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2019-11-292019 諾貝爾生醫獎 進階篇 破解細胞感測氧氣與缺氧調節之謎 600 期

Author 作者 賴銘志/長庚大學生物醫學系助理教授及林口長庚醫院大腸直腸肛門外科助理研究員,主要研究大腸癌細胞在缺氧環境下的轉譯調控機制。

動物細胞需要氧氣才能進行代謝及呼吸作用產生能量(adenosine triphosphate, ATP),所以人們已經非常清楚氧氣對於生命的重要性。然而,關於細胞及組織如何偵測外界環境氧氣不足或缺氧(hypoxia) 及細胞如何適應缺氧壓力的機制, 則尚未十分了解。獲得今(2019) 年諾貝爾生理學或醫學獎的塞門薩、雷克里夫及凱林三位學者,就是發現人類及動物細胞如何感測氧氣濃度變化的分子機制,並利用此機制調節基因表現來適應缺氧的壓力。
 

起源自紅血球生成素的研究

一般來說,身體在缺氧時會引發一連串的生理反應來維持體內氧氣恆定(oxygen homeostasis),這些反應包括增加調節血管張力(vascular tone)、血管新生(angiogenesis) 及紅血球生成(erythropoiesis) 來提高氧氣的運輸能力,或藉由改變細胞代謝、細胞生長及細胞凋亡 (apoptosis)來降低氧氣消耗。人們到高海拔山區因為氧氣較少的緣故,常會有呼吸急促、頭暈目眩的症狀,嚴重時可能發生肺、腦水腫, 甚至導致死亡。1890年左右,已經有人注意到當人處於高海拔一段時間之後,血液中紅血球的數量會增加,因為缺氧會增加紅血球生成素 (erythropoietin, EPO)的分泌, 進而刺激紅血球生成。1977 年,人類EPO蛋白才被純化出來。1985年,人類EPO基因被選殖(cloning)出來,這些研究成果促使後來成功以基因工程技術生產人類EPO重組蛋白, 用以治療貧血症(anemia)。


發現缺氧誘導的關鍵因子HIF-1

1980年代以前,生理學家已經知道腎臟皮質(renal cortex)會分泌EPO 激素來調節紅血球的數量,但是尚未了解缺氧如何誘導EPO的表現。 EPO的發現支持氧氣濃度感測機制的存在,因此,塞門薩和雷克里夫分別 投入EPO調控機制的研究。1986 年時,塞門薩在美國約翰霍普金斯大學 (The Johns Hopkins University) 醫學院擔任博士後研究員,他先建立一隻帶有人類EPO 的基因轉殖小鼠,讓小鼠體內產生較多的紅血球。 1991年,塞門薩發現人類EPO 基因的下游有特定DNA 片段,參與缺氧誘導表現(hypoxia-inducible expression)。

於此同時,雷克里夫在英國牛津大學也開始探索EPO的調控機制,同樣在1991 年也發現小鼠EPO 基因的下游區域也參與缺氧誘導表現, 這個調控區域被稱為HRE,雷克里夫進一步發現感測氧氣濃度的機制普遍存在於不同的細胞及組織中。 此後,塞門薩致力於找尋HRE的細胞核內結合因子,並在1992年發現缺氧誘導因子1(hypoxia-inducible factor-1, HIF-1)可能調控EPO基因表現。

1995 年,塞門薩純化出HIF-1 蛋 白,並成功選殖出HIF-1基因,他 發現HIF-1 是由兩個次單元(HIF1α 與 HIF-1β)所組成的蛋白質複 合物,其中只有HIF-1α 會對氧氣 敏感而HIF-1β 則不受氧氣影響。1996~1997 年這段時間,塞門薩和 雷克里夫分別證明HIF-1α及 HIF1β 對於缺氧誘導表現的重要性,也更清楚這兩個蛋白質的功能及調控 區域(functional and regulatory domain)。另一方面,他們也個別找到更多缺氧誘導基因包括PGK1、 GLUT1、ALDOA、ENO1、PFK1、 PDGFA/B、PLGF、TGFB1 及 VEGF,這些基因主要作用於糖解 (glycolysis)及血管新生,其調控 方式與EPO 基因相似,因此得知 HIF-1 在缺氧時是誘導糖酵解及血管新生的關鍵因子。

揭開VHL的神祕面紗 雖然已知HIF-1α 蛋白對氧氣很敏感,在缺氧時會增加表現量,但仍不清楚它的調控機制,為何在氧氣充足時幾乎無法偵測到HIF-1α 蛋白?想解開此謎題,就要歸功於凱林在馮希伯-林道症候群的研究了。凱林是一位腫瘤學家,主要研究為腫瘤抑制基因(tumor suppressor gene)。
1993 年,他剛成立屬於自 己的實驗室,便開始研究馮希伯-林道症候群,這是一種罕見遺傳疾病,主要病灶是在小腦、脊髓、腎臟及視網膜常會出現血管母細胞瘤 (hemangioblastoma)。凱林發現 VHL 基因突變的腫瘤會分泌較多 EPO 刺激血管新生,類似缺氧的情況,且在缺少VHL 的腎臟細胞內,GLUT1、PDGFB 及 VEGF 的表現不會對氧氣敏感,因此,認為研究VHL 蛋白有助於了解細胞感測缺氧的機制。

接下來的工作,就是如何將VHL與 HIF-1連接起來。1997年,有人證 明HIF-1α及HIF-1β的mRNA表現量不受氧氣影響,因此推測HIF-1α 受到轉譯後修飾(post-translational modification)所調控,接著陸續有許多學者證明HIF-1α在正常氧濃度下會被一種稱為泛素的小蛋白所標記,此過程稱為泛素化反應,然後會立即被蛋白酶體(proteasome) 所降解。……【更多內容請閱讀科學月刊第600期】