直击诺奖|『氧感应机制』荣获2019年诺贝尔生理或医学奖

999 人阅读发布时间：2019-11-27 10:24

瑞典卡罗林斯卡学院10月7日宣布，2019年的诺贝尔生理学或医学奖得主为小威廉·G.凯林（William G. Kaelin, Jr.）、彼得·J·拉特克利夫爵士（Sir Peter J. Ratcliffe）和格雷格·L·塞门扎（Gregg L. Semenza），以嘉奖他们发现了细胞感知和适应氧气变化（oxygen availability）的机制。

今年的诺贝尔奖获得者的开创性发现揭示了生命中最重要的适应过程的机制。他们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。他们的发现也为抗击贫血、癌症和许多其他疾病的新策略铺平了道路。

2019年诺贝尔生理学或医学奖获得者，他们分别是来自哈佛医学院达纳-法伯癌症研究所的威廉·凯林（ William G. Kaelin, Jr.），牛津大学和弗朗西斯·克里克研究所的彼得·拉特克利夫（ Sir Peter J. Ratcliffe）以及美国约翰霍普金斯大学医学院的格雷格·塞门扎（Gregg L. Semenza）。

氧气—至关重要

氧气约占地球大气层的五分之一，对动物生命至关重要：几乎所有动物细胞中的线粒体都会利用氧气，从而将食物转化为可以使用的能量。1931年诺贝尔生理学或医学奖的获得者奧托·瓦尔堡（Otto Warburg），已经揭示了这种转化是一个酶促过程。

这些机制在演化过程中发展，以确保能给组织和细胞供应足够的氧气。在颈部两边、毗邻大血管的颈动脉体，包含了专门的细胞来感受血液中的氧气水平。1938年的诺贝尔生理学或医学奖授予了柯奈尔·海门斯（Corneille Heymans），表彰他关于血液氧气的发现——由颈动脉体所感受的血液氧气如何通过直接与大脑交流，以控制我们的呼吸频率。

HIF—进入视野

除了颈动脉体控制着对缺氧（低氧）的快速适应之外，还有其他基本的生理适应机制。缺氧引起的一个关键生理反应是促红细胞生成素（EPO）水平升高，从而使红细胞生成增加。早在20世纪初，人们就已经知道激素极大地影响着红细胞的生成，但这个过程本身是如何由氧气浓度控制的，仍然是个谜。

格雷格·塞门扎（Gregg Semenza）研究了促红细胞生成素（EPO）基因，以及它是如何由不同浓度氧气所调节的。通过对基因修饰小鼠的研究发现，位于EPO基因旁边的特定DNA片段调节着对缺氧的反应。

彼得·拉特克利夫（Sir Peter J. Ratcliffe）也研究了EPO基因的氧依赖调节机制。两个研究小组都发现，这种氧感应机制不仅存在于正常产生EPO的肾细胞中，更是存在于几乎所有的组织中。这些重要发现表明，氧感应机制在许多不同类型的细胞中都是普遍存在并发挥作用的。

塞门扎（Gregg Semenza）希望确定介导此反应的细胞成分。在体外培养的肝脏细胞中，他发现了一种蛋白复合物，该复合物以一种氧依赖性的方式与已鉴定出的 DNA 片段结合。他称这个复合物为缺氧诱导因子（HIF）。

接下来，研究者们开始努力纯化HIF复合物。1995年，塞门扎发表了他的一些关键发现，包括鉴定出了编码HIF的基因。他发现，HIF由两种不同的DNA结合蛋白组成，也就是所谓“转录因子”，现在它们被称为HIF-1α和ARNT。现在，研究人员开始着手研究 HIF 的其他成分以及运作机制。

VHL—意外伙伴

当氧气含量较高时，细胞内含有非常少的HIF-1α。然而，当氧气含量低时，HIF-1α的含量就会增加，于是它就可以结合并调节EPO基因，以及其他含有HIF结合片段的基因。

数个研究团队的研究显示，在缺氧的时候，平时本应迅速降解的HIF-1α会被阻止降解。在正常的氧浓度下，名叫蛋白酶体的细胞器会将HIF-1α降解（蛋白酶体是由2004年诺贝尔化学奖得主阿龙·切哈诺沃、欧文·罗斯和阿夫拉姆·赫什科发现的）。在这种情况下，一种名叫泛素的小肽会被加到HIF-1α蛋白上。泛素就像是一个标签，标记着要在蛋白酶体被降解的蛋白质。而泛素对HIF-1α的结合如何随氧含量变化仍然是一个核心问题。

答案来自一个意料之外的方向。大约在塞门扎和拉特克利夫探索EPO基因的同时，癌症研究者小威廉·G·凯林正在研究一种遗传综合征——希佩尔-林道综合征（VHL综合征)。在携带VHL突变的家族中，这种遗传病会明显增加患上某些癌症的风险。

凯林（William G. Kaelin, Jr.）证明，VHL基因会编码一种预防癌症发生的蛋白。此外，缺乏功能性VHL基因的癌细胞表达出异常高水平的低氧调控基因；但当VHL基因被转入癌细胞时后者就会恢复正常水平。这是一条重要的线索，表明VHL参与控制了对低氧状态的响应。

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一部分，使其被蛋白酶降解。而拉特克利夫和他的研究小组发现了其中关键：在正常氧含量条件下，VHL可以与HIF-1α相互作用并是后者降解所必需的，从而作出HIF-1α和VHL之间存在联系的结论。

氧气调节HIF的平衡

许多研究结果都已经就位，但是仍然缺少对氧气水平如何调节 VHL 和 HIF-1α 之间相互作用的理解。研究的重点区域在已知对 VHL 降解具有重要作用的 HIF-1α 蛋白的特定部分，凯林和拉特克利夫都怀疑氧气感测的关键位于该蛋白结构域的某个位置。

在 2001 年，他们在两篇同时发表的文章中表明，在正常的氧气水平下，HIF-1α 蛋白的两个特定位置会添加羟基（如图）。这种蛋白质修饰（称为脯氨酰羟化）使 VHL 能够识别并结合到 HIF-1α，从而解释了正常的氧气水平如何通过对氧敏感的酶（所谓的脯氨酰羟化酶）来控制 HIF-1α 的快速降解。

当氧含量低（缺氧）的时候，HIF-1α被保护住不会降解，并在细胞核里聚集。它和ARNT相作用，并结合到特定DNA序列的缺氧调控基因（HRE）上[1]。在正常的氧气水平下，HIF-1α会由蛋白酶体快速降解[2]。氧气通过为HIF-1α增加羟基（OH）调控了这一降解过程[3]。然后VHL蛋白就可以识别HIF-1α并组成一个复合体，根据氧气浓度决定是否使它降解[4]。

拉特克利夫等人的研究，进一步确定了特定的脯氨酰羟化酶，并表明 HIF-1α 的基因激活功能受氧气依赖性羟基化作用的调节。至此，三位诺贝尔奖获得者，已经阐明了氧气感应机制，并展示了其工作原理。

氧感应机制生理和病理学

由于几位诺贝尔奖得主的开创性工作，我们对不同的氧气水平如何调节基本的生理过程有了更多的了解。氧感应能使细胞适应机体处于低氧水平时的新陈代谢。例如，剧烈运动时，此反应就发生在肌肉中。

氧感应控制细胞适应过程的例子还有很多，比如刺激新血管的生成和红细胞的产生、参与微调机体的免疫系统和许多其他生理功能。在胎儿发育过程中，氧感应机制对控制正常血管的形成和胎盘的发育也至关重要。

氧感应机制是许多疾病的核心。例如，慢性肾功能衰竭患者常因EPO表达减少而出现严重贫血。如前所述，由肾脏中的细胞产生的EPO，对控制红细胞的生成至关重要。此外，氧感应机制在癌症中有重要作用。在肿瘤中，氧感应机制会刺激血管的形成、重塑代谢以使癌细胞大量增殖。很多大学的实验室和制药公司正投入力量，开发通过激活或阻断氧感应机制以干预疾病状态的药物。

此次荣获诺奖的氧感应机制对于生理学中的新陈代谢、免疫反应和适应运动等都具有极其重要的作用。此外，许多病理过程也会受到影响。许多研究室与制药公司正在不断努力开发可以抑制或激活氧调节机制的新药，以治疗贫血，癌症和其他疾病。

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★HIF-1信号通路介绍★

缺氧诱导因子1（HIF-1）是一种碱性螺旋-环-螺旋-PAS结构域转录因子，在机体对低氧浓度或缺氧应答中至关重要。它由两个亚基组成：氧调节的α-亚基和组成型表达的β-亚基，存在于所有后生动物中。在氧浓度正常情况下，HIF-1α特定位置脯氨酰残基羟基化后会立即引起泛素化，接着便是亚基蛋白酶体降解。反之，在低氧条件下，HIF-1以细胞特异性表达方式调控数百个基因的转录。 HIF-1α亚基受402和564位点脯氨酸残基或二者的O₂-依赖性羟基化调节，脯氨酰羟化酶结构域蛋白2（PHD2）促进与von Hippel-Lindau蛋白（VHL）结合，从而引起泛素化和蛋白酶体降解。此外，通过抑制HIF-1（FIH-1）因子抑制803位点天冬酰胺残基O₂依赖性羟基化，可阻断300 kDa共激活蛋白（p300）与CREB结合蛋白（CBP）的结合。所以，HIF-1在缺氧条件下充当了许多缺氧诱导基因的主要调节因子。由HIF-1靶基因编码的蛋白可增强O₂供给并介导对O₂耗尽的适应性反应。尽管HIF-1被称作缺氧诱导因子1，但它不仅可以通过降低氧气利用率而且还可以通过其他刺激物（如一氧.化.氮或各种生长因子）来诱导一系列的适应性反应。