诺奖解读 | 搞清楚缺氧时细胞里发生的事，能帮我们治疗贫血和癌症

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），以嘉奖他们发现细胞怎样感知并适应环境氧含量。

三位获奖者丨nobelprize.org

动物需要用氧气将食物转化为可使用的能量。虽然从几个世纪前起，人们就了解了氧气的重要性，但长期以来人们一直不清楚细胞究竟是如何适应氧气水平的变化的。

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·塞门扎（Gregg L. Semenza）发现了细胞是怎样感知并适应不断变化的环境氧含量的。他们发现了一种分子机制，可以调节基因的活性以应对不同的氧气水平。

今年诺贝尔奖获得者的开创性发现，揭示了生命最重要适应过程之一背后的机制。他们为我们了解氧气水平如何影响细胞代谢和生理功能奠定了基础。这一发现也有望为抗击贫血、癌症和许多其他疾病的新策略铺平道路。

舞台中央的氧气

氧气，化学式O2，组成了大约五分之一的地球大气层。氧气对于动物生命非常重要：几乎所有动物细胞中都有线粒体，线粒体利用氧气，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。

线粒体构造丨Wikipedia，原图kelvinsong，翻译YanTTO

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。他发现了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。

缺氧诱导因子（HIF）出场

除了颈动脉体控制着对缺氧的快速适应之外，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，从而导致红细胞生成增加。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，但不知道这个过程本身是如何被氧气控制的。

EPO丨Wikipedia

格雷格·塞门扎研究了EPO基因，以及它是如何被氧气的不同浓度所调节的。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·J·拉特克利夫爵士也研究了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，这种复合体与特定的DNA片段结合，在不同氧含量下产生不同的反应。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。现在研究者们可以开始解开这一谜题，以便理解这一过程还涉及哪些其他因子，及其背后的机制。

希佩尔-林道综合征（VHL）：意外的伙伴

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而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。凯林证明，VHL基因会编码一种防止癌症发生的蛋白。他还证明，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。其他一些研究组提供了更多线索，表明VHL是一个复合物的组成部分，该复合物以泛素标记蛋白质，使其被蛋白酶降解。拉特克利夫和他的研究组随后得出关键发现：VHL能够在生理水平与HIF-α发生相互作用，在正常氧气水平下，后者的降解需要这一过程。这一发现结论性地将VHL和HIF-1α联系在了一起。

氧气调节HIF的平衡

至此大部分拼图块都拼上了，但还剩下一片：氧气是如何调节VHL和HIF-1α之间的交互的。

大家的搜索聚焦到了HIF-1α蛋白质中一个特定的部分，这部分已知对依赖VHL的降解至关重要。凯林和拉特克利夫都怀疑，感知氧气的关键就在这个蛋白质结构域之中。2001年，两篇同时发布的文章都发现，在正常的氧气水平下，HIF-1α的两个特定位点上会被添上羟基（见下图）。对蛋白质的这一改变——叫做脯氨酰羟化——使得VHL能够识别并结合HIF-1α。这就解释了正常的氧气浓度怎样控制了HIF-1α的快速降解：靠的是对氧敏感的酶（即脯氨酰羟化酶）。拉特克利夫等人接下来的研究指出了具体哪些脯氨酰羟化酶涉及其中。研究还显示，HIF-1α激活基因的能力是受依赖氧气浓度的羟基化所调节的。诺奖得主们至此已经完全阐明了氧气感知机制，并说明了它的每一步机理。

在上图中，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。

氧感应机制的生理学和病理学

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。

如上图，本次获奖的氧感应机制对生理学有重要意义，我们的新陈代谢、免疫反应和适应运动的能力都离不开此机制。许多病理过程也受到氧感应机制的影响。目前制药业正投入力量通过抑制或激活氧气调节机制来开发新药，以治疗贫血、癌症和其他疾病。

小威廉·G·凯林（William G.Kaelin, Jr.）于1957年出生于纽约。他获得了杜克大学的医学博士学位，曾在约翰·霍普金斯大学和达纳-法伯癌症研究所进行内科和肿瘤学的专业培训。他在达纳-法伯癌症研究所建立了自己的研究实验室，并于2002年成为哈佛医学院的教授。且自1998年以来，他一直是霍华德·休斯医学研究所的研究员。

彼得·J·拉特克利夫爵士（Sir Peter J. Ratcliffe）于1954年出生于英国兰开夏郡。他在剑桥大学冈维尔与凯斯学院学习医学，并在牛津大学进行了肾脏病学的专业培训。此后，他在牛津大学成立了一个独立的研究小组，并于1996年成为教授。他还是伦敦弗朗西斯·克里克研究所（Francis Crick Institute）的临床研究主任、牛津大学标靶研发院（Target Discovery Institute）主任和路德维希癌症研究所的成员。

格雷格·塞门扎（Gregg L. Semenza）于1956年生于纽约。他从哈佛大学获得了生物学学士学位，于1984年获得宾夕法尼亚大学医学院的医学博士学位，并在杜克大学接受了儿科专业的训练。塞门扎在约翰·霍普金斯大学进行了博士后训练，并在那里建立了独立的研究小组。1999年，他成为了约翰·霍普金斯大学的教授，并自2003年以来担任约翰·霍普金斯细胞工程研究所血管研究计划的主任。

译者：八云，麦麦，游识猷，窗敲雨，钟与氏darla，antares，木易杨杨

校对：odette，Ent