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2019年諾貝爾生理學或醫學獎揭曉

來源:中新網 閱讀數:417 時間:2019-10-08 13:17:05

中新網10月7日電 據諾貝爾獎官網消息,瑞典斯德哥爾摩當地時間7日中午11時30分(北京時間17時30分),2019年諾貝爾生理學或醫學獎揭曉,授予William G. Kaelin Jr, Sir Peter J. Ratcliffe和 Gregg L. Semenza。"因為他們發現了細胞如何感知和適應氧氣供應"。動物需要氧氣將食物轉化為有用的能量。


找到調控基因

絕大多數的動物(包括人類)都離不開氧氣。但動物對氧氣的需求必須達到一個微妙的平衡——缺乏氧氣會窒息而死;氧氣過多導致中毒。生物也演化出了諸多精妙的機制,來控制氧氣的平衡。譬如對于深埋于組織深處的細胞來說,紅細胞能為它們送上氧氣。而一旦氧氣含量過低,機體就會促進紅細胞的生成,保持氧氣的濃度在合理的范圍內。

上世紀90年代時,Ratcliffe和Semenza教授想要理解這一現象背后的機制。他們發現,一段特殊的DNA序列看似和缺氧引起的基因激活有關。如果把這段DNA序列安插在其他基因附近,那么在低氧的環境下,這些基因也能被誘導激活。也就是說,這段DNA序列其實起到了低氧環境下的調控作用。后續研究也表明,一旦這段序列出現突變,生物體就對低氧環境無所適從。

后續研究發現,這段序列在細胞內調控了一種叫做HIF-1的蛋白質,而這種蛋白由HIF-1α與HIF-1β組合而成。在缺氧的環境下,HIF-1能夠結合并激活許多哺乳動物細胞內的特定基因。有趣的是,這些基因都不負責生產促紅細胞生成素。這些結果表明,缺氧引起的紅細胞生成,背后有著更為復雜的原因。而在人們后續闡明的調控通路中,HIF-1扮演了核心的地位,調控了包括VEGF(能促進血管生成)的諸多關鍵基因。


降解HIF-1蛋白

作為一種關鍵的調控蛋白,在缺氧環境下,HIF-1會啟動基因表達。而在富氧環境中,這一蛋白又會被降解。這背后有著怎樣的機制呢?誰也沒有想到,答案竟然藏在一個看似完全無關的方向上。

讓我們把話題轉向William G. Kaelin教授。當時,這名科學家正在研究一種叫做希佩爾-林道綜合征(VHL disease)的癌癥綜合征。他發現在典型的VHL腫瘤里,經常會有異常形成的新生血管。此外,他也發現了較多的VEGF與促紅細胞生成素。因此他自然而然地想到,缺氧通路是否在這種疾病里有著某種作用。

1996年,對于患者細胞的分析表明,一些原本應當在富氧環境下消失的基因,卻意外地有著大量表達。而添加具有正常功能的VHL蛋白,則能逆轉這一現象。進一步的研究表明,VHL蛋白的特殊能力,來源于與之結合的一些特定蛋白,這包括了某種泛素連接酶。在這種酶的作用下,不被細胞所需要的蛋白會被打上“丟棄”的標記,并被送往蛋白酶體中降解。

泛素化降解通路(圖片來源:Rogerdodd [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)], via Wikimedia Commons)


有趣的是,人們馬上發現在富氧環境下,HIF-1的組成部分HIF-1α,正是通過這一途徑被降解。1999年,Ratcliffe教授團隊又發現,HIF-1α的降解需要VHL蛋白參與。Kaelin教授也隨之證明,VHL與HIF-1α會直接結合。再后來,諸多研究人員逐漸還原了整個過程——原來在富氧的環境下,VHL會結合HIF-1α,并指導后者的泛素化降解。


精妙的調控

為啥HIF-1α只會在富氧環境下被降解呢?研究人員對HIF-1α與VHL的結合區域做了進一步的分析,并發現倘若移除一個脯氨酸,就會抑制其泛素化。這正是HIF-1α的調控關鍵!在富氧環境下,氧原子會和脯氨酸的一個氫原子結合,形成羥基。而這一步反應需要脯氨酰羥化酶的參與。

由于這步反應需要氧原子的參與,我們很容易理解,為何HIF-1α不會在缺氧環境下被降解。

生物體感知氧氣的通路示意圖(圖片來源:參考資料[2],Credit:Cassio Lynm)


揭示生物氧氣感知通路,不僅在基礎科學上有其價值,還有望帶來創新的療法。比如倘若能通過調控HIF-1通路,促進紅細胞的生成,就有望治療貧血。而干擾HIF-1的降解,則能促進血管生成,治療循環不良。

另一方面,由于腫瘤的生成離不開新生血管,如果我們能降解HIF-1α或相關蛋白(如HIF-2α),就有望對抗惡性腫瘤。目前,已有類似的療法進入了早期臨床試驗階段。

總結來說,這三名科學家的發現在基礎研究和臨床應用上,都有著重要價值。對于生物感知氧氣通路的精妙揭示,更是彰顯了人類在挑戰未知上的智慧。我們再次祝賀這三名科學家。能夠獲得諾貝爾生理學或醫學獎,是對他們所做成就的最佳認可!

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