北京時間 10 月 7 日下午 5 點 30 分，2019 年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎揭曉獲獎名單，來自哈佛醫(yī)學院達納-法伯癌癥研究所的威廉·凱林（ William G. Kaelin, Jr.），牛津大學和弗朗西斯·克里克研究所的彼得·拉特克利夫（ Peter J. Ratcliffe）以及美國約翰霍普金斯大學醫(yī)學院的格雷格·塞門扎（Gregg L. Semenza）摘得殊榮，以表彰他們在細胞如何感知和適應氧氣變化機制方面所作出的貢獻。▲William G Kaelin 教授（左）、Peter J Ratcliffe 教授（中）、以及 Gregg L Semenza 教授（右）三位科學家在分子水平上闡明了感受氧氣含量的基本原理，揭示了其中重要的信號機制，為貧血、心血管疾病、黃斑退行性病變以及腫瘤等多種疾病開辟了新的臨床治療途徑。 HIF 調(diào)控基因的發(fā)現(xiàn)
生物體感受氧氣濃度的信號識別系統(tǒng)是生命最基本的功能，然而學界對此卻所知甚少。氧氣是眾多生化代謝途徑的電子受體，科學界對氧感應和氧穩(wěn)態(tài)調(diào)控的研究開始于促紅細胞生成素（erythropoietin, EPO）。20 世紀 90 年代初，Semenza 和 Ratcliffe 開始研究缺氧如何引起 EPO 的產(chǎn)生。他們發(fā)現(xiàn)了一個不僅會隨著氧濃度的改變發(fā)生相應的改變，還可以控制 EPO 的表達水平的「開關」，如果將其 DNA 片段插入某基因旁，則該基因會被低氧條件誘導表達。他們發(fā)現(xiàn)這個反應的「開關」是一種蛋白質(zhì)，叫做缺氧誘導因子 (Hypoxia-inducible factors, HIF)，但其功能遠不止開關那么簡單。1995 年，Semenza 和博士后王光純化了 HIF，明確 HIF 編碼基因，發(fā)現(xiàn) HIF 由兩種不同的 DNA 結合蛋白組成（HIF-1α 和 ARNT），并證實了 HIF-1 是通過紅細胞和血管新生介導了機體在低氧條件下的適應性反應。隨后， Semenza 和 Ratcliffe 又擴展了低氧誘導表達基因的種類。他們發(fā)現(xiàn)，除了 EPO， HIF-1 在哺乳動物細胞內(nèi)可以結合并激活涉及代謝調(diào)節(jié)、血管新生、胚胎發(fā)育、免疫和腫瘤等過程的眾多其他基因。作為一種關鍵的調(diào)控蛋白，在缺氧環(huán)境下，HIF-1 會啟動基因表達。當細胞轉(zhuǎn)變?yōu)楦哐鯒l件時 HIF-1 的數(shù)量急劇下降。那么推動 HIF-1 破壞的原因是什么？答案來自一個意想不到的方向。希佩爾-林道綜合征 （Von Hippel–Lindau disease，VHL 綜合征）是一種罕見的常染色體顯性遺傳性疾病。VHL 病人由于 VHL 蛋白的缺失會以多發(fā)性腫瘤為特征, 涉及腦、骨髓、視網(wǎng)膜、腎臟、腎上腺等多個重要器官，腫瘤學家 William Kaelin 一直試圖弄清楚其病理，他發(fā)現(xiàn)典型的腫瘤有異常形成的新生血管，同時也有較多的 血管內(nèi)皮生長因子 （VEGF） 與促紅細胞生成素（EPO）。因此他自然而然地想到，缺氧通路是否在這種疾病里有著某種作用。1996 年，對于患者細胞的分析表明，一些原本應當在富氧環(huán)境下消失的基因，卻意外地有著大量表達。而導入具有正常功能的 VHL 蛋白，則能逆轉(zhuǎn)這一現(xiàn)象。進一步的研究表明，VHL 蛋白的特殊能力，來源于與之結合的一些特定蛋白，這包括了某種泛素連接酶。在這種酶的作用下，不被細胞所需要的蛋白會被打上「丟棄」的標記，并被送往蛋白酶體中降解。有趣的是，人們馬上發(fā)現(xiàn)在富氧環(huán)境下，HIF-1 的組成部分 HIF-1α，正是通過這一途徑被降解。1999 年，Ratcliffe 教授團隊又發(fā)現(xiàn)，HIF-1α的降解需要 VHL 蛋白參與。Kaelin 教授也隨之證明，VHL 與 HIF-1α會直接結合。再后來，諸多研究人員逐漸還原了整個過程——原來在富氧的環(huán)境下，VHL 會結合 HIF-1α，并指導后者的泛素化降解。為什么 HIF-1α只會在富氧環(huán)境下被降解呢？研究人員對 HIF-1α與 VHL 的結合區(qū)域做了進一步的分析，并發(fā)現(xiàn)倘若移除一個脯氨酸，就會抑制其泛素化。這正是 HIF-1α的調(diào)控關鍵！在富氧環(huán)境下，氧原子會和脯氨酸的一個氫原子結合，形成羥基，而這一步反應需要脯氨酰羥化酶的參與。由于這步反應需要氧原子的參與，因而比較容易理解，為何 HIF-1α不會在缺氧環(huán)境下被降解。當氧水平低（低氧）時，HIF-1α 被保護免于降解，積聚在細胞核中，與 ARNT 及低氧調(diào)節(jié)基因中的特定 DNA 序列（HRE）結合（1）；在正常的氧氣水平下，HIF-1α 被蛋白酶體迅速降解（2）；氧氣通過向 HIF-1α 添加羥基（OH）來調(diào)節(jié)降解過程（3）；隨后，VHL 蛋白可以識別 HIF-1α 并與之形成復合物，從而導致其以氧依賴性方式降解（4）。 HIF 控制著人體和大多數(shù)動物細胞對氧氣變化的復雜又精確的反應，三位科學家一步步揭示生物氧氣感知通路。不僅在基礎科學上有其價值，還有望帶來創(chuàng)新的療法。比如倘若能通過調(diào)控 HIF-1 通路，促進紅細胞的生成，就有望治療貧血；而干擾 HIF-1 的降解，則能促進血管生成，治療循環(huán)不良。另一方面，由于腫瘤的生成離不開新生血管，如果我們能降解 HIF-1α或相關蛋白 ，就有望對抗惡性腫瘤。目前，已有類似的療法進入了早期臨床試驗階段。我們再次祝賀這三名科學家獲得諾貝爾生理學或醫(yī)學獎，是對他們所做成就的最佳認可！William G. Kaelin Jr. 1957 年出生于紐約，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-法伯癌癥研究所接受了內(nèi)科和腫瘤學的?？婆嘤枺瑫r在達納-法伯癌癥研究所建立了自己的實驗室，并與 2002 年正式成為哈佛醫(yī)學院的正教授，從 1998 年開始，其就成為了霍華德休斯頓醫(yī)學院的研究員。
Sir Peter J. Ratcliffe1954 年出生于英國蘭開夏郡，其在劍橋大學學習醫(yī)學，并在牛津大學接受了腎病學的專業(yè)培訓，同時在牛津大學建立了自己獨立的研究小組，并于 1996 年成為正教授，目前 Sir Peter J. Ratcliffe 是 Francis Crick 研究所的臨床研究主任，牛津 Target 發(fā)現(xiàn)研究所的主任以及路德維希癌癥研究所的研究成員。 1956 年出生于紐約，其獲得了哈佛大學的學士學位，并于 1984 年獲得了賓夕法尼亞大學費城醫(yī)學院的醫(yī)學博士學位，同時在杜克大學接受了兒科專家的培訓，并在約翰霍普金斯大學進行了博士后研究，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正教授，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。 1.The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2019, Retrieved October 7, 2019, from https://www./prizes/medicine/2019/summary/2.Semenza, G.L, Nejfelt, M.K., Chi, S.M. & Antonarakis, S.E. (1991). Hypoxia-inducible nuclear factors bind to an enhancer element located 3』to the human erythropoietin gene. Proc Natl Acad Sci USA, 88, 5680-5684
3.Wang, G.L., Jiang, B.-H., Rue, E.A. & Semenza, G.L. (1995). Hypoxia-inducible factor 1 is a basic-helix-loop-helix-PAS heterodimer regulated by cellular O2 tension. Proc Natl Acad Sci USA, 92, 5510-5514
4.Maxwell, P.H., Wiesener, M.S., Chang, G.-W., Clifford, S.C., Vaux, E.C., Cockman, M.E., Wykoff, C.C., Pugh, C.W., Maher, E.R. & Ratcliffe, P.J. (1999). The tumour suppressor protein VHL targets hypoxia-inducible factors for oxygen-dependent proteolysis. Nature, 399, 271-275
5.Mircea, I., Kondo, K., Yang, H., Kim, W., Valiando, J., Ohh, M., Salic, A., Asara, J.M., Lane, W.S. & Kaelin Jr., W.G. (2001) HIFa targeted for VHL-mediated destruction by proline hydroxylation: Implications for O2 sensing. Science, 292, 464-468
6.Jakkola, P., Mole, D.R., Tian, Y.-M., Wilson, M.I., Gielbert, J., Gaskell, S.J., von Kriegsheim, A., Heberstreit, H.F., Mukherji, M., Schofield, C.J., Maxwell, P.H., Pugh, C.W. & Ratcliffe, P.J. (2001). Targeting of HIF-a to the von Hippel-Lindau ubiquitylation complex by O2- regulated prolyl hydroxylation. Science, 292, 468-472
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