深度解读诺贝尔生理学奖细胞是如何感知并适应环境氧含量的

2019-10-08 作者:责任编辑NO。石雅莉0321
昨日咱们现已给咱们浅显地介绍了一下2019年诺贝尔生理学或医学奖,可戳下方蓝字回忆。今日,果壳持续带你深化了解细胞是怎样感知

昨日咱们现已给咱们浅显地介绍了一下2019年诺贝尔生理学或医学奖,可戳下方蓝字回忆。

今日,果壳持续带你深化了解细胞是怎样感知并习惯环境氧含量的。

2019年诺贝尔生理学或医学奖颁发了小威廉·G·凯林(William G. Kaelin Jr.)、彼得·J·拉特克利夫爵士(Sir Peter J. Ratcliffe)和格雷格·塞门扎(Gregg L. Semenza)。自现代生物学面世以来,人们便现已了解生命需求用氧气来坚持这一现实。可是,经过此次获奖的研讨,咱们才第一次知道了细胞习惯氧气供给改动的分子机制。

当动物细胞周围的氧气水平发作改动时,其基因表达就会发作根本性的改动。基因表达的这些改动会改动细胞代谢,构成安排重建,乃至导致心率和通气量添加等机体反响。

在20世纪90年代初期的研讨中,格雷格·塞门扎发现了一种调理这些氧依靠性反响的转录因子,并在1995年纯化和克隆了它。他将这种因子称为HIF,即缺氧诱导因子(Hypoxia Inducible Factor),并证明它由两个部分组成:一个是新发现的,对氧气灵敏的部分,HIF-1α;另一个是从前已知的,恒常表达且不受氧调理的蛋白ARNT。小威廉·G·凯林于1995年起从事希佩尔-林道综合征(VHL,von Hipple-Lindau)肿瘤按捺基因的研讨,别离出该基因的第一个全长克隆后,他证明,该基因可以按捺VHL骤变致瘤细胞系中的肿瘤成长。尔后,拉特克利夫爵士于1999年证明了VHL和HIF-1α之间存在相互效果,且VHL调理了HIF-1α的翻译后和对氧灵敏的降解。最终,凯林和拉特克利夫爵士的研讨组一起发现,VHL对HIF-1α的调理取决于HIF-1α的羟基化,这是一种共价润饰,其本身依靠于氧。

获奖现场 | 东方IC

三位获奖者的一起努力证明,基因表达对氧改动的反响与动物细胞中的氧水平直接相关,这使得机体可以经过HIF转录因子的效果,当即发作细胞反响以习惯氧合效果。

氧气与动物的生命

18世纪70年代初期,瑞典科学家卡尔·舍勒(Carl Scheele)依据核算发现,大约有四分之一的空气是他所说的“火气”,也便是大气中能让物质焚烧的成分。这一发现最总算1777年宣布。根本上在同一时刻的英格兰,约瑟夫·普里斯特利(Joseph Priestley)也找到了一种净化这种曾经不知道的气体的办法,他称其为“脱燃素空气”。同一时刻,安托万·拉瓦锡(Antoine Lavoisier)在巴黎进行了别离该物质的实验,而且赋予了它咱们今日所熟知的姓名:氧气。

空气成分 | 图虫构思

氧气关于动物的生命是必需的,氧化反响运用氧气使食物中的营养物质转化为腺苷三磷酸(ATP)。的确,依据可运用的氧气量校准细胞条件是操控代谢的要害。早在一个多世纪前,人们就现已发现了这一点,例如,1858年,路易·巴斯德(Louis Pasteur)第一个证明动物细胞中氧气的运用存在杂乱的平衡,而且细胞运用多种途径来结束能量转化。75年曾经,曾有两项诺贝尔奖与动物的氧感知机制有关:1931年,奥托·沃伯格(Otto Warburg)因其发现触及细胞呼吸的酶促根底而获奖;1938年,柯奈尔·海门斯(Corneille Heymans)发现了神经体系在对氧气的呼吸反响中的效果。可是,在整个20世纪的大部分时刻里,人们都还不清楚在基因表达的水平上,机体是怎么调理对氧通量的习惯性的。

对氧气改动的习惯性

在简直一切的动物细胞里,快速应对和习惯氧含量改动的才能都是十分必要的。关于演化进程的分子分类学研讨清楚标明,当细胞开端将本身安排成多细胞的三维结构时,这种应对氧通量改动的反响,就不再仅仅单个细胞内代谢习惯的自主反响,它还让杂乱的生理反响得以开展。细胞需求经过许多自主性途径来习惯氧气水平的改动,尤其是经过调理本身的代谢速率。当从安排与器官水平查看这种反响时,科学家发现,多细胞生物需求重塑安排,以习惯改动了的氧气水平(例如在创伤后从头构建脉管体系);也需求调整整个生物体,以补偿氧合效果的改动(例如,运动或许处于高海拔时,通气反响会添加)。

举个比方:当人处于高海拔时,肾脏中有专门的细胞可以感触血液中氧气水平的改动,然后制作和开释促红细胞生成素(EPO)。这种激素可以激活骨髓中的红细胞组成。红细胞浓度添加可以协助咱们习惯于更低的氧气分压

动物或许会露出于低氧环境,但重要的是,氧气水平在安排中也各不相同。动物安排中的氧气水平在空间上和时刻上都有改动;而且,不论是正常的生理事情(例如,骨骼肌用力时,可用的氧气量下降),仍是像癌症及感染这样的病理进程,这种改动都会发作。20世纪七八十年代的研讨清楚标明,这些部分的、暂时的氧气分压改动,经过改动基因转录,调理细胞和安排中重要的习惯反响。这些基因调理反响可以改动细胞代谢,而且操控根底的发育、再生、防护进程,包含血管生成、炎症等许多个方面。

动物细胞感知不同氧气浓度的才能,以及随之而来的对基因表达方式的重塑,关于简直一切动物的生计都至关重要。由这些途径所操控的氧气激活信号通路,可以影响至少300个散布于各式各样调控网络中的基因。这些分子通路浸透于许多的生理进程之中,从器官发育和代谢稳态,到安排再生和免疫,规模极广;而且,这些通路在许多疾病中都扮演了重要的人物,包含癌症。

氧气与红细胞的生成反响

任何对动物生命具有深远含义的信号通路,简直必定会触及许多层次的精密调理,也必定会具有许多与其他分子通路的交叉点,氧反响通路也不破例。因而意料之中的是,此次获奖效果在当年宣布之后,关于氧反响调控的分子细节也并未就此结束。相反,这几个要害发现打开了整个范畴的局势,导致了相关作业的爆炸性开展,提醒了氧通量反响背面的巨大而杂乱的分子机制。

图 | 图虫构思

三位诺奖取得者的根本发现,都是围绕着缺氧诱导因子(HIF)转录因子的效果打开的。这个因子的发现起源于1986年至1987年间许多人的作业,他们发现,缺氧导致肾脏中的促红细胞生成素(EPO)转录表达添加。而这一发现的本源又可以往上追溯到1882年,法国生理学家保罗·伯特(Paul Bert)初次证明了缺氧会发生心血管效应,也初次证明,露出在高海拔环境会添加红细胞数量

缺氧诱导分子的别离

一旦人们意识到EPO基因会被缺氧诱导出转录反响,下一步便是确认 EPO 基因调控区中对氧灵敏的 DNA 序列是哪一段。格雷格·塞门扎决议用转基因小鼠来寻觅EPO 基因的转录调控元件,将人EPO 基因周围不同长短的DNA片段克隆进小鼠体内。他和搭档首要证明,一个包含EPO编码序列在内的4000碱基对区域,再加上5'和3'两头的一些短的侧翼序列,能导致一切转进这些基因的安排生产EPO,并引起EPO添加,然后引发红细胞增多症。他们接下来又证明,一个更长的EPO基因结构,其5'端有6000碱基对的侧翼序列,能在肾脏中诱导 EPO 表达。这项研讨指出,EPO 对氧气的反响遭到杂乱的转录调控,其间有正调理因子,也有负调理因子

仅仅一年后,在1991年,塞门扎就宣布了别的两项研讨,添加了关于 EPO 基因调控的重要信息。(1)一项DNA水解酶超敏区域的研讨找到了 EPO基因 3'端的侧翼序列中的一个小区域,该区域能结合多个核因子,至少有两个核因子能被贫血在肝脏和肾脏中诱导发生;在体外瞬时表达实验中,相同是这个小区域起着缺氧诱导增强因子的效果。(2)另一项研讨进一步确认了 EPO 在转基因模型中的转录调控。大约在同一时刻,彼得·J·拉特克利夫爵士和杰米·卡罗(Jaime Caro)的实验室的作业标明,EPO基因的3'端存在着起顺式效果的 DNA 元件,该元件转染体外培育的肝癌细胞后,能赋予细胞感触氧气的才能。

上面所说的研讨作业指引塞门扎在1992年判定出了EPO基因3 端上一段大约有50个碱基对的增强子,在体外培育的细胞中,它可以用来诱导缺氧诱导陈述基因的表达。这个增强子,塞门扎称之为缺氧反响元件(HRE),它可结合肝癌细胞中的数种核因子:一个对错诱导性的,另一个则与低氧环境有关。因而,后边的一种因子被塞门扎称为“缺氧诱导因子”(HIF)

图 | 图虫构思

拉特克利夫与塞门扎证明,EPO基因3’端的增强子在许多品种的哺乳动物细胞中都可以驱动缺氧诱导的陈述基因表达。这标明,EPO基因相关的供氧调理背面的分子机制在各式各样的细胞中都很活泼,这一发现展示了这种新因子或许是氧含量感知一起的细胞机制中的一部分。

缺氧诱导HIF的进程可以在许多类型的哺乳动物细胞中观察到,而不仅仅是肾脏和肝脏中那些发生促红细胞生成素的细胞。这一点让许多科学家发生了爱好。HIF的发现提示,代谢习惯和呼应含氧量改动的安排重构背面或许存在一个通用的分子机制

此刻,塞门扎采纳生物化学办法从很多细胞提取物中纯化了这个蛋白质。作为纯化进程中的功用测定,他用“电移位切实验”测试了EPO基因3’端的增强子。纯化蛋白的氨基酸序列剖析以及随后的cDNA克隆显现,HIF本身是异源二聚体,由两个不同基因的产品组成。其间第一个成分是HIF因子对氧灵敏的部分,被塞门扎命名为HIF-1α;第二部分来自一个恒常表达的基因,一开端它被称为HIF-1b,直到依据显现这个成分其实此前就现已被克隆和描绘过,它叫芳香烃受体核转位因子(ARNT)。ARNT蛋白可与其他数种因子结合,而且鉴于它的表达与氧含量无关,很快科学家们便确认HIF-1α是调理HIF氧含量反响性的要害

HIF宗族扩张

一个与HIF-1α高度相关的蛋白于1997年被4个不同研讨组独立克隆出来;一开端它有好几个姓名,包含至今仍在遍及运用的HIF-2α。不过这个基因的正式定名是EPAS1。EPAS1基因编码一个与HIF-1α有高水平序列同源性的蛋白,并也作为异质二聚体和ARNT结合。它相同有HIF-1α对低氧条件的灵敏性,而且本质上和下述HIF-1α有一切相同的调控方式。

可是HIF-1α和EPAS1在功用上有重要差异。删去HIF-1α的小鼠引发了一个清晰表型(妊娠中期致死),但删去Epas1基因则会引发多种不同表型,或许是由于遗传布景不同。此外,很多依据标明,有些低氧呼应机制是由二者之一独自操控的;例如,红细胞生成主要是由EPAS1操控的。

HIF调理是转录后调理,且VHL参加其间

包含拉特克利夫团队在内,多个实验室取得的数据标明,HIF-1α本身的水平是经过改动蛋白质稳定性完成的,而非经过基因转录改动或蛋白质组成。多个研讨组进一步提醒,HIF-1α经过泛素-蛋白酶通路降解,这一办法是氧依靠的。这一作业还发现了HIF-1α的特定结构域是其氧依靠降解的原因(这个结构域简称ODD区,在HIF-1α 和EPAS1中均有表达)。

当氧含量低(缺氧)的时分,HIF-1α被保护住不会降解,并在细胞核里集合。它和ARNT相效果,并结合到特定DNA序列的缺氧调控基因(HRE)上(1)。在正常的氧气水平下,HIF-1α会由蛋白酶体快速降解(2)。氧气经过为HIF-1α添加羟基(OH)调控了这一降解进程(3)。然后VHL蛋白就可以辨认HIF-1α并组成一个复合体,依据氧气浓度决议是否使它降解。丨诺贝尔奖官网

大约此刻——1995年,凯林团队宣布了第一个VHL肿瘤按捺基因的全长序列,并证明将一个野生型VHL转入一个肾癌细胞系能阻挠细胞系构成肿瘤。凯林和许多其他研讨组研讨了VHL基因及其与宗族癌症易理性的相关。凯林的论文标明,VHL是一种癌症按捺基因,激活这个基因可按捺VHL骤变患者的肿瘤成长。1996年,在描绘VHL基因的进程中,凯林和马克·戈德伯格(Mark Goldberg)研讨组合作证明,多个HIF靶向基因在VHL骤变细胞系中过表达。这一发现标明,两种通路(HIF呼应和VHL相关肿瘤发作)以某种方式相关。

下一个和VHL功用相关的重要头绪是辨认出VHL蛋白的结合伴侣。凯林小组和其他研讨者在1995年发现,VHL能和转录延伸因子B和C相互效果。1997年,有科学家发现,VHL是一个复合物的成分,该复合物里还有Cul-2蛋白——蛋白质泛素化的一个重要因子。这一发现之后被凯林复现。由于延伸因子C和Cul-2在结构上和Skp1、Cdc53有相似之处,然后两者都已知会针对特定蛋白质构成泛素相关的蛋白质降解,因而这些发现显现出了VHL和蛋白质降解之间的或许联络。

VHL导致HIF成为泛素化和降解的方针

1996~1998年间,人们清晰知道了HIF-1α和EPAS1在正常氧浓度下会经由蛋白酶体降解敏捷消除。可是仍然不知道为什么在缺氧条件下这一降解进程会被按捺。拼图缺失的一块在于符号HIF-1α降解的泛素E3连接酶。在这个问题上,拉特克利夫等人于1999年作出了要害的打破,在一篇里程碑式的论文里,他们标明,VHL复合物和HIF-1α的降解相关。接下来,他们和其他人标明,VHL在这一进程中是泛素E3连接酶复合物的辨认成分。

拼图最终的重要一片是VHL和HIF-1α的反响以及下一步的HIF-1α分化怎么受氧气调控。重要的是,1999年的一篇论文指出,VHL和HIF-1α反响需求有氧和铁存在。这一发现敞开了对反响机理的查找:一方面是HIF-1α要经过怎样的需求氧的化学润饰,才能让VHL结合上去;另一方面是什么酶能催化这一反响。其时,已知在胶原蛋白中会呈现需求氧气的蛋白羟基化,并已知遭到胶原蛋白脯氨酸-4羟基化酶调控。因而,人们置疑HIF-1α中脯氨酸基团的羟基化这一需求氧的反响或许会带来VHL结合所需的构象改动。现实也证明如此。2001年,拉特克利夫和凯林的实验室一起陈述,HIF-1α的ODD结构域中两个脯氨酸基团的4-羟基化这一需氧反响添加了VHL复合物对HIF转录因子的亲和度。这两篇文章是简直一起宣布的。

氧依靠性的开关

脯氨酸羟基化反响需求氧气,这一现实提醒了HIF-1α和EPAS1蛋白质的翻译后调控机制:缺氧时,不发作羟基化,VHL无法辨认HIF-1α,因而HIF-1α不会被泛素化,然后避免了被蛋白酶体降解,坚持完好。成果HIF-1α得以堆集,转录激活缺氧诱导的基因α程序(见下图)。

拉特克利夫组和另一个研讨组独立确认了参加羟基化HIF-1α和EPAS1的脯氨酰羟化酶(PHD)基因;这些宣布于2001年的论文描绘了别离PHD基因的进程。凯林小组也别离出PHD基因,但运用的是生物化学办法,并在2002年宣布了这项研讨。这些羟化酶的判定为制作特别的PHD按捺剂然后添加HIF的活性供给了或许性,例如,添加贫血患者的促红细胞生成素水平。

第二个氧依靠性机制是在2001年发现的,此机制不是为了降解HIF-1α,而是为了按捺HIF-1α作为转录因子的活性。塞门扎和他的团队是第一个辨认出相关因子的,将其称为FIH-1,意思是“按捺HIF的因子”。FIH也是一种氧依靠性的羟化酶,这次是担任羟基化HIF-1α和EPAS1的N-结尾激活域(NTAD)傍边的天冬酰胺残基。有研讨者发现,这种羟化效果能搅扰p300转录辅佐激活因子的征集。这样,氧不只经过其氧依靠降解域的脯氨酰羟基化促进了HIF-1α降解,如果有HIF-1α或EPAS1躲开了依靠VHL降解的命运,氧仍然能按捺它们的转录功用。因而,HIF活性关于氧依靠性转录后按捺不是有一个,而是有两个独立的机制。这标明,经过细胞氧水平调理,坚持HIF水平的恰当性、准确性是十分精密的进程。

HIF调控通路的宽广含义

从那以后,许多研讨小组的作业显现了HIF通路的坚实效果,以及它在调理受氧影响的基因表达中的中心位置。自从三位获奖者最早的开拓性发现以来,他们一直是这个范畴的核心分子。他们参加了HIF通路分子生物学的进一步说明,并增进了咱们对缺氧反响在健康和疾病中所起的生理效果的了解。

调理HIF-1α稳定性的脯氨酸羟化酶被发现后,人们就致力于寻觅各种能进步HIF水平的羟化酶按捺剂; 这拓荒了一整条药物发现的新通路。现实上,一些经过按捺脯氨酸羟化酶来进步 HIF 功用的潜在药物,现已在临床实验中走得适当远了,最近的一系列论文证明了它们在医治贫血方面的临床效果。

按捺HIF通路,未来也或许有很宽广的使用。人们想象,有些癌症是由于VHL骤变引起,而按捺 HIF 通路或许能成为推迟这些癌症恶化的手法。其间一种是EPAS1功用的特异性阻断剂,凯林和搭档最近陈述说,在动物模型中,这可以减缓VHL骤变细胞的肿瘤成长。

经过药物提高HIF功用,或许有助于医治一系列疾病,由于HIF对许多生理进程都必不可少,比方免疫功用、软骨构成和创伤愈合。从不和来说,按捺HIF功用也有许多使用:HIF 水平的添加可见于许多癌症以及一些心血管疾病,包含卒中、心脏病发作和肺部高压。因而,现在很或许仅仅本届诺贝尔奖发现被使用的开端,由于很明显的现实是,细胞、安排和生物体对氧气的反响,是动物所具有的最重要的生理习惯之一

翻译:八云,麦麦,游识猷,窗敲雨,钟与氏darla,antares,木易杨杨

校正:odette Ent

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