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.

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.

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.