有望对抗贫血、癌症?精妙揭示氧感知通路

2019107日,瑞典卡罗林斯卡医学院宣布,将分别授予来自哈佛医学院达纳-法伯癌症研究所的威廉· 凯林(William G. Kaelin)、牛津大学和弗朗西斯·克里克研究所的彼得·拉特克利夫(Sir Peter J. Ratcliffe)以及美国约翰霍普金斯大学医学院的格雷格·塞门扎(Gregg L. Semenza)三位学者2019年诺贝尔生理学或医学奖,并颁发金质奖章、证书和900万瑞典克朗(约合人民币650万元)奖金,以表彰他们在“细胞如何感知并适应氧气供应("for their discoverys of how cells sense and adapt to oxygen availability")”方面的突出贡献。

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众所周知,每一份诺贝尔奖证书均由瑞典、挪威最为卓越的艺术家、书法家匠心创作,每一份奖章上都刻有一句拉丁文,其大意为“新发现使生命更美好”。那么,2019年诺贝尔生理学或医学奖得主有何“超能力”?

评奖委员会一致表示,动物需要氧气才能将食物转化为有用的能量,虽然数百年来人们已了解氧气的基础性重要作用,但对细胞如何适应氧气水平变化知之甚少。William G. KaelinSir Peter J. RatcliffeGregg L. Semenza三位科学家发现了“细胞如何感知和适应不断变化的氧气供应”,并确认了“能够调节基因活性以适应不同氧气水平的分子机制”。他们的开创性研究成果“揭示了生命中一个最基本的适应性过程的机制”,为人们理解氧气水平如何影响细胞新陈代谢和生理功能奠定了基础。

那么,细胞究竟如何感知和适应不断变化的氧气供应?

1991年,Gregg L.Semenza作为第一作者在PNAS发表了一篇题为“Hypoxia-inducible nuclear factors bind to an enhancer element located 3' to the human erythropoietin gene”的论文(诺奖委员会的第1篇参考文献),文章指出,通过DNase I超敏感位点研究(当某基因处于活跃转录状态时,含有这个基因的区域对于脱氧核糖核酸酶DNase I的敏感性要比无转录活性区域高百倍以上)找到了4个或者多个不同的核因子,并发现了至少有两个是在肝脏和肾脏的贫血或缺氧条件下诱导的[1]。这些发现对于随后找到关键的低氧诱导因子具有重要的意义,这种因子当时被命名为“Hypoxia-inducible factors”。

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1991-1995年期间,Gregg L.Semenza及其团队进行了大量的相关工作,包括1993年在JBC上发表文章(被引超过1000次),指出HIF-1DNA结合的活性相关研究[2],而同年发表在PNAS的文章则证明了HIF-1在低氧诱导的情况下识别序列在不同类型的哺乳细胞中具有一致性[3]。此外,Peter J.Ratcliffe团队利用瞬时基因转染的报告基因系统偶联到促红细胞生成素基因EPO 3'的转录增强子,结果显示氧气感知系统在哺乳动物细胞中广泛存在,而不限于肾脏和肝脏细胞亚群。1994Peter J.Ratcliffe团队研究发现了在低氧诱导情况下,糖酵解过程中的重要基因磷酸甘油酸激酶PGKphosphoglycerate kinase)和乳酸脱氢酶LDHAlactate dehydrogenase A)也出现了类似于EPO基因被诱导表达的情况。换言之,HIF-1不仅仅在机体水平上负责调控缺氧的适应,而且在细胞水平上参与调解糖酵解的速率。1995年,Gregg L.Semenza团队发表在JBC上的文章(被引超过2100次)明确提出,HIF-1主要以异二聚体形式存在,主要由120 kDaHIF-1α和91-94 kDaHIF-1β组成[4]

作为一种关键的调控蛋白,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。而在富氧环境中,这一蛋白又会被降解,这一背后蕴藏着怎样的机制?

作为一位临床医生,William G. Kaelin 正在研究一种叫做希佩尔-林道综合征(VHL disease)的癌症综合征。并发现在典型的VHL肿瘤里,经常会形成异常的新生血管、较多的VEGF与促红细胞生成素。1995年,William G. Kaelin研究报道了VHLElongin BElongin CCUL2形成复合物,暗示了VHL/Elongin/CUL2复合物有可能起到泛素连接酶的作用。1996年(HIF-1正式被鉴定后的第二年),William G. Kaelin团队研究发现,VHL蛋白可以通过氧依赖的蛋白水解作用负性调节HIF[5]

1999Peter J.Ratcliffe团队进一步确定了VHL蛋白是一个蛋白复合物的成分之一,蛋白复合物和SCFSkp1/Cdc53 or Cullin/F-box)这一大类泛素连接酶非常相似,HIF-1α的降解需要VHL蛋白参与[6]William G. Kaelin教授也随之证明,VHLHIF-1α会直接结合。随后,诸多研究证明,在富氧的环境下,VHL会结合HIF-1α,并指导后者的泛素化降解。

那么,在有氧气的情况下,VHL如何降解HIF-1

2001年,William G. Kaelin组和Peter J.Ratcliffe以“背靠背”的形式在Science杂志上发表研究报道,HIF-1α在氧气存在的情况下多肽上的脯氨酸进行了羟基化作用,而且VHL正是特异性的结合了羟基化的HIF-1α,才导致了HIF-1α被降解[7,8]

又是什么因素在控制HIF-1α发生氧依赖性的羟化反应?2001年,Peter J.Ratcliffe团队、Steve McKnight团队、William G. Kaelin团队先后报道了催化HIF-1α发生羟化反应的酶[9-11]。此外,2002Lando D团队还报道了发生在天冬氨酸残基上的羟化反应可以阻止HIF-1α招募转录共激活因子[12]。简言之,这双重保证了细胞内的HIF-1α可充分被降解。

在不同氧气浓度下,细胞会做出精细反应并进行适应性的调节,对于生物感知氧气通路的精妙揭示,评奖委员会强调:2019年的获奖成果为人类开发出“有望对抗贫血、癌症以及许多其他疾病的新策略铺平了道路”。

 

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参考文献

[1] Semenza, G.L, Nejfelt, M.K., Chi, S.M. & Antonarakis, S.E. (1991). Hypoxia-inducible nuclear factors bind to an enhancer element located 3’ to the human erythropoietin gene. Proc Natl Acad Sci USA, 88, 5680-5684

[2] Wang, G. L., & Semenza, G. L. (1993). Characterization of hypoxia-inducible factor 1 and regulation of DNA binding activity by hypoxia. Journal of Biological Chemistry, 268(29), 21513-21518.

[3] Wang, G. L., & Semenza, G. L. (1993). General involvement of hypoxia-inducible factor 1 in transcriptional response to hypoxia. Proceedings of the National Academy of Sciences, 90(9), 4304-4308.

[4] Wang, G. L., & Semenza, G. L. (1995). Purification and characterization of hypoxia-inducible factor 1.Journal of Biological Chemistry, 270(3), 1230-1237.

[5] Iliopoulos O,Levy A P,Jiang C,et al.Negative regulation of hypoxia-inducible genes by the von Hippel-Lindau protein.Proc Natl Acad Sci USA,1996,93:10595-10599

[6] Maxwell P H,Wiesener M S,Chang G W,et al.The tumour suppressor protein VHL targets hypoxia-inducible factors for oxygen-dependent proteolysis.Nature,1991,399:271-275

[7] Jaakkola, P., Mole, D. R., Tian, Y. M., Wilson, M. I., Gielbert, J., Gaskell, S. J., ... & Maxwell, P. H. (2001). Targeting of HIF-α to the von Hippel-Lindau ubiquitylation complex by O2-regulated prolyl hydroxylation. Science, 292(5516), 468-472.

[8] Ivan, M., Kondo, K., Yang, H., Kim, W., Valiando, J., Ohh, M., ... & Kaelin Jr, W. G. (2001). HIFα targeted for VHL-mediated destruction by proline hydroxylation: implications for O2 sensing. Science, 292(5516), 464-468.

[9] Epstein A C,Gleadle J M,Mc Neill L A,et al.C.elegans EGL-9 and mammalian homologs define a family of dioxygenases that regulate HIF by prolyl hydroxylation.Cell,2001,107:43-54

[10] Bruick, R. K., & McKnight, S. L. (2001). A conserved family of prolyl-4-hydroxylases that modify HIF. Science, 294(5545), 1337-1340.

[11] Maxwell P H,Wiesener M S,Chang G W,et al.Biochemical purification and pharmacological inhibition of a mammalian prolyl hydroxylase acting on hypoxia-inducible factor.Proc Natl Acad Sci USA,2002,99:13459-13464

[12] Lando D,Peet D J,Gorman J J,et al.FIH-1 is an asparaginyl hydroxylase enzyme that regulates the transcriptional activity of hypoxia-inducible factor.Genes Dev,2002,16:1466-1471