2019年诺贝尔生理学或医学奖揭晓(2)
当氧气水平很高时，细胞中几乎不含HIF-1α。但是，当氧气水平低时，HIF-1α的量会增加，因此它可以结合并调节EPO基因以及其他具有HIF结合DNA片段的基因。几个研究小组表明，通常会迅速降解的HIF-1α在缺氧条件下可不被降解。在正常的氧气水平下，一种被称为蛋白酶体的细胞机器会降解HIF-1α；Aaron Ciechanover、Avram Hershko和Irwin Rose因发现蛋白酶体被授予2004年的诺贝尔化学奖。在这种情况下，将一种小肽（泛素）连接到HIF-1α蛋白上。泛素是将蛋白质运送到蛋白酶体进行降解的标签。泛素如何以氧依赖性方式结合HIF-1α仍然是一个核心问题。
这个问题的答案来自一个意想不到的方向。大约在Semenza和Ratcliffe探索EPO基因的调控的同时，癌症研究人员William Kaelin, Jr.正在研究一种遗传综合征，即希佩尔-林道综合征（VHL病）。这种遗传疾病会导致遗传性VHL基因突变的家庭罹患某些癌症的风险急剧增加。Kaelin发现，VHL基因编码一种可预防癌症发生的蛋白质。Kaelin还发现缺乏功能性VHL基因的癌细胞会异常高水平表达低氧调节基因。但是VHL基因重新引入癌细胞后，恢复了正常水平。这是一个重要的线索，表明VHL以某种方式参与了对缺氧反应的控制。来自几个研究小组的其他线索表明，VHL是一个复合物的组分，这个复合物利用泛素标记蛋白质，而被标记的蛋白将会被蛋白酶体降解。然后，Ratcliffe和他的研究小组做出了一个关键发现：证明VHL可以与HIF-1α发生物理相互作用，并且是正常氧水平下HIF-1α降解所必需的。这一发现最终将VHL与HIF-1α联系到一起。
氧气改变平衡
许多拼图已经被放到了正确的位置，但是对O2含量如何调节VHL和HIF-1α之间相互作用的认知仍然缺乏。后续的研究瞄准了HIF-1α蛋白的特定部分，这个部分对于VHL依赖的降解很重要，并且Kaelin和Ratcliffe都怀疑O2感知的关键位于该蛋白结构域中的某个位置。 2001年，在两篇同时发表的文章里，他们发现，在正常的氧气水平下，羟基会被加到HIF-1α的两个特定位置（图1）。这种蛋白质修饰称为脯氨酰羟基化，使VHL能够识别并结合到HIF-1α，从而解释了正常的氧气水平如何通过对氧敏感的酶（即脯氨酰羟化酶）来控制HIF-1α的快速降解。Ratcliffe等人的进一步研究鉴定了负责这一过程的脯氨酰羟化酶。研究还表明，HIF-1α的基因激活功能受氧依赖性羟基化作用所调节。今年的诺奖得主至此阐明了氧气感应机制，并展示了其工作原理。
图1.当氧水平低时（缺氧），HIF-1α受到降解保护，并在核中聚集，它会与ARNT联合，并绑定到缺氧调节基因（1）中的特定DNA片段（HRE）。在正常氧水平下，HIF-1α则由蛋白酶体（2）快速降解。通过羟基团（OH）结合到HIF-1α（3），氧调节了这一降解过程。然后，VHL蛋白能够识别并与HIF-1α形成一个复合体，致使它以依赖氧的方式降解（4）。
