涨知识｜斩获诺奖的氧感知机制：贫血、癌症、胎儿都和它有关

　　涨知识｜斩获诺奖的氧感知机制：贫血、癌症、胎儿都和它有关

　　氧气，分子式O2，是氧元素最常见的单质形态，按体积来算在大气中大约占21%，在标准状况下是气体，不易溶于水，密度比空气略大。这种普遍为人所知、人类赖以生存的重要物质，成为了2019年诺贝尔生理学或医学奖的主角。

　　来自哈佛医学院Dana-Farber癌症研究所的威廉 乔治 凯林(William G. Kaelin)、来自牛津大学和弗朗西斯 克里克研究所(Francis Crick Institute)的彼得 约翰 拉特克利夫(Peter John Ratcliffe)，以及约翰霍普金斯医学院(Johns Hopkins University School of Medicine)的格雷格 伦纳德 塞门扎(Gregg Leonard Semenza)，成为了新晋诺奖得主。这三位均生于上世纪50年代的科学家，因“革命性地发现细胞在分子水平上感知氧气的基本原理”而荣获此奖。

　　氧的地位毋庸置疑。它是动物生命所必需的：被存在于几乎所有动物细胞中的线粒体所利用，从而将食物转化为有用的能量。然而，几个世纪以来，人们虽然了解氧的重要性，但细胞如何适应氧水平的变化一直是未知的。

　　上述三位科学家从各自的领域出发，最终汇聚并共同解决人类谜团，揭示了生命中最重要的适应性过程之一的机制。他们的发现为我们理解氧水平如何影响细胞代谢和生理功能奠定了基础，也为有望对抗贫血、癌症和许多其他疾病的新策略铺平了道路。

　　诺奖级前期探索

　　动物细胞如何将食物转化为有用的能量？在三位新晋诺奖得主之前，一些前辈科学家们已经开始探索之路。

　　据诺贝尔官网资料显示，德国生理学家及医生Otto Warburg曾提出，这种转化是一种酶的过程。1931年，Warburg因“发现呼吸酶的性质及作用方式”被授予诺贝尔生理学或医学奖。

　　另外，可以想象的是，在进化过程中，为确保组织和细胞有足够的氧气供应会发展出相应的机制。这里必须提到颈动脉体(carotid body)，它是颈动脉分支附近的一个化学受器，与颈两侧的大血管相邻并含有特殊的细胞，能侦测动脉血中的气体分压，主要是血氧及二氧化碳，此外也能感测pH值及温度。

　　1938年，诺贝尔生理学或医学奖授予了比利时医学家Corneille Heymans，以表彰其“发现通过颈动脉体的血氧感应是如何通过与大脑直接交流来控制呼吸频率”。

　　HIF登场

　　除了颈动脉体调控快速适应低氧水平(缺氧)外，还有其他一些基本的生理适应。

　　缺氧的一个关键生理反应是促红细胞生成素(EPO)水平的升高，EPO会增加红细胞的生成。这种激素控制红细胞生成的重要性在20世纪初就已为人所知，但这一过程本身是如何被氧调控仍是一个谜。

　　Gregg Leonard Semenza

　　塞门扎研究了EPO基因，以及它是如何被不同的氧水平调控。通过基因修饰小鼠，塞门扎发现位于EPO基因旁的特定DNA片段介导了对缺氧的反应。同时，拉特克利夫也研究了EPO基因的氧气依赖调节。

　　Peter John Ratcliffe

　　两个研究小组都发现，不仅仅是在通常产生EPO的肾脏细胞中，几乎所有组织中都存在氧感知机制。

　　这些重要的发现表明，该机制是普遍的，并在许多不同的细胞类型中发挥功能。

　　随后，塞门扎希望找出介导这种反应的细胞成分。在培养的肝细胞中，他发现了一种蛋白质复合物，它以一种依赖氧的方式与DNA片段结合。他将这种复合物命名为为缺氧诱导因子(HIF)。塞门扎开始了对HIF复合物的广泛研究，并于1995年发表了一些重要的发现，包括编码HIF的基因的鉴定。研究还发现，HIF包含两种不同的DNA结合蛋白，即所谓的转录因子，现在被称作HIF-1α和ARNT。

　　基于上述成果，研究人员可以开始着手解决，还有哪些因素参与其中，以及氧感知机制是如何运作的。

　　VHL：意想不到的帮手

　　研究已知，当氧含量很高时，细胞含有的HIF-1α很少。然而，当氧含量很低，HIF-1α数量增加，以便它可以结合，从而调节促红细胞生成素基因。

　　而在正常氧含量水平下，一种被称作蛋白酶体(proteasome)的细胞机制(Aaron Ciechanover、 Avram Hershko 和 Irwin Rose因此获得2004年诺贝尔化学奖)，会降解HIF-1α。在这种情况下，小肽泛素(ubiquitin)会结合HIF-1α蛋白。泛素是蛋白酶体降解的标记，而泛素如何以一种氧依赖性的方式结合HIF-1α仍然是一个核心问题。

　　William G. Kaelin

　　答案意想不到。大约在塞门扎和拉特克利夫还在研究EPO基因调控的同时，癌症研究者凯林正在研究一种遗传综合征——希佩尔-林道综合征(VHL病)。这种遗传性疾病导致遗传性VHL突变家庭中某些癌症的风险显著增加。

　　凯林证明VHL基因编码了一种可以预防癌症的蛋白质。凯林还表明，缺乏VHL功能基因的癌细胞表达异常高水平的低氧调节基因，但当VHL基因被重新引入癌细胞时，又恢复至正常水平。

　　这是一条重要的线索，表明VHL在某种程度上参与了对缺氧反应的调控。来自几个研究小组的其他线索表明，VHL是用泛素标记蛋白质的复合体的一部分，标记它们在蛋白酶体中的降解。

　　另外，拉特克利夫和他的研究小组也发现了另一个关键：证明VHL可以与HIF-1α相互作用，并且是正常氧水平下HIF-1α降解的条件。

　　至此，HIF-1α和VHL之间的联系被找到。

　　氧改变平衡

　　该领域的很多研究工作完成后，仍然空白的是氧含量如何调节VHL和HIF-1α之间的相互作用。

　　随后，大量研究集中在HIF-1α蛋白的一个特定的部分，这被认为对VHL依赖降解非常重要。凯林和拉特克利夫均假设，氧感知就存在于其中。

　　2001年，两篇同时发表的文章表明，在正常氧含量下，羟基被添加到HIF-1α两个特定位置。这种蛋白质改性，被称作脯氨酰羟化( prolyl hydroxylation)，这使得VHL可以识别和结合HIF-1α，从而解释了在氧感知酶(所谓的脯氨酰羟化酶)的帮助下，正常氧含量可以调控HIF-1α快速降解。

　　拉特克利夫等人的进一步研究确定了脯氨酰羟化酶的作用。研究还表明， HIF-1α基因激活由氧依赖性的羟基化调控。

　　由此，三位新晋诺贝尔奖获得者阐明了氧感应机制，并展示了它是如何工作的。

　　氧感知机制的重要性

　　这些诺贝尔奖得主的开创性工作，让我们对不同的氧水平如何调节基本的生理过程有了更多的了解。

　　氧感知允许细胞适应低氧水平的新陈代谢。例如，在剧烈运动时的肌肉中、新血管的生成和红细胞的产生、免疫系统和许多其他生理功能等，氧感知均发挥关键作用。值得一提的是，在胎儿发育过程中，氧感知对控制正常血管的形成和胎盘的发育也至关重要。研究已经证明，若缺少了HIF-1基因，将导致胎儿死亡。

　　因为其重要性，氧感知也是许多疾病的核心。

　　例如，慢性肾功能衰竭患者常因EPO表达减少而导致严重贫血。如前所述，促红细胞生成素由肾脏细胞产生，对控制红细胞的形成至关重要。

　　此外，氧调节机制在癌症中有重要作用。在肿瘤中，氧调节机制被用来刺激血管的形成和重塑代谢，以有效地增殖癌细胞。

　　目前，一些实验室和制药公司也正在努力，致力于开发能够通过激活或阻断氧感知机制来干预不同疾病的药物。

三位获奖者的关键成果：

　　Semenza, G.L, Nejfelt, M.K., Chi, S.M. &Antonarakis, S.E. (1991). Hypoxia-inducible nuclear factors bind to an enhancer element located 3’ to the human erythropoietin gene. Proc Natl Acad Sci USA, 88, 5680-5684

　　Wang, G.L., Jiang, B.-H., Rue, E.A. &Semenza, G.L. (1995). Hypoxia-inducible factor 1 is a basic-helix-loop-helix-PAS heterodimer regulated by cellular O2 tension. Proc Natl Acad Sci USA, 92, 5510-5514

　　Maxwell, P.H., Wiesener, M.S., Chang, G.-W., Clifford, S.C., Vaux, E.C., Cockman, M.E., Wykoff, C.C., Pugh, C.W., Maher, E.R. &Ratcliffe, P.J. (1999). The tumour suppressor protein VHL targets hypoxia-inducible factors for oxygen-dependent proteolysis. Nature, 399, 271-275

　　Mircea, I., Kondo, K., Yang, H., Kim, W., Valiando, J., Ohh, M., Salic, A., Asara, J.M., Lane, W.S. &Kaelin Jr., W.G. (2001) HIFa targeted for VHL-mediated destruction by proline hydroxylation: Implications for O2 sensing. Science, 292, 464-468

　　Jakkola, P., Mole, D.R., Tian, Y.-M., Wilson, M.I., Gielbert, J., Gaskell, S.J., von Kriegsheim, A., Heberstreit, H.F., Mukherji, M., Schofield, C.J., Maxwell, P.H., Pugh, C.W. &Ratcliffe, P.J. (2001). Targeting of HIF-α to the von Hippel-Lindau ubiquitylation complex by O2-regulated prolyl hydroxylation. Science, 292, 468-472