大连三位科学家分享2019年诺贝尔生理学或医学奖

三位在人以及大多数动物细胞感知、适应氧气的变化机制方面做出杰出贡献的医学研究者。氧气对细胞的重要性不言而喻，但细胞如何应对外界环境氧气变化的机制仍不清楚，三位研究者发现了一种关键的分子，从而能够帮我们了解多细胞动物体如何应对氧气的变化。

生物体感受氧气浓度的信号识别系统是生命最基本的功能，然而学界对此却所知甚少。三位科学家阐明了人类和大多数动物细胞在分子水平上感受氧气含量的基本原理，揭示了其中重要的信号机制，为贫血、心血管疾病、黄斑退行性病变以及肿瘤等多种疾病开辟了新的临床治疗途径。

氧气是众多生化代谢途径的电子受体，科学界对氧感应和氧稳态调控的研究开始于促红细胞生成素（erythropoietin, EPO）。当氧气缺乏时，肾脏分泌EPO刺激骨髓生成新的红细胞。比如当我们在高海拔地区活动时，由于缺氧，人体的新陈代谢发生变化，开始生长出新的血管，制造新的红细胞。这几位科学家们做的正是找出这种身体反应背后的基因表达。他们发现这个反应的“开关”是一种蛋白质，叫做缺氧诱导因子 (Hypoxia-inducible factors, HIF)，但其功能远不止开关那么简单。

绝大多数的动物离不开氧气。但我们对于氧气的需求，却又必须达到一个微妙的平衡。缺乏氧气，我们会窒息而死；氧气过多，我们又会中毒。为此，生物也演化出了诸多精妙的机制，来控制氧气的平衡。譬如对于深埋于组织深处的细胞来说，红细胞能为它们送上氧气。而一旦氧气含量过低，机体就会促进红细胞的生成，保持氧气的浓度在合理的范围内。

在上世纪90年代，Ratcliffe教授和Semenza教授想要理解这一现象背后的机制。他们发现，一段特殊的DNA序列看似和缺氧引起的基因激活有关。如果把这段DNA序列安插在其他基因附近，那么在低氧的环境下，这些基因也能被诱导激活。也就是说，这段DNA序列其实起到了低氧环境下的调控作用。后续研究也表明，一旦这段序列出现突变，生物体就对低氧环境无所适从。

后续研究发现，这段序列在细胞内调控了一种叫做HIF-1的蛋白质，而这种蛋白由HIF-1α与HIF-1β组合而成。在缺氧的环境下，HIF-1能够结合并激活许多哺乳动物细胞内的特定基因。有趣的是，这些基因都不负责生产促红细胞生成素。这些结果表明，缺氧引起的红细胞生成，背后有着更为复杂的原因。而在人们后续阐明的调控通路中，HIF-1扮演了核心的地位，调控了包括VEGF（能促进血管生成）的诸多关键基因。

作为一种关键的调控蛋白，在缺氧环境下，HIF-1会启动基因表达。而在富氧环境中，这一蛋白又会被降解。这背后有着怎样的机制呢？谁也没有想到，答案竟然藏在一个看似完全无关的方向上。

让我们把话题转向William G. Kaelin教授。当时，这名科学家正在研究一种叫做希佩尔-林道综合征（VHL disease）的癌症综合征。他发现在典型的VHL肿瘤里，经常会有异常形成的新生血管。此外，他也发现了较多的VEGF与促红细胞生成素。因此他自然而然地想到，缺氧通路是否在这种疾病里有着某种作用。

1996年，对于患者细胞的分析表明，一些原本应当在富氧环境下消失的基因，却意外地有着大量表达。而添加具有正常功能的VHL蛋白，则能逆转这一现象。进一步的研究表明，VHL蛋白的特殊能力，来源于与之结合的一些特定蛋白，这包括了某种泛素连接酶。在这种酶的作用下，不被细胞所需要的蛋白会被打上“丢弃”的标记，并被送往蛋白酶体中降解。

▲泛素化降解通路（图片来源：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，人们马上发现在富氧环境下，HIF-1的组成部分HIF-1α，正是通过这一途径被降解。1999年，Ratcliffe教授团队又发现，HIF-1α的降解需要VHL蛋白参与。Kaelin教授也随之证明，VHL与HIF-1α会直接结合。再后来，诸多研究人员逐渐还原了整个过程——原来在富氧的环境下，VHL会结合HIF-1α，并指导后者的泛素化降解。

为啥HIF-1α只会在富氧环境下被降解呢？研究人员对HIF-1α与VHL的结合区域做了进一步的分析，并发现倘若移除一个脯氨酸，就会抑制其泛素化。这正是HIF-1α的调控关键！在富氧环境下，氧原子会和脯氨酸的一个氢原子结合，形成羟基。而这一步反应需要脯氨酰羟化酶的参与。

由于这步反应需要氧原子的参与，我们很容易理解，为何HIF-1α不会在缺氧环境下被降解。

▲生物体感知氧气的通路示意图（图片来源：参考资料[2]，Credit：Cassio Lynm）

揭示生物氧气感知通路，不仅在基础科学上有其价值，还有望带来创新的疗法。比如倘若能通过调控HIF-1通路，促进红细胞的生成，就有望治疗贫血。而干扰HIF-1的降解，则能促进血管生成，治疗循环不良。

另一方面，由于肿瘤的生成离不开新生血管，如果我们能降解HIF-1α或相关蛋白（如HIF-2α），就有望对抗恶性肿瘤。目前，已有类似的疗法进入了早期临床试验阶段。

Semenza 和 Ratcliffe 开始研究缺氧如何引起EPO的产生。他们发现了一个不仅会随着氧浓度的改变发生相应的改变，还可以控制EPO 的表达水平的转录增强因子HIF，如果将其DNA 片段插入某基因旁，则该基因会被低氧条件诱导表达。1995年，Semenza 和博士后王光纯化了 HIF-1，发现其包含两个蛋白：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。

随后， Semenza 和 Ratcliffe 又扩展了低氧诱导表达基因的种类。他们发现，除了 EPO， HIF-1在哺乳动物细胞内可以结合并激活涉及代谢调节、血管新生、胚胎发育、免疫和肿瘤等过程的众多其他基因。

此外，他们观察到当细胞转变为高氧条件时 HIF-1 的数量急剧下降，仅当缺氧时该因子才能能够激活靶基因。那么推动 HIF-1 破坏的原因是什么？答案来自一个意想不到的方向。

希佩尔-林道综合征（Von Hippel–Lindau disease，VHL综合征）是一种罕见的常染色体显性遗传性疾病。VHL病人由于 VHL 蛋白的缺失会以多发性肿瘤为特征, 涉及脑、骨髓、视网膜、肾脏、肾上腺等多个重要器官，典型的肿瘤由不适当的新血管组成。肿瘤学家 William Kaelin一直试图弄清楚其病理。然而，就在HIF被纯化的第二年, Kaelin发现 VHL 蛋白可以通过氧依赖的蛋白水解作用负性调HIF-1。Kaelin和Ratcliffe随后的研究又发现了双加氧酶在VHL蛋白识别HIF-1的过程中发挥着重要的作用。

HIF控制着人体和大多数动物细胞对氧气变化的复杂又精确的反应，三位科学家一步步揭示了地球生命基石的奥秘。通过调控 HIF 通路从而达到治疗目的的研究方向正发挥着巨大的潜力，他们的工作正在并将继续造福人类。

他们的发现对生理学具有根本性的重要性，并为有望为对抗贫血、癌症和许多其他疾病的新策略铺平了道路。

氧气对细胞的重要性不言而喻，但细胞如何应对外界环境氧气变化的机制仍不清楚，三位研究者发现了一种关键的分子，从而能够帮我们了解多细胞动物体如何应对氧气的变化。

他们将获得金质奖章、证书，并分享900万瑞典克朗（约合人民币647万元）的奖金。

截至2019年，诺贝尔生理学或医学奖共颁发110次，其中有39次是授予单个科学家。曾获此殊荣的女科学家共计12位。

2015年，凭借在青蒿素方面所做的贡献，药学家屠呦呦成为第一位摘得该奖的中国科学家。

1895年11月27日，瑞典著名化学家、硝化甘油炸药发明人阿尔弗雷德?伯恩哈德?诺贝尔（Alfred Bernhard Nobel）签署了他最后的遗嘱，将财产中的最大一份给了一系列奖项，即诺贝尔奖。诺贝尔奖分设物理、化学、生理学或医学、文学、和平和经济学六个奖项。

诺贝尔奖的奖金来自诺贝尔所成立基金的利息或投资收益。随着诺贝尔基金的收益变化，诺贝尔奖的奖金有所浮动。

2001年至2011年的单项奖金为1000万瑞典克朗，2012年至2016年因基金收益下降，奖金下调为800万瑞典克朗。2017年，基金财务状况好转，奖金改为900万瑞典克朗。

盘点近30年诺贝尔生理学或医学奖

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来源：纯创科技