北京时间10月7日17：30，2019年诺贝尔生理学与医学奖揭晓！

3位科学家威廉·凯林（William G. Kaelin Jr）彼得·拉特克利夫（Sir Peter J. Ratcliffe） 以及格雷格·塞门扎（Gregg L. Semenza）因发现细胞适应和感知氧气的原理而获得殊荣。

三位获奖者漫画合影

动物需要利用氧气将食物转化为可用能量。几个世纪以来，人们已经非常清楚氧气的重要性，但是细胞如何适应氧气含量的变化，长期处于未知状态。

威廉·凯林（William G. Kaelin Jr）彼得·拉特克利夫（Sir Peter J. Ratcliffe） 以及格雷格·塞门扎（Gregg L. Semenza）3位科学家阐明了细胞如何感应和适应氧气含量的变化，并发现了一种伴随氧气含量的变化，调控基因活性的分子机制。

今年诺贝尔奖获得者的开创性发现揭示了生命中最基本的适应过程之一。它们为我们理解氧水平如何影响细胞代谢和生理功能奠定了基础，也为贫血、癌症和许多其他疾病的治疗提供新的策略。

 氧气位于舞台中央

 氧气，分子式O₂，约占地球大气的五分之一。氧气对动物的生命是必不可少的：它被存在于几乎所有动物细胞中的线粒体所利用，以便将食物转化为可用的能量。1931年诺贝尔生理学或医学奖的获得者奥托·沃伯格（Otto Warburg）揭示了这种转化是一种酶催化过程。在进化过程中，机体会形成了一个确保组织和细胞有足够氧气供应的机制。与颈部两侧的大血管相邻的颈动脉体中，有专门的细胞能够感知到血液中的氧含量。柯奈尔·海曼斯（Corneille Heymans）正是因为发现了颈动脉体利用血氧感应直接与大脑交流来控制我们的呼吸频率从而获得1938年诺贝尔生理学或医学奖。 

缺氧诱导因子（HIF）走入视线

 除了颈动脉体可以迅速适应低氧水平外，还有一些其他的基本生理适应。缺氧的一个关键生理反应是促红细胞生成素（EPO）水平的升高，这会导致生成的红细胞数量增加。早在二十世纪初人们就已经知道EPO调节红细胞生成的重要性，但是这一过程是如何被O₂控制的仍是一个谜。

Gregg L. Semenza研究了EPO基因，以及它是如何被不同的氧气水平调节的。他利用基因修饰的小鼠进行研究发现，位于EPO基因旁的特异性DNA片段可以调控对缺氧的反应。Peter J. Ratcliffe爵士也研究了EPO基因的氧依赖调节机制。两个研究小组发现氧感应机制不仅存在与正常产生EPO的肾细胞中，还存在于几乎所有组织中。这一重要的发现表明，这种机制在许多不同的细胞类型中都具有普遍性和功能性。

Gregg L. Semenza希望能够发现介导这一反应的细胞成分。在肝细胞的培养过程中，他发现了一种蛋白质复合物，该复合物以氧气浓度依赖的方式与特定的的DNA片段结合，他把这种复合物称为HIF。经过不懈的努力，Gregg L. Semenza终于在1995发表他的一些关键发现，包括鉴定出编码HIF的基因。HIF由两种不同的DNA结合蛋白组成（即转录因子），现在它们被称为HIF-1α和ARNT。那么该过程还包括哪些因子参与，其工作机制是什么？科学家们继续进行深入研究。

意料之外的合作伙伴——希佩尔·林道（VHL）综合征

 科学家们发现，当细胞中氧含量高时HIF-1α含量很低，而当氧含量低时HIF-1α的含量增加，因此它能够结合并调节EPO基因，以及其他带有HIF结合片段的基因（图1）。多个研究团队研究表明，HIF-1α通常应迅速降解，但在缺氧条件下会被保护免于降解。在正常的氧气浓度下，HIF-1α被一种被称为蛋白酶体的巨型蛋白质复合物所降解（蛋白酶体被2004届诺贝尔化学奖得主为阿龙·切哈诺沃、欧文·罗斯和阿夫拉姆·赫什科发现）。该降解是由于HIF-1α蛋白中加入了一种小肽——泛素，可以标记在蛋白酶体中需要被降解的蛋白质。但是，泛素如何在不同氧气浓度下与HIF-1α结合，仍然是一个核心问题。

图1 当氧含量低（缺氧）时，HIF-1α被保护不被降解，并在细胞核里聚集，其与ARNT相关联，并结合到缺氧调控基因的特定DNA序列（HRE）上（1）。在正常的氧气含量下，HIF-1α会被蛋白酶体迅速降解（2）。氧气通过为HIF-1α添加羟基（OH）调控这一降解过程（3）。随后VHL蛋白就可以识别HIF-1α并与其组成一个复合体，以氧气浓度依赖的方式介导HIF-1α的降解。

而该问题的解答竟然来自一个意料之外的发现。在Gregg L. Semenza和Peter J. Ratcliffe在探索EPO基因调控的同时，肿瘤学家William Kaelin，Jr.正在研究一种遗传性综合征——希佩尔·林道（VHL）综合征。在携带VHL突变家族中，这种遗传疾病会显著增加某些特定癌症的发生风险。Kaelin发现

VHL基因编码了一种可以预防癌症发生的蛋白，而缺乏功能性VHL基因的癌细胞，其低氧调控基因表达水平异常高，但当VHL基因被重新转入癌细胞时，低氧调控基因水平恢复正常。这一重要线索证明了VHL在某种程度上参与调节缺氧反应。一些研究小组找到了更多线索， VHL是一个复合物的一部分，该复合物利用泛素标记蛋白质，使其在蛋白酶体中降解。Peter J. Ratcliffe和他的研究小组随后得到一个关键的发现：VHL可与HIF-1α相互作用，在正常氧气浓度下，HIF-1α的降解需要VHL的参与。这一发现证明了VHL与HIF-1α的明确联系。 

氧气调节HIF的平衡

 至此许多问题都已被阐明，但仍有一个问题困扰着学界，解氧气浓度如何调节VHL和HIF-1α之间的相互作用。大家的目光聚焦到HIF-1α蛋白的一个特定部分，该蛋白已知对VHL依赖的降解至关重要，Kaelin和Ratcliffe都怀疑氧感应的关键在在蛋白质结构域的某个地方。在2001，两篇同时发表的文章指出，在正常氧水平下，HIF-1α的两个特定位置会添加羟基基团（图1）。这种被称为脯氨酰羟基化的蛋白质修饰使得VHL能够识别并结合HIF-1α，从而解释了在正常氧浓度下HIF-1α如何被快速降解，其关键就是氧敏感酶（即脯氨酰羟化酶）的帮助。Ratcliffe通过进一步研究发现，HIF-1α的基因激活功能受氧依赖性羟基化的调节。至此，本届诺贝尔奖获得者已经完全阐明氧感应机制，并展示了其每一环节的工作原理。

 氧感应影响生理学和病理学

 由于本届诺贝尔奖获得者的开创性工作，使我们对氧气水平如何调节基本生理过程有了更多的了解。氧感应能使细胞适应机体处于低氧水平的新陈代谢：例如剧烈运动时，肌肉就会受到氧感应调控。氧感应控制机体适应性过程还包括，刺激新血管的产生和红细胞的生成，参与免疫系统和许多其他生理功能的微调，以及在胎儿发育过程中控制正常血管的形成和胎盘发育。

氧感应是许多疾病的核心（图2）。例如，慢性肾衰患者常因epo表达减少而患严重贫血。正如前文所述，EPO是由肾脏中的细胞产生的，并且对于控制红细胞的生成至关重要。此外，氧调节的机制在癌症中具有重要的作用。在肿瘤中，氧调节的机制可以刺激血管的形成和重塑新陈代谢，进而促使癌细胞的大量增殖。目前，学术实验室和制药公司正不断努力研发通过激活或阻断氧传感机制来干扰不同疾病状态的药物。

图2 本次获奖的氧感应机制对生理学具有重要意义，我们的新陈代谢、免疫反应和适应运动的能力都离不开此机制。许多病理过程也受到氧感应机制的影响。目前，很多研究实验室和制药公司正不断努力研发通过抑制或激活氧调节机制来治疗贫血、癌症及其它疾病的药物。

主要出版物

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

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

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 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

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