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2019-11-292019 諾貝爾生醫獎 基礎篇 從腎臟細胞發現呼吸奧秘
600 期
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許惇偉／牛津大學生物化學博士，專長為表觀遺傳學、分子生物化學。曾任職牛津大學， 目前任教於高雄師範大學生物科技系。
1978年，甫自劍橋大學（University of Cambridge）畢業的雷克里夫醫師到了牛津大學（University of Oxford）附設醫院，選擇腎臟專科，並在臨床工作之餘，也積極接觸基礎醫學研究。在腎臟的功能研究上，雷克里夫對於部分腎藏細胞能感應血液含氧量降低，進而分泌紅血球生成素（erythropoietin, EPO）的現象特別有興趣。紅血球生成素當時已知是由胎兒的肝臟細胞或成體腎臟細胞所分泌，可以刺激紅血球增生，以運送更多氧氣，克服低氧 （1％ O2）對哺乳類的影響。
為了更加了解負責製造EPO的基因 為什麼於低氧時會專一在腎臟細胞表現，雷克里夫於1989年在牛津成立自己的研究室後，便開始以分子生物學工具研究EPO基因。1991 年，他與美國科學家塞門薩幾乎在同一時間發現，EPO 基因末端的一小段約70鹼基對（base pair, bp）的DNA 序列，是低氧時控制EPO基因表現的關鍵。這段特殊序列具有典型基因增強子（enhancer）的功能，可用以增強其鄰近基因表現，這段序列後來被命名為低氧反應單元（hypoxia response element, HRE）。
當時，臨床經驗豐富的雷克里夫曾注意到，某些腎臟失能的患者依然 可以因為低氧而誘發EPO表現，這 隱約透露成人個體中被低氧誘發的基因可能不侷限於腎臟細胞。他接著發現，不論是人類或小鼠細胞中， 該特殊增強子DNA 片段（HRE） 都能在低氧時誘發鄰近基因表現， 不會只侷限於腎臟細胞中的EPO基因，因此推斷可能在哺乳類的所有細胞中都有一套用以應對低氧狀況的相似遺傳機制。
1992年夏末，雷克里夫將這個引以 為傲的發現投稿至頂尖的科學期刊 Nature，卻隔了好一陣子才接到編 輯姍姍來遲的回信，說明因該期刊篇幅有限，在綜合兩位匿名審稿人的意見後，決定拒絕刊登他上述的成果。儘管雷克里夫難掩失望，但他知道，這篇關於「多種人類與小鼠細胞株可利用相同的分子遺傳機制去反應低氧環境」的論文，已領先同行對手塞門薩，而且將人們對於細胞如何感受氧氣的研究從腎臟細胞帶入所有細胞的全新局面。也就是說，低氧反應可能是哺乳類各種細胞都會有的反應，是生物現象的重要核心問題。幾十年後，雷克里夫回憶起此發現，仍認為這是他學術生涯上最重要的突破。
接下來解開該機制的關鍵，就在於了解低氧時究竟是由哪些蛋白、透過什麼方式與這段HRE增強子結合， 進而強化相關基因的表現。可惜在數年努力後，這次由塞門薩先馳得點， 1995 年率先分離出哺乳類的兩個主 要低氧誘導因子（hypoxia induced factors, HIF），證實HIF1α與HIF1β 這兩蛋白在低氧時於細胞核中會與 HRE 結合，並牽引轉錄活化蛋白 （transcriptional activators）， 去共同活化相關反應所需的基因，腎臟細胞中的EPO基因便是因此方式而活化的典型例子，此後牽涉到細 胞低氧反應機制，便統稱HIF反應途徑。
雷克里夫隨後證實不只在哺乳類，連果蠅、線蟲中都有相似的直系同源基因（orthologous gene），這代表缺氧誘導的分子機制，是動物中普遍存在的機制，有演化上重要的地位。旋即，雷克里夫又率先把這機制引領到另一個重要的醫學領域──惡性腫瘤的癌症研究。
缺氧的惡性腫瘤
當惡性腫瘤長到一定大小時，為了克服腫瘤內部細胞需要大量氧氣與養分以持續成長的需求，腫瘤會分泌特別的蛋白質，去誘導新血管往腫瘤處增生，因此了解惡性腫瘤如何開啟誘導血管增生蛋白的相關基因，是 1990年代熱門的科學課題。
1996 年開始雷克里夫團隊陸續證明，惡性腫瘤開始增大後，便是透過 HIF啟動一系列新血管增生基因去誘導新生血管進入腫瘤，使腫瘤持續成長、惡化。隨後也發現，不少癌症也有HIF表現量過高問題， 如果能徹底明暸HIF的分子機制， 會是克服某些癌症的曙光。
HIF機制另一重要蛋白 pVHL的發現
長久以來以雷克里夫與塞門薩為主的研究團隊知道，常氧（20％ O2） 狀態下正常細胞的HIFα蛋白在被製造後會坐落於細胞質，並快速降解； 一旦環境轉到低氧，HIFα 便停止降解，進而移入細胞核以啟動相關基因。但 HIFα 蛋白在常氧環境為何會降解？常氧環境下的氧氣又如何調控HIF降解？是 HIF研究接下來的兩個關鍵謎團，這時的臨門一腳，來自美國另一個團隊。
美國科學家凱林醫師研究會併發出惡性腫瘤的馮希伯－林道症候群（von Hippel-Lindau Syndrome, VHL Syndrome）多年，在1995年找到造成該疾病的基因VHL，並證實當該基因損毀時，正常細胞便癌化。後來，凱林團隊發現常氧環境時VHL基因的產物pVHL 蛋白可以與泛素蛋白（ubiquitin）結合，並牽引泛素蛋白將HIFα 降解；反之，低氧環境中，pVHL蛋白不與HIFα 結合，沒被降解的HIFα 蛋白，便會進入細胞核，啟動應付低氧環境的相關基因。
無獨有偶，雷克里夫也在同一時間發現凱林觀察到此機制，並決定與凱林團隊共享關鍵數據，相互驗證彼此成果，最後於2001年將該重大發現共同發表在Science期刊上。兩位科學家後來成為好友，他們彼此間惺惺相惜、良性競爭的風範，也傳為佳話。……【更多內容請閱讀科學月刊第600期】