2019年诺贝尔生理或医学奖在瑞典卡洛琳斯卡医学院揭晓，授予哈佛医学院的William G.Kaelin,牛津大学的Peter J.Ratcliffe以及约翰霍普金斯大学的Gregg L.Semenza.，以表彰他们在低氧感应方面（'for their discoverys of how cells sense and adapt to oxygen availability'）做出的贡献。值得一提的是，这三位科学家2016年曾获得拉斯克基础医学奖。人类和哺乳动物感知氧气的重要性自不必多说，在不同氧气浓度下，细胞会做出精细反应并进行适应性的调节，揭示细胞感知氧的分子机制为包括肿瘤、心血管病、黄斑退行性病变等多种疾病的临床治疗开辟了新路径。
2016年的拉斯克基础医学奖授予William G.Kaelin、Peter J.Ratcliffe和Gregg L.Semenza之后，Cell杂志邀请了肿瘤代谢的知名专家Craig B.Thompson教授专门撰写了题为Into Thin Air: How We Sense and Respond to Hypoxia的文章介绍他们的重要发现【1】。这篇Cell文章提到，三位科学家是分别独立展开的系列工作。整个工作的源头还要从关键的促红细胞生成素（erythropoietin,EPO）说起。人类和哺乳动物的体内需要红细胞作为氧气载体然后输送到全身，而如果氧气缺乏或贫血会导致来源于肾脏分泌的EPO刺激骨髓生成新的红细胞，从而提高氧气的运输能力（注：人源EPO是1977年被纯化出来，文章发表在JBC上【2】）。尽管很早就知道EPO刺激红细胞生产，但是细胞如何感应氧气从而调控EPO的表达呢？三位获奖人的工作正是回答了上述重要问题。接下来，我们逐步回顾一下各个重要的发现历程。1991年，Gregg L.Semenza作为第一作者在PNAS发表题为Hypoxia-inducible nuclear factors bind to an enhancer element located 3' to the human erythropoietin gene的论文（诺奖委员会的第1篇参考文献）【3】，Semenza等人通过DNase I超敏感位点研究（当某基因处于活跃转录状态时，含有这个基因的区域对于脱氧核糖核酸酶DNase I的敏感性要比无转录活性区域高百倍以上）找到了4个或者多个不同的核因子，发现至少有两个是在肝脏和肾脏的贫血或缺氧条件下诱导的，这些结果对于随后找到关键的低氧诱导因子具有重要的意义，这种因子当时就被命名为“Hypoxia-inducible factors”【3】。随后就是如何去寻找鉴定当时所谓的Hypoxia-inducible factors了。Gregg Semenza. IMAGE CREDIT: JOHNS HOPKINS MEDICINE诺奖委员会的press release中主要提了1995年的PNAS（诺奖委员会的第2篇参考文献），这篇文章主要确定了HIF-1包含两个蛋白的序列：HIF-1α和HIF-1β，分析了蛋白的结构域，并且比较果蝇中的同源蛋白Per和Sim【4】。事实上，在1991年和1995年分别发表的PNAS文章的期间，Semenza和华人学生Guang L. Wang一起还发表了大量相关的工作，包括1993年发表在JBC上的文章（被引超过1000次）主要描述了HIF-1与DNA结合的活性相关研究【5】，而1993年PNAS论文则是证明了HIF-1在低氧诱导的情况下识别序列在不同类型的哺乳细胞中具有一致性【6】。事实上，1995年一月份发表在JBC上的论文（被引超过2100次）【7】也非常重要，这篇文章主要分离纯化和鉴定了HIF-1，明确提出HIF-1主要以异二聚体形式存在，主要由120 kDa的HIF-1α和91-94 kDa的HIF-1β组成【7】。Semenza等继续对HIF-1进行研究发现HIF-1α还能够诱导在血管生成中起重要作用的血管内皮生长因子VEGF（ vascular endothelial growth factor ）【8】，这表明HIF-1α作为氧传感的核心因子对调控血管系统的生成也具有重要意义，相关工作1996年发表在MCB杂志上（被引3900多次）【8】。1998年，Semenza等发表在Gene & Dev上的而研究则是通过制备HIF-1α突变的转基因小鼠确定其体内生物学功能，研究发现HIF-1α功能缺失的情况下，血管发育和氧依赖性基因的表达收到严重损害，而且导致胚胎致死【9】（被引近2500次）。
接下来谈谈Peter J.Ratcliffe的主要贡献。时间回到1993年。Ratcliffe组1993年发表在PNAS杂志上的工作【10】，利用瞬时基因转染的报告基因系统偶联到促红细胞生成素基因EPO 3'的转录增强子，结果显示了氧气感知系统在哺乳动物细胞中广泛存在，而不限于肾脏和肝脏细胞亚群，这篇文章和Semenza组1993年的PNAS工作结论有些相似之处。随后，1994年Ratcliffe组继续在PNAS杂志上发表论文【11】，这篇文章的主要意义在于，该研究发现了在低氧诱导情况下，糖酵解过程中的重要基因磷酸甘油酸激酶PGK（phosphoglycerate kinase）和乳酸脱氢酶LDHA（ lactate dehydrogenase A）也出现了类似EPO基因被诱导表达的情况。这个研究的意义在于，HIF-1不仅仅在机体水平上负责调控缺氧的适应，而且在细胞水平上参与调解糖酵解的速率。事实上，现在关注肿瘤代谢研究的同行大多了解，HIF-1和c-Myc还有p53共同构成了调控糖酵解的核心转录因子（下图）【12】。c-Myc、 HIF1 和 p53 对糖酵解代谢途径的调控。图片引自【12】下面再来谈谈第三位获奖人William G.Kaelin。Craig B.Thompson教授撰写的文章中谈到，Kaelin与专门做基础研究的Semenza和Ratcliffe不同，他是一位临床医生。Kaelin有着较好的临床训练，他主要研究一种遗传综合征，即von Hippel-Lindau病（VHL病，常染色体显性遗传性癌症易感性综合征）。这种遗传疾病会导致遗传性VHL突变的家庭罹患某些癌症的风险急剧增加。1995年，Kaelin等人在Science上发表论文【13】，报道了VHL与Elongin B、Elongin C和CUL2形成复合物，该工作暗示了VHL/Elongin/CUL2复合物有可能起到泛素连接酶的作用，该工作为后续Ratcliffe小组1999年的Nature提供了重要的参考信息。1996年（HIF-1正式被鉴定后的第二年），Kaelin等人发表在PNAS上的研究表明，VHL蛋白可以通过氧依赖的蛋白水解作用负性调节HIF【14】，而1999年Ratcliffe小组在Nature（诺奖委员会的第3篇参考文献）上的工作进一步确定了VHL蛋白是一个蛋白复合物的成分之一，这个蛋白复合物和SCF（Skp1/Cdc53 or Cullin/F-box）这一大类泛素连接酶非常相似，正是由于VHL功能缺失导致了HIF蛋白不能被降解【15】，因此HIF蛋白的靶基因上调，导致了肿瘤的发生。在搞清楚了VHL降解HIF-1蛋白之后，接着又有新的问题出现，在有氧气的情况下，VHL如何降解HIF-1呢？也就是说，有什么氧特意依赖的方式降解HIF-1。2001年，Kaelin组和Ratcliffe以“背靠背”的形式在Science杂志上发表论文（诺奖委员会的第4和第5篇参考文献）【16,17】，研究发现了HIF-1α在氧气存在的情况下多肽上的脯氨酸进行了羟基化作用，而且VHL正是特异性的结合了羟基化的HIF-1α，才导致了HIF-1α被降解。接着问问题，是什么因素控制HIF-1α发生氧依赖性的羟化反应？2001年，Ratcliffe组在Cell，Steve McKnight组在Science，Kaelin组先后在PNAS分别独立报道了催化HIF-1α发生羟化反应的酶【18-20】。此外，2002年发表在Gene & Dev上的工作还表明发生在天冬氨酸残基上的羟化反应可以阻止HIF-1α招募转录共激活因子【21】，事实上这是给HIF-1α上的双保险，保证细胞内的HIF-1α充分被降解。最后，谈点个人感受，从本文所引用的参考文献中发现，PNAS杂志是最大的赢家，事实上到后期的一些发表在CNS上的工作尽管也非常重要的，但是从原创性上讲属于“马后炮”了，早期的一篇重要JBC也特别值得关注。笔者从诺奖开奖之时起临时准备稿件，差不多用了3个半小时了，希望这个梳理对大家深入了解整个氧感知的研究历程有清晰的认识，时间匆忙，文章中的疏漏和讹误之出在所难免，敬请读者谅解。这篇文章算是对这个国庆长假的纪念！Peter J. Ratcliffe在接到电话时正在写基金。William G.Kaelin,Jr.正独自在家。1、Thompson, C. B. (2016). Into thin air: How we sense and respond to hypoxia. Cell, 167(1), 9-11.2、Miyake, T., Kung, C. K., & Goldwasser, E. (1977). Purification of human erythropoietin. Journal of Biological Chemistry, 252(15), 5558-5564.3、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, 5680-56844、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, 5510-55145、Wang, G. L., & Semenza, G. L. (1993). Characterization of hypoxia-inducible factor 1 and regulation of DNA binding activity by hypoxia. Journal of Biological Chemistry, 268(29), 21513-21518.6、Wang, G. L., & Semenza, G. L. (1993). 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