行業(yè)資訊
生命如何承受低氧之輕 諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)解讀
2019年，諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予三位科學(xué)家，美國(guó)哈佛醫(yī)學(xué)院分子生物學(xué)家凱林（William Kaelin Jr），英國(guó)牛津大學(xué)分子生物學(xué)家拉特克利夫爵士（Sir Peter John Ratcliffe）和美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)遺傳學(xué)家西門扎（Gregg L. Semenza），以表彰他們?cè)凇把醺兄瓦m應(yīng)性”方面的奠基性貢獻(xiàn)。
氧有啥作用？
故事要追溯到十八世紀(jì)七十年代。
英國(guó)化學(xué)家普里斯特利、瑞典化學(xué)家舍勒和法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫幾乎同時(shí)發(fā)現(xiàn)氧，特別是拉瓦錫還闡述了氧的重要性，提出燃燒本質(zhì)是物質(zhì)與氧反應(yīng)，并認(rèn)為機(jī)體吸收的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（如葡萄糖、脂肪酸等）在體內(nèi)的利用與燃燒在本質(zhì)上類似，該過(guò)程稱為生物燃燒或生物氧化，其主要價(jià)值在于提供能量。
生命不息，能量不止，因此氧的重要性顯而易見。大家可以想象，汽車沒(méi)有能量無(wú)法行走，生命缺乏能量無(wú)法存活。
機(jī)體缺氧了怎么辦？
氧的重要性意味著生命無(wú)法完全離開氧，但機(jī)體也有不如意之時(shí)，特殊情況下如高原和短時(shí)期窒息等會(huì)面臨氧供應(yīng)不足（低氧）狀況，怎么辦？
二十世紀(jì)六十年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)低氧時(shí)機(jī)體內(nèi)紅細(xì)胞數(shù)量會(huì)增加，而紅細(xì)胞作用是攜帶和運(yùn)輸氧，因此緩解機(jī)體缺氧。
低氧為啥導(dǎo)致紅細(xì)胞會(huì)增多呢？
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這是源于低氧可增加促紅細(xì)胞生成素（erythropoietin, EPO）含量。
現(xiàn)在問(wèn)題簡(jiǎn)單了，那就是低氧是如何增加EPO含量的。90年代初，西門扎開始研究這一問(wèn)題。
西門扎是兒科學(xué)和醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)出身，最初研究地中海貧血，無(wú)意間接觸到EPO，從而從根本上改變了研究方向。
1992年，西門扎和學(xué)生發(fā)現(xiàn)EPO基因調(diào)控區(qū)存在一段保守DNA序列，將這段序列連接到低氧無(wú)關(guān)基因，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些基因在低氧下表達(dá)也迅速增加，說(shuō)明這段序列對(duì)低氧基因表達(dá)至關(guān)重要。
西門扎推測(cè)理論上還存在特異轉(zhuǎn)錄因子，這些因子與這段序列結(jié)合才會(huì)增加低氧基因表達(dá)。
西門扎從低氧處理細(xì)胞中分離到一種蛋白質(zhì)，該蛋白質(zhì)確實(shí)可與保守DNA序列特異結(jié)合；該蛋白質(zhì)低氧時(shí)穩(wěn)定，常氧時(shí)消失，從而命名低氧誘導(dǎo)因子1（HIF-1）。
HIF-1有兩部分組成，HIF-1α和HIF-1β，而只有HIF-1α蛋白受氧調(diào)控， HIF-1β與氧無(wú)關(guān)。
西門扎隨后發(fā)現(xiàn)，機(jī)體大部分組織都存在HIF-1α蛋白，而EPO只在腎臟和肝臟表達(dá)，推測(cè)HIF-1作用應(yīng)不局限于EPO調(diào)節(jié)，隨后發(fā)現(xiàn)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（VEGF）、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1（GLUT1）等的表達(dá)也受HIF-1調(diào)控。
西門扎的工作證明低氧可穩(wěn)定HIF，HIF進(jìn)一步增加低氧基因表達(dá)增加機(jī)應(yīng)性。
現(xiàn)在問(wèn)題聚焦在，HIF-1α為何低氧時(shí)穩(wěn)定？
一種控制HIF-1生死的因子
1904年，德國(guó)眼科醫(yī)生馮?希佩爾（Eugen von Hippel）發(fā)現(xiàn)一種眼血管瘤。
1927年，瑞典病理學(xué)家林道（Arvid Vilhelm Lindau）獨(dú)立發(fā)現(xiàn)一種小腦和脊髓血管瘤，后來(lái)發(fā)現(xiàn)其實(shí)是同種疾病，統(tǒng)一命名馮?希佩爾-林道疾病 [von Hippel-Lindau (VHL) disease] 。
VHL是一種遺傳病，患者發(fā)生血管瘤、血管母細(xì)胞瘤和腎癌等幾率增加，體內(nèi)存在大量VEGF和EPO，預(yù)示VHL與低氧有一定關(guān)聯(lián)。
凱林最初理想是成為一名臨床醫(yī)生，最終卻走上科研道路，他想知道為何VHL突變會(huì)增加腎癌風(fēng)險(xiǎn)。
1996年，凱林與同事比較VHL突變細(xì)胞和VHL正常細(xì)胞，意外發(fā)現(xiàn)前者即使氧含量正常也會(huì)誘導(dǎo)如VEGF等低氧基因大量表達(dá)；當(dāng)糾正VHL突變后這種現(xiàn)象消失。
原來(lái)，VHL突變?cè)斐烧Ｇ闆r不應(yīng)存在的HIF-1α保留下來(lái)，說(shuō)明VHL是一種控制HIF-1α生死的蛋白，問(wèn)題是VHL如何調(diào)控HIF-1α生死？
80年代末，拉特克利夫也開始關(guān)注EPO表達(dá)。他專業(yè)是腎臟生理，研究動(dòng)力來(lái)自想弄懂腎臟對(duì)氧異常敏感原因。
在HIF-1α和VHL先后發(fā)現(xiàn)之后，拉特克利夫?qū)Χ咧g的關(guān)系產(chǎn)生濃厚興趣，最終發(fā)現(xiàn)VHL蛋白是一種泛素連接酶，可為HIF-1α添加泛素。
而泛素被稱為“死亡標(biāo)簽”（2004年），因此添加了泛素的HIF-1α就會(huì)被降解；VHL突變后喪失這種能力，從而HIF-1α正常情況下也保留了下來(lái)。
機(jī)體如何氧感知
上面的故事說(shuō)明低氧環(huán)境下HIF-1α的穩(wěn)定性關(guān)鍵。問(wèn)題是，還沒(méi)有真正意義上出現(xiàn)氧的身影。
那么氧究竟是如何影響HIF-1α穩(wěn)定性的呢？
2001年，凱林和拉特克利夫兩個(gè)小組同時(shí)發(fā)現(xiàn)氧參與HIF-1α穩(wěn)定性的機(jī)制。
原來(lái)存在一類酶，它們可在氧參與情況下將HIF-1α進(jìn)行羥基化修飾，羥基化的HIF-1α被VHL進(jìn)一步泛素化修飾，最終被降解。
至此，機(jī)體氧感知和低氧適應(yīng)的框架被基本確定（如下圖）：
氧充足時(shí)，HIF-α?xí)涣u基化修飾，隨后被VHL泛素化而降解，無(wú)法誘導(dǎo)低氧基因表達(dá)（這部分工作主要由凱林和拉特克利夫完成）；低氧時(shí)，HIF-α不會(huì)被降解，從而促進(jìn)低氧靶基因表達(dá)，增加細(xì)胞適應(yīng)性（這部分工作主要由西門扎完成）。
氧感知和低氧適應(yīng)機(jī)制及三位科學(xué)家貢獻(xiàn)
研究意義
首先，本年度諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)以基礎(chǔ)為主。
這項(xiàng)研究開創(chuàng)了一個(gè)全新研究領(lǐng)域，解釋了機(jī)體在氧不足環(huán)境下的適應(yīng)機(jī)制，包括低氧促進(jìn)紅細(xì)胞生成增多、耗氧量降低等代償性效應(yīng)以減少氧不足造成的機(jī)體損傷。
低氧對(duì)一些組織的氧化損傷和炎癥具有保護(hù)作用，如冠狀動(dòng)脈疾病、外周動(dòng)脈疾病、傷口愈合、器官移植排斥和結(jié)腸炎等；而過(guò)度低氧也可導(dǎo)致機(jī)體損傷，包括遺傳性紅細(xì)胞增多癥、慢性缺血性心肌病和阻塞性睡眠呼吸暫停等，特別是大多數(shù)固體腫瘤都存在低氧信號(hào)通路異常活化現(xiàn)象，并與患者預(yù)后負(fù)相關(guān)。
低氧信號(hào)通路關(guān)鍵分子還成為疾病治療重要靶點(diǎn)，從而為疾病治療提供新策略。PHD抑制劑可有效穩(wěn)定HIF-α蛋白穩(wěn)定性，增加低氧適應(yīng)，可應(yīng)用于治療貧血、缺氧引起的組織損傷等。
抑制低氧信號(hào)通路則在癌癥治療方面顯示出巨大價(jià)值。
以腎癌為例，腎癌是低氧效應(yīng)最明顯腫瘤，VHL突變?cè)谀I癌中發(fā)生比例最高（達(dá)70%左右，其他腫瘤比例較低甚至缺乏），最早開發(fā)的VEGF抑制劑——貝伐單抗作用機(jī)制在于抑制血管形成以減降低癌細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)，而最近開發(fā)的特異性HIF-2α拮抗劑PT2399則在細(xì)胞、動(dòng)物和臨床前實(shí)驗(yàn)中顯示出較好的治療效果。
3位科學(xué)家西門扎、凱林和拉特克利夫分別于2010年分享加拿大的蓋爾德納國(guó)際獎(jiǎng)、2016年分享拉斯克基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。
這兩項(xiàng)獎(jiǎng)均有“諾貝爾預(yù)測(cè)獎(jiǎng)”之稱，因此分享諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)自是預(yù)料之中。
筆者于2018年的文章中已預(yù)測(cè)他們?nèi)藭?huì)分享諾貝爾獎(jiǎng)，但估計(jì)會(huì)晚幾年，因此今年頒獎(jiǎng)算有點(diǎn)小意外吧。
注：部分內(nèi)容已發(fā)表于《科學(xué)》雜志（郭曉強(qiáng).氧感知和低氧信號(hào):跨越半個(gè)世紀(jì)的發(fā)現(xiàn)歷程.科學(xué),2018,70(4):48-51）
