom do cytoplazmy [64]. Cytoprotekcyjne działanie HO-1 lub jej produktów przypisywane jest również zależnej od kinazy Akt modulacji syntezy białek wewnątrzkomórkowego szlaku apoptozy [65,66]. Zmniejszenie stosunku ilościowego proapoptotycznych białek Bax lub Bad do antyapoptotycznego białka Bcl2 pod wpływem HO-1 lub CO opisano w komórkach nowotworowych [65], kardiomiocytach [67], śródbłonku [64] oraz podocytach [68]. Towarzyszył temu wzrost poziomu inhibitora apoptozy (IAP2, ang. inhibitor of apoptosis) [69] lub spadek syntezy kaspazy 3 [67,68]. Podobny efekt uzyskano w wyniku nadprodukcji HO-1 w komórkach nerki [70] oraz hepatocytach [71]. Ponieważ niedobór HO-1 prowadzi do długotrwałego stresu oksydacyjnego, nasilonej peroksydacji lipidów oraz większej wrażliwości komórek na apoptozę wywołaną H2O2 [72] uważa się, że cytoprotekcyjne działanie HO-1 wiąże się z jej właściwościami antyoksydacyjnymi. Wielokrotnie opisywano, iż HO-1 chroni VSMC, komórki śródbłonka [1,73] oraz hematopoetyczne (HSC, ang. hematopoietic stem cells) i mezenchymalne komórki macierzyste (MSC, ang. mesenchymal stem cells) [74-76] przed różnymi formami ROS. Przekłada się to na obserwowane in vivo protekcyjne działanie HO-1 w płucach poddanych hiperoksji [11], w sercu narażonym na niedotlenienie i reoksygenację [77] oraz w przeszczepionych kardiomiocytach, MSC oraz mioblastach [75,76]. Zahamowanie syntezy HO-1 nasila natomiast peroksydację lipidów błonowych oraz wywołuje apoptozę www.postepybiochemii.pl śródbłonka u myszy [78] i ludzi [37], zwiększając przy tym ryzyko choroby wieńcowej serca [1,79]. Uważa się również, że wzrost zawartości HO-1 w odpowiedzi na niektóre związki chemoprewencyjne (np. siarczek diallilu), może mieć znaczenie antyoksydacyjne i co za tym idzie protekcyjne, i być jednym z mechanizmów antynowotworowego działania w komórkach wątroby [80]. Wreszcie, obniżony poziom HO-1 zwiększa wrażliwość na chemiczne karcinogeny, a efekt ten można przypisać m.in. przeciwutleniającym właściwościom enzymu [81]. Antyoksydacyjne działanie HO-1 może wynikać z hamowania produkcji anionorodnika ponadtlenkowego (O2.-) [64], ale najczęściej wiązane jest z przeciwutleniającymi właściwościami biliwerdyny i bilirubiny, które do swojego działania wymagają aktywacji BvR i kinaz PI3K/Akt [65,82]. Co ciekawe, również CO wydaje się mieć istotne znaczenie w hamowaniu apoptozy wywołanej przez ROS, modulując m.in. poziom kaspaz, co sugerują badania wykonane na komórkach układu nerwowego [83], hepatocytach [84], kardiomiocytach [85] i komórkach śródbłonka [64] oraz poddanych hiperoksji płucach [86]. Wykazano też, że HO-1 wpływa na syntezę innych białek efektorowych związanych bezpośrednio z indukcją lub hamowaniem apoptozy wywołanej przez ROS, obniża bowiem poziom p53 [87], a podnosi produkcję Bcl-xl [74]. Może także działać cytoprotekcyjnie, nasilając syntezę ferrytyny, która wiąże wolne jony żelaza i utlenia jony Fe2+, obniżając produkcję ROS i chroniąc komórki oraz narządy przed stresem oksydacyjnym [88]. HO-1 chroni również kardiomiocyty [89,90], komórki trzustki [91], komórki ostrej białaczki szpikowej [92] oraz komórki przeszczepianej wątroby [93] przed apoptozą wywołaną przez TNFα lub czynniki aktywujące receptor Fas [1]. Doświadczenia przeprowadzone na komórkach śródbłonka pomogły określić mechanizm obserwowanego zjawiska, w tym istotną rolę CO, który poprzez stymulację kinazy p38 i indukcję NFkB nasila ekspresję genów antyapoptotycznych A1, A20, c-IAP2 [1,66]. Antyapoptotyczne działanie HO-1 opisano także w fibroblastach [94] i osteoblastach [95], choć tu szlak przekazu sygnału wydaje się być zależny od sGC. Co ciekawe, obniżony poziom syntezy TNFα i towarzyszącą mu redukcję aktywności NFkB i AP1 zaobserwowano w sercach królików poddanych niedotlenieniu i farmakologicznej stymulacji HO-1, a odwrócenie tego efektu uzyskano stosując SnPPIX [96]. Istnieją również doniesienia, że to aktywacja kinazy Akt konieczna jest do hamowania apoptozy wywołanej przez TNFα, poprzez podwyższenie syntezy Bcl-xL i Bcl-2, a obniżenie Bak, Bax i kaspazy 33 [65,97,98]. Można wreszcie przypuszczać, że HO-1 hamuje syntezę receptora Fas, ponieważ taki właśnie skutek wywołuje CO poprzez stymulację p38 w komórkach śródbłonka podczas anoksji [99]. Antyapoptotyczne i cytoprotekcyjne działanie HO-1 ma istotne znaczenie kliniczne, hamując uszkodzenia śródbłonka w cukrzycy, zmniejszając ryzyko choroby wieńcowej i chroniąc narządy przed skutkami niedotlenienia [1,13,100,101]. Co więcej, zwiększona zawartość HO-1 podczas transplantacji serca lub też przy wszczepianiu do pozawałowego mięśnia sercowego kardiomiocytów lub MSC zwiększa przeżywalność komórek i prawdopodobieństwo udanego przeszczepu [75,89,90]. Z drugiej jednak strony Postępy Biochemii 61 (2) 2015 HO-1 działa również antyapoptotyczne w wielu typach komórek nowotworowych, zwiększając ich oporność na terapię. Zaobserwowano, że obniżona produkcja ROS skutkowała mniejszą śmiertelnością komórek raka płuc podczas terapii cisplatyną, a genetyczne lub farmakologiczne hamowanie aktywności HO-1 zwiększało skuteczność chemioterapii, radioterapii czy też terapii fotodynamicznej w komórkach przewlekłej białaczki szpikowej, raka okrężnicy, gruczolakoraka, raka trzustki i raka pęcherza [54,102]. Co więcej, zmniejszenie aktywności HO-1 nawet bez równoczesnego stosowania klasycznych terapii przeciwnowotworowych spowalniało wzrost wątrobiaka u szczurów oraz mięsaka, czerniaka, raka płuc i raka trzustki u myszy [54,102]. Należy jednak pamiętać, że w szczególnych przypadkach HO-1 może stymulować apoptozę. Taki efekt zaobserwowano w fibroblastach i kardiomiocytach, a przypisuje się go nasilonej produkcji ROS spowodowanej zbyt wysokim stężeniem uwalnianych przez HO-1 jonów żelazawych [1]. Potwierdzają to doniesienia o zwiększonej śmiertelności neuronów po aktywacji HO-1 [103], której towarzyszy zahamowanie apoptozy astrocytów, wykazujących, w przeciwieństwie do neuronów, wysoką zawartość ferrytyny [104]. ZAPALENIE I MODULACJA ODPOWIEDZI IMMUNOLOGICZNEJ Na znaczenie HO-1 w organizmie wskazuje następująca obserwacja. U osobników Hmox1-/- rozwija się chroniczna reakcja zapalna, charakteryzująca się m.in. podwyższoną liczbą limfocytów, a w jeszcze większym stopniu monocytów i granulocytów we krwi obwodowej ([105]), monocytów i makrofagów w śledzionie, oraz naciekiem leukocytarnym zdrowych tkanek [72]. Podobnie u ludzi, brak HO-1 lub jej zmniejszona zawartość wiążą się z nasileniem produkcji cytokin prozapalnych oraz z aktywacją układu odpornościowego [1]. Przeciwzapalne działanie HO-1 wynika przede wszystkim z usuwania wolnego hemu, który jest silnym aktywatorem produkcji cytokin prozapalnych w monocytach, makrofagach oraz granulocytach, nasilającym naciekanie tkanek przez leukocyty [7]. Monocyty i makrofagi wykazują silną indukcję HO-1 podczas reakcji zapalnej, a parakrynna stymulacja jej syntezy przez komórki ulegające apoptozie odpowiada za pojawienie się przeciwzapalnego fenotypu makrofagów [7]. Co więcej, farmakologiczna [106] lub genetyczna [107] indukcja HO-1 prowadzi do zmniejszenia syntezy IL-1b, TNFα i IL-6. Synteza tych cytokin oraz białka chemotaktycznego monocytów-1 (MCP-1, ang. monocyte chemotactic protein-1) jest natomiast nasilona w makrofagach izolowanych z myszy Hmox1/[108]. Z kolei transdukcja makrofagów wektorami adenowirusowymi zawierającymi transgen HO-1 (AdHO-1), nie tylko zmienia profil produkowanych cytokin, ale także hamuje syntezę błonowych receptorów Toll-podobnych (TLR4, ang. Toll-like receptor 4) i co za tym idzie wycisza szlak pierwotnej reakcji odpornościowej [109]. Ponadto HO-1 może zwiększać produkcję przeciwzapalnej IL-10 [107] oraz jest konieczna do jej prawidłowego działania in vitro i in vivo [7,107]. Indukcja HO-1 działa przeciwzapalnie także w komórkach śródbłonka, w których obniża nasiloną przez TNFα, hem lub oxLDL syntezę chemoatraktantów (MCP-1 i MIP-1b) oraz 151 adhezyn: E-selektyny, cząsteczki adhezyjnej ściany naczyń, VCAM-1 (ang. vascular cell adhesion molecule-1) i międzykomórkowej cząsteczki adhezyjnej, ICAM-1 (ang. intercellular adhesion molecule-1) [7]. Wyniki te zostały potwierdzone w doświadczeniach wykorzystujących komórki śródbłonka izolowane z myszy Hmox1-/-, mających wyższy niż komórki kontrolne poziom adhezyn [110]. Wskazują też, że HO-1 nie tylko obniża aktywację śródbłonka, ale także zmniejsza in vivo infiltrację tkanek przez komórki układu odpornościowego [7]. Największe znacznie w przeciwzapalnym działaniu HO-1 przypisuje się CO i jego wpływowi na syntezę cytokin zależną od p38, który potwierdzono w makrofagach i monocytach zarówno in vitro, jak i in vivo [7]. Podobny mechanizm może być istotny również w komórkach śródbłonkowych, w których jednak zwraca się uwagę także na przeciwzapalne działanie bilirubiny lub biliwerdyny [111]. HO-1 reguluje też nabytą odpowiedź immunologiczną i to być może już na jej pierwszym etapie, prezentacji antygenu przez komórki dendrytyczne. Wyniki farmakologicznej aktywacji HO-1 sugerowały, że zarówno sam enzym [7,45], jak i produkty jego działania [8,112] hamują aktywację mysich, szczurzych i ludzkich komórek dendrytycznych. Nasze badania przeprowadzone na komórkach wyizolowanych z myszy Hmox1-/- wskazują jednak, iż wpływ farmakologicznego aktywatora HO-1 (CoPPIX) na komórki dendrytyczne jest niespecyficzny i niezależny od HO-1 [113]. HO-1 obniża aktywację i proliferację limfocytów T pomocniczych i cytotoksycznych oraz indukuje ich apoptozę [7]. Prowadzi to między innymi do hamowania odpowiedzi immunologicznej po transplantacji narządów [23,114]. Wydaje się również, że HO-1 odgrywa rolę w funkcjonowaniu limfocytów T regulatorowych. Pierwsze prace opisywały istotny wpływ na ich właściwości supresorowe i interakcje z limfocytami efektorowymi [115]. Co więcej, wydaje się, że HO-1 jest antygenem indukującym powstawanie subpopulacji CD8+ limfocytów regulatorowych i w ten sposób wykazuje działanie immunosupresyjne u pacjentów cierpiących na nowotwory [116]. Późniejsze badania sugerują jednak, że HO-1 raczej tylko hamuje proliferację limfocytów T regulatorowych [46,117], a nawet nie ma w ogóle wpływu na funkcjonowanie tego typu komórek [118]. Znaczenie terapeutyczne immunomodulacyjnego działania HO-1 zostało potwierdzone w różnych modelach. Przede wszystkim HO-1 może być mediatorem przeciwzapalnego działania niektórych leków: aspiryny, rapamycyny oraz w niektórych warunkach atorwastatyny i simwastatyny [1,119], a jej aktywacja może prowadzić do wygaszenia stanu zapalnego i immunosupresji w nowotworach [92,120]. W chorobach autoimmunologicznych CoPPIX obniżała poziom cytokin prozapalnych (IL-1b, IL-6, TNFα), a podnosiła stężenia IL-10 i IL-17 w surowicy [45,121,122]. Należy jednak przy tym pamiętać, o niezależnym od HO-1 działaniu CoPPIX, które wskazują m.in. nasze badania [113]. Niezwykle ważne jest również immunomodulacyjne działanie HO-1, prowadzące do indukcji tolerancji dla przeszczepianych narządów i komórek. Iniekcja MSC z nadprodukcją HO-1 do mięśnia sercowego lub indukcja HO-1 w kardiomiocytach zmniejszała produkcję IL-1b, TNFα oraz ograniczała naciek leukocytar- 152 ny w przeszczepianym sercu [123-125]. Immunosupresyjne działanie HO-1 związane było także z hamowaniem proliferacji limfocytów T i indukcją IL-10, co wykazano podczas transplantacji serca [126], embrionalnych komórek macierzystych [82], MSC [127,128]. Ponadto, obecność HO-1 w makrofagach zmniejsza odczyn zapalny w blaszce miażdżycowej [129], a niewydajna indukcja HO-1 wynikająca z braku krótkiego allelu promotora koreluje z nasilonym zapaleniem w ścianie naczynia po zabiegu angioplastyki [1,101]. ANGIOGENEZA Angiogeneza, czyli proces tworzenia nowych kapilar z już istniejących naczyń i waskulogeneza, czyli formowanie kapilar de novo, są procesami regulowanymi przez HO-1 na wielu etapach [1,13]. HO-1 stymuluje syntezę czynnika proangiogennego SDF-1α [17,19,76] oraz aktywność HIF1α [17], nasilających proliferację, migrację i tworzenie tubul przez dojrzałe komórki śródbłonka. W niektórych układach doświadczalnych zaobserwowano również wzrost poziomu IL-8, np. w proksymalnych komórkach nabłonkowych nerki oraz komórkach śródbłonka wyizolowanych z żyły pępowinowej [1]. Doświadczenia naszej grupy nie potwierdzają jednak takiej zależności w śródbłonku mikronaczyń [130]. Wykazano także, że komórki wyizolowane z myszy Hmox1-/- mają wyższy poziom czynników antyangiogennych, rozpuszczalnego receptora dla VEGF oraz rozpuszczalnej endogliny [131]. Przede wszystkim jednak HO-1 wpływa na tworzenie naczyń krwionośnych poprzez indukcję VEGF w komórkach śródbłonka, kardiomiocytach, MSC, keratynocytach i fibroblastach oraz w komórkach nowotworowych (m.in. w nowotworze pęcherza moczowego) [1,132-134]. Dopiero niedawno jednak udało się wyjaśnić dokładny mechanizm obserwowanej indukcji. Wykazano, że fosforylacja czynnika transkrypcyjnego Sp1 przez kinazę p38 powoduje zależną od osi HO-1/CO syntezę VEGF w kardiomiocytach [134], choć już wcześniej sugerowano, że to właśnie CO ma najistotniejsze znaczenie spośród produktów rozkładu hemu w proangiogennym działaniu HO-1 [16]. Co ciekawe, VEGF może również nasilać syntezę HO-1, a wzrost ten jest konieczny do jego prawidłowego działania [135]. Choć HO-1 indukowana jest również w toku angiogenezy związanej z odczynem zapalnym [55,136], to jej rola w tym przypadku jest podwójna. Nasila bowiem angiogenezę zależną od VEGF, ale hamuje angiogenezę wynikającą z rozwijającego się zapalenia [135]. Poprzez zwiększenie syntezy czynników HO-1 zwiększa proliferację i migrację komórek śródbłonka oraz nasila tworzenia tubul w tych komórkach. Efekt ten jest dodatkowo wzmacniany przez antyapoptotyczne działanie HO-1, a zależy od produkcji tlenku węgla [1,13,101]. Ponadto brak HO-1 w rozwoju embrionalnym u myszy powoduje niższą przeżywalność płodów [137], którą można poprawić stosując CO [138]. Badania in vitro zostały potwierdzone w modelach in vivo. Wywołanie nadekspresji genu kodującego HO-1 w niedotlenionym mięśniu szkieletowym [75] oraz farmakologiczne podwyższenie poziomu tego białka [17] zwiększały liczbę nowych naczyń krwionośnych oraz przyspieszały regenerację niedotlenionej tkanki. Natomiast u myszy Hmox1-/-, podobnie jak w www.postepybiochemii.pl wyniku farmakologicznego zahamowania aktywności HO-1, obserwowano opóźnione gojenie się ran, co związane było z zahamowaną angiogenezą [55] oraz zaburzoną regeneracją przepływu krwi po niedotlenieniu [73]. Co ciekawe, wydaje się, że zwiększenie poziomu HO-1 w obrębie niedotlenionego mięśnia nie jest warunkiem koniecznym aby wykorzystać jej proangiogenny efekt. Możliwa jest terapia z wykorzystaniem pożywek kondycjonowanych znad progenitorowych komórek mięśniowych lub komórek EPC, wykazujących zwiększony poziom HO-1. Pożywki takie zawierają mieszaninę czynników wzrostowych (głównie SDF-1α), zdolnych istotnie przyśpieszyć regenerację przepływu krwi w niedotlenionym mięśniu myszy cukrzycowych [105,139]. Możliwe iż będzie to bezpieczniejsza forma wykorzystania proangiogennych właściwości HO-1, zwłaszcza że nasilanie angiogenezy przez ten enzym może też przynosić negatywne skutki. HO-1 zwiększa bowiem gęstość naczyń w nowotworach, ułatwiając ich przerzutowanie [54,102,132], oraz w obrębie blaszki miażdżycowej, mogąc przyczyniać się do jej rozwoju [140]. Hamowanie różnicowania przez HO-1 wykazano też w badaniach pierwotnych prekursorów osteoblastów i osteoklastów, w których obserwowano obniżoną mineralizację tkanki po stymulacji komórek heminą [150,151] lub indukcji syntezy HO-1 za pomocą AdHO-1 [150]. HO-1 obniżała z jednej strony poziom znaczników różnicowanych osteoblastów (osteokalcyny, czynnika transkrypcyjnego RUNX2 i fosfatazy alkalicznej) [150], a z drugiej, poziom receptorów dla czynników stymulujących ich dojrzewanie oraz poziom cząsteczek sygnałowych odpowiedzialnych za inicjowanie osteogenezy [150,151]. Badania ostatnich lat wykazały istotną rolę HO-1 w funkcjonowaniu EPC, wpływających na tworzenie naczyń krwionośnych de novo w dojrzałym organizmie [1,101]. HO-1 nie tylko nasila syntezę SDF-1α, indukującego mobilizację EPC [17], ale jest konieczna do jego prawidłowego działania [19]. W związku z tym myszy Hmox1-/- mobilizują komórki EPC do krwi obwodowej po niedotlenieniu kończyny tylnej nieefektywnie [141]. Co więcej komórki te mają na tyle zaburzoną migrację [19] oraz różnicowanie w kierunku dojrzałych komórek śródbłonkowych [142], że nie są w stanie wbudować się w nowo powstające naczynia krwionośne in vivo, w przeciwieństwie do komórek pochodzących z kontrolnych myszy typu dzikiego [19]. Efekt ten może odwrócić wprowadzenie HO-1 do EPC przy użyciu AdHO-1 [141] lub stymulacja komórek in vitro donorem CO [19]. Również zwiększenie syntezy HO-1 po podaniu CoPPIX poprawia zaburzoną mobilizację komórek EPC do krwi obwodowej u zwierząt cukrzycowych [143], co być może wiąże się z przywróceniem produkcji VEGF, obniżonej w warunkach wysokiego stężenia glukozy [144]. Ukazały się jednak również publikacje, pokazujące nasilający osteogenezę wpływ HO-1 podczas różnicowania w kierunku osteoblastów MSC stymulowanych CoPPIX [148,152]. Sugerowany mechanizm związany jest z hamowaniem przez HO-1 produkcji ROS i syntezy PPARγ oraz indukcją syntezy kinazy zależnej od adenozynomonofosforanu (AMPK, ang. adenosine monophosphate-activated protein kinase) i eNOS, odpowiedzialnych za nasilanie produkcji białka morfogenetycznego kości-2 (BMP-2, ang. bone morofogenetic protein-2), osteokalcyny, osteonektyny i osteoprotegeryny [148,152]. Również wyniki badań mineralizacji i dojrzewania komórek miazgi zęba pokazały, że HO-1 nasila syntezę znaczników osteogenezy, a mediatorem tego działania może być CO [153,154]. Powody rozbieżności wyników nie są jeszcze wyjaśnione. Co więcej, istnieją też publikacje pokazujące, że genetyczna nadekspresja genu kodującego HO-1 [155] lub jej brak w komórkach MSC wyizolowanych z myszy Hmox1-/- [156] nie wpływa na różnicowanie w kierunku komórek tkanki kostnej i tłuszczowej. RÓŻNICOWANIE W ostatnich latach pojawia się coraz więcej informacji dotyczących roli HO-1 w dojrzewaniu komórek progenitorowych. Biorąc pod uwagę antyoksydacyjne właściwości HO-1 oraz fakt, że z jednej strony ROS powodują hamowanie różnicowania [145] i samoodnowę populacji komórek progenitorowych [146], a z drugiej indukują powstawanie np. komórek mięśni gładkich [147], można sądzić, że regulacja różnicowania komórek przez HO-1 jest kompleksowa, tkankowo-specyficzna i może bezpośrednio wiązać się z modulacją stresu oksydacyjnego. Okazuje się, że farmakologicznie indukowana HO-1 hamuje różnicowanie pochodzących ze szpiku kostnego ludzkich MSC w kierunku adipocytów [148,149], dzięki podwyższeniu syntezy adiponetyny [149] oraz obniżeniu poziomu receptora aktywowanego proliferatorami peroksysomów-γ (PPARγ, ang. peroxisome proliferator-activated receptor-γ) [148]. Postępy Biochemii 61 (2) 2015 Co ciekawe, podobny efekt wywierała bilirubina i CORM, a ZnPPIX odwracała efekt działania HO-1 [150], wskazując na znaczenie aktywności enzymatycznej. Na podstawie uzyskanych wyników autorzy postulowali, że HO-1 odgrywa istotną rolę w zapobieganiu uszkodzeniom kości wynikającym ze stanu zapalnego, charakterystycznym dla pacjentów chorych na reumatoidalne zapalenie stawów [151]. Nasze ostatnie badania wykazały, iż HO-1 ma silny wpływ na dojrzewanie mięśniowych komórek progenitorowych (komórek satelitarnych oraz mioblastów). Wykazaliśmy, iż jej zwiększony poziom obniża zawartość czynnika transkrypcyjnego MyoD odpowiedzialnego za inicjowanie różnicowania, a efekt ten naśladuje CO poprzez zahamowanie aktywności regulującego ekspresję genu kodującego MyoD - czynnika c/EBPd. Co ciekawe, HO-1 wpływa na różnicowanie również poprzez obniżenie ekspresji grupy mięśniowo specyficznych miRNA, tzw. miomirów, których przejściowo podwyższona ekspresja konieczna jest do prawidłowego powstawania wielojądrzastych komórek mięśniowych [76]. Wpływ HO-1 na różnicowanie innych typów komórek jest jeszcze słabiej poznany. Sugerowano, że HO-1 nasila dojrzewanie komórek ostrej białaczki szpikowej [157] oraz komórek dendrytycznych w śledzionie [158], choć istnieją doniesienia postulujące brak takiej zależności [113]. Wydaje się również, że obniżenie poziomu HO-1 prowadzące do hamowania p21 przyczynia się do nasilenia hematopoezy [159], a spadająca stopniowo zawartość HO-1 podczas doj- 153 rzewania komórek nerwowych może sugerować jej potencjalne znaczenie także w tym procesie [160]. PODSUMOWANIE HO-1 wpływa na tak kluczowe dla funkcjonowania komórek procesy jak proliferacja, apoptoza, różnicowanie, odpowiedź zapalna czy angiogeneza (Ryc. 3). Nic więc dziwnego, że zaburzenia jej aktywności wiążą się z chorobami takimi jak cukrzyca, nadciśnienie, miażdżyca, reumatoidalne zapalenie stawów czy łuszczyca. Coraz częściej HO-1 wymieniana jest również jako białko odpowiedzialne za nasilenie procesów nowotworowych, a z drugiej strony jako mediator działania leków przeciwzapalnych i chemoprewencyjnych oraz enzym zwiększający przeżywalność komórek i narządów po przeszczepach. Potencjalne zastosowanie HO-1 we wszystkich tych aspektach medycznych wymaga jednak dokładnego określenia jej wpływu w badanym układzie eksperymentalnym, gdyż efekty jej działania często różnią się w zależności od typu badanych komórek. PIŚMIENNICTWO 1. Loboda A, Jazwa A, Grochot-Przeczek A, Rutkowski AJ, Cisowski J, Agarwal A, Jozkowicz A, Dulak J (2008) Heme oxygenase-1 and the vascular bed: from molecular mechanisms to therapeutic opportunities. Antioxid Redox Signal 10: 1767-1812 2. Prockop LD, Chichkova RI (2007) Carbon monoxide intoxication: an updated review. J Neurol Sci 262: 122-130 3. Piantadosi CA (2008) Carbon monoxide, reactive oxygen signaling, and oxidative stress. Free Radic Biol Med 45: 562-569 4. Naik JS, Walker BR (2003) Heme oxygenase-mediated vasodilation involves vascular smooth muscle cell hyperpolarization. Am J Physiol Heart Circ Physiol 285: H220-228 5. Chen YH, Tsai HL, Chiang MT, Chau LY (2006) Carbon monoxide-induced early thrombolysis contributes to heme oxygenase-1-mediated inhibition of neointimal growth after vascular injury in hypercholesterolemic mice. J Biomed Sci 13: 721-730 6. Chen B, Guo L, Fan C, Bolisetty S, Joseph R, Wright MM, Agarwal A, George JF (2009) Carbon monoxide rescues heme oxygenase-1-deficient mice from arterial thrombosis in allogeneic aortic transplantation. Am J Pathol 175: 422-429 7. Soares MP, Marguti I, Cunha A, Larsen R (2009) Immunoregulatory effects of HO-1: how does it work? Curr Opin Pharmacol 9: 482-489 8. Remy S, Blancou P, Tesson L, Tardif V, Brion R, Royer PJ, Motterlini R, Foresti R, Painchaut M, Pogu S, Gregoire M, Bach JM, Anegon I, Chauveau C (2009) Carbon monoxide inhibits TLR-induced dendritic cell immunogenicity. J Immunol 182: 1877-1884 9. Ryter SW, Kim HP, Hoetzel A, Park JW, Nakahira K, Wang X, Choi AM (2007) Mechanisms of cell death in oxidative stress. Antioxid Redox Signal 9: 49-89 10.Guo Y, Stein AB, Wu WJ, Tan W, Zhu X, Li QH, Dawn B, Motterlini R, Bolli R (2004) Administration of a CO-releasing molecule at the time of reperfusion reduces infarct size in vivo. Am J Physiol Heart Circ Physiol 286: H1649-1653 11.Otterbein LE, Kolls JK, Mantell LL, Cook JL, Alam J, Choi AM (1999) Exogenous administration of heme oxygenase-1 by gene transfer provides protection against hyperoxia-induced lung injury. J Clin Invest 103: 1047-1054 12.Hosick PA, Stec DE (2012) Heme oxygenase, a novel target for the treatment of hypertension and obesity? Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol 302: R207-214 ty modulates vascular endothelial growth factor synthesis in vascular smooth muscle cells. Antioxid Redox Signal 4: 229-240 15.Jozkowicz A, Huk I, Nigisch A, Weigel G, Weidinger F, Dulak J (2002) Effect of prostaglandin-J(2) on VEGF synthesis depends on the induction of heme oxygenase-1. Antioxid Redox Signal 4: 577-585 16.Jozkowicz A, Huk I, Nigisch A, Weigel G, Dietrich W, Motterlini R, Dulak J (2003) Heme oxygenase and angiogenic activity of endothelial cells: stimulation by carbon monoxide and inhibition by tin protoporphyrin-IX. Antioxid Redox Signal 5: 155-162 17.Lakkisto P, Kyto V, Forsten H, Siren JM, Segersvard H, Voipio-Pulkki LM, Laine M, Pulkki K, Tikkanen I (2010) Heme oxygenase-1 and carbon monoxide promote neovascularization after myocardial infarction by modulating the expression of HIF-1alpha, SDF-1alpha and VEGF-B. Eur J Pharmacol 635: 156-164 18.Chin BY, Jiang G, Wegiel B, Wang HJ, Macdonald T, Zhang XC, Gallo D, Cszimadia E, Bach FH, Lee PJ, Otterbein LE (2007) Hypoxia-inducible factor 1alpha stabilization by carbon monoxide results in cytoprotective preconditioning. Proc Natl Acad Sci USA 104: 5109-5114 19.Deshane J, Chen S, Caballero S, Grochot-Przeczek A, Was H, Li Calzi S, Lach R, Hock TD, Chen B, Hill-Kapturczak N, Siegal GP, Dulak J, Jozkowicz A, Grant MB, Agarwal A (2007) Stromal cell-derived factor 1 promotes angiogenesis via a heme oxygenase 1-dependent mechanism. J Exp Med 204: 605-618 20.Wegiel B, Gallo DJ, Raman KG, Karlsson JM, Ozanich B, Chin BY, Tzeng E, Ahmad S, Ahmed A, Baty CJ, Otterbein LE (2010) Nitric oxide-dependent bone marrow progenitor mobilization by carbon monoxide enhances endothelial repair after vascular injury. Circulation 121: 537-548 21.Yoder MC (2013) Endothelial progenitor cell: a blood cell by many other names may serve similar functions. J Mol Med (Berl) 91: 285-295 22.Florczyk UM, Jozkowicz A, Dulak J (2008) Biliverdin reductase: new features of an old enzyme and its potential therapeutic significance. Pharmacol Rep 60: 38-48 23.Ollinger R, Wang H, Yamashita K, Wegiel B, Thomas M, Margreiter R, Bach FH (2007) Therapeutic applications of bilirubin and biliverdin in transplantation. Antioxid Redox Signal 9: 2175-2185 24.Ollinger R, Bilban M, Erat A, Froio A, McDaid J, Tyagi S, Csizmadia E, Graca-Souza AV, Liloia A, Soares MP, Otterbein LE, Usheva A, Yamashita K, Bach FH (2005) Bilirubin: a natural inhibitor of vascular smooth muscle cell proliferation. Circulation 112: 1030-1039 25.Ollinger R, Yamashita K, Bilban M, Erat A, Kogler P, Thomas M, Csizmadia E, Usheva A, Margreiter R, Bach FH (2007) Bilirubin and biliverdin treatment of atherosclerotic diseases. Cell Cycle 6: 39-43 26.Balla J, Vercellotti GM, Nath K, Yachie A, Nagy E, Eaton JW, Balla G (2003) Haem, haem oxygenase and ferritin in vascular endothelial cell injury. Nephrol Dial Transplant 18 Suppl 5: v8-12 27.Ryter SW, Alam J, Choi AM (2006) Heme oxygenase-1/carbon monoxide: from basic science to therapeutic applications. Physiol Rev 86: 583-650 28.Jozkowicz A, Dulak J (2003) Effects of protoporphyrins on production of nitric oxide and expression of vascular endothelial growth factor in vascular smooth muscle cells and macrophages. Acta Biochim Pol 50: 69-79 29.Paine A, Eiz-Vesper B, Blasczyk R, Immenschuh S (2010) Signaling to heme oxygenase-1 and its anti-inflammatory therapeutic potential. Biochem Pharmacol 80: 1895-1903 30.Kitamuro T, Takahashi K, Ogawa K, Udono-Fujimori R, Takeda K, Furuyama K, Nakayama M, Sun J, Fujita H, Hida W, Hattori T, Shirato K, Igarashi K, Shibahara S (2003) Bach1 functions as a hypoxia-inducible repressor for the heme oxygenase-1 gene in human cells. J Biol Chem 278: 9125-9133 13.Dulak J, Deshane J, Jozkowicz A, Agarwal A (2008) Heme oxygenase-1 and carbon monoxide in vascular pathobiology: focus on angiogenesis. Circulation 117: 231-241 31.Kwon KJ, Kim JN, Kim MK, Kim SY, Cho KS, Jeon SJ, Kim HY, Ryu JH, Han SY, Cheong JH, Ignarro LJ, Han SH, Shin CY (2013) Neuroprotective effects of valproic acid against hemin toxicity: possible involvement of the down-regulation of heme oxygenase-1 by regulating ubiquitin-proteasomal pathway. Neurochem Int 62: 240-250 14.Dulak J, Jozkowicz A, Foresti R, Kasza A, Frick M, Huk I, Green CJ, Pachinger O, Weidinger F, Motterlini R (2002) Heme oxygenase activi- 32.Itoh K, Chiba T, Takahashi S, Ishii T, Igarashi K, Katoh Y, Oyake T, Hayashi N, Satoh K, Hatayama I, Yamamoto M, Nabeshima Y (1997) 154 www.postepybiochemii.pl An Nrf2/small Maf heterodimer mediates the induction of phase II detoxifying enzyme genes through antioxidant response elements. Biochem Biophys Res Commun 236: 313-322 33.Florczyk U, Loboda A, Stachurska A, Jozkowicz A, Dulak J (2010) [Role of Nrf2 transcription factor in cellular response to oxidative stress]. Postepy Biochem 56: 147-155 34.Stachurska A, Florczyk U, Jozkowicz A, Dulak J, Loboda A (2010) The new face of factors induced by hypoxia--HIF-1 and HIF-2 and oxidative stress. Postepy Biochem 56: 156-164 35.Lin Q, Weis S, Yang G, Weng YH, Helston R, Rish K, Smith A, Bordner J, Polte T, Gaunitz F, Dennery PA (2007) Heme oxygenase-1 protein localizes to the nucleus and activates transcription factors important in oxidative stress. J Biol Chem 282: 20621-20633 36.Lin QS, Weis S, Yang G, Zhuang T, Abate A, Dennery PA (2008) Catalytic inactive heme oxygenase-1 protein regulates its own expression in oxidative stress. Free Radic Biol Med 44: 847-855 37.Taha H, Skrzypek K, Guevara I, Nigisch A, Mustafa S, Grochot-Przeczek A, Ferdek P, Was H, Kotlinowski J, Kozakowska M, Balcerczyk A, Muchova L, Vitek L, Weigel G, Dulak J, Jozkowicz A (2010) Role of heme oxygenase-1 in human endothelial cells: lesson from the promoter allelic variants. Arterioscler Thromb Vasc Biol 30: 1634-1641 38.Exner M, Minar E, Wagner O, Schillinger M (2004) The role of heme oxygenase-1 promoter polymorphisms in human disease. Free Radic Biol Med 37: 1097-1104 39.Hill M, Pereira V, Chauveau C, Zagani R, Remy S, Tesson L, Mazal D, Ubillos L, Brion R, Asghar K, Mashreghi MF, Kotsch K, Moffett J, Doebis C, Seifert M, Boczkowski J, Osinaga E, Anegon I (2005) Heme oxygenase-1 inhibits rat and human breast cancer cell proliferation: mutual cross inhibition with indoleamine 2,3-dioxygenase. Faseb J 19: 1957-1968 40.Gueron G, De Siervi A, Ferrando M, Salierno M, De Luca P, Elguero B, Meiss R, Navone N, Vazquez ES (2009) Critical role of endogenous heme oxygenase 1 as a tuner of the invasive potential of prostate cancer cells. Mol Cancer Res 7: 1745-1755 41.Sass G, Leukel P, Schmitz V, Raskopf E, Ocker M, Neureiter D, Meissnitzer M, Tasika E, Tannapfel A, Tiegs G (2008) Inhibition of heme oxygenase 1 expression by small interfering RNA decreases orthotopic tumor growth in livers of mice. Int J Cancer 123: 1269-1277 42.Aizawa T, Ishizaka N, Kurokawa K, Nagai R, Nakajima H, Taguchi J, Ohno M (2001) Different effects of angiotensin II and catecholamine on renal cell apoptosis and proliferation in rats. Kidney Int 59: 645-653 51.Taille C, Almolki A, Benhamed M, Zedda C, Megret J, Berger P, Leseche G, Fadel E, Yamaguchi T, Marthan R, Aubier M, Boczkowski J (2003) Heme oxygenase inhibits human airway smooth muscle proliferation via a bilirubin-dependent modulation of ERK1/2 phosphorylation. J Biol Chem 278: 27160-27168 52.Abraham NG, Scapagnini G, Kappas A (2003) Human heme oxygenase: cell cycle-dependent expression and DNA microarray identification of multiple gene responses after transduction of endothelial cells. J Cell Biochem 90: 1098-1111 53.Batzlsperger CA, Achatz S, Spreng J, Riegger GA, Griese DP (2007) Evidence for a possible inhibitory interaction between the HO-1/COand Akt/NO-pathways in human endothelial cells. Cardiovasc Drugs Ther 21: 347-355 54.Jozkowicz A, Was H, Dulak J (2007) Heme oxygenase-1 in tumors: is it a false friend? Antioxid Redox Signal 9: 2099-2117 55.Grochot-Przeczek A, Lach R, Mis J, Skrzypek K, Gozdecka M, Sroczynska P, Dubiel M, Rutkowski A, Kozakowska M, Zagorska A, Walczynski J, Was H, Kotlinowski J, Drukala J, Kurowski K, Kieda C, Herault Y, Dulak J, Jozkowicz A (2009) Heme oxygenase-1 accelerates cutaneous wound healing in mice. PLoS One 4: e5803 56.Hanselmann C, Mauch C, Werner S (2001) Haem oxygenase-1: a novel player in cutaneous wound repair and psoriasis? Biochem J 353: 459466 57.Clark JE, Green CJ, Motterlini R (1997) Involvement of the heme oxygenase-carbon monoxide pathway in keratinocyte proliferation. Biochem Biophys Res Commun 241: 215-220 58.Vile GF, Tyrrell RM (1993) Oxidative stress resulting from ultraviolet A irradiation of human skin fibroblasts leads to a heme oxygenase-dependent increase in ferritin. J Biol Chem 268: 14678-14681 59.Nath KA, Salahudeen AK, Clark EC, Hostetter MK, Hostetter TH (1992) Role of cellular metabolites in progressive renal injury. Kidney Int Suppl 38: S109-113 60.Balla G, Jacob HS, Balla J, Rosenberg M, Nath K, Apple F, Eaton JW, Vercellotti GM (1992) Ferritin: a cytoprotective antioxidant strategem of endothelium. J Biol Chem 267: 18148-18153 61.Seixas E, Gozzelino R, Chora A, Ferreira A, Silva G, Larsen R, Rebelo S, Penido C, Smith NR, Coutinho A, Soares MP (2009) Heme oxygenase-1 affords protection against noncerebral forms of severe malaria. Proc Natl Acad Sci USA 106: 15837-15842 43.Kumar D, Bhaskaran M, Alagappan L, Tori D, Yadav I, Konkimalla S, Magoon S, Singhal PC (2010) Heme oxygenase-1 modulates mesangial cell proliferation by p21 Waf1 upregulation. Ren Fail 32: 254-258 62.Pamplona A, Ferreira A, Balla J, Jeney V, Balla G, Epiphanio S, Chora A, Rodrigues CD, Gregoire IP, Cunha-Rodrigues M, Portugal S, Soares MP, Mota MM (2007) Heme oxygenase-1 and carbon monoxide suppress the pathogenesis of experimental cerebral malaria. Nat Med 13: 703-710 44.Song W, Su H, Song S, Paudel HK, Schipper HM (2006) Over-expression of heme oxygenase-1 promotes oxidative mitochondrial damage in rat astroglia. J Cell Physiol 206: 655-663 63.Foo RS, Siow RC, Brown MJ, Bennett MR (2006) Heme oxygenase-1 gene transfer inhibits angiotensin II-mediated rat cardiac myocyte apoptosis but not hypertrophy. J Cell Physiol 209: 1-7 45.Listopad J, Asadullah K, Sievers C, Ritter T, Meisel C, Sabat R, Docke WD (2007) Heme oxygenase-1 inhibits T cell-dependent skin inflammation and differentiation and function of antigen-presenting cells. Exp Dermatol 16: 661-670 64.Wang X, Wang Y, Kim HP, Nakahira K, Ryter SW, Choi AM (2007) Carbon monoxide protects against hyperoxia-induced endothelial cell apoptosis by inhibiting reactive oxygen species formation. J Biol Chem 282: 1718-1726 46.Burt TD, Seu L, Mold JE, Kappas A, McCune JM (2010) Naive human T cells are activated and proliferate in response to the heme oxygenase-1 inhibitor tin mesoporphyrin. J Immunol 185: 5279-5288 65.Busserolles J, Megias J, Terencio MC, Alcaraz MJ (2006) Heme oxygenase-1 inhibits apoptosis in Caco-2 cells via activation of Akt pathway. Int J Biochem Cell Biol 38: 1510-1517 47.Pae HO, Oh GS, Choi BM, Chae SC, Kim YM, Chung KR, Chung HT (2004) Carbon monoxide produced by heme oxygenase-1 suppresses T cell proliferation via inhibition of IL-2 production. J Immunol 172: 4744-4751 66.Gozzelino R, Jeney V, Soares MP (2010) Mechanisms of cell protection by heme oxygenase-1. Annu Rev Pharmacol Toxicol 50: 323-354 48.Bouche D, Chauveau C, Roussel JC, Mathieu P, Braudeau C, Tesson L, Soulillou JP, Iyer S, Buelow R, Anegon I (2002) Inhibition of graft arteriosclerosis development in rat aortas following heme oxygenase-1 gene transfer. Transpl Immunol 9: 235-238 49.Jeon EM, Choi HC, Lee KY, Chang KC, Kang YJ (2009) Hemin inhibits hypertensive rat vascular smooth muscle cell proliferation through regulation of cyclin D and p21. Arch Pharm Res 32: 375-382 50.Duckers HJ, Boehm M, True AL, Yet SF, San H, Park JL, Clinton Webb R, Lee ME, Nabel GJ, Nabel EG (2001) Heme oxygenase-1 protects against vascular constriction and proliferation. Nat Med 7: 693-698 Postępy Biochemii 61 (2) 2015 67.Kim DS, Chae SW, Kim HR, Chae HJ (2009) CO and bilirubin inhibit doxorubicin-induced cardiac cell death. Immunopharmacol Immunotoxicol 31: 64-70 68.Lee SC, Han SH, Li JJ, Lee SH, Jung DS, Kwak SJ, Kim SH, Kim DK, Yoo TH, Kim JH, Chang SH, Han DS, Kang SW (2009) Induction of heme oxygenase-1 protects against podocyte apoptosis under diabetic conditions. Kidney Int 76: 838-848 69.Li MY, Yip J, Hsin MK, Mok TS, Wu Y, Underwood MJ, Chen GG (2008) Haem oxygenase-1 plays a central role in NNK-mediated lung carcinogenesis. Eur Respir J 32: 911-923 155 70.Sue YM, Cheng CF, Chang CC, Chou Y, Chen CH, Juan SH (2009) Antioxidation and anti-inflammation by haem oxygenase-1 contribute to protection by tetramethylpyrazine against gentamicin-induced apoptosis in murine renal tubular cells. Nephrol Dial Transplant 24: 769-777 71.Ke B, Shen XD, Gao F, Qiao B, Ji H, Busuttil RW, Volk HD, Kupiec-Weglinski JW (2009) Small interfering RNA targeting heme oxygenase-1 (HO-1) reinforces liver apoptosis induced by ischemia-reperfusion injury in mice: HO-1 is necessary for cytoprotection. Hum Gene Ther 20: 1133-1142 86.Otterbein LE, Mantell LL, Choi AM (1999) Carbon monoxide provides protection against hyperoxic lung injury. Am J Physiol 276: L688-694 87.Wang G, Hamid T, Keith RJ, Zhou G, Partridge CR, Xiang X, Kingery JR, Lewis RK, Li Q, Rokosh DG, Ford R, Spinale FG, Riggs DW, Srivastava S, Bhatnagar A, Bolli R, Prabhu SD (2010) Cardioprotective and antiapoptotic effects of heme oxygenase-1 in the failing heart. Circulation 121: 1912-1925 72.Poss KD, Tonegawa S (1997) Reduced stress defense in heme oxygenase 1-deficient cells. Proc Natl Acad Sci USA 94: 10925-10930 88.Balla J, Vercellotti GM, Jeney V, Yachie A, Varga Z, Jacob HS, Eaton JW, Balla G (2007) Heme, heme oxygenase, and ferritin: how the vascular endothelium survives (and dies) in an iron-rich environment. Antioxid Redox Signal 9: 2119-2138 73.Jazwa A, Stepniewski J, Zamykal M, Jagodzinska J, Meloni M, Emanueli C, Jozkowicz A, Dulak J (2013) Pre-emptive hypoxia-regulated HO-1 gene therapy improves post-ischaemic limb perfusion and tissue regeneration in mice. Cardiovasc Res 97: 115-124 89.Soares MP, Lin Y, Anrather J, Csizmadia E, Takigami K, Sato K, Grey ST, Colvin RB, Choi AM, Poss KD, Bach FH (1998) Expression of heme oxygenase-1 can determine cardiac xenograft survival. Nat Med 4: 1073-1077 74.Cao J, Drummond G, Inoue K, Sodhi K, Li XY, Omura S (2008) Upregulation of heme oxygenase-1 combined with increased adiponectin lowers blood pressure in diabetic spontaneously hypertensive rats through a reduction in endothelial cell dysfunction, apoptosis and oxidative stress. Int J Mol Sci 9: 2388-2406 90.Kawamoto S, Flynn JP, Shi Q, Sakr SW, Luo J, Allen MD (2011) Heme oxygenase-1 induction enhances cell survival and restores contractility to unvascularized three-dimensional adult cardiomyocyte grafts implanted in vivo. Tissue Eng Part A 17: 1605-1614 75.Tsubokawa T, Yagi K, Nakanishi C, Zuka M, Nohara A, Ino H, Fujino N, Konno T, Kawashiri MA, Ishibashi-Ueda H, Nagaya N, Yamagishi M (2010) Impact of anti-apoptotic and anti-oxidative effects of bone marrow mesenchymal stem cells with transient overexpression of heme oxygenase-1 on myocardial ischemia. Am J Physiol Heart Circ Physiol 298: H1320-1329 76.Kozakowska M, Ciesla M, Stefanska A, Skrzypek K, Was H, Jazwa A, Grochot-Przeczek A, Kotlinowski J, Szymula A, Bartelik A, Mazan M, Yagensky O, Florczyk U, Lemke K, Zebzda A, Dyduch G, Nowak W, Szade K, Stepniewski J, Majka M, Derlacz R, Loboda A, Dulak J, Jozkowicz A (2012) Heme oxygenase-1 inhibits myoblast differentiation by targeting myomirs. Antioxid Redox Signal 16: 113-127 77.Vulapalli SR, Chen Z, Chua BH, Wang T, Liang CS (2002) Cardioselective overexpression of HO-1 prevents I/R-induced cardiac dysfunction and apoptosis. Am J Physiol Heart Circ Physiol 283: H688-694 78.True AL, Olive M, Boehm M, San H, Westrick RJ, Raghavachari N, Xu X, Lynn EG, Sack MN, Munson PJ, Gladwin MT, Nabel EG (2007) Heme oxygenase-1 deficiency accelerates formation of arterial thrombosis through oxidative damage to the endothelium, which is rescued by inhaled carbon monoxide. Circ Res 101: 893-901 79.Otterbein LE, Zuckerbraun BS (2005) Heme Oxygenase: the elegant orchestra of its products in medicine, Nova Science Publishers, Inc 80.Gong P, Hu B, Cederbaum AI (2004) Diallyl sulfide induces heme oxygenase-1 through MAPK pathway. Arch Biochem Biophys 432: 252260 81.Was H, Sokolowska M, Sierpniowska A, Dominik P, Skrzypek K, Lackowska B, Pratnicki A, Grochot-Przeczek A, Taha H, Kotlinowski J, Kozakowska M, Mazan A, Nowak W, Muchova L, Vitek L, Ratajska A, Dulak J, Jozkowicz A (2011) Effects of heme oxygenase-1 on induction and development of chemically induced squamous cell carcinoma in mice. Free Radic Biol Med 51: 1717-1726 82.Pachori AS, Smith A, McDonald P, Zhang L, Dzau VJ, Melo LG (2007) Heme-oxygenase-1-induced protection against hypoxia/reoxygenation is dependent on biliverdin reductase and its interaction with PI3K/Akt pathway. J Mol Cell Cardiol 43: 580-592 83.Dallas ML, Boyle JP, Milligan CJ, Sayer R, Kerrigan TL, McKinstry C, Lu P, Mankouri J, Harris M, Scragg JL, Pearson HA, Peers C (2011) Carbon monoxide protects against oxidant-induced apoptosis via inhibition of Kv2.1. Faseb J 25: 1519-1530 84.Conde de la Rosa L, Vrenken TE, Hannivoort RA, Buist-Homan M, Havinga R, Slebos DJ, Kauffman HF, Faber KN, Jansen PL, Moshage H (2008) Carbon monoxide blocks oxidative stress-induced hepatocyte apoptosis via inhibition of the p54 JNK isoform. Free Radic Biol Med 44: 1323-1333 85.Czibik G, Sagave J, Martinov V, Ishaq B, Sohl M, Sefland I, Carlsen H, Farnebo F, Blomhoff R, Valen G (2009) Cardioprotection by hypoxia-inducible factor 1 alpha transfection in skeletal muscle is dependent on haem oxygenase activity in mice. Cardiovasc Res 82: 107-114 156 91.Huang SH, Chu CH, Yu JC, Chuang WC, Lin GJ, Chen PL, Chou FC, Chau LY, Sytwu HK (2010) Transgenic expression of haem oxygenase-1 in pancreatic beta cells protects non-obese mice used as a model of diabetes from autoimmune destruction and prolongs graft survival following islet transplantation. Diabetologia 53: 2389-2400 92.Rushworth SA, MacEwan DJ (2008) HO-1 underlies resistance of AML cells to TNF-induced apoptosis. Blood 111: 3793-3801 93.Berberat PO, Katori M, Kaczmarek E, Anselmo D, Lassman C, Ke B, Shen X, Busuttil RW, Yamashita K, Csizmadia E, Tyagi S, Otterbein LE, Brouard S, Tobiasch E, Bach FH, Kupiec-Weglinski JW, Soares MP (2003) Heavy chain ferritin acts as an antiapoptotic gene that protects livers from ischemia reperfusion injury. Faseb J 17: 1724-1726 94.Petrache I, Otterbein LE, Alam J, Wiegand GW, Choi AM (2000) Heme oxygenase-1 inhibits TNF-alpha-induced apoptosis in cultured fibroblasts. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol 278: L312-319 95.Chae HJ, Chin HY, Lee GY, Park HR, Yang SK, Chung HT, Pae HO, Kim HM, Chae SW, Kim HR (2006) Carbon monoxide and nitric oxide protect against tumor necrosis factor-alpha-induced apoptosis in osteoblasts: HO-1 is necessary to mediate the protection. Clin Chim Acta 365: 270-278 96.Yeh CH, Chen TP, Wang YC, Lin YM, Lin PJ (2009) HO-1 activation can attenuate cardiomyocytic apoptosis via inhibition of NF-kappaB and AP-1 translocation following cardiac global ischemia and reperfusion. J Surg Res 155: 147-156 97.Asija A, Peterson SJ, Stec DE, Abraham NG (2007) Targeting endothelial cells with heme oxygenase-1 gene using VE-cadherin promoter attenuates hyperglycemia-mediated cell injury and apoptosis. Antioxid Redox Signal 9: 2065-2074 98.Tang YL, Tang Y, Zhang YC, Qian K, Shen L, Phillips MI (2004) Protection from ischemic heart injury by a vigilant heme oxygenase-1 plasmid system. Hypertension 43: 746-751 99.Zhang X, Shan P, Alam J, Fu XY, Lee PJ (2005) Carbon monoxide differentially modulates STAT1 and STAT3 and inhibits apoptosis via a phosphatidylinositol 3-kinase/Akt and p38 kinase-dependent STAT3 pathway during anoxia-reoxygenation injury. J Biol Chem 280: 87148721 100. Grochot-Przeczek A, Dulak J, Jozkowicz A (2010) Heme oxygenase-1 in neovascularisation: A diabetic perspective. Thromb Haemost 104: 424-431 101. Grochot-Przeczek A, Dulak J, Jozkowicz A (2012) Haem oxygenase-1: non-canonical roles in physiology and pathology. Clin Sci (Lond) 122: 93-103 102. Was H, Dulak J, Jozkowicz A (2010) Heme oxygenase-1 in tumor biology and therapy. Curr Drug Targets 11: 1551-1570 103. Hsieh CH, Jeng SF, Hsieh MW, Chen YC, Rau CS, Lu TH, Chen SS (2008) Statin-induced heme oxygenase-1 increases NF-kappaB activation and oxygen radical production in cultured neuronal cells exposed to lipopolysaccharide. Toxicol Sci 102: 150-159 www.postepybiochemii.pl 104. Chen-Roetling J, Regan RF (2006) Effect of heme oxygenase-1 on the vulnerability of astrocytes and neurons to hemoglobin. Biochem Biophys Res Commun 350: 233-237 105. Grochot-Przeczek A, Kotlinowski J, Kozakowska M, Starowicz K, Jagodzinska J, Stachurska A, Volger OL, Bukowska-Strakova K, Florczyk U, Tertil M, Jazwa A, Szade K, Stepniewski J, Loboda A, Horrevoets AJ, Dulak J, Jozkowicz A (2014) Heme oxygenase-1 is required for angiogenic function of bone marrow-derived progenitor cells: role in therapeutic revascularization. Antioxid Redox Signal 20: 1677-1692 106. Pae HO, Jeong GS, Kim HS, Woo WH, Rhew HY, Sohn DH, Kim YC, Chung HT (2007) Costunolide inhibits production of tumor necrosis factor-alpha and interleukin-6 by inducing heme oxygenase-1 in RAW264.7 macrophages. Inflamm Res 56: 520-526 107. Ferenbach DA, Ramdas V, Spencer N, Marson L, Anegon I, Hughes J, Kluth DC (2010) Macrophages expressing heme oxygenase-1 improve renal function in ischemia/reperfusion injury. Mol Ther 18: 1706-1713 108. Taha H, Grochot-Przeczek A, Was H, Kotlinowski J, Kozakowska M, Marek A, Skrzypek K, Lackowska B, Balcerczyk A, Mustafa S, Dulak J, Jozkowicz A (2009) Modulation of inflammatory response by pentoxifylline is independent of heme oxygenase-1 pathway. J Physiol Pharmacol 60: 3-12 109. Klein U, Lia M, Crespo M, Siegel R, Shen Q, Mo T, Ambesi-Impiombato A, Califano A, Migliazza A, Bhagat G, Dalla-Favera R (2010) The DLEU2/miR-15a/16-1 cluster controls B cell proliferation and its deletion leads to chronic lymphocytic leukemia. Cancer Cell 17: 28-40 110. Seldon MP, Silva G, Pejanovic N, Larsen R, Gregoire IP, Filipe J, Anrather J, Soares MP (2007) Heme oxygenase-1 inhibits the expression of adhesion molecules associated with endothelial cell activation via inhibition of NF-kappaB RelA phosphorylation at serine 276. J Immunol 179: 7840-7851 111. Soares MP, Bach FH (2009) Heme oxygenase-1: from biology to therapeutic potential. Trends Mol Med 15: 50-58 and attenuates dextran sulfate sodium-induced colitis. J Pediatr Gastroenterol Nutr 50: 132-139 123. Tang YL, Tang Y, Zhang YC, Qian K, Shen L, Phillips MI (2005) Improved graft mesenchymal stem cell survival in ischemic heart with a hypoxia-regulated heme oxygenase-1 vector. J Am Coll Cardiol 46: 1339-1350 124. Zeng B, Chen H, Zhu C, Ren X, Lin G, Cao F (2008) Effects of combined mesenchymal stem cells and heme oxygenase-1 therapy on cardiac performance. Eur J Cardiothorac Surg 34: 850-856 125. Melo LG, Agrawal R, Zhang L, Rezvani M, Mangi AA, Ehsan A, Griese DP, Dell’Acqua G, Mann MJ, Oyama J, Yet SF, Layne MD, Perrella MA, Dzau VJ (2002) Gene therapy strategy for long-term myocardial protection using adeno-associated virus-mediated delivery of heme oxygenase gene. Circulation 105: 602-607 126. Yamashita K, Ollinger R, McDaid J, Sakahama H, Wang H, Tyagi S, Csizmadia E, Smith NR, Soares MP, Bach FH (2006) Heme oxygenase-1 is essential for and promotes tolerance to transplanted organs. Faseb J 20: 776-778 127. Chabannes D, Hill M, Merieau E, Rossignol J, Brion R, Soulillou JP, Anegon I, Cuturi MC (2007) A role for heme oxygenase-1 in the immunosuppressive effect of adult rat and human mesenchymal stem cells. Blood 110: 3691-3694 128. Mougiakakos D, Jitschin R, Johansson CC, Okita R, Kiessling R, Le Blanc K (2011) The impact of inflammatory licensing on heme oxygenase-1-mediated induction of regulatory T cells by human mesenchymal stem cells. Blood 117: 4826-4835 129. Orozco LD, Kapturczak MH, Barajas B, Wang X, Weinstein MM, Wong J, Deshane J, Bolisetty S, Shaposhnik Z, Shih DM, Agarwal A, Lusis AJ, Araujo JA (2007) Heme oxygenase-1 expression in macrophages plays a beneficial role in atherosclerosis. Circ Res 100: 17031711 112. Liu Y, Li P, Lu J, Xiong W, Oger J, Tetzlaff W, Cynader M (2008) Bilirubin possesses powerful immunomodulatory activity and suppresses experimental autoimmune encephalomyelitis. J Immunol 181: 1887-1897 130. Loboda A, Stachurska A, Florczyk U, Rudnicka D, Jazwa A, Wegrzyn J, Kozakowska M, Stalinska K, Poellinger L, Levonen AL, Yla-Herttuala S, Jozkowicz A, Dulak J (2009) HIF-1 induction attenuates Nrf2-dependent IL-8 expression in human endothelial cells. Antioxid Redox Signal 11: 1501-1517 113. Mashreghi MF, Klemz R, Knosalla IS, Gerstmayer B, Janssen U, Buelow R, Jozkowicz A, Dulak J, Volk HD, Kotsch K (2008) Inhibition of dendritic cell maturation and function is independent of heme oxygenase 1 but requires the activation of STAT3. J Immunol 180: 7919-7930 131. Cudmore M, Ahmad S, Al-Ani B, Fujisawa T, Coxall H, Chudasama K, Devey LR, Wigmore SJ, Abbas A, Hewett PW, Ahmed A (2007) Negative regulation of soluble Flt-1 and soluble endoglin release by heme oxygenase-1. Circulation 115: 1789-1797 114. Soares MP, Bach FH (2007) Heme oxygenase-1 in organ transplantation. Front Biosci 12: 4932-4945 132. Miyake M, Fujimoto K, Anai S, Ohnishi S, Kuwada M, Nakai Y, Inoue T, Matsumura Y, Tomioka A, Ikeda T, Tanaka N, Hirao Y (2011) Heme oxygenase-1 promotes angiogenesis in urothelial carcinoma of the urinary bladder. Oncol Rep 25: 653-660 115. Choi BM, Pae HO, Jeong YR, Kim YM, Chung HT (2005) Critical role of heme oxygenase-1 in Foxp3-mediated immune suppression. Biochem Biophys Res Commun 327: 1066-1071 116. Andersen MH, Sorensen RB, Brimnes MK, Svane IM, Becker JC, thor Straten P (2009) Identification of heme oxygenase-1-specific regulatory CD8+ T cells in cancer patients. J Clin Invest 119: 2245-2256 117. Biburger M, Theiner G, Schadle M, Schuler G, Tiegs G (2010) Pivotal Advance: Heme oxygenase 1 expression by human CD4+ T cells is not sufficient for their development of immunoregulatory capacity. J Leukoc Biol 87: 193-202 118. Zelenay S, Chora A, Soares MP, Demengeot J (2007) Heme oxygenase-1 is not required for mouse regulatory T cell development and function. Int Immunol 19: 11-18 119. Calay D, Mason JC (2014) The multifunctional role and therapeutic potential of HO-1 in the vascular endothelium. Antioxid Redox Signal 20: 1789-1809 120. Willis D, Moore AR, Frederick R, Willoughby DA (1996) Heme oxygenase: a novel target for the modulation of the inflammatory response. Nat Med 2: 87-90 121. Benallaoua M, Francois M, Batteux F, Thelier N, Shyy JY, Fitting C, Tsagris L, Boczkowski J, Savouret JF, Corvol MT, Poiraudeau S, Rannou F (2007) Pharmacologic induction of heme oxygenase 1 reduces acute inflammatory arthritis in mice. Arthritis Rheum 56: 2585-2594 122. Zhong W, Xia Z, Hinrichs D, Rosenbaum JT, Wegmann KW, Meyrowitz J, Zhang Z (2010) Hemin exerts multiple protective mechanisms Postępy Biochemii 61 (2) 2015 133. Zeng B, Ren X, Lin G, Zhu C, Chen H, Yin J, Jiang H, Yang B, Ding D (2008) Paracrine action of HO-1-modified mesenchymal stem cells mediates cardiac protection and functional improvement. Cell Biol Int 32: 1256-1264 134. Lin HH, Lai SC, Chau LY (2011) Heme oxygenase-1/carbon monoxide induces vascular endothelial growth factor expression via p38 kinase-dependent activation of Sp1. J Biol Chem 286: 3829-3838 135. Bussolati B, Ahmed A, Pemberton H, Landis RC, Di Carlo F, Haskard DO, Mason JC (2004) Bifunctional role for VEGF-induced heme oxygenase-1 in vivo: induction of angiogenesis and inhibition of leukocytic infiltration. Blood 103: 761-766 136. Was H, Cichon T, Smolarczyk R, Rudnicka D, Stopa M, Chevalier C, Leger JJ, Lackowska B, Grochot A, Bojkowska K, Ratajska A, Kieda C, Szala S, Dulak J, Jozkowicz A (2006) Overexpression of heme oxygenase-1 in murine melanoma: increased proliferation and viability of tumor cells, decreased survival of mice. Am J Pathol 169: 2181-2198 137. Poss KD, Tonegawa S (1997) Heme oxygenase 1 is required for mammalian iron reutilization. Proc Natl Acad Sci USA 94: 10919-10924 138. Kreiser D, Nguyen X, Wong R, Seidman D, Stevenson D, Quan S, Abraham N, Dennery PA (2002) Heme oxygenase-1 modulates fetal growth in the rat. Lab Invest 82: 687-692 139. Kotlinowski J, Grochot-Przeczek A, Taha H, Kozakowska M, Pilecki B, Skrzypek K, Bartelik A, Derlacz R, Horrevoets AJ, Pap A, Nagy L, Dulak J, Jozkowicz A (2014) PPARgamma activation but not PPAR- 157 gamma haplodeficiency affects proangiogenic potential of endothelial cells and bone marrow-derived progenitors. Cardiovasc Diabetol 13: 150 150. Lin TH, Tang CH, Hung SY, Liu SH, Lin YM, Fu WM, Yang RS (2010) Upregulation of heme oxygenase-1 inhibits the maturation and mineralization of osteoblasts. J Cell Physiol 222: 757-768 140. Song J, Sumiyoshi S, Nakashima Y, Doi Y, Iida M, Kiyohara Y, Sueishi K (2009) Overexpression of heme oxygenase-1 in coronary atherosclerosis of Japanese autopsies with diabetes mellitus: Hisayama study. Atherosclerosis 202: 573-581 151. Zwerina J, Tzima S, Hayer S, Redlich K, Hoffmann O, Hanslik-Schnabel B, Smolen JS, Kollias G, Schett G (2005) Heme oxygenase 1 (HO-1) regulates osteoclastogenesis and bone resorption. Faseb J 19: 2011-2013 141. Lin HH, Chen YH, Yet SF, Chau LY (2009) After vascular injury, heme oxygenase-1/carbon monoxide enhances re-endothelialization via promoting mobilization of circulating endothelial progenitor cells. J Thromb Haemost 7: 1401-1408 152. Barbagallo I, Vanella A, Peterson SJ, Kim DH, Tibullo D, Giallongo C, Vanella L, Parrinello N, Palumbo GA, Raimondo FD, Abraham NG, Asprinio D (2009) Overexpression of heme oxygenase-1 increases human osteoblast stem cell differentiation. J Bone Miner Metab 28: 276288 142. Wu BJ, Midwinter RG, Cassano C, Beck K, Wang Y, Changsiri D, Gamble JR, Stocker R (2009) Heme oxygenase-1 increases endothelial progenitor cells. Arterioscler Thromb Vasc Biol 29: 1537-1542 153. Kim SJ, Min KS, Ryu HW, Lee HJ, Kim EC (2010) The role of heme oxygenase-1 in the proliferation and odontoblastic differentiation of human dental pulp cells. J Endod 36: 1326-1331 143. Sambuceti G, Morbelli S, Vanella L, Kusmic C, Marini C, Massollo M, Augeri C, Corselli M, Ghersi C, Chiavarina B, Rodella LF, L’Abbate A, Drummond G, Abraham NG, Frassoni F (2009) Diabetes impairs the vascular recruitment of normal stem cells by oxidant damage, reversed by increases in pAMPK, heme oxygenase-1, and adiponectin. Stem Cells 27: 399-407 154. Min KS, Lee YM, Hong SO, Kim EC (2010) Simvastatin promotes odontoblastic differentiation and expression of angiogenic factors via heme oxygenase-1 in primary cultured human dental pulp cells. J Endod 36: 447-452 144. Jazwa A, Loboda A, Golda S, Cisowski J, Szelag M, Zagorska A, Sroczynska P, Drukala J, Jozkowicz A, Dulak J (2006) Effect of heme and heme oxygenase-1 on vascular endothelial growth factor synthesis and angiogenic potency of human keratinocytes. Free Radic Biol Med 40: 1250-1263 145. Beccafico S, Puglielli C, Pietrangelo T, Bellomo R, Fano G, Fulle S (2007) Age-dependent effects on functional aspects in human satellite cells. Ann N Y Acad Sci 1100: 345-352 146. Ito K, Hirao A, Arai F, Takubo K, Matsuoka S, Miyamoto K, Ohmura M, Naka K, Hosokawa K, Ikeda Y, Suda T (2006) Reactive oxygen species act through p38 MAPK to limit the lifespan of hematopoietic stem cells. Nat Med 12: 446-451 147. Clempus RE, Griendling KK (2006) Reactive oxygen species signaling in vascular smooth muscle cells. Cardiovasc Res 71: 216-225 148. Vanella L, Kim DH, Asprinio D, Peterson SJ, Barbagallo I, Vanella A, Goldstein D, Ikehara S, Kappas A, Abraham NG (2010) HO-1 expression increases mesenchymal stem cell-derived osteoblasts but decreases adipocyte lineage. Bone 46: 236-243 149. Kim DH, Burgess AP, Li M, Tsenovoy PL, Addabbo F, McClung JA, Puri N, Abraham NG (2008) Heme oxygenase-mediated increases in adiponectin decrease fat content and inflammatory cytokines tumor necrosis factor-alpha and interleukin-6 in Zucker rats and reduce adipogenesis in human mesenchymal stem cells. J Pharmacol Exp Ther 325: 833-840 155. Zhou H, Ramiya VK, Visner GA (2006) Bone marrow stem cells as a vehicle for delivery of heme oxygenase-1 gene. Stem Cells Dev 15: 79-86 156. Zarjou A, Kim J, Traylor AM, Sanders PW, Balla J, Agarwal A, Curtis LM (2011) Paracrine effects of mesenchymal stem cells in cisplatin-induced renal injury require heme oxygenase-1. Am J Physiol Renal Physiol 300: F254-262 157. Koiso Y, Nakajima O, Matsumura D, Fujimoto Y, Hashimoto Y (2000) Chemical control of cell differentiation of human myeloleukemia K562 cell line. Yakugaku Zasshi 120: 104-112 158. Park DJ, Agarwal A, George JF (2010) Heme oxygenase-1 expression in murine dendritic cell subpopulations: effect on CD8+ dendritic cell differentiation in vivo. Am J Pathol 176: 2831-2839 159. Cao YA, Wagers AJ, Karsunky H, Zhao H, Reeves R, Wong RJ, Stevenson DK, Weissman IL, Contag CH (2008) Heme oxygenase-1 deficiency leads to disrupted response to acute stress in stem cells and progenitors. Blood 112: 4494-4502 160. Barbagallo I, Tibullo D, Di Rosa M, Giallongo C, Palumbo GA, Raciti G, Campisi A, Vanella A, Green CJ, Motterlini R (2008) A cytoprotective role for the heme oxygenase-1/CO pathway during neural differentiation of human mesenchymal stem cells. J Neurosci Res 86: 1927-1935 161. Tenhunen R, Marver HS, Schmid R (1968) The enzymatic conversion of heme to bilirubin by microsomal heme oxygenase. Proc Natl Acad Sci USA 61: 748-755 Heme oxygenase-1 — more than the cytoprotection Magdalena Kozakowska, Józef Dulak, Alicja Józkowicz* Department of Medical Biotechnology, Faculty of Biochemistry, Biophysics and Biotechnology, Jagiellonian University, 7 Gronostajowa St., 30-387 Krakow, Poland * e-mail: [email protected] Key words: heme oxygenase-1, carbon monoxide, angiogenesis, proliferation, apoptosis, differentiation ABSTRACT Heme oxygenase-1 (HO-1) is an enzyme degrading heme to three products - ferrous ions, carbon monoxide and biliverdin. Its function extends, however, far beyond removal of pro-oxidative heme from microenvironment. During the last few decades it was proven that apart from cytoprotective and antioxidative properties HO-1 regulates also a variety of cellular processes. It exerts an impact on both innate and adaptive immune response. HO-1 accelerates development of new blood vessels in a process called angiogenesis. Moreover, it controls cell cycle and depending on a cell type increases or decreases the rate of cell division. Finally, the most recent data indicate, that HO-1 regulates also differentiation of various stem and progenitor cells. Interestingly, that aspect of HO-1 function seems also to depend on cell type. In this review, both effects and mechanisms of above-mentioned processes in different cell types are discussed. 158 www.postepybiochemii.pl
