低氧誘導因子：氧穩態的砝碼
----2019年諾貝爾生理學或醫學獎簡介

焦時宇 于寶琪 曲愛娟

(首都醫科大學基礎醫學院生理學與病理生理學系 重塑相關心血管疾病教育部重點實驗室，北京 100069)

北京時間10月7日17時30分，瑞典卡羅琳斯卡醫學院在斯德哥爾摩宣布，來自哈佛醫學院丹納·法伯癌癥研究所的William G. Kaelin、來自牛津大學和弗朗西斯·克里克研究所的Peter J.Ratcliffe，以及約翰霍普金斯醫學院的Gregg L. Semenza共享2019年的諾貝爾生理學或醫學獎，以表彰他們在理解細胞感知和適應氧氣變化機制中的貢獻。這一革命性的發現為我們了解氧如何影響細胞代謝和生理功能奠定了堅實的基礎，也為治療貧血、腫瘤等疾病提供了理論依據。

1 獲獎者簡介

1.1 William G. Kaelin

William G.Kaelin(圖1)，1957年11月23日出生于美國紐約。美國醫學家，哈佛大學醫學教授，致力于研究p53等抑癌基因在癌癥發展中的作用。1979年，Kaelin獲得杜克大學化學學士學位，1982年，獲得杜克大學醫學博士學位，畢業后赴約翰霍普金斯醫院實習，后轉至丹納·法伯癌癥研究所；1992年Kaelin組建了自己的實驗室，并于1998年成為霍華德·休斯醫學研究所研究員。

圖1 William G. Kaelin

1.2 Gregg L. Semenza

Gregg L.Semenza(圖2)，1956年生于美國紐約市皇后區，美國醫學家。1974年從斯里皮高中畢業后，Semenza進入哈佛大學學習遺傳學。之后到賓夕法尼亞大學進行研究生學習，在賓夕法尼亞兒童醫院做了博士研究。1986年赴約翰·霍普金斯大學做博士后研究，并成為該校教授。Semenza對生命系統如何利用、調節氧氣做出突破性的研究。他的團隊發現缺氧誘導因子-1(hypoxia inducible factor 1, HIF-1)所調控的基因能夠作用于線粒體呼吸，調節細胞對缺氧適應性反應。他于2008年成為美國國家科學院院士，2010年獲蓋爾德納國際獎，2016年獲拉斯克基礎醫學研究獎。

圖2 Gregg L. Semenza

1.3 Peter J.Ratcliffe

Peter J.Ratcliffe(圖3)，1953年生于英國蘭開夏，英國醫學家、分子生物學家。1972年赴劍橋大學和圣巴多羅買醫院學習醫學。1978年，Ratcliffe畢業后轉赴牛津。1989年建立了自己的實驗室后，Ratcliffe對缺氧時紅細胞生成機制進行了深入研究，發現缺氧時促紅細胞生成素(erythropoietin, EPO)表達明顯升高，調節機體對于缺氧的適應性反應。

圖3 Peter J.Ratcliffe

2 主要科學貢獻

包括人類在內，絕大多數的生物都離不開氧氣。在漫長的進化過程中，大多數生命體都通過復雜的呼吸和循環系統不斷攝入氧氣，保證器官與細胞得到足夠的氧供應。但人體對于氧的需求又存在著微妙的平衡。當氧氣缺乏時，人會窒息而死；當氧氣過量時，人體又會發生氧中毒。因此，生物體內也衍生出了諸多應對機制，來應對復雜的外部環境。譬如在氧匱乏的高原環境地區，人體內促紅細胞生成素水平就會上升，增加血液循環內紅細胞數量，進而提高氧氣供應來應對氧缺乏。

其實科學界早已意識到機體感知氧的重要性，早在1938年，諾貝爾生理學或醫學獎就頒給了比利時醫學家Corneille Heymans(圖4)，以表彰其“發現機體通過頸動脈體感知血氧變化并與大腦直接交流來控制呼吸頻率”。雖然科學家們不斷探索，層層解開氧氣之謎，但機體如何適應氧水平的變化一直是未知的。

圖4 Corneille Heymans

2.1 低氧誘導因子的發現

20世紀90年代，Semenza與Ratcliffe開始研究EPO是如何被氧調控的。Semenza通過轉基因技術將EPO轉入小鼠體內，讓小鼠體內生成更高水平的紅細胞。他發現，是位于EPO旁的一段特定的DNA序列介導了氧對于EPO的調節。與此同時Ratcliffe 也研究了不同氧濃度對于EPO的調節。雖然EPO通常是由腎臟細胞分泌，但是Semenza和Ratcliffe發現，通過基因編輯手段，將這段序列放到其他基因附近，這些基因就會被表達。說明不僅僅局限于腎臟細胞，幾乎全身的組織中都存在氧感知機制。這一發現提示，細胞對于低氧感知是普遍存在的，具有廣泛的生理意義，在機體的各個部位都發揮著重要作用。

探究是什么細胞成分介導了EPO的氧依賴性調控成為了研究組下一步的研究重點。在離體培養的肝細胞中，Semenza發現了一種蛋白質復合體，這種復合體可以與特定DNA片段結合，他將這種復合物命名為缺氧誘導因子[1]。隨后，Semenza開始了對HIF復合物的廣泛研究。1995年，Semenza發現，HIF-1α在暴露于1%(體積分數)O2的細胞中大量表達，并在細胞氧濃度恢復到20%時迅速衰減[2]。這一研究對于推動人們理解氧感知領域無疑是巨大的成功，但HIF如何調控氧穩態，以及HIF本身受到哪種分子的調節還是未知的。

2.2 低氧誘導因子介導的細胞內氧穩態調節

蛋白質在體內發揮作用需要多種因素的調節，包括磷酸化、泛素化和乙酰化等。其中，泛素-蛋白酶體途徑(ubiquitin-proteasome system, UPS)在維持細胞穩態中發揮著重要的作用。在常氧情況下，小肽泛素(ubiquitin)會結合HIF-1α蛋白，促進HIF1-α降解[3]。而泛素如何通過氧依賴方式結合HIF-1α仍然是一個亟待解決的問題。

與此同時，Kaelin正在研究一種罕見的常染色體顯性遺傳性疾病——希佩爾-林道綜合征(Von Hippel-Lindau disease，VHL綜合征)。這種遺傳性疾病導致遺傳性VHL突變家庭中某些癌癥的風險顯著增加，表現為血管母細胞瘤累及小腦、脊髓、腎臟以及視網膜[4]。他發現，當缺乏VHL蛋白時，葡萄糖轉運蛋白(glucose transporter-1, GLUT-1)、類胰島素生長因子結合蛋白3(insulin-like growth factor binding protein 3, IGFBP3)和血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)等受HIF-1α調節的基因表達升高[5]。表明VHL在一定程度上參與了對缺氧的調控。隨后，Ratcliffe于2000年在文章中表示，VHL可特異性結合HIF-1α，并且增強了HIF-1α泛素化，促進其氧依賴的降解途徑。這一關鍵的結果為VHL在此過程中的功能提供了明確的證據。至此，HIF-1α的氧依賴性降解途徑與VHL的關系終于被發現了。

科學，就是一個難題接著另一個難題。雖然科學家們又做了很多工作來說明VHL與HIF-1α的關系，但是氧含量如何調節VHL和HIF-1α之間的相互作用仍然是一片空白。2001年，Ratcliffe與Kaelin同時在Science上發表文章，表明在正常氧含量情況下，HIF-1α的特定位置被脯氨酸羥化酶(prolyl hydroxylase, PHD)修飾，經過羥基化修飾的HIF-1α可以被VHL識別，進而使HIF-1α通過泛素-蛋白酶體途徑降解。脯氨酸羥化酶又稱為氧感知酶，其活性依賴于氧濃度，當細胞處于低氧環境時，酶活性也降低，無法使HIF-1α羥基化，所以導致HIF-1α降解受阻，在細胞內累積，從而發揮生物學效應。這也解釋了正常氧含量可以調控HIF-1α快速降解(圖5)[7-8]。

2.3 HIF-1的結構

通過純化發現人HIF-1α全長含826個氨基酸, 第1～ 390位為最適DNA 結合的區域，其中第1～ 166位介導其與HIF-1β的異二聚化。羧基端第391～ 826位包含兩個拓樸相關結構域(topologically associating domains, TAD)， 氨基端的激活區為NAD( N- terminal activation domain) ，羧基端的激活區為CAD( C-terminal activation domain) ，二者被一個抑制結構域隔開，它們所含的氨基酸序列各家報道有所不同。此外，HIF- 1α還包含核定位信號(nuclear localization signal, NLS)序列，氨基端的NLS 位于第17～ 33 位，羧基端的NLS位于第718～ 721位。HIF-1α還具有氧依賴的降解結構域(oxygen-dependent degradation domain, ODDD)，ODDD位于第429～ 608位，是HIF-1降解所必需，對調節HIF- 1α活性起中心作用，去除此區域后，HIF-1α能自發地異二聚化，出現DNA結合和反式轉錄激活(圖6)[9-11]。

圖5 HIF-1α的氧依賴降解途徑

正常氧含量時，HIF-1α被脯氨酸羥化酶修飾，羥基化的HIF-1α與VHL蛋白結合，通過泛素蛋白酶體途徑迅速降解；氧含量較低時，脯氨酸羥化酶活性降低，失去羥基化修飾的HIF-1α不能被降解，在細胞內大量累積，進而轉運入核，與ARNT結合成異源二聚體，啟動下游靶基因轉錄。HIF-1：hypoxia inducible factor 1；VHL：von Hippel-Lindau.

圖6 HIF-1α結構[11]

bHLH:DNA 結合的區域；PAS：在缺氧條件下，與 β亞基發生異二聚化；ODDD：氧依賴降解結構域；N-TAD：N端TAD結構域；NLS:核定位信號；C-TAD：C端TDA結構域；HIF-1：hypoxia inducible factor 1；VHL：von Hippel-Lindau

3 科學意義

氧氣是絕大多數生命賴以生存的先決條件。各個物種依靠氧氣不斷進化、演變。HIF-1與低氧領域的發現是一項教科書般的研究成果，讓我們對細胞在不同氧環境下如何做出反應有了新的理解。HIF-1及其通路介導的細胞適應性低氧反應讓人類在低氧環境下維持新陳代謝成為可能。

自細胞感知低氧通路發現以來，越來越多的科學家投身到這個領域，不斷發掘低氧與疾病的關系。在腫瘤學研究中，HIF-1的大量表達可作為衡量腫瘤侵襲程度的一個標志[12]；在部分肺疾病，如低氧誘導的肺動脈高壓疾病模型中，可檢測到HIF-1的過表達，提示HIF-1在肺動脈高壓中發揮重要作用[13]；而在代謝性疾病如動脈粥樣硬化中，敲除HIF-1能夠有效地抑制疾病發展[14]。所以HIF-1也被認為是多種疾病的潛在治療手段，其抑制劑在動物和臨床實驗中都取得了令人欣喜的成果。

《中藏經》中講到，“氣為血之帥，血為氣之母。氣能行血、攝血,故為血之帥,血能化氣,故為氣母”。這其中就涵蓋不止氧感知通路，而且還有二氧化碳感知、一氧化氮感知等，需要我們不斷探索，不斷挖掘生命科學的秘密。讓我們在恭喜3位科學家共享諾獎的同時，不要停下前進的腳步，向生命科學的未知領域大步前進。