卡罗林斯卡学院诺贝尔奖

今天决定颁奖

2019年诺贝尔生理学或医学奖

共同

小威廉·G·凯林，彼得·J·拉特克利夫爵士和格雷格·塞门扎

研究发现细胞如何感应和适应氧气供应

摘要

动物需要氧气才能将食物转化为有用的能量。氧气的根本重要性已被了解了多个世纪，但长期以来人们一直不清楚细胞如何适应氧气水平的变化。

小威廉·凯林（William G. Kaelin），彼得·J·拉特克利夫爵士（Sir Peter J. Ratcliffe）和格雷格·L·塞门扎（Gregg L. Semenza）发现了细胞如何感知并适应不断变化的氧气供应。他们发现了分子机制，可以调节基因的活性以应对不同水平的氧气。

今年的诺贝尔奖获得者的开创性发现揭示了生命中最重要的适应过程之一的机制。他们为我们了解氧水平如何影响细胞代谢和生理功能奠定了基础。他们的发现也为抗击贫血，癌症和许多其他疾病的新策略铺平了道路。

中心氧气

氧气的化学式为O 2，约占地球大气的五分之一。氧气对动物生命至关重要：几乎所有动物细胞中的线粒体都会利用氧气，将食物转化为有用的能量。奥托·沃伯格（Otto Warburg）是1931年诺贝尔生理学或医学奖的获得者，他透露这种转换是酶促过程。

在进化过程中，发展了确保向组织和细胞充分供氧的机制。颈动脉体与颈部两侧的大血管相邻，包含能感应血液中氧气水平的专门细胞。1938年授予Corneille Heymans的诺贝尔生理学或医学奖获得了发现，这些发现显示了通过颈动脉体进行血氧传感如何通过与大脑直接通信来控制呼吸频率。

HIF进入现场

除了对低氧水平（低氧）的颈动脉身体控制的快速适应之外，还有其他基本的生理适应性。对缺氧的关键生理反应是促红细胞生成素（EPO）激素水平的升高，这会导致红血球产量的增加（促红细胞生成）。激素控制红细胞生成的重要性在20世纪初就已为人所知，但是O 2本身如何控制该过程仍然是一个谜。

Gregg Semenza研究了EPO基因，以及如何通过改变氧气含量来调节它。通过使用基因修饰的小鼠，显示了位于EPO基因旁边的特定DNA片段介导了对缺氧的反应。彼得·拉特克利夫爵士（Sir Peter Ratcliffe）先生还研究了EPO基因的O 2依赖性调节，两个研究小组都发现，几乎所有组织中都存在氧传感机制，不仅存在于正常产生EPO的肾细胞中。这些重要发现表明，该机制在许多不同的细胞类型中是通用的和起作用的。

Semenza希望确定介导这种反应的细胞成分。在培养的肝细胞中，他发现了一种蛋白质复合物，该复合物以一种氧依赖性的方式与已鉴定的DNA片段结合。他称这种复合物为缺氧诱导因子（HIF）。开始了广泛的纯化HIF复合物的努力，1995年，Semenza能够发表他的一些关键发现，包括鉴定编码HIF的基因。发现HIF由两种不同的DNA结合蛋白组成，即所谓的转录因子，现在称为HIF-1α和ARNT。现在，研究人员可以开始解决这个难题，让他们了解所涉及的其他组件以及机械的工作方式。

VHL：意想不到的合作伙伴

当氧气水平很高时，细胞中几乎不含HIF-1α。但是，当氧含量低时，HIF-1α的量增加，因此它可以结合并调节EPO基因以及其他具有HIF结合DNA片段的基因（图1）。几个研究小组表明，通常迅速降解的HIF-1α在缺氧条件下可以防止降解。在正常的氧气水平下，一种被称为蛋白酶体的细胞机器降解了HIF-1α ，该机器被Aaron Ciechanover，Avram Hershko和Irwin Rose授予2004年诺贝尔化学奖。在这种条件下，一种小肽泛素，被添加到HIF-1α蛋白。泛素用作在蛋白酶体中降解的蛋白质的标签。泛素如何以氧依赖性方式结合HIF-1α仍然是一个中心问题。

答案来自一个意想不到的方向。大约在Semenza和Ratcliffe探索EPO基因的调控的同时，癌症研究员William Kaelin，Jr.正在研究一种遗传综合征，即von Hippel-Lindau病（VHL病）。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。Kaelin表明，VHL基因编码一种可预防癌症发作的蛋白质。Kaelin还显示缺乏功能性VHL基因的癌细胞会异常高水平表达低氧调节基因。但是当VHL基因重新引入癌细胞后，恢复了正常水平。这是一个重要的线索，表明VHL以某种方式参与了对缺氧反应的控制。来自几个研究小组的其他线索表明，VHL是复合物的一部分，该复合物用泛素标记蛋白质，将其标记为在蛋白酶体中降解。然后，拉特克利夫（Ratcliffe）和他的研究小组做出了一个关键发现：证明VHL可以与HIF-1α物理相互作用，并且是正常氧水平下降解所必需的。这最终将VHL连接到HIF-1α。

氧气可以平衡

许多碎片落入原位，但仍然缺乏对O 2水平如何调节VHL与HIF-1α之间相互作用的理解。搜索集中在已知对VHL依赖的降解很重要的HIF-1α蛋白的特定部分上，Kaelin和Ratcliffe都怀疑O 2传感的关键位于该蛋白结构域的某个位置。2001年，在两篇同时发表的文章中，他们表明，在正常的氧气水平下，羟基会在HIF-1α的两个特定位置处添加（图1）。这种蛋白质修饰称为脯氨酰羟化可以使VHL识别并结合到HIF-1α，从而解释了正常的氧水平如何通过对氧敏感的酶（所谓的脯氨酰羟化酶）来控制HIF-1α的快速降解。Ratcliffe等人的进一步研究确定了负责的脯氨酰羟化酶。还表明，HIF-1α的基因激活功能受氧依赖性羟基化作用的调节。诺贝尔奖获得者现在已经阐明了氧气感应机制，并展示了其工作原理。

氧气影响生理和病理

由于这些诺贝尔奖获得者的开创性工作，我们对不同的氧气水平如何调节基本的生理过程了解更多。氧气感应使细胞能够使其新陈代谢适应低氧水平：例如，在剧烈运动期间在我们的肌肉中。由氧感测控制的适应性过程的其他示例包括新血管的产生和红细胞的产生。我们的免疫系统和许多其他生理功能也可以通过O 2感应机制进行微调。甚至在胎儿发育过程中，对于控制正常的血管形成和胎盘发育，氧气传感已被证明是必不可少的。

氧感测是许多疾病的核心（图2）。例如，患有慢性肾功能衰竭的患者通常由于EPO表达降低而患有严重的贫血。如上所述，EPO由肾脏中的细胞产生，对于控制红细胞的形成至关重要。此外，氧调节机制在癌症中具有重要作用。在肿瘤中，利用氧气调节机制刺激血管形成并重塑新陈代谢，从而使癌细胞有效增殖。在学术实验室和制药公司中，正在进行的艰巨努力现在集中在开发可以通过激活或阻断氧气感应机制来干扰不同疾病状态的药物。

重点出版物

Semenza，GL，Nejfelt，MK，Chi，SM＆Antonarakis，SE（1991）。缺氧诱导的核因子与位于人类促红细胞生成素基因3'的增强子结合。国家科学院院刊USA，88，5680-5684

Wang，GL，Jiang，B.-H.，Rue，EA＆Semenza，GL（1995）。缺氧诱导因子1是受细胞O 2张力调节的基本螺旋-环-螺旋-PAS异二聚体。  美国国家科学院院刊，92，5510-5514

麦克斯韦，PH，威森纳，MS，Chang，G.-W.，克利福德，SC，沃克斯，EC，科克曼，ME，Wykoff，CC，Pugh，CW，Maher，ER＆Ratcliffe，PJ（1999）。肿瘤抑制蛋白VHL靶向缺氧诱导因子，用于氧依赖性蛋白水解。自然，399，271-275

米切亚（Mircea，I.），近藤（Kondo），杨洪（H.），金（W.），瓦里安多（Valiando，J.），哦，M。，萨利奇（Salic），A。 ）HIFa通过脯氨酸羟化作用靶向VHL介导的破坏：对O 2感测的影响。科学，292，464-468

Jakkola，P.，Mole，DR，Tian，Y.-M.，Wilson，MI，Gielbert，J.，Gaskell，SJ，von Kriegsheim，A.，Heberstreit，HF，Mukherji，M.，Schofield，CJ，Maxwell ，PH，Pugh，CW和Ratcliffe，PJ（2001）。通过O 2调节的脯氨酰羟基将HIF-α靶向von Hippel-Lindau泛素化复合物。科学，292，468-472

小威廉·G·凯林（William G.Kaelin，Jr.）于1957年出生于纽约。他获得了达勒姆杜克大学的医学博士学位。他在巴尔的摩的约翰霍普金斯大学和波士顿的达纳-法伯癌症研究所进行了内科和肿瘤学的专业培训。他在达纳-法伯癌症研究所建立了自己的研究实验室，并于2002年成为哈佛医学院的正式教授。自1998年以来，他一直是霍华德·休斯医学院的研究人员。

Peter J. Ratcliffe爵士于1954年出生于英国兰开夏郡。他在剑桥大学的冈维尔大学和凯斯学院学习医学，并在牛津大学进行了肾脏病学专业培训。他在牛津大学成立了一个独立的研究小组，并于1996年成为正式教授。他是伦敦弗朗西斯·克里克研究所的临床研究主任，牛津大学的Target Discovery研究所所长和路德维希癌症研究所的成员。

Gregg L. Semenza于1956年出生于纽约。他从波士顿哈佛大学获得生物学学士学位。他于1984年获得宾夕法尼亚大学费城医学院的医学博士学位，并在达勒姆杜克大学接受了儿科专家的培训。他在巴尔的摩的约翰·霍普金斯大学（Johns Hopkins University）进行了博士后培训，并在那里建立了一个独立的研究小组。他于1999年成为约翰·霍普金斯大学的正式教授，自2003年以来担任约翰·霍普金斯细胞工程研究所血管研究计划的主任。

插图：©诺贝尔生理学或医学委员会。插图画家：MattiasKarlén

由Karolinska研究所的50名教授组成的诺贝尔大会授予诺贝尔生理学或医学奖。其诺贝尔委员会对提名进行评估。自1901年以来，诺贝尔奖一直授予那些为人类造福的最重要发现的科学家。

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