什么是氧感知通路？這篇文章幫你看懂2019年的諾獎成果

小夢想在努力 2019-10-07

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2019 年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎于北京時間 10 月 7 日下午 5 點 30 分公布，今年的獲獎?wù)哂腥?，他們分別是來自哈佛醫(yī)學院達納-法伯癌癥研究所的威廉·凱林（ William G. Kaelin, Jr.），牛津大學和弗朗西斯·克里克研究所的彼得·拉特克利夫（ Peter J. Ratcliffe）以及美國約翰霍普金斯大學醫(yī)學院的格雷格·塞門扎（Gregg L. Semenza）。

他們因在氧感知通路方面的研究做出的貢獻而獲獎。以下是丁香園編譯自諾貝爾獎官方網(wǎng)站上，對于幾位科學家研究成果的介紹。

摘要

動物需要氧氣才能將食物轉(zhuǎn)化為有用的能量。幾個世紀以來，人們致力于研究氧氣對于機體的重要性，但人們一直搞不清楚細胞如何適應(yīng)氧氣水平的變化。

William G. Kaelin、Sir Peter J. Ratcliffe 和 Gregg L. Semenza，他們發(fā)現(xiàn)了可以調(diào)節(jié)基因活性以應(yīng)對不同氧氣濃度變化的分子機制。

今年諾貝爾獎獲得者開創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)，揭示了生命中最重要的適應(yīng)過程之一的機制。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)。

他們的發(fā)現(xiàn)也為治療貧血、癌癥和許多其他疾病的新方法奠定了基礎(chǔ)。

氧氣：初登舞臺

氧氣約占地球大氣層的五分之一，對動物生命至關(guān)重要：幾乎所有動物細胞中的線粒體都會利用氧氣，將食物轉(zhuǎn)化為有用的能量。

Otto Warburg 是 1931 年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎的獲得者，他揭示了這種轉(zhuǎn)換是有酶參與促進的過程。

機體逐漸進化出確保向組織和細胞充分供氧的機制。頸動脈體與頸部兩側(cè)的大血管相鄰，包含了專門感應(yīng)血液中氧氣水平的細胞。1938 年，Corneille Heymans 獲得的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎，就是獎勵他發(fā)現(xiàn)了頸動脈體和主動脈體感知血氧水平并通過神經(jīng)中樞調(diào)節(jié)呼吸頻率的作用。

HIF：進入視野

除了頸動脈體可以應(yīng)對低氧水平（低氧）進行快速調(diào)節(jié)外，還有其他一些基本的生理適應(yīng)性。對缺氧的主要生理反應(yīng)是促紅細胞生成素（EPO）水平的升高，這會刺激紅細胞生成。激素控制紅細胞生成的重要性，在 20 世紀初就已為人所知，但是這種過程如何由氧氣濃度控制，仍然是個謎。

Gregg Semenza 研究了 EPO 基因，以及如何根據(jù)氧氣濃度來調(diào)節(jié)它。通過使用基因修飾的小鼠，顯示位于 EPO 基因旁邊的特定 DNA 片段介導了細胞對缺氧的反應(yīng)。Sir Peter Ratcliffe 還研究了 EPO 基因的氧氣依賴性調(diào)節(jié)。

兩個研究小組都發(fā)現(xiàn)，幾乎所有組織中都存在氧傳感機制，而不僅存在于通常產(chǎn)生 EPO 的腎細胞中。這些重要發(fā)現(xiàn)表明，該機制在許多不同的細胞類型中是通用的，而且都具有作用。

Semenza 希望確定介導這種反應(yīng)的細胞成分。在培養(yǎng)的肝細胞中，他發(fā)現(xiàn)了一種蛋白質(zhì)復(fù)合物，該復(fù)合物以一種氧依賴性的方式與已鑒定出的 DNA 片段結(jié)合。他稱這種復(fù)合物為缺氧誘導因子（HIF）。

1995 年他開始了純化 HIF 復(fù)合物的工作，隨后 Semenza 發(fā)表了部分關(guān)鍵研究結(jié)果，其中包括明確 HIF 編碼基因、發(fā)現(xiàn) HIF 由兩種不同的 DNA 結(jié)合蛋白組成（即所謂的轉(zhuǎn)錄因子，現(xiàn)在稱為 HIF-1α 和 ARNT）?，F(xiàn)在，研究人員開始著手研究 HIF 的其他成分以及運作機制。

VHL：意想不到的伙伴

當機體里的氧濃度很高時，細胞中幾乎不含 HIF-1α，當機體氧濃度偏低時，HIF-1α 的含量升高，這意味著它可以結(jié)合并調(diào)節(jié) EPO 基因以及其他具有 HIF 結(jié)合 DNA 片段的基因（圖 1）。

2004 年諾貝爾化學獎得主 Aaron Ciechanover，Avram Hershko 和 Irwin Rose 發(fā)現(xiàn)，在正常的氧氣水平下，一種小肽泛素被添加到 HIF-1α 蛋白中，這種泛素標記使得 HIF-1α 在蛋白酶體中被降解。

此外，幾個研究小組都表明，在缺氧條件下，原本被迅速降解的 HIF-1α 通常不會被繼續(xù)降解。然而，泛素如何以氧依賴性方式結(jié)合 HIF-1α 仍然是一個關(guān)鍵問題。

答案來自一個意想不到的方向。

Ratcliffe 與 Semenza 大約同時在探索 EPO 基因的調(diào)控，癌癥研究者 William Kaelin，Jr. 正在研究一種遺傳綜合征，即 von Hippel-Lindau ?。╒HL ?。＿@種遺傳疾病會導致遺傳性 VHL 突變的家庭罹患某些癌癥的風險急劇增加。

Kaelin 的研究結(jié)果表明，VHL 基因可以編碼產(chǎn)生具有預(yù)防癌癥發(fā)生作用的蛋白質(zhì)。此外，缺乏功能性 VHL 基因的癌細胞會異常高水平表達低氧調(diào)節(jié)基因，但是將 VHL 基因重新引入癌細胞后，低氧調(diào)節(jié)基因表達可恢復(fù)正常水平。

這是一個重要的線索，表明 VHL 以某種方式參與了對缺氧反應(yīng)的控制。

來自幾個研究小組的其他線索表明，VHL 是復(fù)合物的一部分。該復(fù)合物用泛素標記蛋白質(zhì)，被泛素標記的蛋白質(zhì)隨后被蛋白酶體降解。Ratcliffe 及其研究小組隨后有一個關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：他們證明了機體在正常氧濃度下降解 VHL需要通過 VHL 與 HIF-1α 發(fā)生物理相互作用實現(xiàn)，這最終將 VHL 與 HIF-1α 聯(lián)系到了一起。

氧氣感應(yīng)機制及其工作原理

許多研究結(jié)果都已經(jīng)就位，但是仍然缺少對氧氣水平如何調(diào)節(jié) VHL 和 HIF-1α 之間相互作用的理解。研究的重點區(qū)域在已知對 VHL 降解具有重要作用的 HIF-1α 蛋白的特定部分，Kaelin 和 Ratcliffe 都懷疑氧氣感測的關(guān)鍵位于該蛋白結(jié)構(gòu)域的某個位置。

在 2001 年，他們在兩篇同時發(fā)表的文章中表明，在正常的氧氣水平下，HIF-1α 蛋白的兩個特定位置會添加羥基（圖 1）。這種蛋白質(zhì)修飾（稱為脯氨酰羥化）使 VHL 能夠識別并結(jié)合到 HIF-1α，從而解釋了正常的氧氣水平如何通過對氧敏感的酶（所謂的脯氨酰羥化酶）來控制 HIF-1α 的快速降解。

Ratcliffe 等人的研究，進一步確定了特定的脯氨酰羥化酶，并表明 HIF-1α 的基因激活功能受氧氣依賴性羥基化作用的調(diào)節(jié)。至此，三位諾貝爾獎獲得者，已經(jīng)闡明了氧氣感應(yīng)機制，并展示了其工作原理。

圖1：當氧水平低（低氧）時，HIF-1α 被保護免于降解，積聚在細胞核中，與 ARNT 及低氧調(diào)節(jié)基因中的特定 DNA 序列（HRE）結(jié)合（1）。在正常的氧氣水平下，HIF-1α 被蛋白酶體迅速降解（2）。氧氣通過向 HIF-1α 添加羥基（OH）來調(diào)節(jié)降解過程（3）。隨后，VHL 蛋白可以識別 HIF-1α 并與之形成復(fù)合物，從而導致其以氧依賴性方式降解（4）。

氧氣影響的生理和病理

由于這些諾貝爾獎獲得者開創(chuàng)性的工作，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。氧感知通路使細胞能夠進行新陳代謝，適應(yīng)低氧水平：如劇烈運動期間的肌肉中。

與氧感知通路相關(guān)的其他適應(yīng)性過程還包括，新血管的產(chǎn)生和紅細胞的產(chǎn)生。我們的免疫系統(tǒng)和許多其他生理功能也可以通過氧感知通路進行微調(diào)。此外，在胎兒發(fā)育過程中，氧感知通路對控制正常的血管形成和胎盤發(fā)育，已被證明是必不可少的。

氧感知通路也是許多疾病發(fā)生的核心（圖2）。例如，由于EPO 由腎臟中的細胞產(chǎn)生，對于控制紅細胞的形成至關(guān)重要，所以慢性腎功能衰竭的患者，通常由于 EPO 表達降低而患有嚴重的貧血。

此外，氧調(diào)節(jié)機制在腫瘤發(fā)生過程中具有重要作用，利用氧氣調(diào)節(jié)機制刺激血管形成并重塑新陳代謝，可以使癌細胞有效增殖。

在學術(shù)實驗室和制藥公司中也在進行一些重要的研究，其中就包括研發(fā)可以通過激活或阻斷氧氣感應(yīng)機制，來干擾不同疾病狀態(tài)的藥物。