本文是《生命如何应对“低氧”危局？（上）》的续篇

（续上期）

考虑到每个蛋白的背后，都有基因在暗中运筹帷幄，想必EPO也不例外。因而，首要之义便是要找到控制EPO基因开关的那把钥匙。此时，低氧诱导因子1（hypoxia-inducible factor 1, HIF-1）带着面纱朝我们款款走来。

HIF-1：控制EPO基因开关的钥匙

现代生物学研究的思路一般是这样的：当我们发现一个现象时，如EPO可以促进红细胞的生成，我们接下来就想知道什么细胞可以产生EPO？EPO的产生是如何调节的？当我们了解到肾脏细胞可以产生EPO，而EPO又是一个蛋白质。我们就想进一步了解这个蛋白质的序列和结构是什么样的？它是哪个基因或哪些基因表达的？在基因表达中它又是如何被调控的？

最早研究EPO基因操纵实验的人，就是此次诺奖的得主之一塞门扎

塞门扎在约翰霍普金斯大学作博士后期间，他对基因调节有兴趣，决定研究人的EPO基因。他首先构建出一系列转基因小鼠，这些动物能够表达人类的促红细胞生成素，他在动物肝脏和肾脏内检测到控制人的EPO基因表达的序列，并发现在其他组织这种序列不表达。这一结果说明了两件事儿：一是EPO能够促成红细胞的增多；二是人的EPO基因不仅可在小鼠体内表达，而且还可发挥正常的促红细胞生成功能。

这是一个重要发现！但是，塞门扎并不满足于此。一个很简单又很直接的问题就是：低氧这种环境的变化，是怎么转化成EPO合成这个应答动作的呢？

这里面其实包含了两个问题：

第一、细胞怎么感知“低氧”这件事？

第二、细胞怎么提高EPO的合成水平？

他于是开始研究：细胞调控EPO合成水平的方式。

1991年，塞门扎和他的学生在EPO调控区（非编码蛋白序列）找到了一个能对低氧产生反应的DNA序列，这种序列是EPO基因上游的调控元件，并命名为“低氧应答元件”（hypoxia response element, HRE），因为它在低氧下就会开启EPO基因的表达。

塞门扎推测，由于HRE是一段DNA序列，因此理论上还存在与低氧应答元件相配合的那个调控因子蛋白，该因子可在细胞核内与HRE结合并增加基因表达。

为验证该假说，塞门扎从低氧处理后的细胞核提取物中分离并纯化得到一种蛋白质，该蛋白质可与HRE特异结合。特别是该蛋白质只在低氧环境下稳定存在，常氧时蛋白质几近消失，鉴于这种特性而将其命名为低氧诱导因子1（hypoxia-inducible factor 1, HIF-1）。这是一个非常重大的发现！

1995年，塞门扎开始了对HIF-1复合物的广泛研究，并发表了一些重要的论文。包括对HIF-1组成分析发现，HIF-1其实是由两种不同的DNA结合蛋白组成，即所谓的转录因子，于是分别命名为HIF-1α和HIF-1β。其中HIF-1β与前期发现的芳香烃受体核转位蛋白(aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator，ARNT) 相同，是细胞内的常住居民（即固有表达），对氧气无感。无论氧气在或不在，它仍可搭档不同蛋白来拨动不同基因的开关。而HIF-1α这位全新被发现的存在，却全天候24小时都张开着氧气检测雷达。一旦氧气浓度下降，HIF-1α果断上调表达，并迅速进入核内，给EPO、VEGF（促进毛细血管血管生长）、GLUT1（葡萄糖转运蛋白GLUT1主要促进葡萄糖扩散进入红细胞）等基因通报情况，让细胞多方位应对低氧带来的能量供给困难。

如果说低氧应答元件（HRE）是与低氧应答有关的那个“开关”，那么HIF-1这个蛋白质就是操纵低氧应答开关的开关。

特殊的是，这个“开关”的开关，需要两把钥匙才能打开，就是HIF-1α和HIF-1β。

人体很聪明，不同钥匙的组合可以开启不同的生物开关。比如HIF-1β通过与不同蛋白质搭配，就可以去拨动不同的基因开关，于是它在不同方向的研究工作中被一次次重新“发现”，导致HIF-1β拥有很多别称，如ARNT、TANGO、bHLHe2等等。低氧状态会通过HIF-1α和HIF-1β开启一系列的基因，让身体从多种角度去应对低氧带来的能量供给困难。

塞门扎发现了HIF-1这个蛋白时，一点都没有意识到这种分子的重要性。当时人们对低氧的效应并不了解，也不清楚太多低氧相关基因。当发现这个蛋白后，第一件事是希望找找有没有其他非EPO的基因也受到HIF-1的影响，结果发现糖酵解相关的酶和VEGF基因也受到这个蛋白控制。随后这类发现就像雨后春笋一般大量被发现。现在已经知道超过800个基因受到HIF-1调节。

在塞门扎对HIF-1开展研究并取得重大发现的同时，在大西洋彼岸牛津大学的肾病专家拉特克利夫，发现肾脏可以非常有效的检测到血液中氧气浓度的变化，而调节血氧浓度的关键就是EPO。

他发现缺氧环境可以提高EPO在很多重要器官中的表达。但他还发现即便在EPO不表达的细胞中，这些细胞也能感受到氧气浓度的变化。通过分析EPO基因的调节序列，他发现受氧气浓度变化影响的基因另有其人。只不过那时，他不确定这是何方神圣。当塞门扎的研究被发表后，拉特克利夫意识到那个他未曾确定的基因出现了。他也马上加入到HIF-1的研究中来。几乎是同时，他们发现了HIF-1调节下游基因表达的结合序列。

在后来的研究中，塞门扎和拉特克利夫这两组齐头并进，发现了一系列HIF-1调节的基因。其中，最重要的就是血管异生（Angiogenesis）相关基因。作为长期缺氧的直接结果，我们的身体想到提高氧气浓度的方法，就是生成更多的血管来运输更多氧气。塞门扎发现HIF1可以直接升高一系列促血管生成的因子，VEGF,PDGF等。那么HIF1在疾病的作用就显现出来了。

HIF-1发现的意义在于：说明低氧感知是一个非常重要的生物学过程，具有广泛的生物学意义，从而吸引更多研究人员加入对这个问题的研究之中，极大推动了该领域的快速发展。

VHL：控制HIF-1蛋白生死的因子

话说，前两位教授发现了生物对低氧环境的适应的钥匙——HIF-1。作为一种关键的调控蛋白，在氧含量不足时（缺氧环境下），细胞中HIF-1α的含量增加,从而调节EPO基因以及其他含有HIF结合DNA片段的基因。而当氧含量充足时（富氧环境下）,细胞中的HIF-1α在正常情况下会迅速降解。这背后有着怎样的机制呢？谁也没有想到，答案竟然藏在一个看似完全无关的方向上。

让我们把话题转向一种罕见的癌症综合征。

1904年，德国眼科医生冯?希佩尔（Eugen von Hippel）首次描述了一种眼血管瘤；1927年，瑞典病理学家林道（Arvid Vilhelm Lindau）则独立描述了一种小脑和脊髓血管瘤。后来发现，两位研究人员描述的其实是同一疾病。因此从60年代开始，将这种疾病统一命名为冯?希佩尔-林道综合征（von Hippel-Lindau (VHL) disease，VHL缺乏综合征）。

VHL病具有家族遗传性。在VHL病人的体内，VHL基因出现了突变，生产出来的VHL蛋白无法正常工作，于是就导致体内生成大量血管内皮生长因子（VEGF）和促红细胞生成素（Erythropoietin，EPO），这些特征预示着VHL可能与低氧有一定关联。

那问题来了，VHL会与HIF-1有关系吗？又会是怎样一种关系呢？

1993年，当时正在研究VHL病的凯林注意到一篇关于VHL抑癌基因的文章，他认为这个基因和他们的研究有很大关系，因为视网膜母细胞瘤的一些特征比较适合研究VHL蛋白，他非常熟悉VHL疾病的临床特征，在医学院学习时他就知道这种患者容易发生肾癌和血管母细胞瘤。他希望能研究一种常见的癌症，研究VHL至少能和比较常见的肾癌联系起来。另外，他更吃惊的是VHL肿瘤细胞能分泌促红细胞生成素，并且患者血管增生明显。这都属于低氧情况下发生的常见情况。当时学术界都热衷于通过阻断血管增殖实现饿死肿瘤细胞治疗的研究思路。但当时对血管增殖的分子机制并不是非常了解。VHL的临床特征让凯林教授意识到VHL基因对控制血管增殖十分关键，甚至和细胞感受氧气变化有关系。这正是导致他后来重要发现的关键想法。

凯林证明VHL基因编码了一种可以预防癌症的蛋白质。凯林还证实，缺乏VHL基因功能的癌细胞，通常表现出异常高水平的HIF-1α基因；但当VHL基因被重新引入癌细胞时，其又恢复了正常水平。这是一条重要的线索，表明VHL基因在某种程度上参与了对缺氧反应的控制。也就是说，VHL出了问题，HIF-1α就会长期存在下去。而原本在正常细胞当中，只要氧供给正常，HIF-1α就会不断被细胞自己降解掉。细胞其实一直都在生产HIF-1α这只“左手”，但又不断砍去这只“左手”。而这把砍手的斧子就是VHL。在VHL病人的细胞里，VHL基因出了问题，生产出来的VHL蛋白是残次品，砍不断HIF-1α这只“左手”，于是细胞便始终处于受到低氧刺激的状态。

（未完待续）

敬请关注本文的续篇《生命如何应对“低氧”危局？》（下）

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生命如何应对“低氧”危局？（上）

生命如何应对“低氧”危局？（下）

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