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揭开细胞与氧气“互动”的神秘面纱

2019-10-08 09:57:56  来源:新华网

氧气是我们生命活动的第一需要。早在几世纪前,人类就意识到了氧气的重要作用,但是细胞如何适应变化的氧气水平长久以来仍是“未知数”。来自美国和英国的三名科学揭开了细胞如何与氧气“互动”的神秘面纱,并因此获得2019年诺贝尔生理学或医学奖。

评奖委员会说,美国科学家威廉·凯林、格雷格·塞门扎以及英国科学家彼得·拉特克利夫的研究成果“揭示了生命中一个最基本的适应性过程的机制”,为我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。这一发现也为人类开发“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”。

挪威诺贝尔委员会成员兰达尔·约翰逊评价说,这真正是一个“教科书级别的发现”。

在漫长进化过程中,人类和其他动物演化出一套确保向组织和细胞充足供氧的机制。例如,人类颈动脉体中就含有感知血氧水平的特殊细胞。1938年的诺贝尔生理学或医学奖就授予相关研究,当年获奖研究揭示了颈动脉体在感知不同血氧水平后,是如何与大脑交流从而调节呼吸频率的。

除了颈动脉体对呼吸的调控机制,动物对供氧还有更为基本的生理适应机制。比如红细胞可为身体各组织运送氧气,缺氧情况下,一个关键生理反应是体内名为促红细胞生成素(EPO)的激素含量上升,从而刺激骨髓生成更多红细胞以运送氧气。自上世纪90年代起,拉特克利夫和塞门扎就开始探索这一现象背后的机制。

二人都研究了EPO基因与不同氧气水平的“互动”机制,最终发现了在低氧环境下起到“调控器”作用的关键蛋白质——缺氧诱导因子(HIF)。HIF不仅可以随着氧气浓度改变发生相应改变,还能调控EPO表达水平,促进红细胞生成。塞门扎探明了HIF实际上包含两种蛋白质,分别为HIF-1α和ARNT。

科学家们还发现,当氧气水平上升时,体内HIF-1α数量会急剧下降。它是如何在富氧环境下被降解的呢?

正是肿瘤专家凯林在研究一种罕见遗传性疾病——希佩尔-林道(VHL)综合征时,解开了这一谜团。他的研究也因此与上面两名科学家的研究联系到一起。凯林发现,VHL综合征患者因VHL蛋白缺失饱受多发性肿瘤之苦。典型的VHL肿瘤内常有异常新生血管,这可能与氧气调控通路有关。在后续研究中,他又发现,正是VHL蛋白通过氧依赖的蛋白水解作用,负向调节了HIF-1α。

揭示细胞的氧气调控通路,不仅具有基础科研价值,还有望带来疾病新疗法。比如,调控HIF通路将有助于治疗贫血;而降解HIF-1α等相关蛋白有可能抑制血管生成,从而有助对抗需要新生血管供养的恶性肿瘤。

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