今天，2019年諾貝爾生理學或醫學獎頒給了來自美國的小威廉·凱林教授（William G. Kaelin, Jr.）、格雷格·西門扎教授（Gregg L. Semenza），以及來自英國的彼得·拉特克利夫爵士（Sir Peter J. Ratcliffe），以表彰這三位科學家在細胞低氧感知與適應研究上所做出的突出貢獻。
△ 2019諾貝爾生理學或醫學獎"官宣"圖（圖片來源：https://www.nobelprize.org）
我們平常會缺氧嗎？細胞為什麼要有低氧感知的能力？細胞感知到低氧之後又會做出哪些響應動作？這與我們的生活有著怎樣的聯繫？
要回答這些問題，咱們不妨從最近熱映的一部電影說起。
比食物和水更重要的 是氧氣
今年國慶假期，幾部國產大片成為人們去電影院的首選。其中之一便是《攀登者》，講述了我們中國登山隊員克服重重困難，在六十年代和七十年代兩次登頂珠穆朗瑪峰的感人故事。大自然帶給他們的挑戰主要來自三方面：狂風、寒冷、低氧。
△ 懷抱氧氣罐的"攀登者"（圖片來源：微博@費啟鳴）
我也去電影院看了這部電影，對其中低氧的問題感觸很深。每當登山隊員們到達珠峰上的某個地標，大銀幕上就會給出此處的風速、溫度，以及氧含量。在珠峰上，氧氣含量只有9%左右，不及平原水平(20.8%)的一半。處在這種低氧環境中的感覺，大概就像是平常不跑步的人剛剛跑了幾公里之後的感覺差不多——無論你怎麼使勁喘氣，都覺得自己喘不上氣來。此時，你身體裡的每一個細胞都在吶喊："我缺氧！！！"
我們的身體可以十幾天不吃飯，也可以幾天不喝水，卻一分鐘也離不開氧氣。對於大多數人來講，這是司空見慣的常識，無須解釋。
△ 對身處太空的宇航員來說，"愛的供氧"一刻都不能停止（圖片來源：維基百科）
可究竟為什麼氧氣如此不可或缺呢？答案在於：我們需要氧氣來完成食物的"燃燒"。
△ 有氧呼吸的過程可以簡單歸納如上，但實際上的過程更為複雜（圖片來源：維基百科）
當然，你的任何一個細胞裡也沒有正在燃燒的小火苗。但其實，食物中的能量物質正是通過與氧氣完成的氧化反應才得以釋放能量的。從化學上來講，這跟一塊木頭的燃燒可以說是一碼事情，主要的區別在於：可見的燃燒是個劇烈的氧化過程，而細胞裡的"燃燒"是個受控的緩慢氧化過程。
無論是能量物質還是水，我們的身體裡都有不少儲備。唯獨氧氣，我們是幾乎沒有"餘糧"的——事實上，地球上的所有生物都沒有額外單獨存儲氧氣的能力。
為什麼會這樣？這是個很難回答，更難以求證的問題。但一個可能的解釋在於：氧氣比水和食物都更容易獲得。既然你一張嘴就能得到它，何必要進化出一個氧氣罐來呢？
但是，也恰恰是氧氣這種張嘴可得的特性，把細胞給慣壞了。它們都習慣了正常生活環境中的供氧水平，一旦遭遇"低氧"的特情，細胞們就要開始抗議了。不過，我們的身體也有各種手段來解決低氧的麻煩。
由氧氣催生的興奮劑
我們最常遭遇的缺氧，顯然不是登上高原時才會遇到的那種情況，而是在你劇烈運動之後所面臨的問題。對於這種臨時性的缺氧，我們的身體也有臨時性的解決方案，以求迅速解決問題。
首先就是我們大家都能感受到的心跳加速，通過更快的呼吸和更快的心跳，提高供氧速率。另外，我們血液中的紅細胞也會合成一些特殊的小分子物質，它們能夠結合到血紅蛋白上，提升血紅蛋白輸送氧氣的效率。
△ 最左側的血細胞是紅細胞，它的出現是脊椎動物進化過程中的重要一步（圖片來源：維基百科）
不過，臨時手段也有臨時手段的問題，肯定不能長期採用。所以當你身處高原環境，每一個細胞都長時間缺氧時，你的身體就要另謀他策了。
最先被科學家們觀察到的現象是，我們體內的紅細胞數量會大大增加，以此提高運送氧氣的能力。簡單來說，一個車隊的卡車多了，運力自然就提高了。其實，增加卡車數量是個很好的策略，像鯨豚類水生哺乳動物，因為不能利用水中的氧氣，也只能通過提高血紅蛋白和肌紅蛋白的數量來加大攜氧量。
後來，進一步的研究發現了促紅細胞生成素（Erythropoietin，EPO）。當我們長期處在低氧環境中時，腎臟就會合成EPO這種糖蛋白激素，而EPO會刺激骨髓製造更多的紅細胞，以此來應對低氧問題。
△ EPO的三維"彩照"（圖片來源：維基百科）
當EPO被發現之後，它很快就被應用於臨床，醫治與貧血相關的多種疾病。在上個世紀末，人們又為EPO找到了一個不那麼光彩的應用方向——興奮劑。通過注射EPO，運動員的身體就會合成更多紅細胞，提高供氧能力，從而提高肌肉的輸出功率。這效果就像是汽車打開渦輪增壓一樣，單純通過提供更多的氧氣，就能從同樣的燃料中榨出更多的能量來。
不幸的是，EPO因為是一種蛋白質，幾乎不會直接從尿液中排出，所以很難從尿液中檢測到。即便是從血液中檢測，起初也很難分辨運動員自己身體合成的EPO與外來的人工生產的EPO。目前的主要檢測手段是通過專一性的抗體來分辨兩者。
不過，"道高一尺，魔高一丈"。現在又有了實驗室級別的前沿生物學手段，在基因級別上直接調控細胞的EPO生產水平，讓運動員的細胞能夠自行生產出更多的EPO來。顯然，面對這種"自產自銷"的EPO，興奮劑檢測必須要應對更為艱鉅的挑戰。
誰操縱了細胞裡的低氧應答？最早進行EPO基因操縱實驗的人，恰恰就是今天的諾獎得主之一，西門扎教授。
△ 2019諾貝爾生理學或醫學獎新科得主之一Gregg L. Semenza（圖片來源：https://www.pnas.org ）
他的實驗室將人的EPO基因轉移到了小鼠體內，結果這種轉基因小鼠就能生成更多的紅細胞了。
這一結果說明了兩件事兒：一、EPO能夠促成紅細胞的增多；二、人跟小鼠的EPO差別不太大，換著也能用（這可不是放在所有蛋白質上都能成立的事情，事實上，兩者只有80%左右的一致性，不過這在生物學角度上來看已經算是相當高的近似性了）。
但是，西門扎教授並不滿足於此。一個很簡單又很直接的問題就是：低氧這種環境變化是怎麼轉化成EPO合成這個應答動作的呢？這裡面其實包含了兩個問題：第一、細胞怎麼感知"低氧"這件事？第二、細胞怎麼提高EPO的合成水平？
很多科學大家都會告誡年輕人：選擇課題的時候要認清你這個領域當前的發展水平，選擇一個當前的發展水平能夠解決的問題來研究。西門扎教授無疑對此有著清醒的認識。他選擇的就是去研究第二個問題，也就是細胞調控EPO合成水平的方式。在當時，也就是上世紀八九十年代，我們對於基因的調控已經有了很多的認識，具備了研究這個問題的基礎。
前文曾經提到，EPO是一種糖蛋白激素，簡單來說就是一種蛋白質。蛋白質都是細胞依據基因的編碼來生產的。人類基因組計劃告訴我們，人類大概有2萬個左右的基因。但是，細胞並不是每時每刻都在按照這2萬個基因生產2萬種蛋白質。事實上，這些基因中的大部分平常都是不工作的。說得更通俗一點，它們就像是壓根不存在一樣。或者我們也可以理解為，這些基因就像是被關上了一樣。
今天我們已經知道，細胞中有很多種方法可以去關閉一個基因。其中較早被人們所知的是轉錄調控因子。簡單來說，在承載基因的DNA鏈上，位於基因上游的某個區域決定著這個基因的"開"與"關"，稱為調控元件。而有些蛋白質能夠結合到調控元件上，控制了基因的開關狀態，稱為轉錄調控因子。
西門扎和他的研究組首先找到了EPO基因上游的調控元件，並命名為低氧應答元件（hypoxia response element），因為它在低氧下就會開啟EPO基因的表達。有趣的是，如果把這個元件序列移到其他與低氧無關的基因上游，這些基因也會在低氧狀態下被開啟。
隨後，西門扎又找到了與低氧應答元件相配合的那個調控因子蛋白，並命名為低氧誘導因子1（hypoxia-inducible factor 1, HIF-1）。如果說低氧應答元件是與低氧應答有關的那個"開關"，那麼HIF-1這個蛋白質就是操縱低氧應答開關的那隻手。
左手和右手
準確來說，是那"雙"手。
西門扎發現，HIF-1其實是由兩個蛋白質組成的，於是分別命名為HIF-1α和HIF-1β。不過，兩者之中的HIF-1β其實是一次"再發現"。
科學史上再發現的案例數不勝數，最經典的就是孟德爾在豌豆實驗中發現遺傳規律的故事。如果不是三十多年後其他科學家也獨立做出了同樣的結果，並在查閱資料時發現了孟德爾的論文，那麼孟德爾的名字可能永遠不會廣為世人所知了。
當生物學遠離了人工授粉和數豌豆的工作，步入基因與蛋白質的分子時代之後，再發現的事情有增無減。生物學家們往往在研究某一個問題時鑑定出了某個基因或蛋白質，卻發現它其實已經在別人研究另一個問題時被發現過了。這也導致了一個令很多學習生物學的學生感到困擾的問題：相當一部分基因或蛋白質都有好幾個名字。
HIF-1β就是一個讓生物學學生頭痛的蛋白質，他的"別名"至少還有：ARNT，TANGO，bHLHe2等等。為什麼它的名字會這麼多呢？原因說起來也簡單：因為HIF-1β通過與不同蛋白質搭配，就可以去撥動不同的基因開關，於是它在不同方向的研究工作中被一次次重新"發現"。也就是說，HIF-1β有著多種重要的基因調控功能。
就在兩年前，2017年的諾貝爾生理學或醫學獎頒給了生物學家傑弗裡·霍爾（Jeffrey C. Hall）、邁克爾·羅斯巴殊（Michael Rosbash），以及邁克爾·楊（Michael W. Young），以表彰他們在生物節律研究上所做的開創性工作。在人體的生物鐘當中，有一個重要的蛋白質稱為Clock，單從名字上就可以看出它在生物鐘系統中的重要性。而這個Clock蛋白需要與一種名為bHLHe5的蛋白質聯手，才能發揮調控基因的作用。看看名字就知道，bHLHe5與別名bHLHe2的HIF-1β是非常類似的蛋白質。
△ 兩隻"手"（圖片來源：https://www.haaselab.org）
事實上，西門扎通過系統性的研究發現，無論是HIF-1β還是HIF-1α，兩者都具有多重功能，共同管控著多種基因的開啟。這些基因當中除了促進紅細胞合成的EPO之外，還包括促進血管生長的VEGF、促進細胞攝入葡萄糖的GLUT1等等。總而言之，低氧狀態會通過HIF-1α和HIF-1β這雙"手"，開啟一系列的基因，讓身體從多種角度去應對低氧帶來的能量供給困難。
"左手"太多有麻煩
所謂"非常措施"，自然不是常態。對於生活在平原地區的人來說，低氧這種非常狀態所引發的身體反應，也可能有著潛在的傷害性。
二十世紀中葉，研究人員發現一類遺傳性腫瘤病人有著共同的特徵，就是VEGF和EPO等激素水平極高，如同始終受到了低氧刺激一樣。在這些蛋白質的作用下，他們大都患有不同部位的血管瘤，或是腎癌。這種病以最初描述此類病症的兩位醫生名字命名為馮·希佩爾-林道病（Von Hippel-Lindau disease，VHL）。
由於VHL病具有家族遺傳性，極有可能是由一個特定的致病基因所引起的。科學家們通過基因的定位和測序，最終確定了與這一疾病相關的基因，並命名為VHL基因。
△ VHL基因發生突變，導致pVHL蛋白改變，無法與HIF1-α結合（圖片來源：維基百科）
在VHL病人的體內，VHL基因出現了突變，生產出來的VHL蛋白無法正常工作，於是就導致了VEGF和EPO蛋白含量的提高。VHL會與HIF-1有關係嗎？又會是怎樣一種關係呢？
△ 2019諾貝爾生理學或醫學獎新科得主之一 William G. Kaelin Jr.（圖片來源：https://www.lilly.com）
今天的諾獎獲得者之一，凱林教授在研究中發現，VHL出了問題，HIF-1α就會長期存在下去。而原本在正常細胞當中，只要氧供給正常，HIF-1α就會不斷被細胞自己降解掉。
也就是說，細胞其實一直都在生產HIF-1α這隻"左手"，但又不斷砍去這隻"左手"。而這把砍手的斧子就是VHL。在VHL病人的細胞裡，VHL基因出了問題，生產出來的VHL蛋白是殘次品，砍不斷HIF-1α這隻"左手"，於是細胞便始終處於受到低氧刺激的狀態。
△ 2019諾貝爾生理學或醫學獎新科得主之一 （圖片來源：http://www.ox.ac.uk）
今天諾獎的另一位得主拉特克利夫教授進一步研究發現，VHL是一個E3泛素連接酶，專門負責給HIF-1α蛋白打上泛素這種標籤。細胞裡有一套獨特的蛋白處理機制，能夠將打上一串泛素標籤的蛋白質分解掉。這是細胞處理無用蛋白，將原料回收利用的重要方式。當VHL出問題時，HIF-1α無法再獲得泛素標籤，也就無法再被細胞分解處理掉了。
細胞裡的化妝師
故事講到這兒，三位諾獎得主都出場了，但其實還是沒有回答前面提出的兩個問題當中的第一個：細胞到底是如何感知"低氧"這件事兒的。
回答這個問題的仍舊是拉特克利夫教授。
給蛋白質打上泛素標籤這件事，生物學上稱之為"翻譯後修飾"。說白了就是給已經生產出來的蛋白質額外化點妝。不過細胞中並不僅僅只有泛素化這一種修飾，還存在磷酸化、甲基化、羥基化、乙酰化等等很多修飾方式，就像是化妝也分不同部位，同一部位也分不同的化妝方法。
拉特克利夫教授最初是想看看HIF-1α的泛素化與其他修飾種類之間有什麼關係。他最初盯上了細胞中很常見的磷酸化，結果一無所獲。後來有其他實驗室的研究發現，HIF-1α首先要在特定位置被羥基化，然後才能被VHL識別，加以泛素化。打個不合適的比方，某人出門要先花個淡妝（羥基化），才能被化妝師（VHL）認出來，然後才能由化妝師化個濃妝（泛素化）。純粹只是個比方，切勿對號入座……
拉特克利夫教授深入研究之後發現，負責給HIF-1α進行羥基化的化妝師是一種雙加氧酶。顧名思義，這件事兒裡涉及到添加氧的反應。於是，當細胞內氧含量不足時，這個反應很難進行——再好的化妝師，也是巧婦難為無米之炊啊！
至此，細胞對低氧的感知與響應鏈條就完整了。
△ 當環境長期低氧時，細胞內氧含量也會下降，於是HIF-1α無法發生羥基化，也就不會被VHL加上泛素標籤，也就不會被細胞降解掉。此時，完整的HIF-1α與HIF-1β結合，雙"手"合璧，開啟EPO、VEGF、GLUT1等基因的表達，讓身體產生這些蛋白質，進入應對低氧的工作狀態。
細胞的低氧與腫瘤的生存
補全低氧感知鏈條的拉特克利夫教授有著爵士的頭銜，也是牛津大學若干研究機構的負責人。同時，他還是一位癌症領域的臨床醫生。其實他對低氧問題的興趣，最初就是來自於他對腎癌等癌症的研究。他在早期的研究中發現，腫瘤區域會出現大量的VEGF和GLUT1等蛋白質，而如果將HIF-1這雙開啟基因的"手"破壞掉的話，不但這些蛋白的含量明顯下降，就連腫瘤的生長也會大大放緩。
今天的諾獎公佈之後，可能很多人都會覺得奇怪，不知道細胞的低氧感知有什麼重要性。其實，它不僅僅與你的高原之旅有關係，還與腫瘤的生長和惡性化有著重要的聯繫。因為腫瘤之中正是一個低氧區。
我們都知道，腫瘤是細胞不斷增殖的結果，老百姓俗稱"大肉瘤子"。實際上這話很形象，因為這一堆細胞在一起就是一塊肉。可是真正的肌肉組織裡有血管和毛細血管，為每一處的細胞輸送氧氣和營養，帶走二氧化碳和其他代謝廢物。而一個"肉瘤子"裡面是沒有血管的。因此，可以說腫瘤裡面的細胞活得很"慘"，都處在珠穆朗瑪峰那樣的極度缺氧狀態。
事實上，腫瘤惡性化的一個重要標誌就是生血管。一旦血管長出來，就使得這個腫瘤可以"滋潤"地活下去了。而這件事情，無疑是與細胞對低氧的感知與響應有關的。
我本人的研究組曾經也做過一些涉及HIF-1的工作，而我的出發點也是癌症研究，具體說是癌症轉移——這是惡性腫瘤的另一個生要標誌。根據世界衛生組織的統計，死於癌症的病人當中，大部分都是死於轉移產生的次發性癌症。也就是說，如果能阻斷轉移，就能拯救很多癌症患者的生命。而癌症轉移的發起者，也正是HIF-1這雙"手"，同樣是低氧刺激所引發的。
今天的諾貝爾生理學或醫學獎頒給了細胞低氧研究這個領域，無疑會對相關研究有著極大的推動作用，讓我們未來能夠更加透徹地理解惡性腫瘤生血管以及轉移的分子機制，為相關藥物的研究帶來曙光。
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關鍵字: 小威廉 醫學獎 諾貝爾生理學或醫學獎
