（圖片來源：諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)）

北京時(shí)間10月7日下午，諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)人名單揭曉：威廉·凱林(William G. Kaelin)，彼得·拉特克利夫(Peter J. Ratcliffe)以及格雷格·塞門扎(Gregg L. Semenza)因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了細(xì)胞如何感知氧氣、適應(yīng)缺氧環(huán)境而獲得了這一獎(jiǎng)項(xiàng)。

人體如何解決將氧氣持續(xù)運(yùn)輸至構(gòu)成人體的10¹⁴個(gè)細(xì)胞這一挑戰(zhàn)，對于理解多細(xì)胞動(dòng)物的進(jìn)化、發(fā)育、生理學(xué)及病理極為重要。Kaelin、Ratcliffe及Semenza的聯(lián)合發(fā)現(xiàn)確認(rèn)了直接作用于細(xì)胞內(nèi)氧水平的信號(hào)通路及其主要組成成分——異二聚體轉(zhuǎn)錄因子（低氧誘導(dǎo)因子[hypoxia-inducible factor，HIF]）家族，其指導(dǎo)以下基礎(chǔ)過程：多細(xì)胞動(dòng)物氧穩(wěn)態(tài)以及氧敏感信號(hào)的實(shí)際來源，即一組催化HIF氧化作用（羥基化）的雙加氧酶，并通過von Hippel-Lindau（VHL）泛素-蛋白酶體通路調(diào)節(jié)氧依賴性降解。

引人注目的是，這些發(fā)現(xiàn)在30年前完全未被預(yù)見。雖然蛋白質(zhì)翻譯后羥基化這一結(jié)構(gòu)修飾已經(jīng)非常清楚，但之前尚不清楚其在細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用。更令人吃驚的是，直接調(diào)節(jié)人類細(xì)胞氧水平的信號(hào)通路的整個(gè)工作過程并未引起廣泛重視。

在20世紀(jì)生理學(xué)家聚焦于肺部、心臟及血管系統(tǒng)（將氧氣運(yùn)輸至器官的系統(tǒng)）后，為何細(xì)胞和全身穩(wěn)態(tài)的“主要調(diào)節(jié)者”會(huì)被忽視如此之久？在20世紀(jì)初，研究者已描述出基礎(chǔ)代謝途徑，并明確了毛細(xì)血管床和有氧代謝能力之間的精確關(guān)系。然而，這些研究者的理論并非關(guān)注氧氣本身，而是代謝能量供應(yīng)是否充足。甚至在某些血管疾病如新生兒視網(wǎng)膜病變與生理水平以上的氧水平明顯密切相關(guān)時(shí)，這些理論仍關(guān)注于代謝失調(diào)。那么這些基礎(chǔ)模型是如何被顛覆的呢？

存在直接氧感受器的早期線索來自于20世紀(jì)30年代進(jìn)行的首次觀察——鈷中毒與一項(xiàng)異常臨床特征（即產(chǎn)生過多紅細(xì)胞）有關(guān)，這證實(shí)鈷模擬了一種最為清楚的低氧反應(yīng)即促紅細(xì)胞生成素的產(chǎn)生。

Semenza和Ratcliffe實(shí)驗(yàn)室均開始了研究，其目的是明確促紅細(xì)胞生成素基因表達(dá)的氧調(diào)節(jié)過程。最初其細(xì)胞工作主要聚焦于肝癌細(xì)胞（惡性肝細(xì)胞），證實(shí)了這些細(xì)胞在氧調(diào)節(jié)后生成了促紅細(xì)胞生成素。之后Ratcliffe實(shí)驗(yàn)室采用了位于促紅細(xì)胞生成素基因的順式作用DNA片段進(jìn)行報(bào)告基因檢測，結(jié)果顯示氧調(diào)節(jié)活性存在于廣泛的細(xì)胞類型中。

Semenza實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)錄因子HIF，之后證實(shí)了其在多種細(xì)胞類型中的氧調(diào)節(jié)活性。兩家實(shí)驗(yàn)室通過確認(rèn)其他靶標(biāo)迅速證實(shí)了這些結(jié)果的含義（即潛在的氧感受系統(tǒng)在不生成促紅細(xì)胞生成素的細(xì)胞中必定還發(fā)揮著其他功能）。在首次明確此類編碼多種糖酵解酶的靶標(biāo)后，又迅速確認(rèn)了涉及能量代謝、血管新生及許多其他有關(guān)細(xì)胞和全身穩(wěn)態(tài)過程的多種HIF靶基因。

Kaelin從另一角度切入該領(lǐng)域，即VHL綜合征（希佩爾-林道綜合征）的臨床觀察。VHL病是一種遺傳性多器官腫瘤綜合征，其特征為腎透明細(xì)胞癌、血管母細(xì)胞瘤及嗜鉻細(xì)胞瘤的風(fēng)險(xiǎn)增加。VHL相關(guān)腫瘤常見于血管，有時(shí)還會(huì)誘導(dǎo)紅細(xì)胞增多癥，這使得Kaelin懷疑VHL基因產(chǎn)物（VHL gene product，pVHL）在低氧信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中有重要作用。Kaelin實(shí)驗(yàn)室證實(shí)，該疾病涉及數(shù)種當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)的低氧誘導(dǎo)的mRNA的調(diào)節(jié)異常（包括血管內(nèi)皮生長因子mRNA）。Kaelin及其他研究者證實(shí)，pVHL形成了一種多蛋白復(fù)合物，其架構(gòu)類似酵母中的Skp1、Cdc53、F-box (SCF)泛素連接酶復(fù)合物。Kaelin及其同事證實(shí)，突變型pVHL對這些轉(zhuǎn)錄子的抑制作用與其形成該復(fù)合物有關(guān)。之后Ratcliffe實(shí)驗(yàn)室證實(shí)了pVHL與HIF調(diào)節(jié)的關(guān)鍵聯(lián)系，即pVHL在生理上與HIF-α有關(guān)，并且在氧調(diào)節(jié)所致的不穩(wěn)定中發(fā)揮重要作用。隨著研究速度的加快，Kaelin、Ratcliffe及其他研究者證實(shí)，pVHL作為泛素連接酶在降解中直接靶向作用于HIF-α。

那么，在低氧濃度下，HIF-α是如何逃脫pVHL識(shí)別的呢？Kaelin和Ratcliffe實(shí)驗(yàn)室的研究顯示，HIF-α經(jīng)過了氧依賴性翻譯后修飾，即脯氨酸羥化，從而被pVHL所識(shí)別。雖然脯氨酸羥化是原膠原鏈穩(wěn)定背景下的翻譯后修飾，但由于HIF的一級序列及其細(xì)胞定位，HIF并非由膠原蛋白脯氨酸羥化酶催化。與膠原蛋白脯氨酸羥化酶類似，HIF脯氨酸羥化反應(yīng)需要氧氣、鐵及抗壞血酸，并且可被鈷和2-酮戊二酸類似物所抑制。這說明，HIF脯氨酸羥化酶是2-酮戊二酸依賴性雙加氧酶家族的一員。Ratcliffe實(shí)驗(yàn)室與已建立這類酶一般結(jié)構(gòu)特征的ChrisSchofield進(jìn)行合作，很快確認(rèn)了秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans）的關(guān)鍵氧感受器，并確認(rèn)了3種人類直系同源物，其催化人HIF-α的2個(gè)羥基化部位。

這些酶將HIF-α的羥基化與2-酮戊二酸的氧化脫羧連接起來。這些酶還有一個(gè)“不穩(wěn)定的”鐵中心，可被鈷和其他過渡金屬離子螯合或取代，這解釋了為何這些物質(zhì)可以用作低氧模擬物。

這一系列研究揭示了連接氧與關(guān)鍵生理功能的通路，具有重大醫(yī)學(xué)意義。最初的促紅細(xì)胞生成素的研究確認(rèn)了一種存在于所有動(dòng)物中的系統(tǒng)，甚至是那些沒有血管或氧氣運(yùn)輸系統(tǒng)的動(dòng)物。該系統(tǒng)的組成成分，特別是與HIF脯氨酸羥化酶相關(guān)的氧敏感性酶，在時(shí)間上早于動(dòng)物進(jìn)化。這一整合通路似乎已在約5億年前組裝完成，該時(shí)間與大氣中的氧大量增加和動(dòng)物的生命進(jìn)化一致。

大量文獻(xiàn)證實(shí)，HIF通路參與氧穩(wěn)態(tài)生理學(xué)的多個(gè)方面，并發(fā)揮著關(guān)鍵作用。令人吃驚的是，既往并未懷疑對該通路的廣泛作用是氧敏感性的。例如在輕微擾動(dòng)HIF信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)后會(huì)對多個(gè)免疫和炎癥過程產(chǎn)生影響。HIF靶基因的多種蛋白質(zhì)產(chǎn)物在貧血、缺血性心血管疾病、器官移植、結(jié)腸炎及傷口愈合的情況下介導(dǎo)了生理性（適應(yīng)性）反應(yīng)；或者在癌癥、眼部血管生成、睡眠呼吸暫停相關(guān)性全身高血壓、肺動(dòng)脈高壓及遺傳性紅細(xì)胞增多癥的背景下介導(dǎo)了病理性（適應(yīng)不良性）反應(yīng)。

HIF通路在生理學(xué)中發(fā)揮的關(guān)鍵作用是醫(yī)學(xué)發(fā)展中令人興奮但充滿挑戰(zhàn)的機(jī)遇。當(dāng)前工作著眼于如何使這一新知識(shí)應(yīng)用于治療上。目前數(shù)種HIF脯氨酸羥化酶抑制劑已進(jìn)入后期臨床試驗(yàn)，其目的是增加內(nèi)源性促紅細(xì)胞生成素以用于治療腎性貧血。此類低氧反應(yīng)的激活劑是否可用于增強(qiáng)適應(yīng)性反應(yīng)以治療循環(huán)系統(tǒng)疾病和器官缺血，HIF抑制劑是否可以在癌癥中有效抑制適應(yīng)不良性通路組成成分，兩者均是尚未解答的問題，具有令人興奮的前景。