Under conditions of limited oxygen availability (hypoxia), multiple cell types release adenine nucleotides in the form of ATP, ADP, and AMP. Extracellular AMP is metabolized to adenosine by surface-expressed ecto-5′-nucleotidase (CD73) and subsequently activates surface adenosine receptors regulating endothelial and epithelial barrier function. Therefore, we hypothesized that hypoxia transcriptionally regulates CD73 expression. Microarray RNA analysis revealed an increase in CD73 and ecto-apyrase CD39 in hypoxic epithelial cells. Metabolic studies of CD39/CD73 function in intact epithelia revealed that hypoxia enhances CD39/CD73 function as much as 6 ± 0.5–fold over normoxia. Examination of the CD73 gene promoter identified at least one binding site for hypoxia-inducible factor-1 (HIF-1) and inhibition of HIF-1α expression by antisense oligonucleotides resulted in significant inhibition of hypoxia-inducible CD73 expression. Studies using luciferase reporter constructs revealed a significant increase in activity in cells subjected to hypoxia, which was lost in truncated constructs lacking the HIF-1 site. Mutagenesis of the HIF-1α binding site resulted in a nearly complete loss of hypoxia-inducibility. In vivo studies in a murine hypoxia model revealed that hypoxia-induced CD73 may serve to protect the epithelial barrier, since the CD73 inhibitor α,β-methylene ADP promotes increased intestinal permeability. These results identify an HIF-1–dependent regulatory pathway for CD73 and indicate the likelihood that CD39/CD73 protects the epithelial barrier during hypoxia.

Under conditions of limited oxygen availability (hypoxia), multiple cell types release adenine nucleotides in the form of ATP, ADP, and AMP. Extracellular AMP is metabolized to adenosine by surface-expressed ecto-5′-nucleotidase (CD73) and subsequently activates surface adenosine receptors regulating endothelial and epithelial barrier function. Therefore, we hypothesized that hypoxia transcriptionally regulates CD73 expression. Microarray RNA analysis revealed an increase in CD73 and ecto-apyrase CD39 in hypoxic epithelial cells. Metabolic studies of CD39/CD73 function in intact epithelia revealed that hypoxia enhances CD39/CD73 function as much as 6 ± 0.5–fold over normoxia. Examination of the CD73 gene promoter identified at least one binding site for hypoxia-inducible factor-1 (HIF-1) and inhibition of HIF-1α expression by antisense oligonucleotides resulted in significant inhibition of hypoxia-inducible CD73 expression. Studies using luciferase reporter constructs revealed a significant increase in activity in cells subjected to hypoxia, which was lost in truncated constructs lacking the HIF-1 site. Mutagenesis of the HIF-1α binding site resulted in a nearly complete loss of hypoxia-inducibility. In vivo studies in a murine hypoxia model revealed that hypoxia-induced CD73 may serve to protect the epithelial barrier, since the CD73 inhibitor α,β-methylene ADP promotes increased intestinal permeability. These results identify an HIF-1–dependent regulatory pathway for CD73 and indicate the likelihood that CD39/CD73 protects the epithelial barrier during hypoxia.

Receptors for ATP and ADP and adenosine exert various effects. ATP and ADP signaling is mainly proinflammatory, and adenosine signaling is mainly antiinflammatory. Receptors for these nucleosides are emerging as therapeutic targets in a number of inflammatory and autoimmune diseases.

Extracellular adenosine has been widely implicated in adaptive responses to hypoxia. The generation of extracellular adenosine involves phosphohydrolysis of adenine nucleotide intermediates, and is regulated by the terminal enzymatic step catalyzed by ecto-5′-nucleotidase (CD73). Guided by previous work indicating that hypoxia-induced vascular leakage is, at least in part, controlled by adenosine, we generated mice with a targeted disruption of the third coding exon of Cd73 to test the hypothesis that CD73-generated extracellular adenosine functions in an innate protective pathway for hypoxia-induced vascular leakage. Cd73−/− mice bred and gained weight normally, and appeared to have an intact immune system. However, vascular leakage was significantly increased in multiple organs, and after subjection to normobaric hypoxia (8% O2), Cd73−/− mice manifested fulminant vascular leakage, particularly prevalent in the lung. Histological examination of lungs from hypoxic Cd73−/− mice revealed perivascular interstitial edema associated with inflammatory infiltrates surrounding larger pulmonary vessels. Vascular leakage secondary to hypoxia was reversed in part by adenosine receptor agonists or reconstitution with soluble 5′-nucleotidase. Together, our studies identify CD73 as a critical mediator of vascular leakage in vivo.

Recent studies have demonstrated dramatic shifts in metabolic supply-and-demand ratios during inflammation, a process resulting in localized tissue hypoxia within inflammatory lesions (“inflammatory hypoxia”). As part of the adaptive immune response, T cells are recruited to sites of inflammatory hypoxia. Given the profound effects of hypoxia on gene regulation, we hypothesized that T-cell differentiation is controlled by hypoxia. To pursue this hypothesis, we analyzed the transcriptional consequences of ambient hypoxia (1% oxygen) on a broad panel of T-cell differentiation factors. Surprisingly, these studies revealed selective, robust induction of FoxP3, a key transcriptional regulator for regulatory T cells (Tregs). Studies of promoter binding or loss- and gain-of-function implicated hypoxia-inducible factor (HIF)-1α in inducing FoxP3. Similarly, hypoxia enhanced Treg abundance in vitro and in vivo. Finally, Treg-intrinsic HIF-1α was required for optimal Treg function and Hif1a –deficient Tregs failed to control T-cell–mediated colitis. These studies demonstrate that hypoxia is an intrinsic molecular cue that promotes FoxP3 expression, in turn eliciting potent anti-inflammatory mechanisms to limit tissue damage in conditions of reduced oxygen availability.

Limited oxygen delivery to tissues (hypoxia) is common in a variety of disease states. A number of parallels exist between hypoxia and acute inflammation, including the observation that both influence vascular permeability. As such, we compared the functional influence of activated polymorphonuclear leukocytes (PMN) on normoxic and posthypoxic endothelial cells. Initial studies indicated that activated PMN preferentially promote endothelial barrier function in posthypoxic endothelial cells (>60% increase over normoxia). Extension of these findings identified at least one soluble mediator as extracellular adenosine triphosphate (ATP). Subsequent studies revealed that ATP is coordinately hydrolyzed to adenosine at the endothelial cell surface by hypoxia-induced CD39 and CD73 (>20-and >12-fold increase in mRNA, respectively). Studies in vitro and in cd39-null mice identified these surface ecto-enzymes as critical control points for posthypoxia-associated protection of vascular permeability. Furthermore, insight gained through microarray analysis revealed that the adenosine A2B receptor (AdoRA2B) is selectively up-regulated by hypoxia (>5-fold increase in mRNA), and that AdoRA2B antagonists effectively neutralize ATP-mediated changes in posthypoxic endothelial permeability. Taken together, these results demonstrate transcription coordination of adenine nucleotide and nucleoside signaling at the vascular interface during hypoxia.

Nucleotides and nucleosides influence nearly every aspect of physiology and pathophysiology. Extracellular nucleotides are metabolized through regulated phosphohydrolysis by a series of ecto-nucleotidases. The formation of extracellular adenosine from adenosine 5'-monophosphate is accomplished primarily through ecto-5'-nucleotidase (CD73), a glycosyl phosphatidylinositol-linked membrane protein found on the surface of a variety of cell types. Recent in vivo studies implicating CD73 in a number of tissue protective mechanisms have provided new insight into its regulation and function and have generated considerable interest. Here, we review contributions of CD73 to cell and tissue stress responses, with a particular emphasis on physiologic responses to regulated CD73 expression and function, as well as new findings utilizing Cd73-deficient animals.

Background— Ecto-5′-nucleotidase (CD73)–dependent adenosine generation has been implicated in tissue protection during acute injury. Once generated, adenosine can activate cell-surface adenosine receptors (A 1 AR, A 2A AR, A 2B AR, A 3 AR). In the present study, we define the contribution of adenosine to cardioprotection by ischemic preconditioning. Methods and Results— On the basis of observations of CD73 induction by ischemic preconditioning, we found that inhibition or targeted gene deletion of cd73 abolished infarct size-limiting effects. Moreover, 5′-nucleotidase treatment reconstituted cd73 −/− mice and attenuated infarct sizes in wild-type mice. Transcriptional profiling of adenosine receptors suggested a contribution of A 2B AR because it was selectively induced by ischemic preconditioning. Specifically, in situ ischemic preconditioning conferred cardioprotection in A 1 AR −/− , A 2A AR −/− , or A 3 AR −/− mice but not in A 2B AR −/− mice or in wild-type mice after inhibition of the A 2B AR. Moreover, A 2B AR agonist treatment significantly reduced infarct sizes after ischemia. Conclusions— Taken together, pharmacological and genetic evidence demonstrate the importance of CD73-dependent adenosine generation and signaling through A 2B AR for cardioprotection by ischemic preconditioning and suggests 5′-nucleotidase or A 2B AR agonists as therapy for myocardial ischemia.

Ischemic preconditioning provides strong cardioprotection from ischemia, but its molecular mechanisms remain unknown. Convincing evidence confirms a central role of hypoxia-inducible factor (HIF)-1 in mammalian oxygen homeostasis. Thus, we pursued HIF-1 as a central component of cardioprotection by ischemic preconditioning.Murine studies of in situ preconditioning revealed a robust activation of cardiac HIF-1. Moreover, in vivo small interfering RNA repression of cardiac HIF-1 resulted in abolished cardioprotection by ischemic preconditioning. In contrast, pretreatment with the HIF activator dimethyloxalylglycine was associated with cardioprotection similar to that of ischemic preconditioning itself. Finally, selective small interfering RNA repression of prolylhydroxylase 2 resulted in significant activation of HIF-1 alpha and attenuated myocardial infarct sizes (0.44+/-0.09-fold). As an end point of HIF-dependent cardioprotection, we defined the role of A2B adenosine receptor (A2BAR) signaling. Although the cardiac A2BAR was induced with HIF activation, HIF-dependent cardioprotection was abolished in A2BAR-/- mice.Taken together, these studies provide evidence for a critical role of HIF-1 in ischemic preconditioning via enhancing purinergic signaling pathways.