【2019 年諾貝爾生醫獎】一窺細胞如何「氧」尊處優

撰文｜駱宛琳

每當十月一到，大家無不睜大眼睛等著新一年度的諾貝爾奬各個獎落誰家。禮拜一甫開出的諾貝爾生醫獎三位得主，你猜到了嗎？

今年的諾貝爾生醫獎，頒給了研究缺氧狀態下，細胞如何因應調節的生理機制；分別是為位於美國波士頓Dana-Farber Cancer Institute 的William Kaelin博士，身在巴爾的摩Johns Hopkins University 的Gregg Semenza博士，還有英國牛津Francis Crick Institute 的PeterRatcliffe博士。這研究或許不在所有人的得獎超級大熱門名單上，但卻絕對眾望所歸。

你如果看過Peter Thiel與 Blake Masters所著的《從 0到 1》，便知道任何一件事要從零做到一有多不簡單。而這三位科學家，不僅是成功地從零做到了一，更是在跨越出了那一大步之後，不論是自己實驗室的後續研究也好，或是啟發其他科學家的靈感也罷，讓缺氧環境的相關生理反應與調節，一路做到成千上萬、數不勝數。他們三人所一同開疆闢土、成就奠基的缺氧環境研究，對於各種細胞、各種疾病模式，皆影響深遠。事實上，這三位科學家在2016 年的時候，也一同獲頒有「諾貝爾前哨站」之稱的Lasker Award 殊榮。

那，這三位科學家是如何打開缺氧環境下的未知秘密呢？這故事，可是能夠一路追溯回九零年代。

細胞以「氧」為天：有「氧」能使細胞推磨，缺氧自是萬萬不能。但細胞如何知道周遭環境，是有氧還是無氧呢？

在當時，科學研究的主力都放在心臟、肺臟、與血液循環系統的構造與功能上。雖然對於這些臟器之於體內氧濃度恆定的調節維持相關研究，是多有成果，但這些假說與數據，都泰半侷限在以能量代謝反應為主的視角，卻不是以氧氣濃度為主角而看出去的視野。到底細胞自己，要如何感受到外在微環境裡的氧氣濃度，細胞自己又該如何決定一但有缺氧的狀況發生，該如何因應呢？

最早在1930 年代左右時，科學家就觀察到鈷中毒的患者，常常伴隨著一個臨床徵狀上的稀客：紅血球增多、增生。科學家很快就意識到，鈷鐵定是模仿了缺氧所能夠誘發的生理反應：製造紅血球生成素（erythropoietin，常簡稱為EPO）。但是，鈷既非主要代謝產物、廢物、毒物，可見，個體內紅血球生成素的產製，必定和體內氧氣濃度感測器是綁在一條船上的；而當個體鈷中毒的時候，不知怎地影響到了氧氣濃度感測器的迴路。

後來，更多的研究讓紅血球生成素與氧氣濃度的改變，成為定論。當氧氣濃度改變的時候，紅血球生成素的表現會增加，進而促進紅血球的生成。不過，要調節紅血球生成素的製造量，這可是很挑地方、也挑細胞的。製造主力之一是在腎臟，而Semenza博士與Ratcliffe博士所專注的肝臟細胞，也是另一處製造主力。但Ratcliffe博士實驗室很快地便發現，雖然製造紅血球生成素的細胞似乎得有特殊規格，但氧氣濃度感測器卻是各個細胞都裝上了一個。而Semenza博士更是第一個揭開了這個氧氣濃度感測器的神秘面紗：HIF （hypoxia-inducible factor）蛋白。這兩個團隊，找到在紅血球生成素基因上，有一段長約五十個鹼基的片段，和氧氣濃度的感測極有關係，而且能夠結合上一個特殊的轉錄因子，也就是HIF 是也。

他們和其他實驗室團隊也接著發現，HIF 蛋白並不是形單影隻，HIF 蛋白實際上是由兩個不同的、各自能和DNA 結合的轉錄因子所組成，是為HIF-1α 與HIF-1β。而HIF-1α 是能夠感測氧氣濃度的那個感應器。仔細研究之後，發現這兩個蛋白質的職責除了每個細胞都想管，還同時管很多基因。Semenza博士曾經表示，如果真要概括出一組數字的話，大概有百分之五的人類基因，都能夠受到這缺氧機制的調控。當然，是哪些基因受到調控，自然也得論細胞而自處了。但廣從細胞生長、分裂、存活，甚至是細胞移動，都可以受到HIF-1 的牽制。

HIF-1 的重要性也是從個體還在胚胎時期時就已經確立。如果在實驗小鼠模型上，把HIF-1α 的基因給剔除掉，那在實驗小鼠孕期第十天左右，胚胎就會停止發育了。這些小鼠胚胎，會因為剔除掉HIF-1α 基因而導致血管、心臟發育不全，可能是因為在缺少HIF-1α 基因的狀態下，血管無法正常形成。後來，更有其他科學家研究發現，胎盤要和子宮內層形成完整的血管網絡，也是需要HIF-1α 的正常運作。

而且，好笑的是，其實後來發現，紅血球生成素其實更是歸HIF 蛋白的近親：HIF2-α所管轄呢。

好的生物學答案，要能夠像骨牌一樣，回答完上一個問題便觸發了下一個問題的形成，如此一個接一個接力般地傳下去。在找到HIF-1α 是氧氣濃度感測器的真面目之後，接著，科學家便想知道，那其中的作用機制是什麼呢？

很多實驗室都證明，相較於HIF-1β 在細胞內的存量相對穩定，HIF-1α 的蛋白質量變動極大。不過，有趣的是，以HIF-1α 而言，這個蛋白質的消失，要比其存在，還更為細胞所關心。在一般正常氧量的環境底下，HIF-1α 蛋白質會被規律地降解掉，不過，一旦氧氣濃度太低的時候，HIF-1α 蛋白質就會逐漸積累到關鍵濃度，然後跑到細胞核裡，和HIF-1β 蛋白團員，去管控許多基因的表現。

而另一個今年諾貝爾桂冠得主Kaelin博士，便是解答出HIF-1α 蛋白質的降解是如何被調控的關鍵因素。Kaelin博士原本是研究一個叫做 VHL 的抑瘤基因。他們之所以對 VHL 基因感興趣，是因為一個跟此基因變異有關的罕見遺傳疾病——逢希伯-林道症候群（von Hippel–Lindau disease）。罹病的病患因為在VHL基因上帶有突變，而使得細胞生長不受控制過度增生，病患也有較高的風險會罹患許多種癌症。

Kaelin博士在研究VHL 基因的時候，除了證實其所編碼的蛋白質能夠防範癌症的發生，還發現當癌細胞缺少 VHL 基因的時候，會同時不正常地增高跟缺氧反應有關的基因。不過，當正常有功能的VHL 基因被重新引入癌細胞之後，這些缺氧反應有關的基因所編碼的蛋白質，又會被回復到正常的表現量。這是第一個明確的實驗證據指出，VHL 神奇地和缺氧反應的細胞內部調節機轉，息息相關。

後來，Kaelin博士和Ratcliffe博士實驗室（還有其他實驗室也一同努力），缺氧調控機制裡的繁複細節，才慢慢抽絲剝繭般的被釐清。結果顯示，當細胞處在正常氧氣濃度下的時候，HIF-1α 蛋白質會被脯胺醯基羥化酶（prolyl-hydroxylase）所作用，在兩處脯胺酸（proline）胺基酸的位置上「安裝上」羥基（—OH；hydroxyl group），這反應就叫做脯胺醯基羥化作用（prolyl-hydroxylation）。被胺醯基羥化後的HIF-1a 蛋白質會發生結構上改變，能夠被VHL 蛋白質所辨認而結合。一但被 VHL 蛋白質結合上的HIF-1α，就像是被好好裝在垃圾袋裡了，VHL 能夠進一步把泛素（ubiquitin）套在 HIF-1α身上，導致其被泛蛋白化而被降解。

反之，當細胞處在缺氧環境下的時候，沒有氧原料裡的羥基可供以脯胺醯基羥化HIF-1α，而沒有羥基的HIF-1α 就像是慣於濃妝艷抹後的素顏，VHL 蛋白質有眼卻識不得，不會將其拎進垃圾袋裡準備丟掉，於是，HIF-1α 濃度就會在細胞質裡逐漸攀高，而達到作用濃度了。

在缺氧環境下，細胞所因應的感應機制與生理調節不但可以套入任何細胞，癌細胞更是沒放過這個濫用此機制的機會。因此，在這條訊息傳導路徑上尋找可以「用藥」的靶點，也一直是新藥研發的重點所在。

諾貝爾醫學獎雖然只頒給了三位實至名歸的科學家，但更重要的是後續一棒接一棒，把這整個領域給發展成今日蓬勃之貌的所有科學家與研究團隊。如果，你身邊有人也在從事相關的研究，要記得也好好恭喜他喔！

諾貝爾得主的重要發表：

Semenza博士：

1. 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. ProcNatlAcadSci USA, 88, 5680-5684
2. Wang, 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.  ProcNatlAcadSci USA, 92, 5510-5514

Ratcliffe博士：

1. Maxwell, 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, 271-275
2. Jaakkola, 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-Lindauubiquitylation complex by O2-regulated prolyl hydroxylation. Science, 292, 468-472

Kaelin博士：

1. Mircea, I., 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, 464-468

 

參考資料：

1. Press release: The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2019. The Nobel Assembly at KarolinskaInstitutet. https://www.nobelprize.org/uploads/2019/10/press-medicine2019.pdf
2. Ledford H, Callaway E. Biologists who decoded how cells sense oxygen win medicine Nobel.Nature. 2019 Oct;574(7777):161-162. doi: 10.1038/d41586-019-02963-0.
3. KaelinWGJr, RatcliffePJ, Semenza GL.Pathways for Oxygen Regulation and Homeostasis: The 2016 Albert Lasker Basic Medical Research Award.JAMA. 2016 Sep 27;316(12):1252-3. doi: 10.1001/jama.2016.12386.
4. Marx J.Cell biology. How cells endure low oxygen.Science. 2004 Mar 5;303(5663):1454-6.PMID: 15001751 DOI: 10.1126/science.303.5663.1454