瑞典卡羅林斯卡學(xué)院10月7日宣布，2019年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主為小威廉·G.凱林（William G. Kaelin, Jr.）、彼得·J·拉特克利夫爵士（Sir Peter J. Ratcliffe）和格雷格·L.塞門(mén)扎（Gregg L. Semenza），以嘉獎(jiǎng)他們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞怎樣感知并適應(yīng)環(huán)境氧含量。

三位獲獎(jiǎng)?wù)哓璶obelprize.org

動(dòng)物需要用氧氣將食物轉(zhuǎn)化為可使用的能量。雖然從幾個(gè)世紀(jì)前起，人們就了解了氧氣的重要性，但長(zhǎng)期以來(lái)人們一直不清楚細(xì)胞究竟是如何適應(yīng)氧氣水平的變化的。

小威廉·G·凱林（William G. Kaelin Jr.）、彼得·J·拉特克利夫爵士（Sir Peter J. Ratcliffe）和格雷格·塞門(mén)扎（Gregg L. Semenza）發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞是怎樣感知并適應(yīng)不斷變化的環(huán)境氧含量的。他們發(fā)現(xiàn)了一種分子機(jī)制，可以調(diào)節(jié)基因的活性以應(yīng)對(duì)不同的氧氣水平。

今年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者的開(kāi)創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)，揭示了生命最重要適應(yīng)過(guò)程之一背后的機(jī)制。他們?yōu)槲覀兞私庋鯕馑饺绾斡绊懠?xì)胞代謝和生理功能奠定了基礎(chǔ)。這一發(fā)現(xiàn)也有望為抗擊貧血、癌癥和許多其他疾病的新策略鋪平道路。

舞臺(tái)中央的氧氣

氧氣，化學(xué)式O2，組成了大約五分之一的地球大氣層。氧氣對(duì)于動(dòng)物生命非常重要：幾乎所有動(dòng)物細(xì)胞中都有線粒體，線粒體利用氧氣，從而將食物轉(zhuǎn)化為可以使用的能量。1931年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的獲得者奧托·瓦爾堡（Otto Warburg），已經(jīng)揭示了這種轉(zhuǎn)化是一個(gè)酶促過(guò)程。

線粒體構(gòu)造丨Wikipedia，原圖kelvinsong，翻譯YanTTO

這些機(jī)制在演化過(guò)程中發(fā)展，以確保能給組織和細(xì)胞供應(yīng)足夠的氧氣。在頸部?jī)蛇叀⑴彺笱艿念i動(dòng)脈體，包含了專(zhuān)門(mén)的細(xì)胞來(lái)感受血液中的氧氣水平。1938年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予了柯奈爾·海門(mén)斯（Corneille Heymans），表彰他關(guān)于血液氧氣的發(fā)現(xiàn)。他發(fā)現(xiàn)了由頸動(dòng)脈體所感受的血液氧氣如何通過(guò)直接與大腦交流，以控制我們的呼吸頻率。

缺氧誘導(dǎo)因子（HIF）出場(chǎng)

除了頸動(dòng)脈體控制著對(duì)缺氧的快速適應(yīng)之外，還有其他基本的生理適應(yīng)機(jī)制。缺氧引起的一個(gè)關(guān)鍵生理反應(yīng)是促紅細(xì)胞生成素（EPO）水平升高，從而導(dǎo)致紅細(xì)胞生成增加。早在20世紀(jì)初，人們就已經(jīng)知道激素極大地影響著紅細(xì)胞的生成，但不知道這個(gè)過(guò)程本身是如何被氧氣控制的。

EPO丨Wikipedia

格雷格·塞門(mén)扎研究了EPO基因，以及它是如何被氧氣的不同濃度所調(diào)節(jié)的。對(duì)基因修飾小鼠的研究發(fā)現(xiàn)，位于EPO基因旁邊的特定 DNA 片段調(diào)節(jié)著對(duì)缺氧的反應(yīng)。彼得·J·拉特克利夫爵士也研究了EPO基因的氧依賴(lài)調(diào)節(jié)機(jī)制。兩個(gè)研究小組都發(fā)現(xiàn)，這種氧感應(yīng)機(jī)制不僅存在于正常產(chǎn)生EPO的腎細(xì)胞中，更是存在于幾乎所有的組織中。這些重要發(fā)現(xiàn)表明，氧感應(yīng)機(jī)制在許多不同類(lèi)型的細(xì)胞中都是普遍存在并發(fā)揮作用的。

塞門(mén)扎希望確定介導(dǎo)此反應(yīng)的細(xì)胞成分。在體外培養(yǎng)的肝臟細(xì)胞中，他發(fā)現(xiàn)了一種蛋白復(fù)合物，這種復(fù)合體與特定的DNA片段結(jié)合，在不同氧含量下產(chǎn)生不同的反應(yīng)。他稱(chēng)這個(gè)復(fù)合物為缺氧誘導(dǎo)因子（HIF）。

接下來(lái)，研究者們開(kāi)始努力純化HIF復(fù)合物。1995年，塞門(mén)扎發(fā)表了他的一些關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)，包括鑒定出了編碼HIF的基因。他發(fā)現(xiàn)，HIF由兩種不同的DNA結(jié)合蛋白組成，也就是所謂“轉(zhuǎn)錄因子”，現(xiàn)在它們被稱(chēng)為HIF-1α和ARNT?，F(xiàn)在研究者們可以開(kāi)始解開(kāi)這一謎題，以便理解這一過(guò)程還涉及哪些其他因子，及其背后的機(jī)制。

希佩爾-林道綜合征（VHL）：意外的伙伴

當(dāng)氧氣含量較高時(shí)，細(xì)胞內(nèi)含有非常少的HIF-1α。然而，當(dāng)氧氣含量低時(shí)，HIF-1α的含量就會(huì)增加，于是它就可以結(jié)合并調(diào)節(jié)EPO基因，以及其他含有HIF結(jié)合片段的基因。數(shù)個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的研究顯示，在缺氧的時(shí)候，平時(shí)本應(yīng)迅速降解的HIF-1α?xí)蛔柚菇到?。在正常的氧濃度下，名叫蛋白酶體的細(xì)胞器會(huì)將HIF-1α降解（蛋白酶體是由2004年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主阿龍·切哈諾沃、歐文·羅斯和阿夫拉姆·赫什科發(fā)現(xiàn)的）。在這種情況下，一種名叫泛素的小肽會(huì)被加到HIF-1α蛋白上。泛素就像是一個(gè)標(biāo)簽，標(biāo)記著要在蛋白酶體被降解的蛋白質(zhì)。而泛素對(duì)HIF-1α的結(jié)合如何隨氧含量而變化仍然是一個(gè)核心問(wèn)題。

答案來(lái)自一個(gè)意料之外的方向。大約在塞門(mén)扎和拉特克利夫探索EPO基因的同時(shí)，癌癥研究者小威廉·G·凱林正在研究一種遺傳綜合征——希佩爾-林道綜合征（VHL綜合征）。在攜帶VHL突變的家族中，這種遺傳病會(huì)明顯增加患上某些癌癥的風(fēng)險(xiǎn)。凱林證明，VHL基因會(huì)編碼一種防止癌癥發(fā)生的蛋白。他還證明，缺乏功能性VHL基因的癌細(xì)胞表達(dá)出異常高水平的低氧調(diào)控基因；但當(dāng)VHL基因被轉(zhuǎn)入癌細(xì)胞時(shí)后者就會(huì)恢復(fù)正常水平。

這是一條重要的線索，表明VHL參與控制了對(duì)低氧狀態(tài)的響應(yīng)。其他一些研究組提供了更多線索，表明VHL是一個(gè)復(fù)合物的組成部分，該復(fù)合物以泛素標(biāo)記蛋白質(zhì)，使其被蛋白酶降解。拉特克利夫和他的研究組隨后得出關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：VHL能夠在生理水平與HIF-α發(fā)生相互作用，在正常氧氣水平下，后者的降解需要這一過(guò)程。這一發(fā)現(xiàn)結(jié)論性地將VHL和HIF-1α聯(lián)系在了一起。

氧氣調(diào)節(jié)HIF的平衡

至此大部分拼圖塊都拼上了，但還剩下一片：氧氣是如何調(diào)節(jié)VHL和HIF-1α之間的交互的。

大家的搜索聚焦到了HIF-1α蛋白質(zhì)中一個(gè)特定的部分，這部分已知對(duì)依賴(lài)VHL的降解至關(guān)重要。凱林和拉特克利夫都懷疑，感知氧氣的關(guān)鍵就在這個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域之中。2001年，兩篇同時(shí)發(fā)布的文章都發(fā)現(xiàn)，在正常的氧氣水平下，HIF-1α的兩個(gè)特定位點(diǎn)上會(huì)被添上羥基（見(jiàn)下圖）。對(duì)蛋白質(zhì)的這一改變——叫做脯氨酰羥化——使得VHL能夠識(shí)別并結(jié)合HIF-1α。這就解釋了正常的氧氣濃度怎樣控制了HIF-1α的快速降解：靠的是對(duì)氧敏感的酶（即脯氨酰羥化酶）。拉特克利夫等人接下來(lái)的研究指出了具體哪些脯氨酰羥化酶涉及其中。研究還顯示，HIF-1α激活基因的能力是受依賴(lài)氧氣濃度的羥基化所調(diào)節(jié)的。諾獎(jiǎng)得主們至此已經(jīng)完全闡明了氧氣感知機(jī)制，并說(shuō)明了它的每一步機(jī)理。

在上圖中，當(dāng)氧含量低（缺氧）的時(shí)候，HIF-1α被保護(hù)住不會(huì)降解，并在細(xì)胞核里聚集。它和ARNT相作用，并結(jié)合到特定DNA序列的缺氧調(diào)控基因（HRE）上（1）。在正常的氧氣水平下，HIF-1α?xí)傻鞍酌阁w快速降解（2）。氧氣通過(guò)為HIF-1α增加羥基（OH）調(diào)控了這一降解過(guò)程（3）。然后VHL蛋白就可以識(shí)別HIF-1α并組成一個(gè)復(fù)合體，根據(jù)氧氣濃度決定是否使它降解。

氧感應(yīng)機(jī)制的生理學(xué)和病理學(xué)

由于幾位諾貝爾獎(jiǎng)得主的開(kāi)創(chuàng)性工作，我們對(duì)不同的氧氣水平如何調(diào)節(jié)基本的生理過(guò)程有了更多的了解。氧感應(yīng)能使細(xì)胞適應(yīng)機(jī)體處于低氧水平時(shí)的新陳代謝。例如，劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，此反應(yīng)就發(fā)生在肌肉中。氧感應(yīng)控制細(xì)胞適應(yīng)過(guò)程的例子還有很多，比如刺激新血管的生成和紅細(xì)胞的產(chǎn)生、參與微調(diào)機(jī)體的免疫系統(tǒng)和許多其他生理功能。在胎兒發(fā)育過(guò)程中，氧感應(yīng)機(jī)制對(duì)控制正常血管的形成和胎盤(pán)的發(fā)育也至關(guān)重要。

氧感應(yīng)是許多疾病的核心。例如，慢性腎功能衰竭患者常因EPO表達(dá)減少而出現(xiàn)嚴(yán)重貧血。如前所述，由腎臟中的細(xì)胞產(chǎn)生的EPO，對(duì)控制紅細(xì)胞的生成至關(guān)重要。此外，氧感應(yīng)機(jī)制在癌癥中有重要作用。在腫瘤中，氧感應(yīng)機(jī)制會(huì)刺激血管的形成、重塑代謝以使癌細(xì)胞大量增殖。很多大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室和制藥公司正投入力量，開(kāi)發(fā)通過(guò)激活或阻斷氧感應(yīng)機(jī)制以干預(yù)疾病狀態(tài)的藥物。

如上圖，本次獲獎(jiǎng)的氧感應(yīng)機(jī)制對(duì)生理學(xué)有重要意義，我們的新陳代謝、免疫反應(yīng)和適應(yīng)運(yùn)動(dòng)的能力都離不開(kāi)此機(jī)制。許多病理過(guò)程也受到氧感應(yīng)機(jī)制的影響。目前制藥業(yè)正投入力量通過(guò)抑制或激活氧氣調(diào)節(jié)機(jī)制來(lái)開(kāi)發(fā)新藥，以治療貧血、癌癥和其他疾病。

小威廉·G·凱林（William G.Kaelin, Jr.）于1957年出生于紐約。他獲得了杜克大學(xué)的醫(yī)學(xué)博士學(xué)位，曾在約翰·霍普金斯大學(xué)和達(dá)納-法伯癌癥研究所進(jìn)行內(nèi)科和腫瘤學(xué)的專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)。他在達(dá)納-法伯癌癥研究所建立了自己的研究實(shí)驗(yàn)室，并于2002年成為哈佛醫(yī)學(xué)院的教授。且自1998年以來(lái)，他一直是霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所的研究員。

彼得·J·拉特克利夫爵士（Sir Peter J. Ratcliffe）于1954年出生于英國(guó)蘭開(kāi)夏郡。他在劍橋大學(xué)岡維爾與凱斯學(xué)院學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)，并在牛津大學(xué)進(jìn)行了腎臟病學(xué)的專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)。此后，他在牛津大學(xué)成立了一個(gè)獨(dú)立的研究小組，并于1996年成為教授。他還是倫敦弗朗西斯·克里克研究所（Francis Crick Institute）的臨床研究主任、牛津大學(xué)標(biāo)靶研發(fā)院（Target Discovery Institute）主任和路德維希癌癥研究所的成員。

格雷格·塞門(mén)扎（Gregg L. Semenza）于1956年生于紐約。他從哈佛大學(xué)獲得了生物學(xué)學(xué)士學(xué)位，于1984年獲得賓夕法尼亞大學(xué)醫(yī)學(xué)院的醫(yī)學(xué)博士學(xué)位，并在杜克大學(xué)接受了兒科專(zhuān)業(yè)的訓(xùn)練。塞門(mén)扎在約翰·霍普金斯大學(xué)進(jìn)行了博士后訓(xùn)練，并在那里建立了獨(dú)立的研究小組。1999年，他成為了約翰·霍普金斯大學(xué)的教授，并自2003年以來(lái)?yè)?dān)任約翰·霍普金斯細(xì)胞工程研究所血管研究計(jì)劃的主任。

譯者：八云，麥麥，游識(shí)猷，窗敲雨，鐘與氏darla，antares，木易楊楊

校對(duì)：odette，Ent