斑点鼠干货第二弹：氧感知信号研究的诺奖之路

来源：集萃药康 发布时间：2019年10月15日 浏览次数： 次 【字体：小 大】 【收藏】 【打印文章】

 

北京时间10月7日17:30， 2019年诺贝尔生理学或医学奖在瑞典卡洛琳斯卡学院（Karolinska Institute）揭晓，来自哈佛医学院的威廉·凯林（William G. Kaelin Jr）、牛津大学的彼得·拉特克利夫（Sir Peter J. Ratcliffe） 和约翰霍普金斯大学的格雷格·塞门扎（Gregg L. Semenza）共同分享了这一奖项，以表彰他们发现“细胞如何感知和适应氧气可用性”方面的贡献。值得一提的是，他们三位也因该贡献一起分享了2016年的拉斯克奖。

图一  2019年诺贝尔生理学或医学奖获奖人
图片来源：The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2019. NobelPrize.org. Nobel Media AB 2019. Tue. 8 Oct 2019.

 

那么，获得诺贝尔奖的“氧气感知通路”到底是什么？他们的研究成果为什么值一个诺贝尔奖？
 
首先，让我们回顾一下研究的主角——氧气。

众所周知，氧气约占地球大气层1/5，是地球上的动物赖以生存的必需元素。动物的一切生命活动都需要能量，能量的最主要来源是食物，而氧气则是细胞将食物营养成分转化为能量不可或缺的条件，动物细胞内的线粒体通过氧化呼吸链生成能量（1931年诺贝尔生理学或医学奖）。

历经数亿年的进化，动物早已能够适应氧气含量变化。20世纪初，Paul Carnot和其他科学家发现红细胞生成素（Erythropoietin，EPO）能够促进红细胞生成，而低氧条件能诱导EPO水平升高[1]。随后，1938年诺贝尔生理学或医学奖得主柯奈尔·海门斯（Corneille Heymans）发现颈动脉体能够感知血氧浓度，进而影响神经系统，调节呼吸频率[2]。

但是，氧气本身是如何参与这些调节的，仍然是未解之谜。
直到20世纪末，William Kaelin, Jr、Gregg Semenza及Sir Peter Ratcliffe三位科学家的工作解开了这个谜团。
Gregg Semenza及Sir Peter Ratcliffe发现人类EPO基因附近有特殊的DNA片段能够对缺氧（Hypoxia）产生响应，并且在不同的细胞类型中均存在这一机制。通过进一步研究，Semenza找到了结合上述DNA片段的蛋白，命名为缺氧诱导因子（Hypoxia-Inducible Factors，HIF），并阐明了HIF是由两个转录因子HIF-1α及 ARNT组成的复合物，且HIF以氧浓度依赖的方式与目标DNA片段结合[3, 4]。
在正常氧气水平下，细胞中的HIF-1α含量极低，HIF-1α合成后会经泛素化途径被快速降解（2004 年诺贝尔化学奖）。然而，当细胞处于缺氧条件时，HIF-1α就会在细胞中累积，结合到EPO基因（及其他HIF诱导基因）附近的DNA元件上，启动目的基因转录。
至此，氧感知通路已经初步展示在我们眼前！
但是，为什么低氧条件能够导致HIF-1α累积？氧气在这个过程中扮演了什么角色？
答案来自一个比较意外的研究方向。
当Semenza 和Ratcliffe 在研究EPO基因的转录调控时，肿瘤学家William Kaelin, Jr.正在研究一种由VHL基因突变引起的遗传病von Hippel-Lindau’s disease (VHL disease)，该疾病可导致特定肿瘤发生率增加。他意外地发现，当VHL基因功能缺失时一些低氧诱导的基因表达却异常升高，而回补功能正常的VHL基因可以逆转这一现象[5]。由此，推断VHL与低氧响应相关。最终通过实验证实，VHL与HIF-1α结合是导致HIF-1α降解的必要条件！由此建立了VHL与HIF-1α之间的联系。
VHL的加入，使得氧感知通路拼图趋于完整，但尚不能回答氧气是如何影响HIF-1α的降解过程的。
Ratcliffe等在2001年发表的两篇文章回答了这个问题：氧气含量正常时，HIF-1α的两个特定位置会被HIF-PH羟基化，此时VHL便识别并结合HIF-1α，诱导其经泛素化途径降解[5, 6]。当氧气不足时，羟基化不能正常发生，HIF-1α得以保留并进入细胞核结合目标DNA行使其转录因子的功能（图二）。

图二  氧感知通路示意图

图片来源：The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2019. NobelPrize.org. Nobel Media AB 2019. Tue. 8 Oct 2019.

至此，三位科学家的工作阐明了氧感知通路及其背后的分子机制。
前面我们已经提到，氧气是地球上的动物将食物转化为能量的必需条件，搞清楚动物机体/细胞是如何感知缺氧条件并作出相应的适应性响应，对于理解生理和病理过程非常重要。
借助Micro Array及ChIP研究，我们已经知道，在缺氧条件下HIF可以诱导1000余个基因的表达（图三）[7-9]。HIF诱导基因主要分为两类：一类负责增加氧气含量，例如促进红细胞生成的EPO，促进血管形成的VEGF；另一类负责降低氧气消耗，例如促进糖酵解的LHDA及丙酮酸脱氢酶。
此外，对氧感知通路的进一步研究也发现了以HIF为中心的上下游信号通路（图四）。HIF通路中的这些基因大部分都是正常生理过程的关键构件（如信号通路中的激酶、受体等），参与细胞增殖、存活、迁移、代谢、干性维持、血管生成、免疫逃逸等过程，它们的功能异常与多种疾病密切相关，这些基因也可作为治疗相关疾病的潜在靶点。

图三  HIF诱导表达的部分基因[10]
图片来源：Dengler, V.L., M. Galbraith, and J.M. Espinosa, Transcriptional regulation by hypoxia inducible factors. Crit Rev Biochem Mol Biol, 2014. 49(1): p. 1-15.

图四  HIF-1信号通路

图片来源：KEGG, HIF-1 signaling pathway.

事实上，基于三位科学家的开创性发现，已经有多个靶向HIF通路的药物获批上市或立项研发。例如，贫血会导致机体缺氧，造成生活质量下降甚至死亡，HIF通路的发现揭示了一个全新的治疗方向——激活HIF通路可促进EPO、VEGF等基因表达，促进红细胞或血管生成，以增加氧气摄入的方式来治疗贫血。HIF-PH是HIF-1α羟基化的关键酶，目前已经有多个HIF-PH抑制剂在研发中，2018年12月获得中国NMPA批准的1类创新药罗沙司他（roxadustat，研发代码：FG-4592），就是用于治疗因慢性肾脏病(CKD)引起的贫血的HIF-PH抑制剂[11]。

图五  HIF-PH抑制剂的作用原理[12]

图片来源：Gupta, N. and J.B. Wish, Hypoxia-Inducible Factor Prolyl Hydroxylase Inhibitors: A Potential New Treatment for Anemia in Patients With CKD. Am J Kidney Dis, 2017. 69(6): p. 815-826.

此外，许多实体肿瘤内部也是缺氧环境，HIF通路高度活化，诱导促进血管生成、肿瘤细胞增殖及免疫抑制的多个基因表达水平升高，增加肿瘤细胞的增殖、逃逸和转移。与治疗贫血的思路相反，通过抑制HIF通路，避免HIF诱导基因的激活，就可以阻止肿瘤细胞增殖、存活和迁移，从而治疗肿瘤。多个靶向HIF及其上下游蛋白的药物正在火热研发中，如拜耳公司的BAY 87-2243就是以HIF为靶点的选择性抑制剂[13]，正在I期临床试验阶段；Peloton Therapeutics公司的PT2977是HIF2α的选择性抑制剂[14]，用于治疗肾细胞癌，正在II期临床试验阶段，其临床数据也是令人鼓舞的。

表一  部分靶向HIF通路的药效研发进展

数据来源：Clinicaltrial.gov及医药魔方数据库，集萃药康整理。点击查看大图。

除了贫血和肿瘤外，靶向HIF通路的药物还用于治疗多发性硬化症、炎性肠病及肝炎等多种疾病，相关的新药研发也在进行中。我们相信，基于HIF通路，将会有更多的药物和疗法出现，造福更大的病患群体。而William G. Kaelin Jr、Sir Peter J. Ratcliffe和Gregg L. Semenza三位科学家的开创性工作，是这一切的基础，他们获得2019年的诺贝尔奖，实至名归！

当然，HIF通路相关的研究之路还任重道远，许多科学问题等待被回答，许多隐藏的新机制等待被发现。

 
 

 

参考文献
1.Carnot, P., Sur l’activité hémopoiétique du sérum au cours de la régénération du sang. Comptes rendus de l'Académie des Sciences 1906. 143: p. 384-386.
2.Bouckaert, J.J. and C. Heymans, Carotid sinus reflexes. Influence of central blood-pressure and blood supply on respiratory and vaso-motor centres. J Physiol, 1933. 79(1): p. 49-66.
3.Wang, G.L., et al., Hypoxia-inducible factor 1 is a basic-helix-loop-helix-PAS heterodimer regulated by cellular O2 tension. Proc Natl Acad Sci U S A, 1995. 92(12): p. 5510-4.
4.Semenza, G.L., et al., Hypoxia-inducible nuclear factors bind to an enhancer element located 3' to the human erythropoietin gene. Proc Natl Acad Sci U S A, 1991. 88(13): p. 5680-4.
5.Ivan, M., et al., HIFalpha targeted for VHL-mediated destruction by proline hydroxylation: implications for O2 sensing. Science, 2001. 292(5516): p. 464-8.
6.Jaakkola, P., et al., Targeting of HIF-alpha to the von Hippel-Lindau ubiquitylation complex by O2-regulated prolyl hydroxylation. Science, 2001. 292(5516): p. 468-72.
7.Schodel, J., et al., High-resolution genome-wide mapping of HIF-binding sites by ChIP-seq. Blood, 2011. 117(23): p. e207-17.
8.Xia, X., et al., Integrative analysis of HIF binding and transactivation reveals its role in maintaining histone methylation homeostasis. Proc Natl Acad Sci U S A, 2009. 106(11): p. 4260-5.
9.Manalo, D.J., et al., Transcriptional regulation of vascular endothelial cell responses to hypoxia by HIF-1. Blood, 2005. 105(2): p. 659-69.
10.Dengler, V.L., M. Galbraith, and J.M. Espinosa, Transcriptional regulation by hypoxia inducible factors. Crit Rev Biochem Mol Biol, 2014. 49(1): p. 1-15.
11.Chen, N., et al., Roxadustat for Anemia in Patients with Kidney Disease Not Receiving Dialysis. N Engl J Med, 2019. 381(11): p. 1001-1010.
12.Gupta, N. and J.B. Wish, Hypoxia-Inducible Factor Prolyl Hydroxylase Inhibitors: A Potential New Treatment for Anemia in Patients With CKD. Am J Kidney Dis, 2017. 69(6): p. 815-826.
13.Ellinghaus, P., et al., BAY 87-2243, a highly potent and selective inhibitor of hypoxia-induced gene activation has antitumor activities by inhibition of mitochondrial complex I. Cancer Med, 2013. 2(5): p. 611-24.
14.Wallace, E.M., et al., A Small-Molecule Antagonist of HIF2alpha Is Efficacious in Preclinical Models of Renal Cell Carcinoma. Cancer Res, 2016. 76(18): p. 5491-500.

HIF通路上各个基因的基因修饰小鼠（敲除、条件型敲除），无疑是HIF通路相关研究的重要资源，集萃药康于2018年启动了斑点鼠计划，旨在制作所有蛋白编码基因的flox（条件型敲除）小鼠模型，为基础科研及新药研发企业提供小鼠模型。

目前，该计划已成功建立5000余品系，为方便客户找到自己感兴趣的模型，集萃药康已经推出了以信号通路为基础的可视化搜索（GPT Pathway），让您能够以整个通路的视角去为自己的研究部署资源。哪里要鼠点哪里（点开图片识别二维码跳转链接）：

或直接按基因在品系库搜索（点开图片识别二维码跳转链接）：

斑点鼠资源库包含HIF通路相关的基因敲除小鼠模型（表二）：

表二  集萃药康HIF通路相关基因敲除小鼠模型资源
模型名称
模型类型
Hif1a-KO
Knockout (KO)
Hif1a-flox
Conditional knockout(cKO)
Epo-flox
Conditional knockout(cKO)
Epo-KO
Knockout (KO)
Edn1-flox
Conditional knockout(cKO)
Hk1-flox
Conditional knockout(cKO)
Nos2-flox
Conditional knockout(cKO)
Slc2a1-flox
Conditional knockout(cKO)
Vegfa-flox
Conditional knockout(cKO)
Edn1-KO
Knockout (KO)
Hk1-KO
Knockout (KO)
Nos2-KO
Knockout (KO)
Slc2a1-KO
Knockout (KO)
Vegfa-KO
Knockout (KO)

 

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