生命可以承受低氧

張田勘

2019年諾貝爾生理學或醫學獎授予了美國人威廉·凱林、英國人彼得·拉特克利夫和美國人格雷格·塞門扎，以表彰他們發現了細胞如何感知氧氣和適應氧氣供應。

拉斯克獎被認為是諾貝爾獎的風向標。2016年，拉斯克基礎醫學研究獎就授予了“人與動物對氧氣含量的細胞感知機制”這一研究結果，獲獎者正是上述三人。

低氧條件下的“開關”

人體細胞以血液中的葡萄糖、脂肪酸和蛋白質（氨基酸）為原料，可以生產出三磷酸腺苷（ATP），以供能量之需。細胞產生ATP主要有兩種方式：需要氧氣的氧化磷酸化和不需氧氣的糖酵解。

不需氧氣的糖酵解產生ATP的效率極為低下，難以長時間為細胞供能，因此需要氧氣的氧化磷酸化就成為細胞最基本的能量代謝模式。人體的主要器官，如大腦、心臟和肌肉就主要依靠細胞有氧代謝產生能量。

細胞的有氧代謝首先需要細胞感受和適應氧氣，而這個信號系統直到20世紀末人們才開始逐步了解。這一機制的主要源頭在于促紅細胞生成素（EPO，簡稱促紅素）蛋白。促紅素是血液中的激素，胚胎期在肝臟產生，成年后轉移到腎臟產生。血液中的促紅素能作用于骨髓中的紅細胞祖細胞，刺激這種細胞產生更多紅細胞。尿毒癥患者腎臟合成促紅素的能力下降，就會發生嚴重貧血，只能通過輸血治療。

當機體氧氣缺乏時，腎臟會分泌促紅素刺激骨髓生成新的紅細胞，生長出新的血管，以此提高血液運輸氧氣的能力。塞門扎、凱林和拉特克利夫共同發現了在低氧條件下的這種機制，源頭在于一個“開關”，即低氧誘導因子（HIF）。

HIF可以控制促紅素的表達水平，如果將HIF的DNA片段插入某一基因旁邊，該基因會被低氧條件誘導表達。1995年，塞門扎和博士后王廣良純化了HIF-1，并發現其包含兩個蛋白（二聚體蛋白）：HIF-1α和HIF-1β，并證實了HIF-1是通過紅細胞和血管新生介導了機體在低氧條件下的適應性反應。

HIF是一種轉錄因子，由于在低氧條件下能發揮轉錄促紅素基因的作用，因此被命名為低氧誘導因子。隨著研究的深入，今天研究人員發現人體中共有3種HIF-α（HIF-1α、HIF-2α和HIF-3α）以及2種HIF-β（HIF-1β和HIF-2β），它們采用不同組合可形成多種異源二聚體，從而使低氧應答機制更加多樣化。

找到和發現了低氧誘導因子誘導蛋白，還得知道它的結構，才有可能了解其性質和作用原理。塞門扎等人結合其他研究人員的研究，進一步認識到，低氧誘導因子中的HIF-1β就是之前另一位研究人員發現并被命名的芳香烴受體核轉運子ARNT，不過HIF-1α沒有在過去的基因庫中發現類似的結構。隨后塞門扎等人利用低氧細胞互補DNA（cDNA，在體外經過逆轉錄后與RNA互補的DNA鏈）文庫，克隆了HIF-1α的cDNA。

由此，低氧誘導因子異源二聚體蛋白的構成得到了充分認知，對后續的性質和功能研究奠定了基礎。

低氧誘導因子如何“感受”低氧

塞門扎等人在1996年又有了新的發現，HIF-1α也能誘導血管內皮細胞生成因子（VEGF）的基因表達，后者是負責血管生成的分子。而且，只有HIF-1α蛋白能感受低氧狀態，HIF-1β與氧無關。

這個發現的重要性在于，血管生成和紅細胞生成都與缺氧反應有關，分別代表了兩個缺氧反應的重要類型，因此，HIF-1可能是細胞感受低氧的中樞，即中心分子。當然，這只是一個假說，需要研究來證實。

塞門扎等人敲除轉基因小鼠HIF-1，以觀察這一基因的作用。結果發現小鼠在血管發育和氧依賴基因表達上存在嚴重缺陷，子宮內發育期就發生早死。這說明HIF-1基因缺失，會讓生物無法正確感知和利用氧氣，從而損害器官，甚至造成死亡。

此后，拉特克利夫和凱林發現了HIF-1的降解機制。HIF-1的水平受氧氣含量影響，在高氧狀態下，HIF-1被修飾，從而被降解；在低氧狀態下，HIF-1不被修飾，不會被降解。在低氧條件下不被降解的HIF-1能通過轉錄調節一些與低氧相關的基因表達，最典型的就是促紅素基因表達，使得促紅素生成增加，從而誘導血管內皮細胞生成因子增加，再促進紅細胞生成和血管生成。

早在1993年，拉特克利夫團隊就發現，生物體的許多細胞都有感受低氧的能力，并認定HIF-1是一個感受低氧的共同分子。1994年，拉特克利夫又發現，糖酵解酶也受到低氧反應的調節，這進一步證明低氧誘導因子能廣泛調節多種細胞對低氧的反應。事實上，糖酵解也是細胞對低氧的反應之一，但是，這種反應是快速低氧反應，而紅細胞生成和血管生成屬于長期低氧反應。因此，從時間的長短上看，低氧誘導因子既負責調節長期低氧反應，也能調節急性低氧反應。這正是低氧誘導因子是一個感受低氧的共同分子的有力證據。

這個發現也打破了過去一直存在的一種理論，即只有少數細胞才能感受氧氣，尤其是低氧，例如頸動脈體和主動脈體中存在感受血液中氧氣濃度的化學感受器，只要血液中的氧氣含量不足，就會通過神經反射調節呼吸頻率和血壓，以保障身體的氧氣供應。

“死亡標簽”的作用

不同于塞門扎和拉特克利夫，凱林是從治療病人中發現低氧反應對疾病治療的作用的。在美國約翰·霍普金斯醫院當臨床實習醫生時，凱林就知道某些腎臟腫瘤能促進血管形成，同時一些腫瘤細胞會失去一種抑癌基因VHL，但是并不知道其中原因。

凱林是從治療和觀察馮·希佩爾-林道疾病（VHL）獲得啟示的。德國眼科醫生馮·希佩爾于1904年發現一種眼血管瘤，瑞典病理學家林道于1927年也發現了一種小腦和脊髓血管瘤，實際上兩者是同一種疾病，因此后來統一命名為VHL。

VHL是一種遺傳病，特點是，病人表現為血管瘤、血管母細胞瘤和腎癌疾病時，體內同時伴有大量的VEGF和EPO，這提示，VHL與低氧有某種關聯。由于凱林團隊建有實驗室，可以同時在臨床和實驗室觀察和研究疾病。

1996年，凱林團隊對VHL突變細胞和VHL正常細胞進行比較，發現突變細胞即使氧含量正常也會誘導VEGF等低氧基因大量表達，但是正常細胞和糾正VHL突變后，VEGF等低氧基因就不會表達。深層的原因是，VHL突變使得正常情況不應存在的HIF-1α保留下來，說明VHL能控制HIF-1α蛋白的生存或死亡。

在凱林團隊對VHL和HIF-1α之間的關系感興趣并進入深入研究之時，20世紀80年代末，拉特克利夫也開始關注EPO表達。在VHL和HIF-1α先后被發現之后，拉特克利夫也對二者進行研究，結果發現VHL蛋白是一種泛素連接酶，其功能是為HIF-1α添加泛素。

有意思的是，泛素被稱為“死亡標簽”（這一發現獲得2004年諾貝爾化學獎），也被稱為垃圾分類標簽。添加了泛素的HIF-1α會被降解，反之則不會降解而保留下來。由于VHL突變后喪失了把泛素添加到HIF-1α身上的能力，使得HIF-1α也保留了下來，并發揮作用。

不過，到了2001年，凱林團隊和拉特克利夫團隊才同時發現HIF-1α感知氧氣并產生穩定性的機制。這就是一類羥化酶，它們可在氧參與情況下將HIF-1α進行羥基化修飾，羥基化的HIF-1α被VHL進一步泛素化修飾，最終被降解。

三位科學家對細胞感知氧氣和適應氧氣過程發現的貢獻可以總結為：塞門扎發現，低氧時，HIF-1α不會被降解，從而促進低氧靶基因表達，增加細胞適應性；凱林和拉特克利夫發現，氧充足時，HIF-α會被羥基化修飾，隨后被VHL泛素化而降解，無法誘導低氧基因表達。

從機理研究到藥物開發

細胞感知氧氣的機理是一個基礎研究結果，它在臨床治療疾病，或者研發藥物和疫苗上究竟有什么用呢？發現細胞感知氧氣的機理可以有多方面的作用，在腫瘤防治上就已經體現出來。

凱林發現，腎癌患者的VHL基因往往會出現突變，這個突變又與細胞感受低氧有關，結果可導致人體內產生過量的血管內皮細胞生長因子（VEGF），它會促進血管生成，從而有利于癌細胞生長。

現在，一些藥企已經在利用這一原理，針對VEGF這個靶點研發新藥，而且一些新藥已經在臨床上使用。美國食品與藥物監督管理局（FDA）也已批準了多種用于治療腎癌的VEGF抑制劑。

這類抗癌藥物主要是作用于血管內皮細胞生長因子和血管內皮細胞生長因子受體（VEGF-VEGFRs），包括兩類：一類是單克隆抗體，另一類是小分子VEGFRs酪氨酸激酶抑制劑。

單克隆抗體類藥物包括：貝伐珠單抗（Bevacizumab）、雷莫盧單抗（Ramucirumab）等。而VEGFRs酪氨酸激酶抑制劑類藥物包括：索拉非尼（多吉美）、阿西替尼（英立達）、阿帕替尼（艾坦）、舒尼替尼（索坦）、瑞格非尼（拜萬戈）、凡德他尼、帕唑帕尼等。

腎癌是低氧效應最明顯的一種腫瘤，VHL突變在腎癌中發生比例高達70%左右，其他腫瘤發生比例較低甚至缺乏。貝伐珠單抗是最早開發的VEGF抑制劑，可以抑制血管形成以降低癌細胞營養供應，而最近開發的特異性HIF-2α拮抗劑PT2399，在細胞、動物和臨床實驗中顯示出較好的治療效果。

當然，隨著研究的深入，通過細胞感知氧氣的機理，還可以發現更多的治療疾病的方法和研發更多的藥物，甚至疫苗。

【責任編輯】龐？云

獲獎者簡介

威廉·凱林1957年出生于紐約，獲得杜倫的杜克大學的醫學博士學位，并在巴爾的摩的約翰·霍普金斯大學和波士頓的達納-法伯癌癥研究所接受內科和腫瘤學的專科培訓。他在達納-法伯癌癥研究所建立了自己的研究實驗室，并于2002年成為哈佛醫學院的教授。自1998年起，他擔任霍華德·休斯醫學研究所的研究員。

彼得·拉特克利夫1954年出生于英國蘭開夏郡，在劍橋大學的岡維爾和凱斯學院學習醫學，并在牛津大學接受了腎病學的專業培訓。他在牛津大學建立了一個獨立的研究小組，并于1996年成為教授。現在他是倫敦弗朗西斯·克里克研究所臨床研究主任，牛津塔吉特發現研究所主任，以及路德維希癌癥研究所成員。

格雷格·塞門扎1956年出生于紐約，在哈佛大學獲得生物學學士學位。1984年，他獲得賓夕法尼亞大學醫學院的醫學博士學位，并在杜倫的杜克大學接受了兒科專家的培訓。他在巴爾的摩的約翰·霍普金斯大學做博士后培訓，并在那里建立了一個獨立的研究小組。1999年，他成為約翰·霍普金斯大學的全職教授，并從2003年起，擔任約翰霍·普金斯大學細胞工程研究所血管研究項目主任。