深度解读诺奖：他们，揭开了生命、细胞与氧气的秘密

环球科学 2019-10-07

　　今天，2019年诺贝尔生理学或医学奖授予哈佛大学的威廉·“比尔”·凯林（William "Bill" G. Kaelin）、牛津大学的彼得·拉特克利夫（Peter J. Ratcliffe）和约翰·霍普金斯医学院的格雷格·L·西门扎（Gregg L.Semenza），以表彰他们“在理解细胞感知、适应氧气变化机制中的贡献”。下面，我们将为读者介绍3位获奖科学家在氧气感知机制中的工作。

　　激活红细胞生成素

　　氧气由红细胞携带。如果红细胞不足，氧气传输会出现问题，进而导致细胞死亡。因此，动物演化出了一种能检测缺氧状态，并刺激红细胞生成的系统。身体在应对低氧状态时，会由肾脏分泌一种关键的激素：红细胞生成素（erythropoietin，EPO），保证身体红细胞产量提升，从而维持氧气供应。早在20世纪初期，科学家就已经知道了EPO，但其中的机制并不清楚。

　　已故的美国生物化学家尤金·戈德瓦瑟（Eugene Goldwasser）耗时15年，于1977年首次实现了EPO的提纯。掌握了EPO的序列后，科学家在6个月内克隆出编码EPO的基因。问题来了：氧气不足时，肾脏细胞是如何激活EPO的？

　　上世纪90年代初期，西门扎开始探究，EPO基因是如何在不同氧气浓度下进行调控的。他猜测，EPO基因与其他基因的作用机制相似，一定存在激活它的蛋白，这种蛋白与名为增强子的DNA片段结合。

　　西门扎发现了相应的增强子，并以此为诱饵，找到了转录因子：低氧诱导因子（HIF）。西门扎发现，当细胞缺氧时，HIF浓度会上升，进入细胞核并激活EPO基因。此后，西门扎对HIF进行了提纯，明确了HIF的蛋白结构：HIF主要由两种结合不同DNA位点的蛋白组成，分别为HIF-1α和ARNT。

　　一旦氧气浓度下降，HIF-1α的含量开始上升，这样大量的HIF-1α就能结合到EPO基因附近来调节EPO的表达。并且，HIF-1α在正常情况下会迅速降解，以保证正氧气供应不会紊乱；但在低氧状态下，HIF-1α则不会迅速降解。

　　这一降解过程受到体内泛素化调控，也就是当体内需要降解HIF-1α时，会往其蛋白末端添加一个短的泛素多肽。这种标签能被蛋白水解酶识别，最终进行分解。而这种泛素标签的添加过程，同样受到氧气浓度影响。问题在于，泛素是如何在受氧气浓度影响的情况下，与HIF-1α结合的。

　　与此同时，拉特克利夫同样围绕EPO基因展开了广泛研究，他发现除了肾脏细胞中的EPO，几乎身体的所有组织也都存在氧气感应机制。

　　从左至右依次为凯林、拉特克利夫与西门扎（图片来源：拉斯克奖官网）

　　遗传病中找到答案

　　在西门扎和拉特克利夫研究EPO基因与氧气感知时，另一边，凯林在研究一种遗传疾病——冯·希佩尔-林道（VHL）综合征时，意外找到了答案。这种疾病会由于遗传VHL突变基因，让家族成员更容易患上特定的癌症。在持续的研究中，凯林发现，癌细胞中VHL会突变，不能正常表达。与此同时，调节低氧状态的基因表达量异常得高。而一旦向癌细胞中引入VHL基因，这些基因又能恢复正常。这意味着VHL也与氧气感知有很大的联系。

　　最终凯林发现，VHL就是泛素化标签的一部分。这时，他的研究和上面两位科学家的发现联系到了一起。VHL作为泛素化标签链的一部分，可以结合到HIF-1α上，从而引起其水解。因此正常氧浓度下，VHL是必需的。

　　接下来的问题在于，氧气浓度是如何调节VHL和HIF-1α的相互作用的。2001年，两篇同时发表的文章指出，当氧气浓度正常时，HIF-1α的两个特定位置有羟基加入。这种蛋白质修饰被称作脯氨酰羟化，使得VHL能识别HIF-1α并与之结合。该过程解释了当氧气浓度正常时，HIF-1α是如何在脯胺酸羟化酶的帮助下快速降解的。