諾貝爾獎特寫：當細胞缺氧時

又到一年一度的科學界盛事──諾貝爾獎的公佈日子。今屆諾貝爾生理學或醫學獎由凱林（William G. Kaelin Jr）、特克利夫（Sir Peter J. Ratcliffe）及塞門薩（Gregg L. Semenza）三位科學家共同奪得，以表彰他們發現細胞如何感應和適應氧氣。史丹福當然要為大家介紹一下他們三位的研究對生理學以至臨床醫學的貢獻。事實上，他們的研究如史丹福從事的血液學都有相當關係。

今屆諾貝爾生理學或醫學獎的三位得獎者（來源：https://www.nobelprize.org/）

醫學界很早就已經了解到氧氣水平對身體的影響，例如早在19世紀法國生理學家伯特（Paul Bert）已經發現缺氧對心血管系統的影響，又發現在高海拔低氧氣的環境生活會令人紅血球數量增加。

到了20世紀，科學家又發現了腎臟中的細胞可以偵測氧氣量，當氧氣供應減少時，腎臟中的細胞會合成一種名為促紅血球生成素（erythropoietin）的賀爾蒙，刺激骨髓製造紅血球。這是一個保償機制，在缺氧的情況下，身體需要更多的紅血球去運送更多氧氣到身體組織，作為彌補。在臨床上，有很多現象都與這個機制相關，例如慢性腎病的病人會有貧血，這是因為腎臟不能正常合成促紅血球生成素；腎細胞癌（renal cell carcinoma）的病人可能會出現高紅血球，這是因為這些不正常的癌細胞製造出過量的促紅血球生成素。

然而，缺氧的反應在生化層面上是如何運作呢？這個問題是近20-30年來藉著今屆三位諾貝爾得獎者的研究才慢慢被揭露出來。

塞門薩詳盡地研究負責合成促紅血球生成素的EPO基因。一條基因除了有直接控制蛋白質編碼的編碼序列（coding sequence）外，它附近的「側翼區」（flanking region）也是重要的區域，這個區域常包含了啟動子（promoter）或強化子（enhancer），負責調控蛋白質的轉譯。塞門薩發現了EPO基因的3‘側翼區中有一個小區域可以刺激與缺氧反應相關的基因，他把這個區域命名為hypoxia response element。這個區域能夠與兩種不同的核因子（nuclear factor）結合，其中一種可以被缺氧誘導，所以塞門薩把它稱為缺氧誘導因子（hypoxia-inducible factor，簡稱HIF）。塞門薩進一步研究發現HIF的化學結構，發現它是由HIF-1α與ARNT這兩部分組成。特克利夫及塞門薩都發現HIF不只可以刺激腎臟細胞的缺氧反應基因，而是能夠激活所有細胞的缺氧反應基因，似乎缺氧的反應是身體中各式各樣的細胞共同擁有的，這大大增加了科學界的興趣。今時今日，我們已知道最少有300條基因與缺氧反應相關，它們牽涉眾多的不同反應，從器官發展，到組織重生，到新陳代謝。

特克利夫又發現了HIF-1α的水平是由透過泛素-蛋白酶體（ubiquitin-proteasome）的機制所調控。當氧氣水平充足時，泛素把HIF-1α標記好，蛋白酶體把它分解。當氧氣水平不足時，泛素-蛋白酶體系統就減少分解HIF-1α，令細胞中HIF-1α含量增高，刺激缺氧反應的基因。

另一邊廂，凱林卻在做一個看似風馬牛不相及的研究──VHL基因。希佩爾-林道綜合症（Von Hippel–Lindau disease）這種罕見的遺傳性癌症綜合症便是由VHL基因突變引起的。希佩爾-林道綜合症的患者會出現各種罕見的癌症，包括腎臟血管瘤、腎細胞癌（renal cell carcinoma）、血管母細胞瘤（haemangioblastoms）以及嗜鉻細胞瘤（pheochromocytoma）等。凱林先為這基因定序，之後他又發現把正常的野生種VHL基因引進VHL基因突變的腎細胞中，便可以阻止細胞癌變，顯然VHL基因是一個腫瘤抑制基因（tumour suppressor gene）。

凱林與其他的小組合作又發現VHL基因突變的細胞中，有好幾個與HIF相關的基因都過度表現。這兩個最初看似風馬牛不相及的路徑竟然是相關的。但究竟它們怎樣互相影響呢？

特克利夫最終成功把這兩條路徑聯繫起來，發現VHL蛋白可以與HIF-1α結合，泛素E3連接酶（ubiquitin E3 ligase）以VHL蛋白為目標，為蛋白複合物標記上泛素，HIF-1α之後就會被泛素-蛋白酶體機制分解。

整個機制的最後一塊拼圖是究竟氧氣如何影響到HIF-1α與VHL的結合呢？這塊拼圖最後由特克利夫及凱林破解，他們的實驗室分別報告指出HIF-1α中有脯胺酸（proline）可被酶羥化（hydroxylation），而這個生化反應本身需要氧氣，所以只會在氧氣充足的環境下才可進行。脯胺酸被羥化後，VHL就會與HIF-1α結合。這就完美地解釋了手HIF-1α、VHL、氧氣與細胞缺氧反應的關係。當氧氣充足時，HIF-1α出現脯胺酸羥化（proline hydroxylation），令VHL與它結合，並被泛素-蛋白酶體機制分解。當氧氣缺乏時，HIF-1α不能與VHL結合，所以不會被分解，它在細胞中積聚，激活與缺氧反應相關的基因。

細胞缺氧反應機制的示意圖（來源：https://www.nobelprize.org/）

凱林、特克利夫及塞門薩三人發現的機制非常巧妙，而且在生理學上相當最要。但這些基本生物學的知識又應用到臨床醫學中？史丹福在此舉兩個簡單的例子。

細胞對缺氧的反應原來都與癌症息息相關。試想想，惡性腫瘤需要快速增長，自然需要大量氧氣。如果腫瘤增長太快，令所需的氧氣大於供應，那麼細胞的缺氧反應就會發揮作用。HIF-1α能夠激活不同的基因去支持腫瘤的生長，例如VEGF基因就負責合成血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor），這種因子刺激血管大量生長，新生的血管為腫瘤提供氧氣與養份，為腫瘤提供了優越的生長環境。就如之前介紹的VHL基因能夠合成VHL蛋白，促進HIF-1α的降解，所以屬於一種腫瘤抑制基因。VHL基因突變令激活缺氧反應基因被持繼激活，最終引起癌症。科學家已經在針對這路徑研究新的標x藥物，這成了醫治癌症的新方向。

而氧氣反應機制的研究也革新了貧血的治療。慢性腎病的病人因未能正常地合成紅色球生成素而有慢性貧血。傳統的治療方法是注射紅色球生成素，不過近期又出然了一種革命性的新型口服藥物－－roxadustat。Roxadustat是一種HIF脯胺酸羥化酶抑制劑，抑制HIF-1α的脯胺酸羥化，變相抑制它與VHL結合及被泛素-蛋白酶體機制分解。負負得正，當藥物抑制了HIF-1α的分解，HIF-1α數量就會提升，促進腎臟合成促紅色球生成素。一個第三期臨床研究已經發現在不須進行洗腎的慢性腎病病人中，使用roxadustat的病人比起服用安慰劑的病人，血紅蛋白水平顯著地提升了。這是一個治療貧血的全新方向。

史丹福在此再次恭喜三位得獎者，並希望他們的研究能夠繼續促進我們對基本生理學的了解，同時也可以促進臨床醫學的進步，促進新藥的研發，造福病人。

參考資料：

1. Jelkmann, W. (2007). Erythropoietin after a century of research: younger than ever. European Journal of Haematology, 78(3), 183–205.

2. Chen, N., Hao, C., Peng, X., et al. (2019). Roxadustat for Anemia in Patients with Kidney Disease Not Receiving Dialysis. New England Journal of Medicine, 381(11), 1001–1010.

3. https://www.nobelprize.org