昨天我們已經(jīng)給大家通俗地介紹了一下 2019 年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，可戳下方藍(lán)字回顧。
漫畫(huà)解讀：2019 諾貝爾生理學(xué)獎(jiǎng)：面對(duì)缺氧，懂得 " 垃圾分類 " 的細(xì)胞才是好細(xì)胞
搞清楚缺氧時(shí)細(xì)胞里發(fā)生的事，能幫我們治療貧血和癌癥
今天，果殼繼續(xù)帶你深入了解細(xì)胞是怎樣感知并適應(yīng)環(huán)境氧含量的。
2019 年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予了小威廉 · G · 凱林（William G. Kaelin Jr.）、彼得 · J · 拉特克利夫爵士（Sir Peter J. Ratcliffe）和格雷格 · 塞門扎（Gregg L. Semenza）。自現(xiàn)代生物學(xué)問(wèn)世以來(lái)，人們便已經(jīng)了解生命需要用氧氣來(lái)維持這一事實(shí)。然而，通過(guò)此次獲獎(jiǎng)的研究，我們才第一次知道了細(xì)胞適應(yīng)氧氣供應(yīng)變化的分子機(jī)制。
當(dāng)動(dòng)物細(xì)胞周圍的氧氣水平發(fā)生變化時(shí)，其基因表達(dá)就會(huì)發(fā)生根本性的變化?；虮磉_(dá)的這些變化會(huì)改變細(xì)胞代謝，造成組織重建，甚至導(dǎo)致心率和通氣量增加等機(jī)體反應(yīng)。
在 20 世紀(jì) 90 年代初期的研究中，格雷格 · 塞門扎發(fā)現(xiàn)了一種調(diào)節(jié)這些氧依賴性反應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子，并在 1995 年純化和克隆了它。他將這種因子稱為 HIF，即缺氧誘導(dǎo)因子（Hypoxia Inducible Factor），并證明它由兩個(gè)部分組成：一個(gè)是新發(fā)現(xiàn)的，對(duì)氧氣敏感的部分，HIF-1 α；另一個(gè)是先前已知的，恒常表達(dá)且不受氧調(diào)節(jié)的蛋白 ARNT。小威廉 · G · 凱林于 1995 年起從事希佩爾 - 林道綜合征（VHL，von Hipple-Lindau）腫瘤抑制基因的研究，分離出該基因的第一個(gè)全長(zhǎng)克隆后，他證明，該基因可以抑制 VHL 突變致瘤細(xì)胞系中的腫瘤生長(zhǎng)。此后，拉特克利夫爵士于 1999 年證明了VHL 和 HIF-1 α 之間存在相互作用，且 VHL 調(diào)節(jié)了 HIF-1 α 的翻譯后和對(duì)氧敏感的降解。最后，凱林和拉特克利夫爵士的研究組同時(shí)發(fā)現(xiàn)，VHL 對(duì) HIF-1 α 的調(diào)節(jié)取決于 HIF-1 α 的羥基化，這是一種共價(jià)修飾，其本身依賴于氧。
三位獲獎(jiǎng)?wù)叩墓餐ψC明，基因表達(dá)對(duì)氧變化的反應(yīng)與動(dòng)物細(xì)胞中的氧水平直接相關(guān)，這使得機(jī)體能夠通過(guò) HIF 轉(zhuǎn)錄因子的作用，立即發(fā)生細(xì)胞反應(yīng)以適應(yīng)氧合作用。
氧氣與動(dòng)物的生命
18 世紀(jì) 70 年代初期，瑞典科學(xué)家卡爾 · 舍勒（Carl Scheele）根據(jù)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，大約有四分之一的空氣是他所說(shuō)的 " 火氣 "，也就是大氣中能讓物質(zhì)燃燒的成分。這一發(fā)現(xiàn)最終于 1777 年發(fā)表。基本上在同一時(shí)間的英格蘭，約瑟夫 · 普里斯特利（Joseph Priestley）也找到了一種凈化這種以前未知的氣體的方法，他稱其為 " 脫燃素空氣 "。同一時(shí)間，安托萬(wàn) · 拉瓦錫（Antoine Lavoisier）在巴黎進(jìn)行了分離該物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)，并且賦予了它我們今天所熟知的名字：氧氣。
氧氣對(duì)于動(dòng)物的生命是必需的，氧化反應(yīng)利用氧氣使食物中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為腺苷三磷酸（ATP）。確實(shí)，根據(jù)可利用的氧氣量校準(zhǔn)細(xì)胞條件是控制代謝的關(guān)鍵。早在一個(gè)多世紀(jì)前，人們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)，例如，1858 年，路易 · 巴斯德（Louis Pasteur）第一個(gè)證明動(dòng)物細(xì)胞中氧氣的使用存在復(fù)雜的平衡，并且細(xì)胞使用多種途徑來(lái)完成能量轉(zhuǎn)換。75 年以前，曾有兩項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)與動(dòng)物的氧感知機(jī)制有關(guān)：1931 年，奧托 · 沃伯格（Otto Warburg）因其發(fā)現(xiàn)涉及細(xì)胞呼吸的酶促基礎(chǔ)而獲獎(jiǎng)；1938 年，柯奈爾 · 海門斯（Corneille Heymans）發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)系統(tǒng)在對(duì)氧氣的呼吸反應(yīng)中的作用。然而，在整個(gè) 20 世紀(jì)的大部分時(shí)間里，人們都還不清楚在基因表達(dá)的水平上，機(jī)體是如何調(diào)節(jié)對(duì)氧通量的適應(yīng)性的。
對(duì)氧氣變化的適應(yīng)性
在幾乎所有的動(dòng)物細(xì)胞里，快速應(yīng)對(duì)和適應(yīng)氧含量變化的能力都是非常必要的。關(guān)于演化過(guò)程的分子分類學(xué)研究清楚表明，當(dāng)細(xì)胞開(kāi)始將自身組織成多細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)時(shí)，這種應(yīng)對(duì)氧通量變化的反應(yīng)，就不再只是單個(gè)細(xì)胞內(nèi)代謝適應(yīng)的自主反應(yīng)，它還讓復(fù)雜的生理反應(yīng)得以發(fā)展。細(xì)胞需要通過(guò)許多自主性途徑來(lái)適應(yīng)氧氣水平的變化，尤其是通過(guò)調(diào)節(jié)自身的代謝速率。當(dāng)從組織與器官水平檢查這種反應(yīng)時(shí)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，多細(xì)胞生物需要重塑組織，以適應(yīng)變化了的氧氣水平（例如在創(chuàng)傷后重新構(gòu)建脈管系統(tǒng)）；也需要調(diào)整整個(gè)生物體，以補(bǔ)償氧合作用的變化（例如，運(yùn)動(dòng)或者處于高海拔時(shí)，通氣反應(yīng)會(huì)增加）。
舉個(gè)例子：當(dāng)人處于高海拔時(shí)，腎臟中有專門的細(xì)胞能夠感受血液中氧氣水平的變化，從而制造和釋放促紅細(xì)胞生成素（EPO）。這種激素可以激活骨髓中的紅細(xì)胞合成。紅細(xì)胞濃度增加能夠幫助我們適應(yīng)于更低的氧氣分壓。
動(dòng)物可能會(huì)暴露于低氧環(huán)境，但重要的是，氧氣水平在組織中也各不相同。動(dòng)物組織中的氧氣水平在空間上和時(shí)間上都有變化；并且，不論是正常的生理事件（例如，骨骼肌用力時(shí)，可用的氧氣量降低），還是像癌癥及感染這樣的病理過(guò)程，這種變化都會(huì)發(fā)生。20 世紀(jì)七八十年代的研究清楚表明，這些局部的、暫時(shí)的氧氣分壓變化，通過(guò)改變基因轉(zhuǎn)錄，調(diào)節(jié)細(xì)胞和組織中重要的適應(yīng)反應(yīng)。這些基因調(diào)節(jié)反應(yīng)能夠改變細(xì)胞代謝，并且控制基礎(chǔ)的發(fā)育、再生、防御過(guò)程，包括血管生成、炎癥等許多個(gè)方面。
動(dòng)物細(xì)胞感知不同氧氣濃度的能力，以及隨之而來(lái)的對(duì)基因表達(dá)模式的重塑，對(duì)于幾乎所有動(dòng)物的生存都至關(guān)重要。由這些途徑所控制的氧氣激活信號(hào)通路，能夠影響至少 300 個(gè)分布于各種各樣調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的基因。這些分子通路滲透于眾多的生理過(guò)程之中，從器官發(fā)育和代謝穩(wěn)態(tài)，到組織再生和免疫，范圍極廣；并且，這些通路在許多疾病中都扮演了重要的角色，包括癌癥。
氧氣與紅細(xì)胞的生成反應(yīng)
任何對(duì)動(dòng)物生命具有深遠(yuǎn)意義的信號(hào)通路，幾乎必定會(huì)涉及許多層次的精細(xì)調(diào)節(jié)，也必定會(huì)擁有許多與其他分子通路的交叉點(diǎn)，氧反應(yīng)通路也不例外。因此意料之中的是，此次獲獎(jiǎng)成果在當(dāng)年發(fā)表之后，關(guān)于氧反應(yīng)調(diào)控的分子細(xì)節(jié)也并未就此完結(jié)。相反，這幾個(gè)關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)打開(kāi)了整個(gè)領(lǐng)域的局面，導(dǎo)致了相關(guān)工作的爆炸性發(fā)展，揭示了氧通量反應(yīng)背后的巨大而復(fù)雜的分子機(jī)制。
三位諾獎(jiǎng)獲得者的基本發(fā)現(xiàn)，都是圍繞著缺氧誘導(dǎo)因子（HIF）轉(zhuǎn)錄因子的作用展開(kāi)的。這個(gè)因子的發(fā)現(xiàn)起源于 1986 年至 1987 年間許多人的工作，他們發(fā)現(xiàn)，缺氧導(dǎo)致腎臟中的促紅細(xì)胞生成素（EPO）轉(zhuǎn)錄表達(dá)增加。而這一發(fā)現(xiàn)的根源又可以往上追溯到 1882 年，法國(guó)生理學(xué)家保羅 · 伯特（Paul Bert）首次證明了缺氧會(huì)產(chǎn)生心血管效應(yīng)，也首次證明，暴露在高海拔環(huán)境會(huì)增加紅細(xì)胞數(shù)量。
缺氧誘導(dǎo)分子的分離
一旦人們意識(shí)到 EPO 基因會(huì)被缺氧誘導(dǎo)出轉(zhuǎn)錄反應(yīng)，下一步就是確定 EPO 基因調(diào)控區(qū)中對(duì)氧敏感的 DNA 序列是哪一段。格雷格 · 塞門扎決定用轉(zhuǎn)基因小鼠來(lái)尋找 EPO 基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件，將人 EPO 基因周圍不同長(zhǎng)短的 DNA 片段克隆進(jìn)小鼠體內(nèi)。他和同事首先證明，一個(gè)包含 EPO 編碼序列在內(nèi)的 4000 堿基對(duì)區(qū)域，再加上 5' 和 3' 兩端的一些短的側(cè)翼序列，能導(dǎo)致所有轉(zhuǎn)進(jìn)這些基因的組織生產(chǎn) EPO，并引起 EPO 增加，從而引發(fā)紅細(xì)胞增多癥。他們接下來(lái)又證明，一個(gè)更長(zhǎng)的 EPO 基因結(jié)構(gòu)，其 5' 端有 6000 堿基對(duì)的側(cè)翼序列，能在腎臟中誘導(dǎo) EPO 表達(dá)。這項(xiàng)研究指出，EPO 對(duì)氧氣的反應(yīng)受到復(fù)雜的轉(zhuǎn)錄調(diào)控，其中有正調(diào)節(jié)因子，也有負(fù)調(diào)節(jié)因子。
僅僅一年后，在 1991 年，塞門扎就發(fā)表了另外兩項(xiàng)研究，增加了關(guān)于 EPO 基因調(diào)控的重要信息。（1）一項(xiàng) DNA 水解酶超敏區(qū)域的研究找到了 EPO 基因 3' 端的側(cè)翼序列中的一個(gè)小區(qū)域，該區(qū)域能結(jié)合多個(gè)核因子，至少有兩個(gè)核因子能被貧血在肝臟和腎臟中誘導(dǎo)產(chǎn)生；在體外瞬時(shí)表達(dá)試驗(yàn)中，同樣是這個(gè)小區(qū)域起著缺氧誘導(dǎo)增強(qiáng)因子的作用。（2）另一項(xiàng)研究進(jìn)一步確定了 EPO 在轉(zhuǎn)基因模型中的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。大約在同一時(shí)間，彼得 · J · 拉特克利夫爵士和杰米 · 卡羅（Jaime Caro）的實(shí)驗(yàn)室的工作表明，EPO 基因的 3' 端存在著起順式作用的 DNA 元件，該元件轉(zhuǎn)染體外培養(yǎng)的肝癌細(xì)胞后，能賦予細(xì)胞感受氧氣的能力。
上面所說(shuō)的研究工作指引塞門扎在 1992 年鑒定出了 EPO 基因 3 端上一段大約有 50 個(gè)堿基對(duì)的增強(qiáng)子，在體外培養(yǎng)的細(xì)胞中，它可以用來(lái)誘導(dǎo)缺氧誘導(dǎo)報(bào)告基因的表達(dá)。這個(gè)增強(qiáng)子，塞門扎稱之為缺氧反應(yīng)元件（HRE），它可結(jié)合肝癌細(xì)胞中的數(shù)種核因子：一個(gè)是非誘導(dǎo)性的，另一個(gè)則與低氧環(huán)境有關(guān)。因此，后面的一種因子被塞門扎稱為" 缺氧誘導(dǎo)因子 "（HIF）。
拉特克利夫與塞門扎證實(shí)，EPO 基因 3 ’端的增強(qiáng)子在很多種類的哺乳動(dòng)物細(xì)胞中都可以驅(qū)動(dòng)缺氧誘導(dǎo)的報(bào)告基因表達(dá)。這表明，EPO 基因相關(guān)的供氧調(diào)節(jié)背后的分子機(jī)制在各種各樣的細(xì)胞中都很活躍，這一發(fā)現(xiàn)展現(xiàn)了這種新因子可能是氧含量感知共同的細(xì)胞機(jī)制中的一部分。
缺氧誘導(dǎo) HIF 的過(guò)程可以在很多類型的哺乳動(dòng)物細(xì)胞中觀察到，而不僅僅是腎臟和肝臟中那些產(chǎn)生促紅細(xì)胞生成素的細(xì)胞。這一點(diǎn)讓很多科學(xué)家產(chǎn)生了興趣。HIF 的發(fā)現(xiàn)提示，代謝適應(yīng)和響應(yīng)含氧量變化的組織重構(gòu)背后可能存在一個(gè)通用的分子機(jī)制。
此時(shí)，塞門扎采取生物化學(xué)方法從大量細(xì)胞提取物中純化了這個(gè)蛋白質(zhì)。作為純化過(guò)程中的功能測(cè)定，他用 " 電移位切試驗(yàn) " 測(cè)試了 EPO 基因 3 ’端的增強(qiáng)子。純化蛋白的氨基酸序列分析以及隨后的 cDNA 克隆顯示，HIF 自身是異源二聚體，由兩個(gè)不同基因的產(chǎn)物組成。其中第一個(gè)成分是 HIF 因子對(duì)氧敏感的部分，被塞門扎命名為 HIF-1 α；第二部分來(lái)自一個(gè)恒常表達(dá)的基因，一開(kāi)始它被稱為 HIF-1b，直到證據(jù)顯示這個(gè)成分其實(shí)此前就已經(jīng)被克隆和描述過(guò)，它叫芳香烴受體核轉(zhuǎn)位因子（ARNT）。ARNT 蛋白可與其他數(shù)種因子結(jié)合，而且鑒于它的表達(dá)與氧含量無(wú)關(guān)，很快科學(xué)家們便確定 HIF-1 α 是調(diào)節(jié) HIF 氧含量反應(yīng)性的關(guān)鍵。
HIF 家族擴(kuò)張
一個(gè)與 HIF-1 α 高度關(guān)聯(lián)的蛋白于 1997 年被 4 個(gè)不同研究組獨(dú)立克隆出來(lái)；一開(kāi)始它有好幾個(gè)名字，包括至今仍在普遍使用的 HIF-2 α。不過(guò)這個(gè)基因的正式定名是 EPAS1。EPAS1 基因編碼一個(gè)與 HIF-1 α 有高水平序列同源性的蛋白，并也作為異質(zhì)二聚體和 ARNT 結(jié)合。它同樣有 HIF-1 α 對(duì)低氧條件的敏感性，并且本質(zhì)上和下述 HIF-1 α 有所有相同的調(diào)控模式。
然而 HIF-1 α 和 EPAS1 在功能上有重要差異。刪除 HIF-1 α 的小鼠引發(fā)了一個(gè)明確表型（妊娠中期致死），但刪除 Epas1 基因則會(huì)引發(fā)多種不同表型，可能是因?yàn)檫z傳背景不同。此外，大量證據(jù)表明，有些低氧響應(yīng)機(jī)制是由二者之一單獨(dú)控制的；例如，紅細(xì)胞生成主要是由 EPAS1 控制的。
HIF 調(diào)節(jié)是轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)，且 VHL 參與其中
包括拉特克利夫團(tuán)隊(duì)在內(nèi)，多個(gè)實(shí)驗(yàn)室獲得的數(shù)據(jù)表明，HIF-1 α 自身的水平是通過(guò)改變蛋白質(zhì)穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)的，而非通過(guò)基因轉(zhuǎn)錄改變或蛋白質(zhì)合成。多個(gè)研究組進(jìn)一步揭示，HIF-1 α 通過(guò)泛素 - 蛋白酶通路降解，這一方式是氧依賴的。這一工作還發(fā)現(xiàn)了 HIF-1 α 的特定結(jié)構(gòu)域是其氧依賴降解的原因（這個(gè)結(jié)構(gòu)域簡(jiǎn)稱 ODD 區(qū)，在 HIF-1 α 和 EPAS1 中均有表達(dá)）。
大圖模式 當(dāng)氧含量低（缺氧）的時(shí)候，HIF-1 α 被保護(hù)住不會(huì)降解，并在細(xì)胞核里聚集。它和 ARNT 相作用，并結(jié)合到特定 DNA 序列的缺氧調(diào)控基因（HRE）上（1）。在正常的氧氣水平下，HIF-1 α 會(huì)由蛋白酶體快速降解（2）。氧氣通過(guò)為 HIF-1 α 增加羥基（OH）調(diào)控了這一降解過(guò)程（3）。然后 VHL 蛋白就可以識(shí)別 HIF-1 α 并組成一個(gè)復(fù)合體，根據(jù)氧氣濃度決定是否使它降解。丨諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)
大約此時(shí)—— 1995 年，凱林團(tuán)隊(duì)發(fā)表了第一個(gè) VHL 腫瘤抑制基因的全長(zhǎng)序列/strong>，并證明將一個(gè)野生型 VHL 轉(zhuǎn)入一個(gè)腎癌細(xì)胞系能阻止細(xì)胞系形成腫瘤。凱林和許多其他研究組研究了 VHL 基因及其與家族癌癥易感性的關(guān)聯(lián)。凱林的論文表明，VHL 是一種癌癥抑制基因，激活這個(gè)基因可抑制 VHL 突變患者的腫瘤生長(zhǎng)。1996 年，在描述 VHL 基因的過(guò)程中，凱林和馬克 · 戈德伯格（Mark Goldberg）研究組合作證明，多個(gè) HIF 靶向基因在 VHL 突變細(xì)胞系中過(guò)表達(dá)。這一發(fā)現(xiàn)表明，兩種通路（HIF 響應(yīng)和 VHL 相關(guān)腫瘤發(fā)生）以某種形式相關(guān)。
下一個(gè)和 VHL 功能相關(guān)的重要線索是識(shí)別出 VHL 蛋白的結(jié)合伴侶。凱林小組和其他研究者在 1995 年發(fā)現(xiàn)，VHL 能和轉(zhuǎn)錄延伸因子 B 和 C 相互作用。1997 年，有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，VHL 是一個(gè)復(fù)合物的成分，該復(fù)合物里還有 Cul-2 蛋白——蛋白質(zhì)泛素化的一個(gè)重要因子。這一發(fā)現(xiàn)之后被凱林復(fù)現(xiàn)。由于延伸因子 C 和 Cul-2 在結(jié)構(gòu)上和 Skp1、Cdc53 有相似之處，而后兩者都已知會(huì)針對(duì)特定蛋白質(zhì)造成泛素相關(guān)的蛋白質(zhì)降解，因此這些發(fā)現(xiàn)顯示出了 VHL 和蛋白質(zhì)降解之間的可能聯(lián)系。
VHL 導(dǎo)致 HIF 成為泛素化和降解的目標(biāo)
1996~1998 年間，人們明確知道了 HIF-1 α 和 EPAS1 在正常氧濃度下會(huì)經(jīng)由蛋白酶體降解迅速消滅。但是仍然不知道為什么在缺氧條件下這一降解過(guò)程會(huì)被抑制。拼圖缺失的一塊在于標(biāo)記 HIF-1 α 降解的泛素 E3 連接酶。在這個(gè)問(wèn)題上，拉特克利夫等人于 1999 年作出了關(guān)鍵的突破，在一篇里程碑式的論文里，他們表明，VHL 復(fù)合物和 HIF-1 α 的降解相關(guān)。接下來(lái)，他們和其他人表明，VHL 在這一過(guò)程中是泛素 E3 連接酶復(fù)合物的識(shí)別成分。
拼圖最后的重要一片是VHL 和 HIF-1 α 的反應(yīng)以及下一步的 HIF-1 α 分解如何受氧氣調(diào)控。重要的是，1999 年的一篇論文指出，VHL 和 HIF-1 α 反應(yīng)需要有氧和鐵存在。這一發(fā)現(xiàn)開(kāi)啟了對(duì)反應(yīng)機(jī)理的搜索：一方面是 HIF-1 α 要經(jīng)過(guò)怎樣的需要氧的化學(xué)修飾，才能讓 VHL 結(jié)合上去；另一方面是什么酶能催化這一反應(yīng)。當(dāng)時(shí)，已知在膠原蛋白中會(huì)出現(xiàn)需要氧氣的蛋白羥基化，并已知受到膠原蛋白脯氨酸 -4 羥基化酶調(diào)控。因此，人們懷疑 HIF-1 α 中脯氨酸基團(tuán)的羥基化這一需要氧的反應(yīng)可能會(huì)帶來(lái) VHL 結(jié)合所需的構(gòu)象變化。事實(shí)也證明如此。2001 年，拉特克利夫和凱林的實(shí)驗(yàn)室同時(shí)匯報(bào)，HIF-1 α 的 ODD 結(jié)構(gòu)域中兩個(gè)脯氨酸基團(tuán)的 4- 羥基化這一需氧反應(yīng)增加了 VHL 復(fù)合物對(duì) HIF 轉(zhuǎn)錄因子的親和度。這兩篇文章是幾乎同時(shí)發(fā)表的。
氧依賴性的開(kāi)關(guān)
脯氨酸羥基化反應(yīng)需要氧氣，這一事實(shí)揭示了 HIF-1 α 和 EPAS1 蛋白質(zhì)的翻譯后調(diào)控機(jī)制：缺氧時(shí)，不發(fā)生羥基化，VHL 無(wú)法辨認(rèn) HIF-1 α，因此 HIF-1 α 不會(huì)被泛素化，從而避免了被蛋白酶體降解，保持完整。結(jié)果 HIF-1 α 得以積累，轉(zhuǎn)錄激活缺氧誘導(dǎo)的基因 α 程序（見(jiàn)下圖）。
大圖模式 拉特克利夫組和另一個(gè)研究組獨(dú)立確定了參與羥基化 HIF-1 α 和 EPAS1 的脯氨酰羥化酶（PHD）基因；這些發(fā)表于 2001 年的論文描述了分離 PHD 基因的過(guò)程。凱林小組也分離出 PHD 基因，但使用的是生物化學(xué)方法，并在 2002 年發(fā)表了這項(xiàng)研究。這些羥化酶的鑒定為制造特殊的 PHD 抑制劑從而增加 HIF 的活性提供了可能性，例如，增加貧血患者的促紅細(xì)胞生成素水平。
第二個(gè)氧依賴性機(jī)制是在 2001 年發(fā)現(xiàn)的，此機(jī)制不是為了降解 HIF-1 α，而是為了抑制 HIF-1 α 作為轉(zhuǎn)錄因子的活性。塞門扎和他的團(tuán)隊(duì)是第一個(gè)識(shí)別出相關(guān)因子的，將其稱為 FIH-1，意思是 " 抑制 HIF 的因子 "。FIH 也是一種氧依賴性的羥化酶，這次是負(fù)責(zé)羥基化 HIF-1 α 和 EPAS1 的 N- 末端激活域（NTAD）當(dāng)中的天冬酰胺殘基。有研究者發(fā)現(xiàn)，這種羥化作用能干擾 p300 轉(zhuǎn)錄輔助激活因子的募集。這樣，氧不僅通過(guò)其氧依賴降解域的脯氨酰羥基化促進(jìn)了 HIF-1 α 降解，如果有 HIF-1 α 或 EPAS1 躲開(kāi)了依賴 VHL 降解的命運(yùn)，氧依然能抑制它們的轉(zhuǎn)錄功能。因此，HIF 活性對(duì)于氧依賴性轉(zhuǎn)錄后抑制不是有一個(gè)，而是有兩個(gè)獨(dú)立的機(jī)制。這表明，通過(guò)細(xì)胞氧水平調(diào)節(jié)，保持 HIF 水平的適當(dāng)性、準(zhǔn)確性是非常精細(xì)的過(guò)程。
HIF 調(diào)控通路的廣闊意義
從那以后，許多研究小組的工作顯示了 HIF 通路的堅(jiān)實(shí)作用，以及它在調(diào)節(jié)受氧影響的基因表達(dá)中的核心地位。自從三位獲獎(jiǎng)?wù)咦钤绲拈_(kāi)拓性發(fā)現(xiàn)以來(lái)，他們一直是這個(gè)領(lǐng)域的中心人物。他們參與了 HIF 通路分子生物學(xué)的進(jìn)一步闡明，并增進(jìn)了我們對(duì)缺氧反應(yīng)在健康和疾病中所起的生理作用的理解。
調(diào)節(jié) HIF-1 α 穩(wěn)定性的脯氨酸羥化酶被發(fā)現(xiàn)后，人們就致力于尋找各種能提高 HIF 水平的羥化酶抑制劑 ; 這開(kāi)辟了一整條藥物發(fā)現(xiàn)的新通路。事實(shí)上，一些通過(guò)抑制脯氨酸羥化酶來(lái)提高 HIF 功能的潛在藥物，已經(jīng)在臨床試驗(yàn)中走得相當(dāng)遠(yuǎn)了，最近的一系列論文證明了它們?cè)谥委熦氀矫娴呐R床療效。
抑制 HIF 通路，未來(lái)也可能有很廣闊的應(yīng)用。人們?cè)O(shè)想，有些癌癥是因?yàn)?VHL 突變引起，而抑制 HIF 通路或許能成為延緩這些癌癥惡化的手段。其中一種是 EPAS1 功能的特異性阻斷劑，凱林和同事最近報(bào)告說(shuō)，在動(dòng)物模型中，這能夠減緩 VHL 突變細(xì)胞的腫瘤生長(zhǎng)。
通過(guò)藥物提升 HIF 功能，可能有助于治療一系列疾病，因?yàn)?HIF 對(duì)許多生理過(guò)程都必不可少，比如免疫功能、軟骨形成和傷口愈合。從反面來(lái)說(shuō)，抑制 HIF 功能也有許多應(yīng)用：HIF 水平的增加可見(jiàn)于許多癌癥以及一些心血管疾病，包括卒中、心臟病發(fā)作和肺部高壓。因此，現(xiàn)在很可能只是本屆諾貝爾獎(jiǎng)發(fā)現(xiàn)被應(yīng)用的開(kāi)始，因?yàn)楹苊黠@的事實(shí)是，細(xì)胞、組織和生物體對(duì)氧氣的反應(yīng)，是動(dòng)物所具有的最重要的生理適應(yīng)之一。
翻譯：八云，麥麥，游識(shí)猷，窗敲雨，鐘與氏 darla，antares，木易楊楊
校對(duì)：odette Ent
