来源：新浪科技新浪科技讯 10月29日消息，今天，第二届世界顶尖科学家论坛在上海开幕，以“科技，为了人类共同命运”为主题，本次论坛共持续4天：10月29日至11月1日。在论坛上，2019诺贝尔生理学或医学奖获得者格雷戈·塞门萨发表了题为“氧稳态：一种平衡行为（oxygen homeostasis：a balancing act）”的演讲。格雷戈表示，人体内有上亿计的细胞，需要氧气的供应才能正常运转。我们发现缺氧越严重，HIF-1就生成的越多，2005年科学家发现HIF-1能被氧依赖的羟基化调节，看到这样一个机制，我们能直接把氧含量与HIF-1联系起来。在心血管疾病当中，一旦缺氧，心脏组织会受到影响。大约有4000个靶基因受HIF-1的调控，另外，在代谢方面，HIF-1也能发挥作用。随着科学家继续研究，人体循环系统发育也是受HIF-1调控的，从肝脏、十二指肠到脊髓，都有HIF-1的身影存在。有一个疾病叫先天性多红细胞症，这个疾病会导致病人体内红细胞异常增多，会引起中风等疾病的发生。他们在基因通路中有一个VHL和HIF-1和HIF-2α当中会先行性发生变化，这些都是先天控制红细胞生成的一些因素。格雷戈认为，HIF-1参与这么多调控通路，我们可以含有HIF-1的抑制剂等药物来治疗相关疾病。研究结果发现，有些药物可以对一些肿瘤有很好疗效。（河雨）第二届世界顶尖科学家论坛由世界顶尖科学家协会发起，上海市人民政府主办，中国科学技术协会指导。共设置了8大主题峰会，65位诺贝尔奖、沃尔夫奖、拉斯克奖、图灵奖、菲尔兹奖、麦克阿瑟天才奖等全球顶尖科学奖项得主、100余位中国两院院士、世界优秀青年科学家共同出席，深度对话。围绕宇宙、空间、航天、光子、气候、能源、生命、基因等将改变人类命运的话题，打造人工智能算力算法、脑科学与神经退行性疾病、创新药研发与转化医学、生命科学、碳氢键与新化学、新能源与新材料、黑洞与空天科技、经济与金融等主题峰会。以下为演讲速记全文：我想跟大家说人体有10的14次方的细胞，其中每一个细胞都需要氧气持续的提供。我们过去30年当中一直需要理解氧气的平衡是如何实现的？供给和需求是如何达到平衡的？我们可以看到，氧气作用是为了在细胞中的线粒体，能够使得食物变成能量，需要循环系统和呼吸系统能够不断的进行作用。我们同样也有转录因子，在不同层面不断的发挥作用。我们先开始理解我们的血细胞是如何作用的，其中包括红细胞是如何传输氧气到身体各个部分。还有EPO（促红细胞生成的因子），可以让我们的骨髓能够生成红细胞，当身体当中氧的水平降的时候，EPO在肾脏中的生成就会提升。我们如何去控制EPO的生成呢？我们发现，在EPO基因当中，有33个NDA的节选，可以把它进行更改。我们假设DNA节选的次序会发生变化，我们用DNA去进化DNA，叫做HIF-1（缺氧诱导因子1），它可以实现EPO基因在肾脏中的生成。同时，我们也发现，随着体内氧含量降低到6%以后HIF-1就会大量生成。在3-6%的时候，氧含量的降低可以促成HIF-1大量生成，所以缺氧越严重，HIF-1就生成的越多。调节这个机制的机理，可以在这张PPT上看到，在2005年的时候威廉·凯林、彼得·拉特克利夫他们对HIF受氧依赖性羟基化的调节，可以看到这张PPT上的描述。HIF-1当中的氧分子可以受到VHL的作用，可以实现HIF-1的降解，这是在常氧的情况下。在缺氧情况下，酶的作用受到抑制，HIF-1在细胞中大量积累，所以这样一个机制可以让我们能够直接把氧含量和HIF的活动生成联系起来。缺氧可能会造成细胞消耗更多氧气，比如说在癌细胞当中，在心血管疾病当中，心脏组织也受到影响，HIF-1有大量靶向细胞生成，大概有4000多个靶向基因是受到HIF-1的调节。其中一些基因它可以实现氧传输的增加，可以降低红细胞数量的生成。另外，它也可以实现血管的生成。HIF-1能够通过糖降解酶实现代谢的适应。我们对于HIF-1α研究发现，循环系统发育是需要HIF-1，如果心脏没有发育完全，它的血管和血液都会出现问题。这三个非常重要的身体机制都是取决于HIF-1。另外，还有一些相关的细胞基因，包括HIF-1α，HIF-2α，HIF-3α。HIF-2和HIF-3α仅仅存在于某些脊椎动物的物种细胞类型，而HIF-1α则是存在于几乎所有后生动物物种所有有核细胞类型当中的。这些是在脊椎动物和无脊椎动物之间的区别，它在反应的时候不仅仅是打开一个基因，如果有血液流失的情况，不仅仅肾脏会生成EPO，而且会有一系列的基因会从十二指肠吸收铁，因为我们需要铁才能有转铁蛋白，才会给我们身体带来更多红细胞。我们把三价铁还原成二价铁之后，铁转运到血液当中，通过转铁蛋白与红细胞结合起来。这边展示基因都是由HIF-2调节，从肝脏到十二指肠，再到血液以及脊髓。这个系统对于保证人类身体当中红细胞的生成是至关重要的，我们这边有一个非常罕见的疾病，叫做先天性红细胞增多症，表示人体当中生成太多的红细胞，这就会造成中风和心脏病，当我们检查这些病人的时候会发现，他们在基因通路当中有这样一个情况。他们有一个VHL和HIF-1和HIF-2α当中会出现一个先行性的状况，这些都是先天控制红细胞生成的一些因素。另外我们发现一个重要的现象，脯氨酰羟化酶抑制剂是可以刺激慢性肾脏病患者的红细胞生成。我们也从患者身上了解到，如果这两种活动减少，红细胞数量会增加，然后提高红祖细胞存活、增殖和分化，这对于慢性肾脏病患者非常重要，因为如果你有肾脏病，特别是慢性肾脏病，它会使得身体停止生成EPO。可能会有一些副作用，如果注射帮助你生成EPO一种试剂，如果我们使用脯氨酰羟化酶抑制剂，现在正在进行三期临床实验，可以用于治疗慢性肾脏病患者的贫血。在肿瘤内缺氧也是晚期癌症的一种症状，它与患者死亡率增加有关。这张图是晚期癌症患者的情况，这里面是已经凋亡的细胞，棕色的是HIF-1α抗体，我们可以看到这边有HIF-1α大量生成的情况。我们所知道是大量化疗是可以去杀死这样细胞，但是没有这样一个疗法可以直接针对这个细胞，我们现在正在开发的药可能就会有助于治疗癌症。我们已经看到有一些药品可以在动物模型当中有效的去控制原发肿瘤的生长和转移，通过HIF-1抑制剂地高辛（Digoxin）可以降低三阴性乳腺癌原位模型中原发肿瘤的生长和转移，所以它对于癌症是有治疗作用的。我们做一个总结。通路在生物学和医学当中有以下作用：第一在发育过程当中，HIF-1α、HIF-1β、HIF-2α、PHD2和VHL都是哺乳动物正常胚胎发育所必须的。第二对于生理学而言，即使通路成分功能的少量增加或者是丧失，也会干扰正常出生后对缺氧生理的反应。第三对于在西藏以及安第斯那些处于高原地带的人而言，遗传证据表明，这些人以及其他物种能够成功适应高海拔关键遗传靶点，就是由于HIF-1α、HIF-1β、PHD和VHL的同源基因。

2019年，学术界最高的奖项“诺贝尔奖”的生理学或医学奖颁发给了：美国科学家William G. Kaelin.Jr.、英国科学家Sir Peter J. Ratcliffe和美国科学家Gregg L. Semenza，以表彰他们发现了细胞如何感知氧气以及对氧气供应的适应性研究。当时一时兴起预测诺贝尔奖的时候，其实我并没有关注到这个研究发现，也没有预测到这个奖最终会花落“氧感知及HIF-1的发现”，直到我看了诺贝尔生理学或医学奖颁发的现场的视频，我才终于知道真的应该颁发给这项研究，很伟大也很有意义的研究发现。他们的研究解释了生命中最重要的氧气适应过程机制，为了解氧水平如何影响细胞代谢和生理功能奠定了基础，同时也为贫血，癌症和许多其他疾病的研究和治疗提供有用的线索和新的治疗思路及手段。现已证明，氧气约占地球大气层的五分之一。氧气对于生命至关重要，几乎所有动物细胞中的线粒体都会利用到氧气，氧气反应促进食物中的营养成分转化为ATP。在几乎所有的动物细胞中，快速响应并适应氧气变化的能力是至关重要的。在进化过程中，随着动物细胞开始形成多细胞三维结构，细胞需要以多种自主方式适应氧水平的变化。氧感知，即细胞感知并相应细胞内氧浓度变化的能力。迄今为止有很多科学家对于分子开关调控我们细胞如何适应环境中氧含量的减少进行大量研究。氧气对我们最基本的功能是将食物转化为供我们使用的能量，细胞通过感知氧气以平衡细胞代谢速率，以便机体更有效更安全获能产热工作或完成机体组织重建重塑。细胞和组织不断在感知氧的变化，比如胚胎生长和发育，肌肉的运动等，氧感知对于机体生命活动至关重要。有时候氧气的变化可能贯穿我们全身，比如身处高海拔地区；氧气的变化也有可能是局部，比如局部损伤，这都会导致细胞自适应过程，称为缺氧应答，能诱导血管新生或者诱导红细胞生成，或者细胞代谢适应，包括糖酵解等过程。 但是我们机体是如何感知应对缺氧呢？下图是对于氧感知研究的时间轴。（Timeline of Cellular Oxygen Sensing）对于氧感知的研究，要从关键的促红细胞天生素（erythropoietin,EPO）说起。它是该项研究全部的工作源泉。研究人员关注的第一个由于缺氧导致的生理变化是促红细胞生成素反应。人类和哺乳动物的体内需要红细胞作为氧气载体然后输送到满身，而假如氧气缺少或贫血会致使来自于肾脏排泄的EPO刺激骨髓天生新的红细胞，从而才能进一步促进氧气的运输能力。1991年，Gregg L.Semenza作为第一作者在PNAS颁发题为Hypoxia-inducible nuclear factors bind to an enhancer element located 3‘ to the human erythropoietin gene的论文, Semenza等人经过DNase I超敏感位点研讨找到了4个大概多个分歧的核因子，发现最少有两个是在肝脏和肾脏的贫血或缺氧条件下引诱的，他发现一种与特定DNA片段结合的蛋白质复合物，并会随着氧浓度的变化发生相应的改变，他称特定的DNA片段为“Hypoxia response element, HRE”，称这种复合物为“Hypoxia-inducible factors, HIF”（缺氧诱导因子）。1995年，Semenza及其团队开始对HIF进行广泛的研究。Semenza及其团队纯化并解析了该转录因子蛋白复合体。其发现HIF由两种不同的蛋白组成，为转录因子HIF-1α和ARNT。其中ARNT，几乎在所有情况下都存在；而HIF-1α，对于氧气十分敏感，在低氧下存在，常氧情况下降解。PAS (Per ARNT Sim) 结构域最初在果蝇蛋白 PER 和 ARNT 中被发现，它是在所有物种生物体蛋白中都存在的模块。PAS 结构域发挥着重要作用，可作为氧张力、氧化还原电势或光强度的感受模块。在受到刺激时，该结构域会介导蛋白间相互作用，或结合其疏水核心中的辅因子，以调节蛋白间相互作用。在缺氧条件下，HIF-1α PAS-B 结构域会与 ARNT 的 PAS-B 发生异二聚化，其中，PAS-B 通过碱性螺旋-环-螺旋参与转录激活。Semenza等继续对HIF-1停止研讨发现HIF-1α还可以引诱在血管天生中起重要感化的血管内皮发展因子VEGF。缺氧也可能局限于特定器官局部区域的细胞，通常是灌注不足的结果，如冠状动脉疾病继发的心肌缺血，VEGF在血管生成和新生血管形成中起中心作用，VEGF参与了慢性心肌缺血、视网膜缺血和肿瘤进展相关的新生血管形成，与EPO表达的细胞类型受限模式不同，许多不同的原代和培养细胞类型通过增加VEGF表达来应对缺氧。当时的研究表明，在几种不同的细胞类型中，缺氧会导致VEGF mRNA的转录增加和降解降低，鉴于与EPO表达的相似性，他们进一步验证了HIF-1也参与了缺氧细胞中VEGF转录激活的假设。再次证实，HIF-1a是一种氧气感应机制的核心，这种机制对于控制血管系统的生成和红细胞的生成并在血流中携带氧气都很重要。人类基因组中至少有300个基因都存在有HRE序列，通过HIF调控组织和全身以应对氧浓度的变化。这些基因中，有编码VEGF蛋白的，以调控血管新生；还有EPO，促进红细胞生成的；另外，还有绝大多数和糖酵解相关的酶等调控细胞代谢等。目前，通过一系列研究发现，被证实报道的HIF的直接转录靶点如下图所示。（Direct Transcriptional Targets of HIF）（Christopher J. Schofield and Peter J. Ratcliffe, Nat Rev Mol Cell Biol.,2004.）通过研究证实HIF-1α，对于氧气十分敏感，在低氧下存在，常氧情况下降解。但HIF-1α是如何随氧含量而变化的呢？氧气含量较高的条件下，HIF-1α是怎么被降解的？答案却来自一个意外的发现。大约在Semenza和Ratcliffe探索EPO基因的同时，癌症科学家William G. Kaelin Jr.正在研究希佩尔-林道综合征（VHL综合征），即小脑视网膜多发毛细血管瘤。他发现典型的VHL肿瘤里经常会有异常形成的新生血管，并有较多的血管内皮生长因子与EPO。因此，他不禁联想，缺氧通路是否在这种疾病里有着某种作用。1996年，Kaelin分析患者细胞后发现，一些原本应当在富氧环境下消失的基因意外地有着大量表达。而添加具有正常功能的VHL蛋白则能逆转这一现象。随后科学家们很快找到了HIF-1α和VHL蛋白的联系。1999年，Ratcliffe教授团队发现HIF-1α的降解需要VHL蛋白参与。Kaelin教授也证明，VHL与HIF-1α会直接结合。在富氧的环境下，VHL会结合HIF-1α，并促使后者的泛素化降解。至此大部分疑问都解决了，但还有个重要问题：氧气是如何调节VHL和HIF-1α之间的交互的？Kaelin和Ratcliffe都怀疑，感知氧气的关键就在这个蛋白质结构域之中。果然，2001年，Kaelin组和Ratcliffe以“背靠背”的形式在Science杂志上同时发表论文发现，在正常的氧气水平下，HIF-1α的两个特定位点上会被添上羟基（脯氨酰羟化），这一改变使得VHL能够识别并结合HIF-1α。而在缺氧环境下，HIF-1α不会与VHL结合，而是直接进入细胞核，并与一些特定的基因组结合，从而激活、调节体内多种基因的功能，促进氧气的供应与运输。HIF信号研究至现在，这条信号通路及氧感知机制基本已被解析。（Craig B. Thompson, Cell,2016.）HIF的影响几乎涵盖了生理学的全部方面，包括细胞代谢，机体运动，胚胎发育，免疫应答，呼吸等方方面面。与此同时，HIF在疾病方面也扮演至关重要的调控作用。目前针对于HIF-1的临床应用主要集中于以下几个方面：HIF-1稳定剂/激活剂：应用于：由肾脏疾病引起的贫血症；心肌缺血；肺低血压；间歇性跛行；中风；损伤修复；炎症反应等2. HIF-1抑制剂：应用于：乳腺癌；前列腺癌和其他实质肿瘤；湿性老年性黄斑退化等（Possible targets of HIF-1a inhibition by small molecules）3. 诊断学研究：HIF-1水平作为肿瘤组织中的预后指标。血液中中HIF-1作为败血症的生物标志物。最后，非常有幸中科院可以邀请到真正的大牛：王广良博士，让我可以在现场听到大牛精彩的报告“HIF-1发现历程：氧气感知机理及临床应用”。王广良博士是Gregg L.Semenza得意门生，同Semenza团队一起参与HIF-1的发现，纯化及克隆。在诺奖评奖委员会列出的获奖成果关键文献中，王广良博士是3篇论文的第一作者，1篇论文的第二作者。参考文献：Semenza, G.L, Nejfelt, M.K., Chi, S.M. & Antonarakis, S.E. (1991). Hypoxia-inducible nuclear factors bind to an enhancer element located 3’ to the human erythropoietin gene. Proc Natl Acad Sci USA, 88, 5680-5684Wang, G.L., Jiang, B.-H., Rue, E.A. & Semenza, G.L. (1995). Hypoxia-inducible factor 1 is a basic-helix-loop-helix-PAS heterodimer regulated by cellular O2 tension.
Proc Natl Acad Sci USA, 92, 5510-5514Maxwell, P.H., Wiesener, M.S., Chang, G.-W., Clifford, S.C., Vaux, E.C., Cockman, M.E., Wykoff, C.C., Pugh, C.W., Maher, E.R. & Ratcliffe, P.J. (1999). The tumour suppressor protein VHL targets hypoxia-inducible factors for oxygen-dependent proteolysis. Nature, 399, 271-275Ivan, M., Kondo, K., Yang, H., Kim, W., Valiando, J., Ohh, M., Salic, A., Asara, J.M., Lane, W.S. & Kaelin Jr., W.G. (2001) HIFa targeted for VHL-mediated destruction by proline hydroxylation: Implications for O2 sensing. Science, 292, 464-468Jaakkola, P., Mole, D.R., Tian, Y.-M., Wilson, M.I., Gielbert, J., Gaskell, S.J., von Kriegsheim, A., Heberstreit, H.F., Mukherji, M., Schofield, C.J., Maxwell, P.H., Pugh, C.W. & Ratcliffe, P.J. (2001). Targeting of HIF-α to the von Hippel-Lindau ubiquitylation complex by O2-regulated prolyl hydroxylation. Science, 292, 468-472

2020-01-20 06:17
来源:
佚名
作者：广东省药学会 中山市人民医院 刘威
在2019年底，最吸引眼球的大事件必少不了“俄罗斯兴奋剂丑闻”和“诺贝尔奖揭晓”。但是，这两个看似八竿子打不着的领域背后其实存在着相当密切的联系。“什么？诺奖竟然和兴奋剂扯上关系？小药师你喝多了吧！”别急，且听本药师慢慢道来。
兴奋剂作为体育词汇使用时是一个约定俗成的概念，与药物学中的“兴奋剂”概念并不完全一致，它不单指那些起兴奋作用的药物，实际上是对反兴奋剂权威机构规定的所有禁用物质和方法的统称。国际奥委会认为：“竞技运动员使用任何形式的药物，或以非正常量及不正常途径摄人生理物质，企图以人为的或不正常的方式提高竞技能力，即被认为使用兴奋剂”。自从在1962年，国际奥委会在莫斯科通过了一项反兴奋剂的决议开始，兴奋剂和检测手段之间的“斗法”便拉开了帷幕。随着医药科技的进步，产生了大量的新药物应用于各类疾病治疗。但某一种新药只有经过不断的使用和验证，证实其既能提高成绩，又对身体产生伤害，才能被确认为是兴奋剂而宣布禁用。其次，当某种药物被确认为兴奋剂后，还必须研究出可靠的检测技术作保证，才能确认运动员是否使用了兴奋剂。例如，2019年诺贝尔生理学/医学奖的获奖研究成果转化而来的药物——促红细胞生成素（Erythropoietin，EPO），就是因长期无准确可靠的检测方法而被运动员广泛使用的流行兴奋剂之一。
注：根据文献[1]图修改
促红细胞生成素（EPO）是肝肾分泌的一种糖蛋白，可以与表达在红细胞表面的受体结合以刺激红细胞增殖、分化成熟，使人体可以对抗一定程度的缺氧。EPO于1950年首先在血循环中被发现，1985年利用基因工程技术开始工业化生产重组人促红细胞生成素并开始用于临床实验，最终于1989年在美国正式批准其上市应用于贫血的临床治疗。而EPO上游的调控因子——低氧诱导因子（HIF），顾名思义，这是一种作为机体感受到低氧环境刺激后产生的蛋白分子。通俗地说，它就是一种“开关”，一旦身体里氧气含量过低，机体就会打开调控机制产生HIF，接着促进EPO的生成和红细胞的产生，保持氧气的浓度在合理的范围内。它的作用效果最典型的例子，就是高海拔地区生活的人们，EPO和红细胞水平均明显增加，以适应低氧环境。现今，以HIF为作用靶点的药物——罗沙司他已应用于临床。这是全球首个商品化上市的低氧诱导因子脯氨酰羟化酶抑制剂（HIF-PHI），作为国家1.1类新药目前已通过中国药品监督管理局优先评审批程序，超越美国、日本及欧洲率先在国内获批上市，用于透析患者肾性贫血治疗。
了解了EPO和HIF的作用机制，再来谈兴奋剂问题就容易理解了。体内氧气越足，理论上产生的能量就越多。尤其是对耐力的提升至关重要。很久之前，体育界就在用各种办法增加血液红细胞总量和携氧能力，从而增强运动能力。从赛前输血，到高原训练，目的都是增加血液中的红细胞数量。每个人的体液中都存在EP0，内生EP0和基因重组生产的EP0在分子结构和生理活性上几乎没有区别，用常规的检测手段很难界定。所以，整个1990年代的十年，EPO都是“安全”的禁药。如美国自行车运动员，7届环法冠军阿姆斯特朗曾公开承认自己长期使用EPO来提高成绩。反兴奋剂组织早在90年代初就把EPO列为了禁药，但是，直到2000年，靠谱的EPO检测方法才出现。实际上直到最近，更严格和更先进的血检才基本杜绝了EPO在运动场上的泛滥。如何能够更加隐蔽的增加机体携氧能力，避开现有检测条件的新药物又进入了视野。可以预见，同样用来治疗肾病性贫血的罗沙司他等新型药物，基于其未显著提高EPO水平、检测手段不成熟等特点，极有可能成为某些运动员的新宠，值得反兴奋剂机构及工作者警惕及重视。
后记：在去年年底（2019年12月9日），世界反兴奋剂机构(WADA)执行委员会在瑞士洛桑举行会议，认为俄罗斯反兴奋剂机构违反反兴奋剂规定章程，禁止俄罗斯在未来四年参加大型国际赛事，包括奥运会和世锦赛。这一新闻顿时引爆了体育界和公众视野。其实，这只是自竞技体育诞生以来，反兴奋剂工作中的一个缩影。可以预见，随着医药科学的进步，兴奋剂在体育界的使用会向更隐蔽、更难以检测的方向发展，兴奋剂与反兴奋剂的“战争”仍将继续。
参考文献:
[1] Lappin TR,Lee FS.Update>[2] 汪军，胡扬. 血液兴奋剂的使用及检测研究进展[J].中国运动医学杂志，2014，33（12）：1213-1217.
注：部分图片来源于网络，仅做科普宣传，有关涉及厂家的品种仅供学习理解使用，不代表推荐立场！
审稿专家：广东省药学会 中山市人民医院 刘锐锋
以上为“药品安全合作联盟”志愿者的原创作品，如若转载请注明作者和来源！
【药盾公益】以中国非处方药物协会、中国药学会，中华医学会等共同发起和成立的公益性组织——PSM药品安全合作联盟（公众号：PSMChina），广汇资源，凝聚力量，促进公众用药安全。 返回搜狐，查看更多
责任编辑：