缺氧研究——2019年诺贝尔生理学的关键词

北京时间2019年10月7日，星期一，北京时间下午5时30分，瑞典斯德哥尔摩当地时间7日上午11时30分，瑞典卡罗林斯卡医学院颁布2019年诺贝尔生理学或医学奖获奖名单。

2019年诺贝尔生理学或医学奖被共同授予

William G. Kaelin Jr

Peter J. Ratcliffe

Gregg L. Semenza

以表彰他们对细胞如何感知和适应氧气供应的发现

摘要

动物需要氧气才能将食物转化为有用的能量。氧气的根本重要性已被人们了解了多个世纪，但长期以来人们一直不清楚细胞如何适应氧气水平的变化。

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）发现细胞如何感知和适应不断变化的氧气水平。他们发现了应对不同水平的氧气而调节基因活性的分子机制。

今年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之一的机制。他们为我们了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、癌症和许多其它疾病的新策略铺平了道路。

处于中心地位的氧气
氧气的化学式为O2，约占地球大气层的五分之一。氧气对动物生命至关重要：几乎所有动物细胞中的线粒体都利用氧气将食物转化为有用的能量。1931年诺贝尔生理学或医学奖的获得者奥托·沃伯格（Otto Warburg）揭示了这种转换是酶促过程。

在进化过程中，机体发展了确保向组织和细胞充分供氧的机制。与脖子两侧的大血管相邻的颈动脉体包含专门感应血液中氧气含量的细胞。1938年诺贝尔生理学或医学奖被授予Corneille Heymans，以表彰关于血氧感应如何借助颈动脉体通过与大脑直接沟通来控制呼吸频率这一发现。

HIF的出现
除了对低氧水平进行颈动脉体控制的快速适应外，还有其它一些基本的生理适应性。对缺氧的一个关键生理反应是促红细胞生成素（EPO）这一激素的水平的升高，这会导致红血球产量的增加（促红细胞生成）。激素控制红细胞生成的重要性在20世纪初就已为人所知，但是该过程如何由O2控制仍然是个谜。

格雷格·L·塞门扎研究了EPO基因以及它是如何被不同的氧气含量来调节。通过使用基因修饰的小鼠，研究显示了位于EPO基因旁边的特定DNA片段介导了对缺氧的反应。彼得·拉特克利夫爵士还研究了EPO基因的O2依赖性调节，两个研究小组都发现，几乎所有组织中都存在氧传感机制，它不仅仅存在于通常产生EPO的肾细胞中。这些重要发现表明，该机制在许多不同的细胞类型中普遍存在，并发挥着作用。

塞门扎希望确定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，该复合物以一种氧依赖性的方式与已鉴定的DNA片段结合。他称这种复合物为缺氧诱导因子（hypoxia-inducible factor，HIF）。纯化HIF复合物的大量努力付诸实践，1995年，塞门扎能够发表他的一些关键发现，包括对编码HIF的基因的鉴定。HIF被发现由两种不同的DNA结合蛋白组成，即所谓的转录因子，现在被称为HIF-1α和ARNT。现在，研究人员可以开始解开这个谜团，让他们了解所涉及的其它组件以及分子机器的工作方式。

VHL：意想不到的合作伙伴

当氧气水平很高时，细胞中几乎不含HIF-1α。但是，当氧含量低时，HIF-1α的量增加，因此它可以结合并调节EPO基因以及其它具有结合HIF的DNA片段的基因（图1）。几个研究小组表明，通常迅速降解的HIF-1α在缺氧条件下被保护免于降解。在正常的氧气水平下，一种被称为蛋白酶体的细胞机器会降解HIF-1α，Aaron Ciechanover、Avram Hershko和Irwin Rose因对该机器的贡献被授予2004年诺贝尔化学奖。在这种情况下，一种小肽，泛素，被添加到HIF-1α蛋白中。泛素作为蛋白酶体中将被降解的蛋白质的标签。泛素如何以氧依赖性方式结合HIF-1α仍然是一个中心问题。

答案来自一个意想不到的方向。大约在塞门扎和拉特克利夫探索EPO基因的调控的同时，癌症研究人员小威廉·凯林正在研究一种遗传综合征，即冯·希佩尔·林道氏病（VHL疾病）。这种遗传疾病会导致遗传性VHL突变的家庭罹患某些癌症的风险急剧增加。凯林表明，VHL基因编码一种可预防癌症发作的蛋白质。凯林还显示缺乏功能性VHL基因的癌细胞会异常高水平表达低氧调节基因。但是当VHL基因重新被引入癌细胞后，低氧调节基因恢复正常水平。这是一个重要的线索，表明VHL以某种方式参与了对缺氧反应的控制。来自几个研究小组的其它线索表明，VHL是用泛素标记蛋白质的复合物的一部分，将这些蛋白质标记为将在蛋白酶体中降解。然后，拉特克利夫和他的研究小组做出了一个关键发现：证明VHL可以与HIF-1α物理上相互作用，是正常氧水平下降解所必需的。这最终将VHL与HIF-1α关联起来。

氧气改变平衡
许多片段已经放置到位，但是仍然缺少对O2含量如何调节VHL和HIF-1α之间相互作用的理解。搜索集中在已知对VHL依赖的降解很重要的HIF-1α蛋白的特定部分，凯林和拉特克利夫都怀疑O2感测的关键位于该蛋白结构域中的某个位置。2001年，在两篇同时发表的文章中，他们表明，在正常的氧气水平下，羟基会在HIF-1α的两个特定位置处添加（图1）。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。拉特克利夫等人的进一步研究确定了起作用的脯氨酰羟化酶。研究还表明，HIF-1α的基因激活功能受氧依赖性羟基化作用的调节。诺贝尔奖获得者现在已经阐明了氧气感应机制，并展示了其工作原理。

图 1. 当氧水平低（低氧）时，HIF-1α被保护免于降解并聚集在细胞核中，与ARNT结合，并与低氧调节基因中的特定DNA序列（HRE）结合（1）。在正常的氧气水平下，HIF-1α被蛋白酶体迅速降解（2）。氧气通过向HIF-1α中添加羟基（OH）来调节降解过程（3）。然后，VHL蛋白可以识别并与HIF-1α形成复合物，导致其以氧依赖性方式降解（4）。

氧气影响生理和病理

由于这些诺贝尔奖获得者的开创性工作，我们对不同的氧气水平如何调节基本的生理过程了解更多。氧气感应使细胞能够调节其新陈代谢以适应低氧水平，例如，剧烈运动期间我们的肌肉中的低氧水平。由氧感应控制的适应性过程的其它示例包括新血管的产生和红细胞的产生。我们的免疫系统和许多其它生理功能也可以通过O2感应设备进行微调。甚至在胎儿发育过程中，氧气传感已被证明对于控制正常的血管形成和胎盘发育也是必不可少的。

氧感应是许多疾病的核心（图2）。例如，患有慢性肾功能衰竭的患者通常由于EPO表达降低而患有严重的贫血。如上所述，EPO由肾脏中的细胞产生，对于控制红细胞的形成至关重要。此外，氧调节机制在癌症中具有重要作用。在肿瘤中，氧气调节机制被用于刺激血管形成并重塑新陈代谢，从而使癌细胞有效增殖。学术实验室和制药公司正在进行的巨大努力现在集中在开发可以通过激活或阻断氧气感应机制来干扰不同疾病状态的药物。