2019諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎頒出，三位獲獎?wù)摺奥?lián)手”破解氧氣感應(yīng)機(jī)制謎題

文／房琳琳 何 屹 實習(xí)生 張臨謙

今年諾貝爾獎獲得者的開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)，解釋了生命中最重要的氧氣適應(yīng)過程的機(jī)制，為我們了解氧水平如何影響細(xì)胞代謝和生理功能奠定了基礎(chǔ)。他們的系列成果，也為抗擊貧血、癌癥和許多其他疾病的新策略鋪平了道路。

氧氣的化學(xué)式為O2，約占地球大氣的五分之一。氧氣對動物生命至關(guān)重要，幾乎所有動物細(xì)胞中的線粒體都會利用氧氣，將食物轉(zhuǎn)化為有用的能量。1931年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎的獲得者奧托·沃伯格揭示出，這種轉(zhuǎn)換是酶促過程。

在進(jìn)化過程中，生命體發(fā)展了確保向組織和細(xì)胞充分供氧的機(jī)制。頸動脈作為大血管，包含專門的細(xì)胞，可以感應(yīng)血液中的氧氣含量。1938年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎成果發(fā)現(xiàn)，頸動脈體進(jìn)行血氧感知后，通過與大腦直接通信來控制呼吸頻率。

缺氧誘導(dǎo)因子被發(fā)現(xiàn)

除了對低氧水平（低氧）進(jìn)行頸動脈體控制的快速適應(yīng)外，還有其他一些基本的生理適應(yīng)性。對缺氧的關(guān)鍵生理反應(yīng)是促紅細(xì)胞生成素（EPO）激素水平的升高，這會導(dǎo)致紅血球產(chǎn)量的增加（促紅細(xì)胞生成）。激素控制紅細(xì)胞生成的重要性在20世紀(jì)初就已為人所知，但是這種過程如何由氧本身控制仍然是個謎。

格雷格·塞門扎研究了EPO基因，以及如何通過改變氧氣含量來調(diào)節(jié)它。通過使用基因修飾的小鼠，顯示了位于EPO基因旁邊的特定DNA片段介導(dǎo)了對缺氧的反應(yīng)。

彼得·拉特克利夫爵士還研究了EPO基因的氧依賴性調(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(jī)制，而不僅存在于通常產(chǎn)生EPO的腎細(xì)胞中。這些重要發(fā)現(xiàn)表明，該機(jī)制在許多不同的細(xì)胞類型中是通用的。

塞門扎希望確定介導(dǎo)這種反應(yīng)的細(xì)胞成分。在培養(yǎng)的肝細(xì)胞中，他發(fā)現(xiàn)了一種蛋白質(zhì)復(fù)合物，該復(fù)合物以一種依賴氧氣濃度的方式與上述DNA片段結(jié)合。他稱這種復(fù)合物為缺氧誘導(dǎo)因子（HIF）。塞門扎致力于純化這種誘導(dǎo)因子，并作出了包括鑒定編碼HIF基因在內(nèi)的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)。

1995年，他發(fā)現(xiàn)缺氧誘導(dǎo)因子由兩種不同的DNA結(jié)合蛋白組成，這兩者分別被命名為HIF-1a和ARNT。由此，研究人員可以著手探索整個氧傳導(dǎo)機(jī)制的參與部分和其工作機(jī)理了。

林道氏病竟成“合作伙伴”

當(dāng)氧氣水平很高時，細(xì)胞中幾乎不含HIF-1α。但是，當(dāng)氧含量低時，HIF-1α的量增加，因此它可以結(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（如圖）。

幾個研究小組表明，通常能迅速降解的HIF-1α在缺氧條件下降解減緩。然而，在正常氧氣水平下，一種被稱為蛋白酶體的細(xì)胞機(jī)器也會降解HIF-1α。在這種情況下，一種小肽泛素被添加到HIF-1α蛋白中，而泛素的主要功能是標(biāo)記需要分解掉的蛋白質(zhì)。但泛素如何以氧依賴的方式結(jié)合HIF-1α，仍然是一個核心問題。

答案來自一個意想不到的方向。

在塞門扎和拉特克里夫探索EPO基因調(diào)控的同時，癌癥研究人員小威廉·凱林正在研究一種遺傳綜合征，即馮·希佩爾·林道氏?。╒HL疾?。?。這種遺傳疾病會導(dǎo)致遺傳性VHL突變的家庭罹患某些癌癥的風(fēng)險急劇增加。

凱林的研究表明，VHL基能因編碼一種可預(yù)防癌癥發(fā)作的蛋白質(zhì)，而缺乏功能性VHL基因的癌細(xì)胞會異常高水平表達(dá)低氧調(diào)節(jié)基因，但當(dāng)VHL基因重新引入癌細(xì)胞后，則恢復(fù)了正常水平。

這是一個重要線索，表明VHL以某種方式參與了對缺氧反應(yīng)的控制。然后，拉特克利夫和他的研究小組又做出了一個關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：證明VHL可以與HIF-1α物理相互作用，并且是正常氧水平下降解所必需的。這一成果最終將VHL與HIF-1α直接聯(lián)系起來。

闡明氧氣感應(yīng)機(jī)制

然而，科學(xué)家仍然缺少對氧含量如何調(diào)節(jié)VHL與HIF-1α之間相互作用的理解。

對這一答案的搜索，集中在HIF-1α蛋白的特定部分，而HIF-1α蛋白已知對VHL降解很重要。凱林和拉特克里夫都懷疑，氧感測作用機(jī)制的關(guān)鍵，應(yīng)該在該蛋白結(jié)構(gòu)域中的某個位置。

2001年，在兩篇同時發(fā)表的文章中，他們表明，在正常的氧氣水平下，羥基會在HIF-1α的兩個特定位置處添加。

這種蛋白質(zhì)修飾被稱為脯氨酰羥化，使VHL能夠識別并結(jié)合到HIF-1α，由于參與到這一修飾中的脯氨酰羥化酶是對氧敏感的，因此這一發(fā)現(xiàn)解釋了正常氧水平下VHL控制HIF-1α降解的過程。

拉特克里夫等人的進(jìn)一步研究，確定了負(fù)責(zé)這一關(guān)鍵機(jī)制的脯氨酰羥化酶。他們的研究還表明，HIF-1α的基因激活功能受氧依賴性羥基化作用的調(diào)節(jié)。

至此，今年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎獲得者們，已經(jīng)闡明了氧氣感應(yīng)機(jī)制，并展示了其工作原理。

氧氣調(diào)節(jié)機(jī)制直接影響生理和病理

由于這些諾貝爾獎獲得者的開創(chuàng)性工作，我們對不同的氧氣水平如何調(diào)節(jié)基本的生理過程了解更多。

氧傳感機(jī)制能使細(xì)胞適應(yīng)低氧水平的新陳代謝。劇烈運動時的肌肉細(xì)胞就是一個例子。氧感測控制的適應(yīng)性案例，還包括新血管的產(chǎn)生和紅細(xì)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應(yīng)機(jī)制進(jìn)行微調(diào)；甚至在胎兒發(fā)育過程中，對于控制正常的血管形成和胎盤發(fā)育，氧氣傳感也被證明是必不可少的。

氧感測是許多疾病的核心。例如，患有慢性腎功能衰竭的患者通常由于EPO表達(dá)降低而患有嚴(yán)重的貧血。而這項研究表明，EPO由腎臟中的細(xì)胞產(chǎn)生，對于控制紅細(xì)胞的形成至關(guān)重要。

此外，氧調(diào)節(jié)機(jī)制在癌癥中具有重要作用。在腫瘤中，利用氧氣調(diào)節(jié)機(jī)制刺激血管形成并重塑新陳代謝，從而使癌細(xì)胞有效增殖。

在學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的實驗室和制藥公司中，科學(xué)家正在努力，希望開發(fā)出可以通過激活或阻斷氧氣感應(yīng)機(jī)制來干擾不同疾病狀態(tài)的藥物。