2019年諾貝爾生理或醫(yī)學獎在瑞典卡洛琳斯卡醫(yī)學院揭曉，哈佛醫(yī)學院的William G. Kaelin，牛津大學的Peter J. Ratcliffe以及約翰霍普金斯大學的Gregg L. Semenza教授因在“發(fā)現(xiàn)細胞如何感知和適應氧氣變化”領域做出的卓越貢獻，被授予這一科學界最高獎項。

圖1：獲獎的三位科學家

眾所周知，哺乳動物需要利用氧氣將食物轉化成可供使用的生物能量。此次諾貝爾獎獲得者開創(chuàng)性地揭示了細胞感應氧氣的分子機制，闡明了氧氣含量是如何影響細胞代謝和生理功能的，為包括腫瘤、心血管病、慢性腎臟貧血等多種疾病的臨床治療開辟了新路徑¹。

三位科學家獲獎的核心成果是發(fā)現(xiàn)了低氧誘導因子1（HIF-1），其廣泛存在于慢性缺氧細胞中，它的表達水平受到氧氣含量的影響：在高氧狀態(tài)下，低氧誘導因子被修飾，從而降解；在低氧狀態(tài)下，低氧誘導因子不被修飾，不會降解。HIF-1所調控的基因能夠作用于線粒體呼吸，還能夠動態(tài)調節(jié)糖酵解的速率。

氧氣消耗速率（OCR）和細胞外酸化速率（ECAR）是測定活細胞線粒體呼吸功能和糖酵解水平的金標準，安捷倫公司推出的Seahorse XF細胞能量代謝分析系統(tǒng)可廣泛應用于諾貝爾生理或醫(yī)學獎的相關研究領域。下面是幾位獲獎科學家使用Seahorse XF技術發(fā)表的文章：

2011年，Gregg L. Semenza組在Cell期刊上發(fā)表文章，發(fā)現(xiàn)丙酮酸激酶PKM2與脯氨酰羥化酶3（PHD3）的相互作用增強了PKM2與HIF-1α的結合，促進了HIF-1α靶基因的轉錄激活 ²。他們進一步發(fā)現(xiàn)，PHD3可以羥基化403/408位的脯氨酸，PHD3的敲低會抑制PKM2共激活子的功能，減少癌細胞對葡萄糖的攝取、乳酸的產(chǎn)生，增加了氧消耗。在這篇文章中作者利用Seahorse XF技術測量了氧氣消耗速率OCR。如下圖：

圖2：敲低PHD3降低了腎癌細胞的胞內葡萄糖和胞外乳酸的水平，增加了氧消耗

2016年Semenza組又在Cancer Research發(fā)表文章，研究磷酸甘油酸脫氫酶（PHGDH）在乳腺癌干細胞的維持和肺轉移過程中的作用³。缺氧誘導HIF的表達，HIF作為轉錄因子進一步誘導PHGDH的表達。瘤內缺氧的環(huán)境會使乳腺癌干細胞富集，促進乳腺癌轉移和病人死亡。在這樣一個研究背景下，作者想要研究低氧時PHGDH是如何影響乳腺癌干細胞的。結果發(fā)現(xiàn)，敲低PHGDH 會顯著減少乳腺癌干細胞的富集。作者運用Seahorse XF技術來檢測PHGDH對細胞代謝的影響，結果表明，敲低PHGDH的乳腺癌細胞系MDA-MB-231和MCF-7的OCR和ECAR都上升，而葡萄糖的攝取并沒有改變。進一步的研究證實，PHGDH影響乳腺癌細胞對葡萄糖代謝物的利用。

圖3：PHGDH的敲低使乳腺癌細胞的氧消耗和糖酵解水平升高

2010年，另外一位獲獎者William G. Kaelin組同樣使用Seahorse XF技術在Circulation期刊上發(fā)表文章，研究脯氨酰羥化酶（PHD）在心臟中的功能⁴。作者發(fā)現(xiàn)心臟PHD的特異性失活和HIF的長期激活，足以引起很多缺血性心肌病的癥狀。在研究PHD如何影響心臟功能的時候，作者采用了Seahorse XF技術。如下圖：

圖4：PHD2缺陷的小鼠胚胎成纖維細胞和心肌細胞的氧消耗降低

除了在基礎科研領域大放異彩，HIF的研究成果也被用到了制藥行業(yè)中。獲獎科學家中的William G. Kaelin教授，是琺博進（中國）醫(yī)藥技術開發(fā)有限公司的科學顧問委員會成員。琺博進基于Kaelin教授獲諾貝爾獎的低氧誘導因子機制研發(fā)的羅沙司他 (Roxadustat)已于2018年12月18日在中國首先獲批上市。羅沙司他是全球獲批的首個小分子低氧誘導因子脯氨酰羥化酶（HIF-PH）抑制劑類貧血藥物。HIF不僅使紅細胞生成素表達增加，也能使紅細胞生成素受體以及促進鐵吸收和循環(huán)的蛋白表達增加。羅沙司他通過模擬脯氨酰羥化酶（PH）的底物之一酮戊二酸來抑制PH酶，影響PH酶在維持HIF生成和降解速率平衡方面的作用，從而達到糾正貧血的目的。治療慢性腎臟貧血是該藥的第一個適應癥。目前許多科學家，例如Anna Baulies⁵和Takemura K⁶還在繼續(xù)研究羅沙司他對癌癥和骨骼肌的作用，在他們發(fā)表的論文中，也均使用了安捷倫的SeahorseXF技術。

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參考文獻
1 Thompson, C. B. Into Thin Air: How We Sense and Respond to Hypoxia. Cell 167, 9-11, doi:10.1016/j.cell.2016.08.036 (2016).
2 Luo, W. et al. Pyruvate kinase M2 is a PHD3-stimulated coactivator for hypoxia-inducible factor 1. Cell 145, 732-744, doi:10.1016/j.cell.2011.03.054 (2011).
3 Samanta, D. et al. PHGDH Expression Is Required for Mitochondrial Redox Homeostasis, Breast Cancer Stem Cell Maintenance, and Lung Metastasis. Cancer Res 76, 4430-4442, doi:10.1158/0008-5472.CAN-16-0530 (2016).
4 Moslehi, J. et al. Loss of hypoxia-inducible factor prolyl hydroxylase activity in cardiomyocytes phenocopies ischemic cardiomyopathy. Circulation 122, 1004-1016, doi:10.1161/CIRCULATIONAHA.109.922427 (2010).
5 Baulies, A. et al. The 2-oxoglutarate carrier promotes liver cancer by sustaining mitochondrial GSH despite cholesterol loading. Redox Biol 14, 164-177, doi:10.1016/j.redox.2017.08.022 (2018).
6 Takemura, K., Nishi, H., Higashihara, T. & Nangaku, M. SUN-285 PHD inhibitor and hypoxia influence on skeletal muscle glucose metabolism. Kidney International Reports 4, doi:10.1016/j.ekir.2019.05.790 (2019).