一条5亿年前形成的通路，成就了今日诺奖

（图片来源：诺贝尔奖官网）

北京时间10月7日下午，诺贝尔生理学或医学奖获奖人名单揭晓：威廉·凯林(William G. Kaelin)，彼得·拉特克利夫(Peter J. Ratcliffe)以及格雷格·塞门扎(Gregg L. Semenza)因为发现了细胞如何感知氧气、适应缺氧环境而获得了这一奖项。

人体如何解决将氧气持续运输至构成人体的10¹⁴个细胞这一挑战，对于理解多细胞动物的进化、发育、生理学及病理极为重要。Kaelin、Ratcliffe及Semenza的联合发现确认了直接作用于细胞内氧水平的信号通路及其主要组成成分——异二聚体转录因子（低氧诱导因子[hypoxia-inducible factor，HIF]）家族，其指导以下基础过程：多细胞动物氧稳态以及氧敏感信号的实际来源，即一组催化HIF氧化作用（羟基化）的双加氧酶，并通过von Hippel-Lindau（VHL）泛素-蛋白酶体通路调节氧依赖性降解。

引人注目的是，这些发现在30年前完全未被预见。虽然蛋白质翻译后羟基化这一结构修饰已经非常清楚，但之前尚不清楚其在细胞信号转导中的作用。更令人吃惊的是，直接调节人类细胞氧水平的信号通路的整个工作过程并未引起广泛重视。

在20世纪生理学家聚焦于肺部、心脏及血管系统（将氧气运输至器官的系统）后，为何细胞和全身稳态的“主要调节者”会被忽视如此之久？在20世纪初，研究者已描述出基础代谢途径，并明确了毛细血管床和有氧代谢能力之间的精确关系。然而，这些研究者的理论并非关注氧气本身，而是代谢能量供应是否充足。甚至在某些血管疾病如新生儿视网膜病变与生理水平以上的氧水平明显密切相关时，这些理论仍关注于代谢失调。那么这些基础模型是如何被颠覆的呢？

存在直接氧感受器的早期线索来自于20世纪30年代进行的首次观察——钴中毒与一项异常临床特征（即产生过多红细胞）有关，这证实钴模拟了一种最为清楚的低氧反应即促红细胞生成素的产生。

Semenza和Ratcliffe实验室均开始了研究，其目的是明确促红细胞生成素基因表达的氧调节过程。最初其细胞工作主要聚焦于肝癌细胞（恶性肝细胞），证实了这些细胞在氧调节后生成了促红细胞生成素。之后Ratcliffe实验室采用了位于促红细胞生成素基因的顺式作用DNA片段进行报告基因检测，结果显示氧调节活性存在于广泛的细胞类型中。

Semenza实验室发现了转录因子HIF，之后证实了其在多种细胞类型中的氧调节活性。两家实验室通过确认其他靶标迅速证实了这些结果的含义（即潜在的氧感受系统在不生成促红细胞生成素的细胞中必定还发挥着其他功能）。在首次明确此类编码多种糖酵解酶的靶标后，又迅速确认了涉及能量代谢、血管新生及许多其他有关细胞和全身稳态过程的多种HIF靶基因。

Kaelin从另一角度切入该领域，即VHL综合征（希佩尔-林道综合征）的临床观察。VHL病是一种遗传性多器官肿瘤综合征，其特征为肾透明细胞癌、血管母细胞瘤及嗜铬细胞瘤的风险增加。VHL相关肿瘤常见于血管，有时还会诱导红细胞增多症，这使得Kaelin怀疑VHL基因产物（VHL gene product，pVHL）在低氧信号转导中有重要作用。Kaelin实验室证实，该疾病涉及数种当时发现的低氧诱导的mRNA的调节异常（包括血管内皮生长因子mRNA）。Kaelin及其他研究者证实，pVHL形成了一种多蛋白复合物，其架构类似酵母中的Skp1、Cdc53、F-box (SCF)泛素连接酶复合物。Kaelin及其同事证实，突变型pVHL对这些转录子的抑制作用与其形成该复合物有关。之后Ratcliffe实验室证实了pVHL与HIF调节的关键联系，即pVHL在生理上与HIF-α有关，并且在氧调节所致的不稳定中发挥重要作用。随着研究速度的加快，Kaelin、Ratcliffe及其他研究者证实，pVHL作为泛素连接酶在降解中直接靶向作用于HIF-α。

那么，在低氧浓度下，HIF-α是如何逃脱pVHL识别的呢？Kaelin和Ratcliffe实验室的研究显示，HIF-α经过了氧依赖性翻译后修饰，即脯氨酸羟化，从而被pVHL所识别。虽然脯氨酸羟化是原胶原链稳定背景下的翻译后修饰，但由于HIF的一级序列及其细胞定位，HIF并非由胶原蛋白脯氨酸羟化酶催化。与胶原蛋白脯氨酸羟化酶类似，HIF脯氨酸羟化反应需要氧气、铁及抗坏血酸，并且可被钴和2-酮戊二酸类似物所抑制。这说明，HIF脯氨酸羟化酶是2-酮戊二酸依赖性双加氧酶家族的一员。Ratcliffe实验室与已建立这类酶一般结构特征的ChrisSchofield进行合作，很快确认了秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）的关键氧感受器，并确认了3种人类直系同源物，其催化人HIF-α的2个羟基化部位。

这些酶将HIF-α的羟基化与2-酮戊二酸的氧化脱羧连接起来。这些酶还有一个“不稳定的”铁中心，可被钴和其他过渡金属离子螯合或取代，这解释了为何这些物质可以用作低氧模拟物。

这一系列研究揭示了连接氧与关键生理功能的通路，具有重大医学意义。最初的促红细胞生成素的研究确认了一种存在于所有动物中的系统，甚至是那些没有血管或氧气运输系统的动物。该系统的组成成分，特别是与HIF脯氨酸羟化酶相关的氧敏感性酶，在时间上早于动物进化。这一整合通路似乎已在约5亿年前组装完成，该时间与大气中的氧大量增加和动物的生命进化一致。

大量文献证实，HIF通路参与氧稳态生理学的多个方面，并发挥着关键作用。令人吃惊的是，既往并未怀疑对该通路的广泛作用是氧敏感性的。例如在轻微扰动HIF信号转导后会对多个免疫和炎症过程产生影响。HIF靶基因的多种蛋白质产物在贫血、缺血性心血管疾病、器官移植、结肠炎及伤口愈合的情况下介导了生理性（适应性）反应；或者在癌症、眼部血管生成、睡眠呼吸暂停相关性全身高血压、肺动脉高压及遗传性红细胞增多症的背景下介导了病理性（适应不良性）反应。

HIF通路在生理学中发挥的关键作用是医学发展中令人兴奋但充满挑战的机遇。当前工作着眼于如何使这一新知识应用于治疗上。目前数种HIF脯氨酸羟化酶抑制剂已进入后期临床试验，其目的是增加内源性促红细胞生成素以用于治疗肾性贫血。此类低氧反应的激活剂是否可用于增强适应性反应以治疗循环系统疾病和器官缺血，HIF抑制剂是否可以在癌症中有效抑制适应不良性通路组成成分，两者均是尚未解答的问题，具有令人兴奋的前景。