原創 T.Shen 生物谷 2019-10-07
北京時間10月7日下午17：30，2019年諾貝爾生理學或醫學獎揭曉，來自霍華德·休斯醫學研究所的William G. Kaelin Jr、弗朗西斯·克里克研究所的Sir Peter J. Ratcliffe和約翰斯霍普金斯的Gregg L. Semenza因揭示細胞感知和適應氧氣供應的機制而獲得此獎。
2019年諾貝爾生理學或醫學獎得主：小威廉·凱林（William G. Kaelin Jr.），彼得·J·拉特克利夫爵士（Sir Peter J. Ratcliffe）和美國醫學家格雷格·L·塞門扎（Gregg L. Semenza）
動物需要氧氣來將食物轉化成為可用的能量，幾個世紀以來，科學家們已經非常瞭解氧氣的重要性了，但細胞如何適應氧氣水平的改變，研究人員一直並不清楚。
研究者William G. Kaelin Jr.， Sir Peter J. Ratcliffe和Gregg L. Semenza通過研究揭示了細胞如何感知並適應氧氣供應的變化，他們鑑別出了一種特殊的分子機制，其能調節基因的活性來響應不同水平的氧氣。
今年諾貝爾生理學或醫學獎得主的重大研究發現揭示了生命中最重要的適應性過程之一其中的機制，其能為我們理解氧氣水平影響細胞代謝和生理學功能奠定一定的基礎，相關研究發現或有望幫助開發治療貧血、癌症和多種人類疾病的新型策略。
氧氣處於中央舞臺
氧氣的分子式是O₂，佔地球大氣的五分之一，氧氣還是動物生命所必須的成分，能被存在於幾乎所有動物細胞線粒體中所利用，以便於將食物轉化為有用的能量，1931年諾貝爾生理學或醫學獎得主Otto Warburg曾揭示了食物轉化為能量的過程其實是一個酶催化的過程。
在進化過程中，機體會產生一種特殊機制來確保組織和細胞能得到足夠的氧氣供應，頸動脈體與頸兩側的大血管相鄰，其含有特殊的細胞，能夠感知血液中氧氣的水平。
1938年，諾貝爾生理學或醫學獎授予Corneille Heymans，以表彰其揭示通過頸動脈體的血氧感應是如何通過與大腦的直接交流來控制機體呼吸頻率的。
HIF進入到了場景中
除了頸動脈體快速適應低氧水平（缺氧）外，機體中還存在其它基本達到生理學適應過程，缺氧的一個關鍵生理學反應就是促紅細胞生成素（EPO）水平的上升，其能夠增加機體紅細胞的產生，激素控制的紅細胞產生的重要性早在20世紀初期就廣泛人們所知，但這一過程本身是如何被氧氣所控制的，目前仍然是一個謎題。
研究者Gregg Semenza就對EPO基因進行了研究，同時揭示了EPO基因是如何被不斷改變的氧氣水平所調節的，並通過使用基因修飾小鼠進行研究。
研究者發現，位於EPO基因附近的特殊DNA片段能夠介導機體對缺氧的反應；研究者Sir Peter Ratcliffe則對EPO基因的氧氣依賴性調節進行了研究。
研究人員發現，幾乎所有組織中都存在氧氣感應機制，並不僅僅是在正常產生EPO的腎臟細胞中，這些研究發現也指出，這種機制是非常普遍的，而且在很多不同類型的細胞中都能發揮作用。
研究者Semenza希望能夠鑑別出介導這種反應的細胞組分，當其對培養中的肝臟細胞進行研究時，他發現了一種特殊蛋白複合體，它能以一種氧氣依賴性的方式與所鑑別出的DNA片段相結合，研究者將這種複合體稱之為缺氧誘導因子（HIF，hypoxia-inducible factor）。
1995年Semenza開始了對HIF複合體的廣泛研究，同時其研究團隊也發表了一些重要的研究成果，包括鑑別出了編碼HIF的基因等，HIF由兩種不同的DNA結合蛋白組成，即所謂的轉錄因子，如今叫做HIF-α和ARNT，如今研究人員可以開始解開這個難題了。
圖1：當氧氣水平較低時（缺氧），HIF-1α就能被保護免於在細胞核中被降解和積累，在細胞核中，其能與ARNT綁定並在缺氧調節基因中與特殊DNA片段相結合（1）；在正常氧氣水平下，HIF-1α能被蛋白酶體快速降解（2）；氧氣能通過將羥基基團添加到HIF-1α上來調節降解過程（3）；VHL蛋白能夠識別並形成一個攜帶HIF-1α的複合體，從而以一種氧氣依賴性的方式來對其進行降解（4）。
VHL病：一個意想不到的合作契機
當氧氣水平較高時，細胞中就會擁有較低水平的HIF-α。然而，當氧氣水平較低時，HIF-α的水平就會增加，便於結合並調節EPO基因和其它攜帶HIF結合DNA片段的基因（圖1）。
目前多個研究小組通過研究發現，正常情況下能快速降解的HIF-α能在缺氧時防止發生降解，在正常的氧氣水平下，被稱之為蛋白酶體（proteasome，2004年諾貝爾化學獎得主Aaron Ciechanover所發現）的細胞及其能夠降解HIF-α。
在這種情況下，一種名為泛素的小型肽類則會被添加到HIF-α上，泛素是蛋白酶體降解蛋白質的一個標記，泛素如何以一種氧氣依賴性的方式與HIF-α進行結合目前仍然是科學家們研究的一個核心問題。
答案似乎來自於一個意想不到的方向，當研究者Semenza和Ratcliffe在研究EPO基因調控的同時，癌症研究者William Kaelin， Jr正在研究一種遺傳性綜合徵—von Hippel-Lindau病(VHL病，希佩爾林道病)，這種遺傳性疾病會導致攜帶遺傳性VHL突變的家庭成員患某些特定癌症的風險明顯增加。
研究者Kaelin表示，VHL基因能夠編碼一種抑制癌症發生的特殊蛋白質。
他發現，缺少功能性VHL基因的癌細胞通常會表達異常高水平的低氧調節基因，但當VHL基因被重新引入癌細胞時，癌細胞又會恢復正常水平，這是一條重要的線索，其能夠表明，VHL在某種程度上參與了缺氧狀態的調節過程中。
來自多個研究小組的科學家們通過研究發現，VHL是泛素標記蛋白質複合體的一部分，能夠促進蛋白質被蛋白酶體降解；研究者Ratcliffe及其團隊通過研究發現，VHL還能與HIF-α發生物理相互作用，這也是正常氧氣水平下進行蛋白質降解所必須的過程，這證實了VHL與HIF-α之間存在神秘關聯。
氧氣改變了平衡
雖然很多研究已經有了結果，但研究者仍然缺乏理解氧氣水平調節VHL與HIF-α之間相互作用的機制，研究者重點對HIF-α蛋白中對VHL依賴性降解的部分進行了重點研究，研究者Kaelin和Ratcliffe推測，氧氣感知的關鍵或許存在於蛋白質結構域的某個位點。
2001年同時發表的兩篇研究報告中發現，在正常氧氣水平下，羥基基團會被添加到HIF-α的兩個特定位點（圖1），這種稱之為prolyl羥基化（脯氨酰羥基化）的蛋白質修飾能夠促進VHL識別並結合HIF-α，從而解釋正常氧氣水平下，如何在氧氣感知酶類（也就是prolyl羥化酶）的幫助下控制HIF-α的快速降解。
研究者Ratcliffe等人的進一步研究確定了關鍵的prolyl羥化酶，揭示了
HIF-α的基因激活功能能夠被氧氣依賴性的羥基化所調節，如今研究者已經闡明瞭氧氣感知的機制以及其是如何進行工作的。
圖2：獲得2019年諾貝爾生理學或醫學獎的氧氣感應機制研究在機體生理學研究上具有重要意義，比如其對於機體代謝、免疫反應和適應性運動能力等，同時許多病理學過程也會受到氧氣感應的影響，目前研究人員正在加快速度研究來開發新型藥物抑制或激活氧氣調節機制，從而有效治療貧血、癌症和其它疾病。
氧氣能夠塑造機體生理學和病理學改變
基於今年諾貝爾生理學或醫學獎得主的開創性工作，如今我們能夠深入理解不同氧氣水平調節機體基礎生理學過程的分子機制，氧氣感應能夠促進細胞適應低氧水平下的代謝，比如機體進行激烈運動時的肌肉狀態。
氧氣感知所控制的適應性過程的其它例子還包括心血管的生成和紅細胞的產生，機體免疫系統和許多其它生理學功能都會被氧氣感知機器進行精細化地調節，氧氣感知對控制正常血管的形成和胎盤的發育也至關重要。
氧氣感知過程是多種疾病發生的核心（圖2），比如，慢性腎臟功能衰竭的患者常常因為EPO表達水平的下降而遭受嚴重貧血，EPO能夠被腎臟中的細胞所產生，其對於控制紅細胞產生至關重要。
此外，氧氣調節機制在癌症發生過程中也扮演著非常關鍵的角色；在腫瘤中，氧氣調節機器能被用來刺激血管生成和重塑細胞代謝，從而有效地促進癌細胞增殖。
目前很多實驗室和製藥公司都正在不斷深入研究，重點研究能夠通過激活或阻斷氧氣感知機制來干預不同疾病狀態的新型藥物。
關鍵研究成果
Semenza, G.L, Nejfelt, M.K., Chi, S.M. et al. Hypoxia-inducible nuclear factors bind to an enhancer element located 3’ to the human erythropoietin gene. Proc Natl Acad Sci USA， （1991）88， 5680-5684， doi: 10.1073/pnas.88.13.5680
Wang, G.L., Jiang, B.-H., Rue, E.A. et al.Hypoxia-inducible factor 1 is a basic-helix-loop-helix-PAS heterodimer regulated by cellular O2 tension. Proc Natl Acad Sci USA （1995）， 92， 5510-5514，doi: 10.1073/pnas.92.12.5510
Maxwell, P.H., Wiesener, M.S., Chang, G.-W., et al. The tumour suppressor protein VHL targets hypoxia-inducible factors for oxygen-dependent proteolysis. Nature （1999）， 399， 271-275 doi：10.1038/20459
Mircea, I., Kondo, K., Yang, H.,et al. HIFa targeted for VHL-mediated destruction by proline hydroxylation：Implications for O2 sensing. Science（2001）， 292， 464-468，doi：10.1126/science.1059817
Jakkola, P., Mole, D.R., Tian, Y.-M., et al. Targeting of HIF-α to the von Hippel-Lindau ubiquitylation complex by O2-regulated prolyl hydroxylation. Science（2001）， 292， 468-472， doi：10.1126/science.1059796
2019年諾貝爾生理學或醫學獎得主簡介
William G. Kaelin， Jr.
1957年出生於紐約，取得了杜克大學的博士學位，William Kaelin， Jr在約翰霍普金斯大學和達納-法伯癌症研究所接受了內科和腫瘤學的專科培訓，同時在達納-法伯癌症研究所建立了自己的實驗室，並與2002年正式成為哈佛醫學院的教授，從1998年開始，就已經成為了霍華德休斯頓醫學院的研究員。
Sir Peter J. Ratcliffe
1954年出生於英國蘭開夏郡，曾在劍橋大學學習醫學，並在牛津大學接受了腎病學的專業培訓，同時在牛津大學建立了自己獨立的研究小組，並於1996年成為教授，目前Sir Peter J. Ratcliffe是Francis Crick研究所的臨床研究主任、牛津Target發現研究所的主任，以及路德維希癌症研究所的研究成員。
Gregg L. Semenza
1956年出生於紐約，其獲得了哈佛大學的學士學位，並於1984年獲得了賓夕法尼亞大學費城醫學院的醫學博士學位，同時在杜克大學接受了兒科專家的培訓，並在約翰霍普金斯大學進行了博士後研究，建立了自己的研究團隊，1999年Gregg L. Semenza成為了約翰霍普金斯大學的教授，從2003年開始擔任約翰霍普金細胞工程研究所血管研究計劃小組的主任。
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