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如何通俗理解今年諾貝爾生理醫學獎?氧氣究竟多重要?



(原標題:如何通俗地理解 2019 年諾貝爾生理學或醫學獎?細胞是如何感知和適應氧氣的? )

來自:知乎生物學優秀回答者 莫小軒(真實身份:中科院生物化學和分子生物學博士 呂瑞清)

如何通俗理解今年諾貝爾生理醫學獎?氧氣究竟多重要?


2019年諾貝爾生理學或醫學獎獲得者,William G. Kaelin教授、Peter J. Ratcliffe教授、以及Gregg L. Semenza教授三位泰斗。

他們的研究解釋了為什么對人類以及絕大多數動物而言,氧氣是那么的重要。

所以為什么那么重要?

我們都知道,氧氣可以結合血紅蛋白,為有機體的氧化還原反應提供支持,但過多的氧氣又會造成機體損傷,比如氧自由基能夠破壞很多蛋白質分子,也是人類衰老的元兇。

20世紀90年代,Ratcliffe教授和Semenza教授發現了一段特殊的DNA序列。如果把這段DNA序列安插在其他基因附近,那么在低氧的環境下,這些基因也能被誘導激活。也就是說,這段DNA序列其實起到了低氧環境下的調控作用。而一旦這段序列出現突變,相關基因就無法啟動。

隨后,研究發現,這段序列在細胞內調控了一種叫做HIF-1的蛋白質,由兩個亞基HIF-1α與HIF-1β組成。在缺氧的環境下,HIF-1能夠結合并激活特定基因。

但這僅僅解決了人類需要氧的問題,但是氧氣過多為何又會對人體有害呢?

這就不得不提到William G. Kaelin教授,William G. Kaelin教授以及后來的研究者發現,一種名為VHL的蛋白能夠與一些特定的蛋白結合,比如某些泛素連接酶。蛋白質泛素化,是蛋白質在體內降解的標志。研究發現,富養條件下,VHL能與HIF-α結合,促進后者的泛素化,最終使蛋白降解。

如何通俗理解今年諾貝爾生理醫學獎?氧氣究竟多重要?

大概就是這么個過程,低氧狀態HIF啟動基因表達,富氧狀態VHL促進HIF-α降解

圖片來源:nobelprize.org

對人類和動物來說氧決定機體的健康和疾病

由于這些諾貝爾獎得主的開創性工作,我們對不同的氧氣水平如何調節基本的生理過程有了更多的了解。氧感應允許細胞適應低氧水平的新陳代謝:例如,在我們的肌肉中,在劇烈運動時。氧氣感應控制的適應過程的其他例子包括新血管的生成和紅細胞的產生。我們的免疫系統和許多其他生理功能也通過O2感應機制進行微調。在胎兒發育過程中,氧感覺對控制正常血管的形成和胎盤的發育至關重要。

氧感覺是許多疾病的核心。例如,慢性腎功能衰竭患者常因EPO表達減少而導致嚴重貧血。如前所述,促紅細胞生成素由腎臟細胞產生,對控制紅細胞的形成至關重要。此外,氧調節機制在癌癥中有重要作用。在腫瘤中,氧調節機制被用來刺激血管的形成和重塑代謝,以有效地增殖癌細胞。學術實驗室和制藥公司正在進行的緊張努力現在集中于開發能夠通過激活或阻斷氧氣感應機制來干預不同疾病狀態的藥物。

喬俊婧




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