2019諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎背后的科學(xué):細(xì)胞如何感知氧氣
10月7日晚間消息,2019年度的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎已經(jīng)宣布,今年的獎項授予兩位美國科學(xué)家和一位英國科學(xué)家:授予威廉·凱林(William G。 Kaelin),彼得·拉特克利夫爵士(Sir Peter J。 Ratcliffe)以及格雷格·薩門扎(Gregg L。 Semenza),以表彰他們在“生物在分子層面上如何感知氧氣”方面所作出的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。
細(xì)胞是如何感知氧氣的?
自從現(xiàn)代生物學(xué)的伊始,人們就知道生命的維持需要氧氣,但是生物細(xì)胞是如何做出調(diào)整以適應(yīng)不同的氧氣供應(yīng)環(huán)境的?其背后的分子機(jī)制究竟是什么?這兩個問題卻一直未能被很好的理解,直到今年的幾位諾貝爾獎獲獎人所做的工作闡明了這一機(jī)制。
當(dāng)周圍的氧氣水平發(fā)生變化時,動物細(xì)胞會經(jīng)歷基因表達(dá)上的明顯改變。這種基因表達(dá)上的改變會同時改變細(xì)胞新陳代謝,組織重塑,甚至組織反應(yīng),比如心率加速,或者呼吸量的改變。
在1990年代早期的研究中,格雷格·薩門扎最早識別,并于此后在1995年最終提純并克隆了一種轉(zhuǎn)錄因子,其對這些與氧氣密切相關(guān)的反應(yīng)機(jī)制起到調(diào)節(jié)作用。他將這一因子命名為HIF,即“缺氧誘導(dǎo)因子”,并確認(rèn)其包含兩個部分:一種是全新發(fā)現(xiàn)的,對氧氣敏感的HIF-1a,另一種是此前就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)的,固有性表達(dá),并且并不受氧氣調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)“ARNT”。1995年,威廉·凱林正在從事馮·希佩爾-林道腫瘤抑制基因的研究并成功實現(xiàn)了對該基因的全序列分離與克隆,他發(fā)現(xiàn),這種基因可以抑制VHL突變致癌細(xì)胞系中的腫瘤生長。
隨后,在1999年,彼得·拉特克利夫證明了,VHL 與HIF1a之間存在某種關(guān)聯(lián),并發(fā)現(xiàn)VHL可以調(diào)節(jié)HIF-1a的翻譯后及氧敏降解。最后,凱林和拉特克利夫的研究團(tuán)隊同時證明了這種VHL對于HIF-1a的調(diào)節(jié)機(jī)制會受到HIF-1a羥基化的影響,這是一種共價修飾,其本身將受到氧氣水平高低的影響。
由于以上這三位獲獎人的工作,證明了由于氧氣水平改變引發(fā)的基因表達(dá)反應(yīng),與動物細(xì)胞內(nèi)的氧氣水平之間存在直接耦合關(guān)系,從而允許透過HIF轉(zhuǎn)錄因子的作用,實現(xiàn)對于氧化反應(yīng)的快速細(xì)胞層面響應(yīng)。
氧氣與動物生命
在1770年代,瑞典科學(xué)家卡爾·舍勒(Carl Scheele)通過計算得到結(jié)論,空氣中大約有1/4的體積是所謂的“feuer luft”,即他所稱的“火氣”,也就是可以支持物體發(fā)生燃燒的氣體。這一發(fā)現(xiàn)的相關(guān)論文最終于1777年公開發(fā)表(Scheele,1777)。大約與此同時,在英國,約瑟夫·普里斯特利(Joseph Priestley)也發(fā)現(xiàn)了一種方法來提純這種此前未知的氣體,并將其稱之為“去燃素空氣”(Priestley, 1775)。而除了舍勒和普里斯特利之外,大致同一時間,法國化學(xué)家安托萬·拉瓦錫(Antoine Lavoisier)也在巴黎進(jìn)行了對這種氣體的分離試驗,并且也對其進(jìn)行了自己的命名。而這個命名也正是這種氣體在今天被廣為接受的名稱:氧氣 (Lavoisier, 1777)。
動物生命離不開氧氣,因為我們的身體需要借助氧化反應(yīng)驅(qū)動將營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為ATP。事實上,根據(jù)可獲得的氧氣數(shù)量來調(diào)節(jié)細(xì)胞活動,正是新陳代謝調(diào)節(jié)的關(guān)鍵內(nèi)容之一。早在一個多世紀(jì)之前我們就已經(jīng)明白這個道理,比如在1858年,法國微生物學(xué)家路易斯·巴斯德(Louis Pasteur)最先證明在動物細(xì)胞內(nèi)存在復(fù)雜的氧氣使用平衡,并證明細(xì)胞會透過多條復(fù)雜路徑來完成能量轉(zhuǎn)換(Pasteur, 1858)。
而關(guān)于動物體內(nèi)對氧氣的感知機(jī)制,此前已經(jīng)獲得過兩次諾貝爾獎,一次是1931年授予德國生理學(xué)家奧拓·沃伯格(Otto Warburg),其成就是發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞呼吸的酶基礎(chǔ),第二次是1938年授予比利時醫(yī)學(xué)家柯奈爾?海門斯(Corneille Heymans),獎勵其在神經(jīng)系統(tǒng)在機(jī)體對氧氣的呼吸反應(yīng)中所發(fā)揮的作用方面進(jìn)行的研究。然而,在整個20世紀(jì)的大部分時間里,我們?nèi)匀徊磺宄?,對于氧氣水平變化的調(diào)節(jié)機(jī)制,是如何在基因表達(dá)的基礎(chǔ)水平上得到調(diào)節(jié)的。
對不同氧氣水平的適應(yīng)
對于絕大部分動物體內(nèi)的細(xì)胞而言,能夠?qū)ρ鯕馑降淖兓龀隹焖傧鄳?yīng)是非常關(guān)鍵的。分子分類學(xué)已經(jīng)清楚表明,在生物演化過程中,隨著動物細(xì)胞開始聚集到一起,組成多細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)體生命開始,這種對于氧氣水平的響應(yīng)能力便不再僅僅是一種細(xì)胞層面的,用作調(diào)節(jié)單個細(xì)胞內(nèi)部新陳代謝水平的反應(yīng),而且還發(fā)展出了一套復(fù)雜的生理反應(yīng)機(jī)制。細(xì)胞需要作出許多自動反應(yīng),以對變化的氧氣供應(yīng)水平作出反應(yīng),其中尤為重要的是對自身的新陳代謝水平進(jìn)行調(diào)節(jié)。
當(dāng)在組織和器官層面觀察這種反應(yīng)時,我們發(fā)現(xiàn)多細(xì)胞組織不僅需要重塑自身組織以適應(yīng)變化后的氧氣環(huán)境(比如在受傷之后重構(gòu)血管系統(tǒng)),還需要調(diào)動整個組織以補(bǔ)償氧化水平的變化(比如劇烈運動后,或者暴露于高海拔地區(qū)時,人的呼吸會變得急促)。
作為一個案例:生活在高海拔地區(qū)的人們,其體內(nèi)的氧氣水平變化是由其腎臟內(nèi)的一種特殊細(xì)胞負(fù)責(zé)感知的,其可以分泌并釋放一類名為“紅細(xì)胞生成素”(EPO)的荷爾蒙。這種荷爾蒙會激活骨髓中的血紅細(xì)胞合成。促發(fā)這一反應(yīng)的一種方式是暴露于高海拔地區(qū)的低氧環(huán)境下,在這樣的環(huán)境中,腎臟的EPO生成速度將加速,從而導(dǎo)致血液內(nèi)紅細(xì)胞含量升高,從而幫助我們的身體更好適應(yīng)高海拔地區(qū)的低氧環(huán)境。
動物可以暴露于低氧環(huán)境,但有一點很重要,氧氣水平在身體組織內(nèi)部也會出現(xiàn)起伏波動。動物機(jī)體組織內(nèi)部的氧氣水平會出現(xiàn)空間和時間上的變化,而這種變化在正常生理事件中也會頻繁發(fā)生,比如運動過后骨骼肌的缺氧,但也會在病理過程中出現(xiàn),比如癌癥和感染。而通過上世紀(jì)1970~1980年代期間的相關(guān)工作,事情逐漸變得明朗:這些局部和暫時性的氧氣水平改變會通過基因表達(dá)的形式,激發(fā)細(xì)胞和組織層面的關(guān)鍵性適應(yīng)反應(yīng)。
這些基因調(diào)節(jié)反應(yīng)將會改變細(xì)胞新陳代謝,并控制基礎(chǔ)性發(fā)育,再生和機(jī)體防御機(jī)制,包括血管形成,發(fā)炎等。
動物細(xì)胞感知不同氧氣水平的能力,以及隨之改變自身基因表達(dá)的機(jī)制,對于機(jī)體的生存至關(guān)重要。這種氧氣驅(qū)動的信號通路至少影響著300個不同的基因,它們分屬于多個不同的機(jī)體調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
這些分子水平上的通路廣泛參與多種生理過程,從器官發(fā)育到代謝平衡再到組織再生和免疫功能,并在許多疾病的進(jìn)展中起到關(guān)鍵性作用,其中包括癌癥。
氧氣與紅細(xì)胞生成
生物體內(nèi)的任何關(guān)鍵性信號通路,幾乎肯定會與不同層面上的大量其他分子通路之間存在相互關(guān)聯(lián)。氧氣響應(yīng)通路也不例外。因此,正如預(yù)料的那樣,今年獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎的這些基礎(chǔ)性工作,并未終結(jié)在分子層面氧氣響應(yīng)機(jī)制方面的研究,與此相反,這些關(guān)鍵性發(fā)現(xiàn)開啟了一個嶄新領(lǐng)域,激發(fā)大量研究人員投入其中,取得大量研究成果,揭示出分子層面對氧氣響應(yīng)機(jī)制的極度復(fù)雜性。
今年的三位獲獎人:威廉·凱林,彼得·拉特克利夫以及格雷格·薩門扎所取得的基礎(chǔ)性發(fā)現(xiàn),都是圍繞缺氧誘導(dǎo)因子(HIF)的作用所展開的。這一因子的發(fā)現(xiàn),最早需要追溯到在1986年至1987年間多位研究人員所做的工作,其中包括莫里斯·邦杜倫特(Maurice Bondurant),馬克·克里(Mark Koury)以及賈米·卡羅(Jaime Caro)等;他們的工作表明低氧環(huán)境會促發(fā)腎臟內(nèi)紅細(xì)胞生成素(EPO)荷爾蒙的轉(zhuǎn)錄表達(dá)(Bondurant and Koury, 1986; Jelkmann and Hellwig-Burgel, 2001;Schuster et al。, 1987)
這項發(fā)現(xiàn)反過來,植根于1882年開展的相關(guān)實驗,以及法國生理學(xué)家保羅·博特(Paul Bert)的相關(guān)工作(Bert, 1878),他在1878年最先證明了低氧環(huán)境對于心血管產(chǎn)生的效應(yīng),也是首位發(fā)現(xiàn)暴露于高海拔環(huán)境下,會導(dǎo)致生物體內(nèi)紅細(xì)胞數(shù)量增加的科學(xué)家(Bert, 1882)。
HIF的分離
在發(fā)現(xiàn)EPO基因表現(xiàn)出缺氧誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄反應(yīng)之后,下一步就是確定EPO基因調(diào)控區(qū)域中負(fù)責(zé)氧敏感性的DNA序列。薩門扎決定在轉(zhuǎn)基因小鼠身上追蹤EPO基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子,他使用的是包含人類EPO基因的不同大小的DNA片段克隆。薩門扎和同事們首先闡明了一個覆蓋了EPO編碼序列的區(qū)域,包含了4000個堿基,以及一些小的5 ‘和3 ’側(cè)翼序列,這些序列會導(dǎo)致所有被分析的轉(zhuǎn)基因組織產(chǎn)生EPO,并導(dǎo)致循環(huán)的EPO水平升高,從而產(chǎn)生紅血球增多癥,即紅細(xì)胞的計數(shù)增加。接下來,薩門扎證明了一個更長的EPO基因結(jié)構(gòu),包含6000個堿基的5’側(cè)翼DNA序列,能夠在腎臟中誘導(dǎo)EPO表達(dá)。這項工作指向了一個EPO對氧反應(yīng)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控復(fù)合體,包括正調(diào)控和負(fù)調(diào)控因子。
一年后的1991年,薩門扎在另兩項研究中,增加了調(diào)節(jié)EPO基因的重要信息:1)一項脫氧核糖核酸酶(DNAse)過敏癥研究發(fā)現(xiàn),EPO 3 ‘側(cè)翼DNA的一小塊區(qū)域結(jié)合了幾個核因子,其中至少有兩個因子是由肝臟和腎臟貧血誘導(dǎo)的;這個小區(qū)域能夠作為缺氧誘導(dǎo)的增強(qiáng)子,在體外瞬時表達(dá)測定中發(fā)揮作用;2)進(jìn)一步研究了EPO在轉(zhuǎn)基因模型中的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。大約在同一時間,彼得·拉特克利夫爵士和賈米·卡羅實驗室報告稱,EPO基因中存在一個具有順式作用的DNA 3’元件,在轉(zhuǎn)染到體外培養(yǎng)的肝癌細(xì)胞中,該元件賦予了報告基因?qū)ρ醯捻憫?yīng)性。
上述工作使薩門扎于1992年在EPO基因的3 ‘端發(fā)現(xiàn)了約50個堿基對的增強(qiáng)子,可用于誘導(dǎo)缺氧誘導(dǎo)型報告基因在培養(yǎng)細(xì)胞中的表達(dá)。這種增強(qiáng)子被薩門扎稱為缺氧反應(yīng)元件(HRE),它結(jié)合了肝癌細(xì)胞中的幾個核因子:一個是本身結(jié)構(gòu),另一個是缺氧誘導(dǎo)的。后者因此被薩門扎稱為低氧誘導(dǎo)因子(HIF)。
拉特克利夫和薩門扎都證明,EPO基因的3’增強(qiáng)子可以在多種哺乳動物細(xì)胞類型中驅(qū)動缺氧誘導(dǎo)型報告基因表達(dá)。這表明,參與EPO基因氧調(diào)節(jié)的分子機(jī)制在多種動物細(xì)胞中都很活躍的,HIF因此也很可能是常見的氧感知細(xì)胞機(jī)制的一部分。
低氧誘導(dǎo)HIF可以在多種哺乳動物細(xì)胞中觀察到,不僅僅是腎臟和肝臟中產(chǎn)生EPO的細(xì)胞。這一觀點引起了更廣泛的科學(xué)家群體的興趣和關(guān)注。HIF的發(fā)現(xiàn)表明了一種潛在的,普遍存在于代謝適應(yīng)基礎(chǔ)上的分子機(jī)制,并在組織氧通量的作用下誘導(dǎo)組織重塑。
此時,薩門扎采用生化方法從大量的細(xì)胞提取物中純化HIF蛋白質(zhì)。在純化過程中進(jìn)行功能分析時,他使用了應(yīng)用于EPO基因3’增強(qiáng)子的電泳遷移率轉(zhuǎn)移(EMSA)實驗。氨基酸測序和隨后對純化蛋白質(zhì)的cDNA克隆表明,HIF本身是一個異源二聚體,由兩個不同的基因產(chǎn)物組成。第一個組件是對氧敏感的部分,稱為HIF-1α;第二個組件是一種結(jié)構(gòu)性表達(dá)的基因,最初被稱為HIF-1b。后來,更多的研究對HIF-1b進(jìn)行了克隆和描述,并稱其為芳香烴受體核轉(zhuǎn)位子(ARNT)。ARNT蛋白和其他一些因子會形成異二聚物,而且它的表達(dá)并不會對氧含量敏感,因此顯而易見,HIF-1α才是復(fù)合體中氧響應(yīng)性的調(diào)節(jié)者。
HIF家族的擴(kuò)大
有四個研究小組獨立克隆出了一個與HIF-1α高度相關(guān)的蛋白質(zhì),即Yoshiaki Fujii-Kuriyama、Werner Risau、Christopher Bradfield和Steven McKnight的團(tuán)隊。他們的研究都是在1997年完成的。編碼該蛋白質(zhì)的基因最初有許多名稱,包括仍然很常用的“HIF-2a”。不過,該基因恰當(dāng)?shù)拿Q是EPAS1。EPAS1基因編碼的蛋白質(zhì)與HIF-1α具有高度的序列同源性,并且也能結(jié)合ARNT異質(zhì)二聚體。它與HIF-1α一樣,都對缺氧敏感,并且?guī)缀蹙哂泻虷IF-1α同樣的調(diào)節(jié)功能。
然而, HIF-1α和EPAS1之間也存在顯著的功能差異。HIF-1α基因缺失的小鼠出現(xiàn)了一個明確的表型,即中期妊娠致死性;而Epas1基因缺失則具有高度變化的表型,可能是遺傳背景的變化造成的。此外,有大量證據(jù)表明,某些缺氧反應(yīng)僅由某種對氧敏感的HIF同等型專一控制,例如,紅細(xì)胞生成似乎就主要由EPAS1控制。
HIF的調(diào)節(jié)發(fā)生在轉(zhuǎn)譯之后,且涉及VHL
由多個實驗室(包括拉特克利夫所在的實驗室在內(nèi))收集的數(shù)據(jù)顯示,HIF-1a水平本身受蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的變化調(diào)節(jié)、而非受基因轉(zhuǎn)錄或蛋白質(zhì)合成的變化調(diào)節(jié)。許多團(tuán)隊隨后進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),HIF-1a會通過“泛素-蛋白酶體”通路降解,且該過程依賴于氧氣。該研究還確定了HIF-1a中負(fù)責(zé)這類降解的特定結(jié)構(gòu)區(qū)域(名為ODD區(qū)域,即“依賴于氧氣的降解”的英文縮寫,在HIF-1a和EPAS1中均存在)。
大約在同一時期,1995年,凱林的團(tuán)隊首次發(fā)表了VHL腫瘤抑制基因的完整序列,并指出若向腎細(xì)胞癌細(xì)胞株中重新引入一種野生型VHL,便可阻止該細(xì)胞株形成腫瘤。凱林和其它多支研究團(tuán)隊一直在研究VHL基因、以及該基因與一系列對特定癌癥具有遺傳易感性的基因家族的聯(lián)系。凱林發(fā)表的論文中指出,VHL是一種腫瘤抑制基因,其活動能夠抑制VHL基因變異的患者體內(nèi)的腫瘤細(xì)胞生長。1996年,在確定VHL基因特性的過程中,凱林的團(tuán)隊與馬克·戈德伯格團(tuán)隊間的合作研究顯示,VHL變異細(xì)胞株中有許多HIF目標(biāo)基因存在過度表達(dá)。這一發(fā)現(xiàn)說明,“HIF應(yīng)答”與“VHL相關(guān)腫瘤生長”兩條通路之間可能存在一定聯(lián)系。
而在尋找能夠與VHL蛋白質(zhì)結(jié)合的物質(zhì)時,研究人員發(fā)現(xiàn)了與VHL功能有關(guān)的一條重要線索。1995年,理查德·克勞斯納與同事們、以及凱林所在的團(tuán)隊發(fā)現(xiàn),VHL會與轉(zhuǎn)錄延伸因子B和C發(fā)生相互作用。1997年,克勞斯納、W·馬斯頓·萊恩漢和同事們發(fā)現(xiàn),VHL存在于一種與Cul-2蛋白質(zhì)構(gòu)成的復(fù)合體中,這是蛋白質(zhì)泛化中涉及的一種因子。該研究發(fā)現(xiàn)隨后被凱林成功復(fù)制。由于延伸因子C和Cul-2蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)類似于Skp1和Cdc53(這兩種因子都會使特定蛋白質(zhì)在泛素作用下發(fā)生水解),這說明VHL與蛋白質(zhì)降解之間或具有某種聯(lián)系。
HIF以泛素化和被VHL水解為目標(biāo)
盡管研究人員在1996至1998年間弄清了HIF-1a和EPAS1在常氧狀態(tài)下、會通過蛋白酶體降解被迅速消除,但仍不清楚該過程在缺氧狀態(tài)下是如何受到抑制的。這里缺失的一塊拼圖便是泛素E3連接酶,研究人員懷疑該物質(zhì)與將HIF-1a確定為降解目標(biāo)有關(guān)。而在這一點上,拉克利夫和同事們在1999年取得了關(guān)鍵性突破:他們在論文中指出,VHL復(fù)合體參與了HIF-1a的水解過程。他們和其他研究人員隨后提出,VHL在這一過程中起到了識別泛素E3連接酶的作用。
此時,整幅“拼圖”還缺少關(guān)鍵的一塊:VHL與HIF-1a之間的相互作用、以及后續(xù)的HIF-1a降解究竟是如何受氧氣調(diào)節(jié)的?麥克斯維爾等人在1999年發(fā)表的論文中指出,VHL與HIF-1a之間的相互作用既依賴于氧氣、又依賴于鐵。這一發(fā)現(xiàn)促使研究人員展開了對相關(guān)機(jī)制的搜尋:既要尋找HIF-1a依賴于氧氣發(fā)生的、使之能夠與VHL相結(jié)合的化學(xué)變化,又要尋找能夠催化該反應(yīng)的酶。
此時研究人員已經(jīng)了解到,膠原蛋白中會發(fā)生依賴于氧氣的蛋白質(zhì)羥基化,且該反應(yīng)可由膠原脯氨酸-4-羥化酶調(diào)節(jié)。因此研究人員猜測,HIF-1a中殘余脯氨酸依賴于氧氣發(fā)生的羥基化或許能產(chǎn)生與VHL相結(jié)合所需的構(gòu)象變化。這一猜測隨后果然得到了證實。2001年,拉克利夫和凱林所在的實驗室同時報告稱,HIF-1a中ODD區(qū)域內(nèi)部的兩種脯氨酸殘余物依賴于氧氣發(fā)生的4-羥基化增強(qiáng)了HIF轉(zhuǎn)錄因子中VHL復(fù)合體結(jié)合的親和性。描述該現(xiàn)象的兩篇論文在2001年以“背靠背”的形式發(fā)表。
氧依賴性的開關(guān)
脯氨酸羥基化需要氧氣,由此科學(xué)家揭示了HIF-1α和EPAS1蛋白質(zhì)的翻譯后調(diào)控機(jī)制:在缺氧的情況下,羥基化不可能發(fā)生,VHL無法識別HIF-1α;正因為如此,HIF-1α不會泛素化,從而避免了被蛋白酶體降解,依然完好無損。HIF-1α逐漸積累,并激活了低氧誘導(dǎo)基因α的程序(圖1)。
拉特克利夫團(tuán)隊和 McKnight團(tuán)隊獨立確定了參與HIF-1α和EPAS1羥基化的脯氨酸羥化酶(PHD)基因。他們的論文描述了PHD基因的分離,都發(fā)表于2001年。凱林的團(tuán)隊還用生化方法分離了PHD基因,并在2002年發(fā)表了這項研究。這些羥化酶的發(fā)現(xiàn)為制造特殊的PHD抑制劑,進(jìn)而提高HIF活性提供了可能。例如,我們或許可以通過這種方法增加貧血患者的紅細(xì)胞生成素(EPO)水平。
第二個氧依賴性機(jī)制發(fā)現(xiàn)于2001年,與HIF-1α的降解無關(guān),而是為了抑制HIF-1α作為轉(zhuǎn)錄因子的活動。薩門扎的團(tuán)隊率先識別出了相關(guān)因子,稱為FIH-1(意為“抑制HIF的因子”)。FIH是一種氧依賴性的羥化酶,可以使HIF-1α和EPAS1氨基端激活域的天冬酰胺殘基(NTAD)羥基化。Murray Whitelaw和Richard Bruick發(fā)現(xiàn),這種羥基化作用會干擾p300轉(zhuǎn)錄輔助激活因子的增加。因此,通過脯氨酸羥化過程,氧氣不僅促進(jìn)了HIF-1α降解,還可以抑制任何逃脫VHL依賴性降解的HIF-1α或EPAS1的轉(zhuǎn)錄功能。因此,HIF-1α活性的氧依賴性翻譯后抑制具有兩個獨立的機(jī)制。這表明,保持合理的HIF水平,以及準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)細(xì)胞氧含量是一個非常精細(xì)的過程。
HIF調(diào)控途徑的廣泛意義
在氧依賴性機(jī)制發(fā)現(xiàn)之后,許多研究小組的工作揭示了HIF通路的穩(wěn)固性,以及HIF在調(diào)節(jié)受氧影響的基因表達(dá)中的核心作用。從發(fā)現(xiàn)最初的線索以來,薩門扎、拉特克利夫和凱林一直是該領(lǐng)域的中心人物。他們參與了進(jìn)一步闡明HIF通路的分子生物學(xué)工作,并使我們更深刻理解了缺氧反應(yīng)在健康狀態(tài)和疾病中的生理作用。
脯氨酸羥化酶的發(fā)現(xiàn)啟發(fā)了尋找羥化酶抑制劑,以提高HIF水平的研究,為藥理學(xué)開發(fā)開辟了新的途徑。事實上,一些通過抑制脯氨酸羥化酶來增加HIF功能的潛在藥物已經(jīng)進(jìn)行了很長時間的臨床試驗,最近的一系列成果也展示了這些藥物在貧血治療中的臨床療效。
抑制HIF通路的未來應(yīng)用也很有前景。我們或許可以用這些手段來減緩由VHL突變引起的某些癌癥的發(fā)展。其中之一是EPAS1功能的特異性阻滯劑,最近凱林和同事在動物模型中發(fā)現(xiàn),該阻滯劑能夠減緩VHL突變細(xì)胞的腫瘤生長。
從藥理上提高HIF的功能可能有助于治療多種疾病,因為已有研究證明,HIF對免疫功能、軟骨形成和傷口愈合等多種現(xiàn)象至關(guān)重要。另一方面,抑制HIF功能也可以有許多應(yīng)用:許多癌癥以及一些心血管疾?。òㄖ酗L(fēng)、心臟病和肺動脈高血壓)中都會出現(xiàn)HIF水平升高。這些諾貝爾獎成果的應(yīng)用很可能才剛剛開始,因為很明顯,細(xì)胞、組織和有機(jī)體對氧氣的反應(yīng)是動物最核心、最重要的生理適應(yīng)之一。