瑞典卡羅林斯卡學院10月7日宣布，2019年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎得主為小威廉·G.凱林（William G. Kaelin, Jr.）、彼得·J·拉特克利夫爵士（Sir Peter J. Ratcliffe）和格雷格·L.塞門扎（Gregg L. Semenza），以嘉獎他們發(fā)現(xiàn)細胞怎樣感知并適應環(huán)境氧含量。

三位獲獎者丨nobelprize.org

動物需要用氧氣將食物轉(zhuǎn)化為可使用的能量。雖然從幾個世紀前起，人們就了解了氧氣的重要性，但長期以來人們一直不清楚細胞究竟是如何適應氧氣水平的變化的。

小威廉·G·凱林（William G. Kaelin Jr.）、彼得·J·拉特克利夫爵士（Sir Peter J. Ratcliffe）和格雷格·塞門扎（Gregg L. Semenza）發(fā)現(xiàn)了細胞是怎樣感知并適應不斷變化的環(huán)境氧含量的。他們發(fā)現(xiàn)了一種分子機制，可以調(diào)節(jié)基因的活性以應對不同的氧氣水平。

今年諾貝爾獎獲得者的開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)，揭示了生命最重要適應過程之一背后的機制。他們?yōu)槲覀兞私庋鯕馑饺绾斡绊懠毎x和生理功能奠定了基礎(chǔ)。這一發(fā)現(xiàn)也有望為抗擊貧血、癌癥和許多其他疾病的新策略鋪平道路。

舞臺中央的氧氣

氧氣，化學式O2，組成了大約五分之一的地球大氣層。氧氣對于動物生命非常重要：幾乎所有動物細胞中都有線粒體，線粒體利用氧氣，從而將食物轉(zhuǎn)化為可以使用的能量。1931年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎的獲得者奧托·瓦爾堡（Otto Warburg），已經(jīng)揭示了這種轉(zhuǎn)化是一個酶促過程。

線粒體構(gòu)造丨Wikipedia，原圖kelvinsong，翻譯YanTTO

這些機制在演化過程中發(fā)展，以確保能給組織和細胞供應足夠的氧氣。在頸部兩邊、毗鄰大血管的頸動脈體，包含了專門的細胞來感受血液中的氧氣水平。1938年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予了柯奈爾·海門斯（Corneille Heymans），表彰他關(guān)于血液氧氣的發(fā)現(xiàn)。他發(fā)現(xiàn)了由頸動脈體所感受的血液氧氣如何通過直接與大腦交流，以控制我們的呼吸頻率。

缺氧誘導因子（HIF）出場

除了頸動脈體控制著對缺氧的快速適應之外，還有其他基本的生理適應機制。缺氧引起的一個關(guān)鍵生理反應是促紅細胞生成素（EPO）水平升高，從而導致紅細胞生成增加。早在20世紀初，人們就已經(jīng)知道激素極大地影響著紅細胞的生成，但不知道這個過程本身是如何被氧氣控制的。

EPO丨Wikipedia

格雷格·塞門扎研究了EPO基因，以及它是如何被氧氣的不同濃度所調(diào)節(jié)的。對基因修飾小鼠的研究發(fā)現(xiàn)，位于EPO基因旁邊的特定 DNA 片段調(diào)節(jié)著對缺氧的反應。彼得·J·拉特克利夫爵士也研究了EPO基因的氧依賴調(diào)節(jié)機制。兩個研究小組都發(fā)現(xiàn)，這種氧感應機制不僅存在于正常產(chǎn)生EPO的腎細胞中，更是存在于幾乎所有的組織中。這些重要發(fā)現(xiàn)表明，氧感應機制在許多不同類型的細胞中都是普遍存在并發(fā)揮作用的。

塞門扎希望確定介導此反應的細胞成分。在體外培養(yǎng)的肝臟細胞中，他發(fā)現(xiàn)了一種蛋白復合物，這種復合體與特定的DNA片段結(jié)合，在不同氧含量下產(chǎn)生不同的反應。他稱這個復合物為缺氧誘導因子（HIF）。

接下來，研究者們開始努力純化HIF復合物。1995年，塞門扎發(fā)表了他的一些關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)，包括鑒定出了編碼HIF的基因。他發(fā)現(xiàn)，HIF由兩種不同的DNA結(jié)合蛋白組成，也就是所謂“轉(zhuǎn)錄因子”，現(xiàn)在它們被稱為HIF-1α和ARNT。現(xiàn)在研究者們可以開始解開這一謎題，以便理解這一過程還涉及哪些其他因子，及其背后的機制。

希佩爾-林道綜合征（VHL）：意外的伙伴

當氧氣含量較高時，細胞內(nèi)含有非常少的HIF-1α。然而，當氧氣含量低時，HIF-1α的含量就會增加，于是它就可以結(jié)合并調(diào)節(jié)EPO基因，以及其他含有HIF結(jié)合片段的基因。數(shù)個研究團隊的研究顯示，在缺氧的時候，平時本應迅速降解的HIF-1α會被阻止降解。在正常的氧濃度下，名叫蛋白酶體的細胞器會將HIF-1α降解（蛋白酶體是由2004年諾貝爾化學獎得主阿龍·切哈諾沃、歐文·羅斯和阿夫拉姆·赫什科發(fā)現(xiàn)的）。在這種情況下，一種名叫泛素的小肽會被加到HIF-1α蛋白上。泛素就像是一個標簽，標記著要在蛋白酶體被降解的蛋白質(zhì)。而泛素對HIF-1α的結(jié)合如何隨氧含量而變化仍然是一個核心問題。

答案來自一個意料之外的方向。大約在塞門扎和拉特克利夫探索EPO基因的同時，癌癥研究者小威廉·G·凱林正在研究一種遺傳綜合征——希佩爾-林道綜合征（VHL綜合征）。在攜帶VHL突變的家族中，這種遺傳病會明顯增加患上某些癌癥的風險。凱林證明，VHL基因會編碼一種防止癌癥發(fā)生的蛋白。他還證明，缺乏功能性VHL基因的癌細胞表達出異常高水平的低氧調(diào)控基因；但當VHL基因被轉(zhuǎn)入癌細胞時后者就會恢復正常水平。

這是一條重要的線索，表明VHL參與控制了對低氧狀態(tài)的響應。其他一些研究組提供了更多線索，表明VHL是一個復合物的組成部分，該復合物以泛素標記蛋白質(zhì)，使其被蛋白酶降解。拉特克利夫和他的研究組隨后得出關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：VHL能夠在生理水平與HIF-α發(fā)生相互作用，在正常氧氣水平下，后者的降解需要這一過程。這一發(fā)現(xiàn)結(jié)論性地將VHL和HIF-1α聯(lián)系在了一起。

氧氣調(diào)節(jié)HIF的平衡

至此大部分拼圖塊都拼上了，但還剩下一片：氧氣是如何調(diào)節(jié)VHL和HIF-1α之間的交互的。

大家的搜索聚焦到了HIF-1α蛋白質(zhì)中一個特定的部分，這部分已知對依賴VHL的降解至關(guān)重要。凱林和拉特克利夫都懷疑，感知氧氣的關(guān)鍵就在這個蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域之中。2001年，兩篇同時發(fā)布的文章都發(fā)現(xiàn)，在正常的氧氣水平下，HIF-1α的兩個特定位點上會被添上羥基（見下圖）。對蛋白質(zhì)的這一改變——叫做脯氨酰羥化——使得VHL能夠識別并結(jié)合HIF-1α。這就解釋了正常的氧氣濃度怎樣控制了HIF-1α的快速降解：靠的是對氧敏感的酶（即脯氨酰羥化酶）。拉特克利夫等人接下來的研究指出了具體哪些脯氨酰羥化酶涉及其中。研究還顯示，HIF-1α激活基因的能力是受依賴氧氣濃度的羥基化所調(diào)節(jié)的。諾獎得主們至此已經(jīng)完全闡明了氧氣感知機制，并說明了它的每一步機理。

在上圖中，當氧含量低（缺氧）的時候，HIF-1α被保護住不會降解，并在細胞核里聚集。它和ARNT相作用，并結(jié)合到特定DNA序列的缺氧調(diào)控基因（HRE）上（1）。在正常的氧氣水平下，HIF-1α會由蛋白酶體快速降解（2）。氧氣通過為HIF-1α增加羥基（OH）調(diào)控了這一降解過程（3）。然后VHL蛋白就可以識別HIF-1α并組成一個復合體，根據(jù)氧氣濃度決定是否使它降解。

氧感應機制的生理學和病理學

由于幾位諾貝爾獎得主的開創(chuàng)性工作，我們對不同的氧氣水平如何調(diào)節(jié)基本的生理過程有了更多的了解。氧感應能使細胞適應機體處于低氧水平時的新陳代謝。例如，劇烈運動時，此反應就發(fā)生在肌肉中。氧感應控制細胞適應過程的例子還有很多，比如刺激新血管的生成和紅細胞的產(chǎn)生、參與微調(diào)機體的免疫系統(tǒng)和許多其他生理功能。在胎兒發(fā)育過程中，氧感應機制對控制正常血管的形成和胎盤的發(fā)育也至關(guān)重要。

氧感應是許多疾病的核心。例如，慢性腎功能衰竭患者常因EPO表達減少而出現(xiàn)嚴重貧血。如前所述，由腎臟中的細胞產(chǎn)生的EPO，對控制紅細胞的生成至關(guān)重要。此外，氧感應機制在癌癥中有重要作用。在腫瘤中，氧感應機制會刺激血管的形成、重塑代謝以使癌細胞大量增殖。很多大學的實驗室和制藥公司正投入力量，開發(fā)通過激活或阻斷氧感應機制以干預疾病狀態(tài)的藥物。

如上圖，本次獲獎的氧感應機制對生理學有重要意義，我們的新陳代謝、免疫反應和適應運動的能力都離不開此機制。許多病理過程也受到氧感應機制的影響。目前制藥業(yè)正投入力量通過抑制或激活氧氣調(diào)節(jié)機制來開發(fā)新藥，以治療貧血、癌癥和其他疾病。

小威廉·G·凱林（William G.Kaelin, Jr.）于1957年出生于紐約。他獲得了杜克大學的醫(yī)學博士學位，曾在約翰·霍普金斯大學和達納-法伯癌癥研究所進行內(nèi)科和腫瘤學的專業(yè)培訓。他在達納-法伯癌癥研究所建立了自己的研究實驗室，并于2002年成為哈佛醫(yī)學院的教授。且自1998年以來，他一直是霍華德·休斯醫(yī)學研究所的研究員。

彼得·J·拉特克利夫爵士（Sir Peter J. Ratcliffe）于1954年出生于英國蘭開夏郡。他在劍橋大學岡維爾與凱斯學院學習醫(yī)學，并在牛津大學進行了腎臟病學的專業(yè)培訓。此后，他在牛津大學成立了一個獨立的研究小組，并于1996年成為教授。他還是倫敦弗朗西斯·克里克研究所（Francis Crick Institute）的臨床研究主任、牛津大學標靶研發(fā)院（Target Discovery Institute）主任和路德維希癌癥研究所的成員。

格雷格·塞門扎（Gregg L. Semenza）于1956年生于紐約。他從哈佛大學獲得了生物學學士學位，于1984年獲得賓夕法尼亞大學醫(yī)學院的醫(yī)學博士學位，并在杜克大學接受了兒科專業(yè)的訓練。塞門扎在約翰·霍普金斯大學進行了博士后訓練，并在那里建立了獨立的研究小組。1999年，他成為了約翰·霍普金斯大學的教授，并自2003年以來擔任約翰·霍普金斯細胞工程研究所血管研究計劃的主任。

譯者：八云，麥麥，游識猷，窗敲雨，鐘與氏darla，antares，木易楊楊

校對：odette，Ent