Pharmacogenomics of hyaluronic acid

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Abstract.Introduction: Hyaluronic acid (hyaluronan, HA) has become the most popular tool for improving the skin condition during aging, correcting wrinkles and other cosmetic defects.
Objective: Analysis of the results of studies that reflect the pharmacogenomics of the synthesis, degradation, and reception of HA. Materials and methods: We searched for full-text publications in Russian and English in the E-Library, PubMed, Springer, Clinical keys, Google Scholar databases, using keywords and combined word searches (hyaluronic acid, hyaluronan, synthesis, degradation, reception, receptor, genetics), over the past decade. In addition, the review included earlier publications of historical interest. Despite our comprehensive searches of these commonly used databases and search terms, it cannot be excluded that some publications may have been missed. Results: The lecture examines: the role of ha in normal and aging human; genes involved in the synthesis (HAS1, HAS2, HAS3), degradation (HYAL1, HYAL2, HYAL3) and reception of ha (CD44, HARE, RHAMM); as well as the expression of their encoded proteins and enzymes in the skin. Conclusion: Expanding our knowledge of the pharmacogenomics of endogenous ha and increasing the exogenous HA drugs (used in anti-aging therapy and medical cosmetology) on the pharmaceutical market requires taking into account individual, including genetically determined, characteristics of the body of each individual patient to ensure an optimal balance of effectiveness/safety of exogenous HA from the point of view of personalized medicine

About the authors

Elena E. Vaiman

V. M. Bekhterev National Medical Research Center of Psychiatry and Neurology

Author for correspondence.
Email: vaimanelenadoc@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-6836-9590

neurologist, junior research associate

Russian Federation, St. Petersburg

Natalia A. Shnayder

V. M. Bekhterev National Medical Research Center of Psychiatry and Neurology; V. F. Voino-Yasenetsky Krasnoyarsk State Medical University

Email: nataliashnayder@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-2840-837X

neurologist, junior research associate

Russian Federation, St. Petersburg; Krasnoyarsk

Anna V. Dyuzhakova

Krasnoyarsk Interdistrict Hospital No. 2

Email: humsterzoa@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-8720-6172

dermatologist

Russian Federation, Krasnoyarsk

Evgenia I. Nikitina

Clinic on Komarov

Email: v205408@yandex.ru

gynecologist-endocrinologist

Russian Federation, Vladivostok

Olga B. Borzykh

Krasnoyarsk State Medical University named after Professor V. F. Voino-Yasenetsky

Email: kurumchina@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3651-4703

dermatologist, MD, сand. sci.

Russian Federation, Krasnoyarsk

Regina F Nasyrova

V. M. Bekhterev National Medical Research Center of Psychiatry and Neurology

Email: nreginaf77@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-1874-9434

psychiatrist, clinical pharmacologist

Russian Federation, Saint-Petersburg

References

  1. Maytin E.V. Hyaluronan: More than just a wrinkle filler. Glycobiology. 2016; 26 (6): 553-9. doi: 10.1093/glycob/cww033
  2. Laurent T. C., Fraser J. R. Hyaluronan. FASEB J. 1992; 6 (7): 2397-404. PMID: 1563592
  3. Fraser J. R., Laurent T. C., Laurent U.B. Hyaluronan: its nature, distribution, functions and turnover. J Intern Med. 1997; 242 (1): 27-33. doi: 10.1046/j.1365-2796.1997.00170.x
  4. Maytin E. V. Hyaluronan: More than just a wrinkle filler. Glycobiology. 2016; 26 (6): 553-9. doi: 10.1093/glycob/cww033
  5. Tzellos T. G., Klagas I., Vahtsevanos K., Triaridis S., Printza A., Kyrgidis A., Karakiulakis G., Zouboulis C. C., Papakonstantinou E. Extrinsic ageing in the human skin is associated with alterations in the expression of hyaluronic acid and its metabolizing enzymes. Exp Dermatol. 2009; 18 (12): 1028-35. doi: 10.1111/j.1600-0625.2009.00889.x
  6. Papakonstantinou E., Roth M., Karakiulakis G. Hyaluronic acid: A key molecule in skin aging. Dermatoendocrinol. 2012; 4 (3): 253-8. doi: 10.4161/derm.21923
  7. Хабаров В.Н. Гиалуроновая кислота в инъекционной косметологии. М.: ГЭОТАР-Медиа. 2017. 240 с.
  8. Itano N., Kimata K. Mammalian hyaluronan synthases. IUBMB Life. 2002; 54 (4): 195-9. doi: 10.1080/15216540214929
  9. Sugiyama Y., Shimada A., Sayo T., Sakai S., Inoue S. Putative hyaluronan synthase mRNA are expressed in mouse skin and TGF-beta upregulates their expression in cultured human skin cells. J Invest Dermatol. 1998; 110 (2): 116-21. doi: 10.1046/j.1523-1747.1998.00093.x
  10. Weigel P. H. Hyaluronan synthase: The mechanism of initiation at the reducing end and a pendulum model for polysaccharide translocation to the cell exterior. Int J Cell Biol. 2015; 2015: 367579. doi: 10.1155/2015/367579
  11. HAS1 hyaluronan synthase 1. Available to: 08.11.2020 URL:www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/3036
  12. HAS2 hyaluronan synthase 2. Available to: 08.11.2020 URL:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/3037
  13. HAS3 hyaluronan synthase 3. Available to: 08.11.2020 URL:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/3038
  14. Csoka A. B., Frost G. I., Stern R. The six hyaluronidase-like genes in the human and mouse genomes. Matrix Biol. 2001; 20 (8): 499-508. doi: 10.1016/s0945-053x(01)00172-x
  15. Олигосахариды и дендритные клетки. https://medgel.ru/article/1000034/. Дата обращения: 08 ноября 2020
  16. Fiszer-Szafarz B., Szafarz D., Vannier P. Polymorphism of hyaluronidase in serum from man, various mouse strains and other vertebrate species revealed by electrophoresis. Biol Cell. 1990; 68 (2): 95-100. doi: 10.1016/0248-4900(90)90293-c
  17. HYAL1 hyaluronidase 1. Available to: 08.11.2020 URL:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/3373
  18. HYAL2 hyaluronidase 2. Available to: 08.11.2020 URL:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/8692
  19. HYAL3 hyaluronidase 3. Available to: 08.11.2020 URL:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/8372
  20. HYAL4 hyaluronidase 4. Available to: 08.11.2020 URL:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/23553
  21. Yoshida H., Nagaoka A., Kusaka-Kikushima A., Tobiishi M., Kawabata K., Sayo T., Sakai S., Sugiyama Y., Enomoto H., Okada Y., Inoue S. KIAA1199, a deafness gene of unknown function, is a new hyaluronan binding protein involved in hyaluronan depolymerization. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013; 110 (14): 5612-7. doi: 10.1073/pnas.1215432110
  22. Abe S., Usami S., Nakamura Y. Mutations in the gene encoding KIAA1199 protein, an inner-ear protein expressed in Deiters' cells and the fibrocytes, as the cause of nonsyndromic hearing loss. J Hum Genet. 2003; 48 (11): 564-570. doi: 10.1007/s10038-003-0079-2
  23. Yoshida H., Okada Y. Role of HYBID (Hyaluronan Binding Protein Involved in Hyaluronan Depolymerization), Alias KIAA1199/CEMIP, in Hyaluronan Degradation in Normal and Photoaged Skin. Int J Mol Sci. 2019; 20 (22): 5804. doi: 10.3390/ijms20225804
  24. Yamamoto H., Tobisawa Y., Inubushi T., Irie F., Ohyama C., Yamaguchi Y. A mammalian homolog of the zebrafish transmembrane protein 2 (TMEM2) is the long- sought-after cell-surface hyaluronidase. J Biol Chem. 2017; 292 (18): 7304-7313. doi: 10.1074/jbc.M116.770149
  25. Yoshino Y, Goto M, Hara H, Inoue S. The role and regulation of TMEM2 (transmembrane protein 2) in HYBID (hyaluronan (HA)-binding protein involved in HA depolymerization/ KIAA1199/CEMIP)-mediated HA depolymerization in human skin fibroblasts. Biochem Biophys Res Commun. 2018; 505 (1): 74-80. doi: 10.1016/j.bbrc.2018.09.097
  26. Screaton G. R., Bell M. V., Jackson D. G., Cornelis F. B., Gerth U., Bell J. I. Genomic structure of DNA encoding the lymphocyte homing receptor CD44 reveals at least 12 alternatively spliced exons. Proc Natl Acad Sci U S A. 1992; 89 (24): 12160-4. doi: 10.1073/pnas.89.24.12160
  27. Hardwick C., Hoare K., Owens R., Hohn H. P., Hook M., Moore D., Cripps V., Austen L., Nance D. M., Turley E. A. Molecular cloning of a novel hyaluronan receptor that mediates tumor cell motility. J Cell Biol. 1992; 117 (6): 1343-50. doi: 10.1083/jcb.117.6.1343
  28. Veiseh M., Leith S. J., Tolg C., Elhayek S. S., Bahrami S. B., Collis L., Hamilton S., McCarthy J. B., Bissell M. J., Turley E. Uncovering the dual role of RHAMM as an HA receptor and a regulator of CD44 expression in RHAMM-expressing mesenchymal progenitor cells. Front Cell Dev Biol. 2015; 3: 63. doi: 10.3389/fcell.2015.00063
  29. Savani R.C., Cao G., Pooler P.M., Zaman A., Zhou Z., DeLisser H.M. Differential involvement of the hyaluronan (HA) receptors CD44 and receptor for HA-mediated motility in endothelial cell function and angiogenesis. J Biol Chem. 2001; 276 (39): 36770-8. doi: 10.1074/jbc.M102273200
  30. Choi S., Wang D., Chen X., Tang L.H., Verma A., Chen Z., Kim B.J., Selesner L., Robzyk K., Zhang G., Pang S., Han T., Chan C.S., Fahey T.J. 3rd, Elemento O., Du Y.N. Function and clinical relevance of RHAMM isoforms in pancreatic tumor progression. Mol Cancer. 2019; 18 (1): 92. doi: 10.1186/s12943-019-1018-y
  31. Chen Y.T., Chen Z., Du Y.N. Immunohistochemical analysis of RHAMM expression in normal and neoplastic human tissues: a cell cycle protein with distinctive expression in mitotic cells and testicular germ cells. Oncotarget. 2018; 9 (30): 20941-20952. doi: 10.18632/oncotarget.24939
  32. Buttermore S. T., Hoffman M. S., Kumar A., Champeaux A., Nicosia S. V., Kruk P. A. Increased RHAMM expression relates to ovarian cancer progression. J Ovarian Res. 2017; 10 (1): 66. doi: 10.1186/s13048-017-0360-1
  33. Wang J., Li D., Shen W., Sun W., Gao R., Jiang P., Wang L., Liu Y., Chen Y., Zhou W., Wang R., Xiang R., Stupack D., Luo N. RHAMM inhibits cell migration via the AKT/GSK3β/Snail axis in luminal A subtype breast cancer. Anat Rec (Hoboken). 2020; 303 (9): 2344-2356. doi: 10.1002/ar.24321
  34. Song J. M., Im J., Nho R. S., Han Y. H., Upadhyaya P., Kassie F. Hyaluronan-CD44/RHAMM interaction-dependent cell proliferation and survival in lung cancer cells. Mol Carcinog. 2019; 58 (3): 321-333. doi: 10.1002/mc.22930
  35. Nedvetzki S., Gonen E., Assayag N., Reich R., Williams R. O., Thurmond R. L., Huang J. F., Neudecker B. A., Wang F. S., Turley E. A., Naor D. RHAMM, a receptor for hyaluronan- mediated motility, compensates for CD44 in inflamed CD44-knockout mice: a different interpretation of redundancy. Proc Natl Acad Sci U S A. 2004; 101 (52): 18081-6. doi: 10.1073/pnas.0407378102
  36. Pandey M. S., Harris E. N., Weigel P. H. HARE-Mediated Endocytosis of Hyaluronan and Heparin Is Targeted by Different Subsets of Three Endocytic Motifs. Int J Cell Biol. 2015; 2015: 524707. doi: 10.1155/2015/524707
  37. Mattheolabakis G., Milane L., Singh A., Amiji M. M. Hyaluronic acid targeting of CD44 for cancer therapy: from receptor biology to nanomedicine. J Drug Target. 2015; 23 (7-8): 605-18. doi: 10.3109/1061186X.2015.1052072
  38. Simpson M. A., de la Motte C., Sherman L. S., Weigel P. H. Advances in Hyaluronan Biology: Signaling, Regulation, and Disease Mechanisms. Int J Cell Biol. 2015; 2015: 690572. doi: 10.1155/2015/690572
  39. Cyphert JM, Trempus CS, Garantziotis S. Size Matters: Molecular Weight Specificity of Hyaluronan Effects in Cell Biology. Int J Cell Biol. 2015;2015:563818. doi: 10.1155/2015/563818
  40. CD44 molecule (Indian blood group). Available to: 08.11.2020 URL:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/960/?report=expression
  41. STAB2 stabilin 2. Available to: 08.11.2020 URL:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/55576
  42. HMMR hyaluronan mediated motility receptor. Available to: 08.11.2020 URL:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/3161
  43. Slominski A. T., Zmijewski M. A., Skobowiat C., Zbytek B., Slominski R. M., Steketee J. D. Sensing the environment: regulation of local and global homeostasis by the skin's neuroendocrine system. Adv Anat Embryol Cell Biol. 2012; 212: v, vii, 1-115. doi: 10.1007/978-3-642-19683-6_1; Bocheva G., Slominski R. M., Slominski A. T. Neuroendocrine Aspects of Skin Aging. Int J Mol Sci. 2019; 20 (11): 2798. doi: 10.3390/ijms20112798
  44. Baumann L. Skin ageing and its treatment. J Pathol. 2007; 211 (2): 241-51. doi: 10.1002/path.2098; Uitto J. The role of elastin and collagen in cutaneous aging: intrinsic aging versus photoexposure. J Drugs Dermatol. 2008; 7 (2 Suppl): s12-6. PMID: 18404866
  45. Hasegawa K., Yoneda M., Kuwabara H., Miyaishi O., Itano N., Ohno A., Zako M., Isogai Z. Versican, a major hyaluronan-binding component in the dermis, loses its hyaluronan-binding ability in solar elastosis. J Invest Dermatol. 2007; 127 (7): 1657-63. doi: 10.1038/sj.jid.5700754
  46. Yoshida H., Nagaoka A., Komiya A., Aoki M., Nakamura S., Morikawa T., Ohtsuki R., Sayo T., Okada Y., Takahashi Y. Reduction of hyaluronan and increased expression of HYBID (alias CEMIP and KIAA1199) correlate with clinical symptoms in photoaged skin. Br J Dermatol. 2018; 179 (1): 136-144. doi: 10.1111/bjd.16335
  47. Vigetti D., Passi A. Hyaluronan synthases posttranslational regulation in cancer. Adv Cancer Res. 2014; 123: 95-119. doi: 10.1016/B978-0-12-800092-2.00004-6
  48. Hall C. L., Turley E. A. Hyaluronan: RHAMM mediated cell locomotion and signaling in tumorigenesis. J Neurooncol. 1995; 26 (3): 221-9. doi: 10.1007/BF01052625
  49. Turley E. A., Naor D. RHAMM and CD44 peptides-analytic tools and potential drugs. Front Biosci (Landmark Ed). 2012; 17: 1775-94. doi: 10.2741/4018
  50. Хабаров, В. Н. Гиалуроновая кислота: применение в косметологии и медицине : монография / Хабаров В.Н., Михайлова Н.П. - Германия : LAP LAMBERT Acad. Publ., 2012. - 164 с.
  51. Highley C. B., Prestwich G. D., Burdick J. A. Recent advances in hyaluronic acid hydrogels for biomedical applications. Curr Opin Biotechnol. 2016; 40: 35-40. doi: 10.1016/j.copbio.2016.02.008
  52. Li W. H., Wong H. K., Serrano J., Randhawa M., Kaur S., Southall M. D., Parsa R. Topical stabilized retinol treatment induces the expression of HAS genes and HA production in human skin in vitro and in vivo. Arch Dermatol Res. 2017; 309 (4): 275-283. doi: 10.1007/s00403-017-1723-6
  53. Эрнандес. Е. И. Новая косметология. Возрастная и гендерная косметология. Издательство: Косметика и медицина. 2017. 456 с
  54. Cowman M. K., Lee H. G., Schwertfeger K. L., McCarthy J. B., Turley E. A. The Content and Size of Hyaluronan in Biological Fluids and Tissues. Front Immunol. 2015; 6: 261. doi: 10.3389/fimmu.2015.00261
  55. Robert L. Hyaluronan, a truly "youthful" polysaccharide. Its medical applications. Pathol Biol. 2015; 63 (1): 32-4. doi: 10.1016/j.patbio.2014.05.019
  56. Conrozier T., Eymard F., Afif N., Balblanc J. C., Legré-Boyer V., Chevalier X.; Happyvisc Study Group. Safety and efficacy of intra-articular injections of a combination of hyaluronic acid and mannitol (HAnOX-M) in patients with symptomatic knee osteoarthritis: Results of a double-blind, controlled, multicenter, randomized trial. Knee. 2016; 23 (5): 842-8. doi: 10.1016/j.knee.2016.05.015
  57. Liang J., Jiang D., Noble P. W.. Hyaluronan as a therapeutic target in human diseases. Adv Drug Deliv Rev. 2016; 97: 186-203. doi: 10.1016/j.addr.2015.10.017
  58. Zhu Y., Hu J., Yu T., Ren Y., Hu L. High Molecular Weight Hyaluronic Acid Inhibits Fibrosis of Endometrium. Med Sci Monit. 2016; 22: 3438-3445. doi: 10.12659/msm.896028
  59. Chanmee T., Ontong P., Itano N. Hyaluronan: A modulator of the tumor microenvironment. Cancer Lett. 2016; 375 (1): 20-30. doi: 10.1016/j.canlet.2016.02.031
  60. Stern R. Hyaluronan catabolism: a new metabolic pathway. Eur J Cell Biol. 2004; 83 (7): 317-25. doi: 10.1078/0171-9335-00392
  61. Fraser J. R., Laurent T. C., Laurent U. B. Hyaluronan: its nature, distribution, functions and turnover. J Intern Med. 1997; 242 (1): 27-33. doi: 10.1046/j.1365-2796.1997.00170.x

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Molecular structures of HA disaccharide subunit (A), native HA polysaccharide chain (B) and cross-linked HA (C) used for tissue implantation [4]

Download (63KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Expression of HAS1 in the skin and other tissues of the human body [11]

Download (200KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Expression of HAS2 in the skin and other tissues of the human body [12]

Download (195KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Expression of HAS3 in the skin and other tissues of the human body [13]

Download (201KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Expression of HYAL1 in the skin and other tissues of the human body [17]

Download (195KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Expression of HYAL2 in skin and other human tissues [18]

Download (200KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Expression of HYAL3 in skin and other human tissues [19]

Download (202KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Expression of HYAL4 in skin and other human tissues [20]

Download (201KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Expression of CD44 in the skin and other tissues of the human body [40]

Download (208KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. Expression of HARE in the skin and other tissues of the human body [40]

Download (182KB)
Indexing metadata
12. Fig. 11. Expression of RHAMM in the skin and other tissues of the human body [41]

Download (213KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2021 Vaiman E.E., Shnayder N.A., Dyuzhakova A.V., Nikitina E.I., Borzykh O.B., Nasyrova R.F.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».