生命可以承受低氧

张田勘

2019年诺贝尔生理学或医学奖授予了美国人威廉·凯林、英国人彼得·拉特克利夫和美国人格雷格·塞门扎，以表彰他们发现了细胞如何感知氧气和适应氧气供应。

拉斯克奖被认为是诺贝尔奖的风向标。2016年，拉斯克基础医学研究奖就授予了“人与动物对氧气含量的细胞感知机制”这一研究结果，获奖者正是上述三人。

低氧条件下的“开关”

人体细胞以血液中的葡萄糖、脂肪酸和蛋白质（氨基酸）为原料，可以生产出三磷酸腺苷（ATP），以供能量之需。细胞产生ATP主要有两种方式：需要氧气的氧化磷酸化和不需氧气的糖酵解。

不需氧气的糖酵解产生ATP的效率极为低下，难以长时间为细胞供能，因此需要氧气的氧化磷酸化就成为细胞最基本的能量代谢模式。人体的主要器官，如大脑、心脏和肌肉就主要依靠细胞有氧代谢产生能量。

细胞的有氧代谢首先需要细胞感受和适应氧气，而这个信号系统直到20世纪末人们才开始逐步了解。这一机制的主要源头在于促红细胞生成素（EPO，简称促红素）蛋白。促红素是血液中的激素，胚胎期在肝脏产生，成年后转移到肾脏产生。血液中的促红素能作用于骨髓中的红细胞祖细胞，刺激这种细胞产生更多红细胞。尿毒症患者肾脏合成促红素的能力下降，就会发生严重贫血，只能通过输血治疗。

当机体氧气缺乏时，肾脏会分泌促红素刺激骨髓生成新的红细胞，生长出新的血管，以此提高血液运输氧气的能力。塞门扎、凯林和拉特克利夫共同发现了在低氧条件下的这种机制，源头在于一个“开关”，即低氧诱导因子（HIF）。

HIF可以控制促红素的表达水平，如果将HIF的DNA片段插入某一基因旁边，该基因会被低氧条件诱导表达。1995年，塞门扎和博士后王广良纯化了HIF-1，并发现其包含两个蛋白（二聚体蛋白）：HIF-1α和HIF-1β，并证实了HIF-1是通过红细胞和血管新生介导了机体在低氧条件下的适应性反应。

HIF是一种转录因子，由于在低氧条件下能发挥转录促红素基因的作用，因此被命名为低氧诱导因子。随着研究的深入，今天研究人员发现人体中共有3种HIF-α（HIF-1α、HIF-2α和HIF-3α）以及2种HIF-β（HIF-1β和HIF-2β），它们采用不同组合可形成多种异源二聚体，从而使低氧应答机制更加多样化。

找到和发现了低氧诱导因子诱导蛋白，还得知道它的结构，才有可能了解其性质和作用原理。塞门扎等人结合其他研究人员的研究，进一步认识到，低氧诱导因子中的HIF-1β就是之前另一位研究人员发现并被命名的芳香烴受体核转运子ARNT，不过HIF-1α没有在过去的基因库中发现类似的结构。随后塞门扎等人利用低氧细胞互补DNA（cDNA，在体外经过逆转录后与RNA互补的DNA链）文库，克隆了HIF-1α的cDNA。

由此，低氧诱导因子异源二聚体蛋白的构成得到了充分认知，对后续的性质和功能研究奠定了基础。

低氧诱导因子如何“感受”低氧

塞门扎等人在1996年又有了新的发现，HIF-1α也能诱导血管内皮细胞生成因子（VEGF）的基因表达，后者是负责血管生成的分子。而且，只有HIF-1α蛋白能感受低氧状态，HIF-1β与氧无关。

这个发现的重要性在于，血管生成和红细胞生成都与缺氧反应有关，分别代表了两个缺氧反应的重要类型，因此，HIF-1可能是细胞感受低氧的中枢，即中心分子。当然，这只是一个假说，需要研究来证实。

塞门扎等人敲除转基因小鼠HIF-1，以观察这一基因的作用。结果发现小鼠在血管发育和氧依赖基因表达上存在严重缺陷，子宫内发育期就发生早死。这说明HIF-1基因缺失，会让生物无法正确感知和利用氧气，从而损害器官，甚至造成死亡。

此后，拉特克利夫和凯林发现了HIF-1的降解机制。HIF-1的水平受氧气含量影响，在高氧状态下，HIF-1被修饰，从而被降解；在低氧状态下，HIF-1不被修饰，不会被降解。在低氧条件下不被降解的HIF-1能通过转录调节一些与低氧相关的基因表达，最典型的就是促红素基因表达，使得促红素生成增加，从而诱导血管内皮细胞生成因子增加，再促进红细胞生成和血管生成。

早在1993年，拉特克利夫团队就发现，生物体的许多细胞都有感受低氧的能力，并认定HIF-1是一个感受低氧的共同分子。1994年，拉特克利夫又发现，糖酵解酶也受到低氧反应的调节，这进一步证明低氧诱导因子能广泛调节多种细胞对低氧的反应。事实上，糖酵解也是细胞对低氧的反应之一，但是，这种反应是快速低氧反应，而红细胞生成和血管生成属于长期低氧反应。因此，从时间的长短上看，低氧诱导因子既负责调节长期低氧反应，也能调节急性低氧反应。这正是低氧诱导因子是一个感受低氧的共同分子的有力证据。

这个发现也打破了过去一直存在的一种理论，即只有少数细胞才能感受氧气，尤其是低氧，例如颈动脉体和主动脉体中存在感受血液中氧气浓度的化学感受器，只要血液中的氧气含量不足，就会通过神经反射调节呼吸频率和血压，以保障身体的氧气供应。

“死亡标签”的作用

不同于塞门扎和拉特克利夫，凯林是从治疗病人中发现低氧反应对疾病治疗的作用的。在美国约翰·霍普金斯医院当临床实习医生时，凯林就知道某些肾脏肿瘤能促进血管形成，同时一些肿瘤细胞会失去一种抑癌基因VHL，但是并不知道其中原因。

凯林是从治疗和观察冯·希佩尔-林道疾病（VHL）获得启示的。德国眼科医生冯·希佩尔于1904年发现一种眼血管瘤，瑞典病理学家林道于1927年也发现了一种小脑和脊髓血管瘤，实际上两者是同一种疾病，因此后来统一命名为VHL。

VHL是一种遗传病，特点是，病人表现为血管瘤、血管母细胞瘤和肾癌疾病时，体内同时伴有大量的VEGF和EPO，这提示，VHL与低氧有某种关联。由于凯林团队建有实验室，可以同时在临床和实验室观察和研究疾病。

1996年，凯林团队对VHL突变细胞和VHL正常细胞进行比较，发现突变细胞即使氧含量正常也会诱导VEGF等低氧基因大量表达，但是正常细胞和纠正VHL突变后，VEGF等低氧基因就不会表达。深层的原因是，VHL突变使得正常情况不应存在的HIF-1α保留下来，说明VHL能控制HIF-1α蛋白的生存或死亡。

在凯林团队对VHL和HIF-1α之间的关系感兴趣并进入深入研究之时，20世纪80年代末，拉特克利夫也开始关注EPO表达。在VHL和HIF-1α先后被发现之后，拉特克利夫也对二者进行研究，结果发现VHL蛋白是一种泛素连接酶，其功能是为HIF-1α添加泛素。

有意思的是，泛素被称为“死亡标签”（这一发现获得2004年诺贝尔化学奖），也被称为垃圾分类标签。添加了泛素的HIF-1α会被降解，反之则不会降解而保留下来。由于VHL突变后丧失了把泛素添加到HIF-1α身上的能力，使得HIF-1α也保留了下来，并发挥作用。

不过，到了2001年，凯林团队和拉特克利夫团队才同时发现HIF-1α感知氧气并产生稳定性的机制。这就是一类羟化酶，它们可在氧参与情况下将HIF-1α进行羟基化修饰，羟基化的HIF-1α被VHL进一步泛素化修饰，最终被降解。

三位科学家对细胞感知氧气和适应氧气过程发现的贡献可以总结为：塞门扎发现，低氧时，HIF-1α不会被降解，从而促进低氧靶基因表达，增加细胞适应性；凯林和拉特克利夫发现，氧充足时，HIF-α会被羟基化修饰，随后被VHL泛素化而降解，无法诱导低氧基因表达。

从机理研究到药物开发

细胞感知氧气的机理是一个基础研究结果，它在临床治疗疾病，或者研发药物和疫苗上究竟有什么用呢？发现细胞感知氧气的机理可以有多方面的作用，在肿瘤防治上就已经体现出来。

凯林发现，肾癌患者的VHL基因往往会出现突变，這个突变又与细胞感受低氧有关，结果可导致人体内产生过量的血管内皮细胞生长因子（VEGF），它会促进血管生成，从而有利于癌细胞生长。

现在，一些药企已经在利用这一原理，针对VEGF这个靶点研发新药，而且一些新药已经在临床上使用。美国食品与药物监督管理局（FDA）也已批准了多种用于治疗肾癌的VEGF抑制剂。

这类抗癌药物主要是作用于血管内皮细胞生长因子和血管内皮细胞生长因子受体（VEGF-VEGFRs），包括两类：一类是单克隆抗体，另一类是小分子VEGFRs酪氨酸激酶抑制剂。

单克隆抗体类药物包括：贝伐珠单抗（Bevacizumab）、雷莫卢单抗（Ramucirumab）等。而VEGFRs酪氨酸激酶抑制剂类药物包括：索拉非尼（多吉美）、阿西替尼（英立达）、阿帕替尼（艾坦）、舒尼替尼（索坦）、瑞格非尼（拜万戈）、凡德他尼、帕唑帕尼等。

肾癌是低氧效应最明显的一种肿瘤，VHL突变在肾癌中发生比例高达70%左右，其他肿瘤发生比例较低甚至缺乏。贝伐珠单抗是最早开发的VEGF抑制剂，可以抑制血管形成以降低癌细胞营养供应，而最近开发的特异性HIF-2α拮抗剂PT2399，在细胞、动物和临床实验中显示出较好的治疗效果。

当然，随着研究的深入，通过细胞感知氧气的机理，还可以发现更多的治疗疾病的方法和研发更多的药物，甚至疫苗。

【责任编辑】庞？云

获奖者简介

威廉·凯林1957年出生于纽约，获得杜伦的杜克大学的医学博士学位，并在巴尔的摩的约翰·霍普金斯大学和波士顿的达纳-法伯癌症研究所接受内科和肿瘤学的专科培训。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教授。自1998年起，他担任霍华德·休斯医学研究所的研究员。

彼得·拉特克利夫1954年出生于英国兰开夏郡，在剑桥大学的冈维尔和凯斯学院学习医学，并在牛津大学接受了肾病学的专业培训。他在牛津大学建立了一个独立的研究小组，并于1996年成为教授。现在他是伦敦弗朗西斯·克里克研究所临床研究主任，牛津塔吉特发现研究所主任，以及路德维希癌症研究所成员。

格雷格·塞门扎1956年出生于纽约，在哈佛大学获得生物学学士学位。1984年，他获得宾夕法尼亚大学医学院的医学博士学位，并在杜伦的杜克大学接受了儿科专家的培训。他在巴尔的摩的约翰·霍普金斯大学做博士后培训，并在那里建立了一个独立的研究小组。1999年，他成为约翰·霍普金斯大学的全职教授，并从2003年起，担任约翰霍·普金斯大学细胞工程研究所血管研究项目主任。