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北京时间 10 月 7 日下午 5 点 30 分，2019 年诺贝尔生理学或医学奖揭晓获奖名单，来自哈佛医学院达纳-法伯癌症研究所的威廉·凯林（ William G. Kaelin, Jr.），牛津大学和弗朗西斯·克里克研究所的彼得·拉特克利夫（ Peter J. Ratcliffe）以及美国约翰霍普金斯大学医学院的格雷格·塞门扎（Gregg L. Semenza）摘得殊荣，以表彰他们在细胞如何感知和适应氧气变化机制方面所作出的贡献。▲William G Kaelin 教授（左）、Peter J Ratcliffe 教授（中）、以及 Gregg L Semenza 教授（右）三位科学家在分子水平上阐明了感受氧气含量的基本原理，揭示了其中重要的信号机制，为贫血、心血管疾病、黄斑退行性病变以及肿瘤等多种疾病开辟了新的临床治疗途径。生物体感受氧气浓度的信号识别系统是生命最基本的功能，然而学界对此却所知甚少。氧气是众多生化代谢途径的电子受体，科学界对氧感应和氧稳态调控的研究开始于促红细胞生成素（erythropoietin, EPO）。20 世纪 90 年代初，Semenza 和 Ratcliffe 开始研究缺氧如何引起 EPO 的产生。他们发现了一个不仅会随着氧浓度的改变发生相应的改变，还可以控制 EPO 的表达水平的「开关」，如果将其 DNA 片段插入某基因旁，则该基因会被低氧条件诱导表达。他们发现这个反应的「开关」是一种蛋白质，叫做缺氧诱导因子 (Hypoxia-inducible factors, HIF)，但其功能远不止开关那么简单。1995 年，Semenza 和博士后王光纯化了 HIF，明确 HIF 编码基因，发现 HIF 由两种不同的 DNA 结合蛋白组成（HIF-1α 和 ARNT），并证实了 HIF-1 是通过红细胞和血管新生介导了机体在低氧条件下的适应性反应。随后， Semenza 和 Ratcliffe 又扩展了低氧诱导表达基因的种类。他们发现，除了 EPO， HIF-1 在哺乳动物细胞内可以结合并激活涉及代谢调节、血管新生、胚胎发育、免疫和肿瘤等过程的众多其他基因。作为一种关键的调控蛋白，在缺氧环境下，HIF-1 会启动基因表达。当细胞转变为高氧条件时 HIF-1 的数量急剧下降。那么推动 HIF-1 破坏的原因是什么？答案来自一个意想不到的方向。希佩尔-林道综合征 （Von Hippel–Lindau disease，VHL 综合征）是一种罕见的常染色体显性遗传性疾病。VHL 病人由于 VHL 蛋白的缺失会以多发性肿瘤为特征, 涉及脑、骨髓、视网膜、肾脏、肾上腺等多个重要器官，肿瘤学家 William Kaelin 一直试图弄清楚其病理，他发现典型的肿瘤有异常形成的新生血管，同时也有较多的 血管内皮生长因子 （VEGF） 与促红细胞生成素（EPO）。因此他自然而然地想到，缺氧通路是否在这种疾病里有着某种作用。1996 年，对于患者细胞的分析表明，一些原本应当在富氧环境下消失的基因，却意外地有着大量表达。而导入具有正常功能的 VHL 蛋白，则能逆转这一现象。进一步的研究表明，VHL 蛋白的特殊能力，来源于与之结合的一些特定蛋白，这包括了某种泛素连接酶。在这种酶的作用下，不被细胞所需要的蛋白会被打上「丢弃」的标记，并被送往蛋白酶体中降解。有趣的是，人们马上发现在富氧环境下，HIF-1 的组成部分 HIF-1α，正是通过这一途径被降解。1999 年，Ratcliffe 教授团队又发现，HIF-1α的降解需要 VHL 蛋白参与。Kaelin 教授也随之证明，VHL 与 HIF-1α会直接结合。再后来，诸多研究人员逐渐还原了整个过程——原来在富氧的环境下，VHL 会结合 HIF-1α，并指导后者的泛素化降解。为什么 HIF-1α只会在富氧环境下被降解呢？研究人员对 HIF-1α与 VHL 的结合区域做了进一步的分析，并发现倘若移除一个脯氨酸，就会抑制其泛素化。这正是 HIF-1α的调控关键！在富氧环境下，氧原子会和脯氨酸的一个氢原子结合，形成羟基，而这一步反应需要脯氨酰羟化酶的参与。由于这步反应需要氧原子的参与，因而比较容易理解，为何 HIF-1α不会在缺氧环境下被降解。 当氧水平低（低氧）时，HIF-1α 被保护免于降解，积聚在细胞核中，与 ARNT 及低氧调节基因中的特定 DNA 序列（HRE）结合（1）；在正常的氧气水平下，HIF-1α 被蛋白酶体迅速降解（2）；氧气通过向 HIF-1α 添加羟基（OH）来调节降解过程（3）；随后，VHL 蛋白可以识别 HIF-1α 并与之形成复合物，从而导致其以氧依赖性方式降解（4）。 HIF 控制着人体和大多数动物细胞对氧气变化的复杂又精确的反应，三位科学家一步步揭示生物氧气感知通路。不仅在基础科学上有其价值，还有望带来创新的疗法。比如倘若能通过调控 HIF-1 通路，促进红细胞的生成，就有望治疗贫血；而干扰 HIF-1 的降解，则能促进血管生成，治疗循环不良。另一方面，由于肿瘤的生成离不开新生血管，如果我们能降解 HIF-1α或相关蛋白 ，就有望对抗恶性肿瘤。目前，已有类似的疗法进入了早期临床试验阶段。我们再次祝贺这三名科学家获得诺贝尔生理学或医学奖，是对他们所做成就的最佳认可！William G. Kaelin Jr. 1957 年出生于纽约，取得了杜克大学的博士学位，William Kaelin Jr 在约翰霍普金斯大学和达纳-法伯癌症研究所接受了内科和肿瘤学的专科培训，同时在达纳-法伯癌症研究所建立了自己的实验室，并与 2002 年正式成为哈佛医学院的正教授，从 1998 年开始，其就成为了霍华德休斯顿医学院的研究员。
Sir Peter J. Ratcliffe1954 年出生于英国兰开夏郡，其在剑桥大学学习医学，并在牛津大学接受了肾病学的专业培训，同时在牛津大学建立了自己独立的研究小组，并于 1996 年成为正教授，目前 Sir Peter J. Ratcliffe 是 Francis Crick 研究所的临床研究主任，牛津 Target 发现研究所的主任以及路德维希癌症研究所的研究成员。 1956 年出生于纽约，其获得了哈佛大学的学士学位，并于 1984 年获得了宾夕法尼亚大学费城医学院的医学博士学位，同时在杜克大学接受了儿科专家的培训，并在约翰霍普金斯大学进行了博士后研究，建立了自己的研究团队，1999 年 Gregg L. Semenza 成为了约翰霍普金斯大学的正教授，从 2003 年开始担任约翰霍普金细胞工程研究所血管研究计划小组的主任。 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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