University of Oulu

Role of HIF-P4H inhibition and hemoglobin levels in metabolic diseases

Saved in:
Author: Tapio, Joona1,2,3
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Biochemistry and Molecular Medicine
3University of Oulu, Biocenter Oulu
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 2.6 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526232232
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2022
Publish Date: 2022-02-25
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Health and Biosciences of the University of Oulu for public defence in Auditorium F101 of the Faculty of Biochemistry and Molecular Medicine (Aapistie 7), on 4 March 2022, at 12 noon
Tutor: Professor Peppi Karppinen
Reviewer: Professor Anna-Liisa Levonen
Professor Martin Schneider
Opponent: Professor Jussi Pihlajamäki
Description:

Abstract

Human survival relies on an adequate oxygen (O2) supply. Hemoglobin (Hb) is the main carrier of O2 in the circulatory system and its levels directly affect tissue oxygenation. When O2 levels decrease, a state of hypoxia occurs. Under hypoxia, a systemic response mechanism activates, increasing O2 supply and decreasing O2 demand. The response is regulated by the hypoxia-inducible factor (HIF) which targets genes in various pathways including energy metabolism. HIF is governed by O2-dependent HIF prolyl 4‐hydroxylases (HIF-P4Hs 1‐3), and inhibitors of these enzymes are currently used to treat renal anemia. Lower serum cholesterol levels have been reported in patients receiving HIF-P4H inhibitors.

To study the roles of each HIF-P4H isoenzyme in metabolism, we used two pan HIF-P4H inhibitors in wild-type (WT) and HIF-P4H deficient mice. Both inhibitors improved the metabolic profile of WT mice in a dose-dependent and safe manner. HIF-P4H-1 loss lowered body weight and cholesterol levels upon aging while HIF-P4H-3 loss led to an adverse metabolic profile. HIF-P4H-2 deficiency promoted metabolic health, protecting from non-alcoholic fatty liver disease via increased browning of white adipose tissue (WAT) and consequent thermogenesis, and by enhanced fructose metabolism in the intestine. Regulation of HIF target mRNAs was isoenzyme-specific, very few requiring inhibition by all three isoenzymes.

Using the normal variation in Hb levels as a surrogate measure for hypoxia, we explored how Hb levels relate to metabolic health in mice and humans, and used Mendelian randomization (MR) to evaluate causality. Lower Hb levels associated with a healthier metabolic profile and higher Hb levels with an adverse one. Additionally, higher Hb levels associated with development of type 2 diabetes, an increased risk for liver fat accumulation and with both total and cardiovascular-related mortalities. Moreover, expression of key HIF target genes associated with lower systolic blood pressure in MR analyses and healthier body composition in mice. Lastly, venesection altered Hb levels and metabolic parameters in mice.

The results present selective inhibition of isoenzyme 2, or 1/2, as a novel therapeutic option for metabolic diseases. Additionally, low-end normal Hb levels present as metabolically favorable, whereas high Hb levels increase the risk for developing metabolic diseases.

see all

Tiivistelmä

Ihmisen elämä on riippuvainen riittävästä hapensaannista. Hemoglobiini (Hb) on verenkiertoelimistön ensisijainen hapenkuljettaja ja sen pitoisuus vaikuttaa suoraan kudosten hapettumiseen. Kun happipitoisuus laskee, vallitsee hypoksia. Hypoksia aktivoi elimistössä vastemekanismin lisäten hapen kuljetusta ja vähentäen kulutusta. Vastetta säätelee hypoksiassa indusoituva tekijä (HIF), säädellen kohdegeenejä useilla biologisilla reiteillä, mukaan lukien energia-aineenvaihdunta. Happiriippuvaiset HIF-prolyyli-4-hydroksylaasit (HIF-P4H-1‐3), joiden estäjiä käytetään munuaisperäisen anemian hoitoon, säätelevät HIF:ää. HIF-P4H estäjää saaneilla potilailla on raportoitu matalampia seerumin kolesteroliarvoja.

Tutkiaksemme HIF-P4H isoentsyymien vaikutuksia aineenvaihdunnassa, käytimme kahta HIF-P4H estäjää villityypin (VT) ja HIF-P4H-puutteisilla hiirillä. Estäjät olivat turvallisia ja paransivat VT hiirten metabolista profiilia annosriippuvaisesti. Ikääntyessä HIF-P4H-1 puutos alensi painoa ja kolesterolitasoja, kun taas HIF-P4H-3 puutos johti epäsuotuisaan metaboliaan. HIF-P4H-2 vaje paransi metabolista terveyttä, suojaten hiiriä ei-alkoholiperäiseltä rasvamaksalta lisääntyneiden valkean rasvan ruskettumisesta johtuvan lämmöntuoton ja suoliston fruktoosimetabolian johdosta. HIF kohdegeenien lähetti-RNA tasojen säätely oli isoentsyymikohtaista ja vain muutamia säädeltiin kaikkien kolmen estolla.

Käyttäen Hb:n normaalivaihtelua hypoksian mittarina ja Mendeliaanista randomisaatiota (MR) kausaliteetin arviointiin, tutkimme Hb tasojen vaikutusta metaboliaan. Matalat Hb tasot assosioituivat suotuisaan ja korkeat epäsuotuisaan metaboliseen profiiliin. Lisäksi korkeat Hb tasot assosioituivat tyypin 2 diabeteksen kehittymiseen, lisääntyneeseen maksan rasvoittumisriskiin ja kokonais- sekä sydän- ja verisuonisairausperäiseen kuolleisuuteen. Lisäksi keskeisten HIF-kohdegeenien ilmentyminen assosioitui matalampaan systoliseen verenpaineeseen MR analyyseissä ja terveempään kehonkoostumukseen hiirillä. Verenluovutus vaikutti hiirten Hb tasoihin ja metabolisiin muuttujiin.

Töissä saadut tulokset esittävät erityisesti isoentsyymi 2, tai 1/2 selektiivisen HIF-P4H eston, uutena mahdollisena hoitovaihtoehtona metabolisille sairauksille. Lisäksi matalat normaalivaihteluvälin Hb tasot esiintyvät metabolisesti suotuisina ja korkeat lisäävät metabolisten sairauksien kehittymisriskiä.

see all

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

  1. Laitakari, A., Tapio, J., Mäkelä, K. A., Herzig, K.-H., Dengler, F., Gylling, H., Walkinshaw, G., Myllyharju, J., Dimova, E. Y., Serpi, R., & Koivunen, P. (2020). HIF-P4H-2 inhibition enhances intestinal fructose metabolism and induces thermogenesis protecting against NAFLD. Journal of Molecular Medicine, 98(5), 719–731. https://doi.org/10.1007/s00109-020-01903-0

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  2. Tapio, J., Halmetoja, R., Walkinshaw, G., Mäki, J. M., Myllyharju, J., Dimova, E. Y., Serpi, R., & Koivunen, P. (2021). Contribution of hypoxia-inducible factor prolyl 4-hydroxylase inhibition to metabolism. Manuscript submitted for publication.

  3. Auvinen, J., Tapio, J., Karhunen, V., Kettunen, J., Serpi, R., Dimova, E. Y., Gill, D., Soininen, P., Tammelin, T., Mykkänen, J., Puukka, K., Kähönen, M., Raitoharju, E., Lehtimäki, T., Ala-Korpela, M., Raitakari, O. T., Keinänen-Kiukaanniemi, S., Järvelin, M.-R., & Koivunen, P. (2021). Systematic evaluation of the association between hemoglobin levels and metabolic profile implicates beneficial effects of hypoxia. Science Advances, 7(29), eabi4822. https://doi.org/10.1126/sciadv.abi4822

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  4. Tapio, J., Vähänikkilä, H., Kesäniemi, Y. A., Ukkola, O., & Koivunen, P. (2021). Higher hemoglobin levels are an independent risk factor for adverse metabolism and higher mortality in a 20-year follow-up. Scientific Reports, 11(1), 19936. https://doi.org/10.1038/s41598-021-99217-9

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. D, Medica
ISSN: 0355-3221
ISSN-E: 1796-2234
ISSN-L: 0355-3221
ISBN: 978-952-62-3223-2
ISBN Print: 978-952-62-3222-5
Issue: 1660
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 1182 Biochemistry, cell and molecular biology
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2022. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.