瑞典當?shù)貢r間10月7日，諾貝爾獎委員會總秘書長托馬斯·佩爾曼宣布，2019年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予小威廉·G.凱林（William G. Kaelin, Jr.）、彼得·J·拉特克利夫爵士（Sir Peter J. Ratcliffe）和格雷格·L·塞門扎（Gregg L. Semenza），以表彰他們在細胞氧氣感知方面的研究。

Fig1. 2019年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎獲獎人，圖片來源諾貝爾獎官網(wǎng)

三位獲獎?wù)叩陌l(fā)現(xiàn)都是圍繞著缺氧誘導(dǎo)因子（HIF）的作用展開。HIF自身是異源二聚體，由HIF-1α （對氧敏感的部分）及芳香烴受體核轉(zhuǎn)位因子（ARNT，與氧含量無關(guān)）的基因產(chǎn)物組成，其中HIF-1α 是調(diào)節(jié)HIF氧含量反應(yīng)的關(guān)鍵因子。他們革命性的發(fā)現(xiàn)幫助我們了解了細胞是如何感知并適應(yīng)環(huán)境氧含量的變化。

氧感知通路是什么？

常氧條件下，HIF-1α 的兩個特定位點會被添上羥基，即發(fā)生脯氨酰羥化，此時von Hippel-Lindau（VHL）能夠識別HIF-1α 并組成一個復(fù)合體，隨后通過泛素-蛋白酶途徑降解；而在低氧條件性下，負責HIF-1α 羥基化的蛋白被泛素-蛋白酶途徑降解，因此未經(jīng)羥基化的HIF-1α 可進入細胞核中，與ARNT相作用并結(jié)合到缺氧調(diào)控基因的特定DNA序列上，從而啟動目的基因轉(zhuǎn)錄。

Fig2. 氧感知通路示意圖，圖片來源諾貝爾獎官網(wǎng)

動物細胞感知不同氧氣濃度并且及時調(diào)節(jié)基因的表達，對于動物的生存至關(guān)重要。HIF-1α 作為生理性和病理性低氧過程中最主要的效應(yīng)因子，直接或間接調(diào)控了許多與低氧有關(guān)的基因。目前，已有超過70個基因被報道為HIF-1α 的直接靶基因，這些基因主要涉及新生血管生成、代謝適應(yīng)性調(diào)節(jié)、凋亡的誘導(dǎo)與抵抗以及細胞遷移與浸潤等生物學功能。

Fig3. HIF誘導(dǎo)表達的部分基因，圖片來源：Dengler, V.L., M. Galbraith, and J.M. Espinosa, Transcriptional regulation by hypoxia inducible factors. Crit Rev Biochem Mol Biol, 2014. 49(1): p. 1-15.

自三位獲獎?wù)咦钤绲拈_拓性發(fā)現(xiàn)以來，許多研究小組也加入了HIF通路的研究。近些年，利用基因修飾小鼠研究HIF-1α 在機體細胞、組織發(fā)育，生理及病理過程中的作用及機制，已經(jīng)取得了許多有意義的發(fā)現(xiàn)。下面為大家簡單介紹HIF-1α 在常見疾病中的研究應(yīng)用。

HIF-1α小鼠模型選擇

1998年，Ryan^[1]和Iyer^[2]分別報道了HIF-1α 全身性敲除小鼠會出現(xiàn)致死的表型。大多數(shù)小鼠死于胚胎發(fā)育第9天，主要表現(xiàn)為心血管、神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育缺陷和間充質(zhì)細胞的大量死亡。進一步研究發(fā)現(xiàn)HIF-1α^-/-胚胎于E8.0d出現(xiàn)明顯異常，主要表現(xiàn)為：胚胎變小，卵黃囊血管明顯異常，缺乏規(guī)整的血管分支，神經(jīng)管形態(tài)異?；虿婚]合，體節(jié)減少，神經(jīng)褶無血管網(wǎng)等。

由于HIF-1α^-/-小鼠于胚胎發(fā)育早期死亡，因此不能用于研究HIF-1α 在胚胎發(fā)育后期及出生后各種生理、病理過程中的作用，但利用HIF-1α 條件性敲除小鼠可解決上述問題。

HIF-1α 與腫瘤

腫瘤血管生成在腫瘤生長和轉(zhuǎn)移中起著重要作用，是腫瘤生長、侵襲、轉(zhuǎn)移和復(fù)發(fā)的先決條件，它依賴于缺氧腫瘤內(nèi)血管生成因子和抑制因子的動態(tài)平衡。自然殺傷(NK)細胞是淋巴細胞的一個亞群，它具有獨特的殺傷癌細胞并浸潤到缺氧腫瘤內(nèi)部的功能，但是對于NK細胞在腫瘤血管生成中的作用目前仍不明確。為了檢測HIF-1α 在NK細胞中的作用，研究人員^[3]在NK細胞中敲除HIF-1α，結(jié)果發(fā)現(xiàn)腫瘤生長受到抑制，主要血管生成因子（如VEGF）的生物利用度得以增加，這些新發(fā)現(xiàn)為考慮和靶向NK細胞缺氧反應(yīng)提供了理論基礎(chǔ)。

Fig4. HIF-1α 敲除與腫瘤生長

HIF-1α 與骨發(fā)育

骨發(fā)育規(guī)律而有序的過程依賴一系列生長因子、生物分子及信號傳導(dǎo)通路的精密而準確調(diào)控。鑒于骨發(fā)育過程中存在明顯低氧狀態(tài)，Shao^[4]等研究者分別在間充質(zhì)細胞水平及成骨細胞水平敲除HIF-1α，以深入探討HIF-1α 在骨發(fā)育各個階段的作用及其調(diào)控機制。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在間充質(zhì)細胞水平敲除HIF-1α （Dermol-Cre,?HIF-1α^flox/flox）后，E13.5天至P0(新生小鼠)小鼠較對照組體積減小，發(fā)育遲緩。在成骨細胞水平敲除HIF-1α（OC-Cre, HIF-1α^flox/flox） 后，敲除組軟骨內(nèi)成骨較對照組血管形成減少，新骨形成速度減慢，骨量減少，膜內(nèi)成骨未見明顯影響。以上研究結(jié)果初步建立起以HIF-1α 為中心的，骨發(fā)育氧感應(yīng)機制的生物學信息調(diào)節(jié)框架。

HIF-1α 與腸炎

炎癥性腸病微循環(huán)中，缺氧是其的重要特征之一，這預(yù)示著HIF因子在缺氧損傷的調(diào)節(jié)中起關(guān)鍵作用。Tang[5]等研究者對腸上皮特異性HIF-1α 敲除小鼠(HIF-1α△IEC)給予葡聚糖硫酸鈉(DSS)處理，誘導(dǎo)出潰瘍性結(jié)腸炎動物模型。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：DSS處理后，HIF-1 α△IEC小鼠體重急劇下降，結(jié)腸長度發(fā)生縮短，HE染色顯示HIF-1a△IEC小鼠結(jié)腸破壞更嚴重，mRNA分析顯示促炎因子水平更高。此外，腸炎條件下，敲除鼠體內(nèi)Tregs上調(diào)受到抑制。以上結(jié)果表明HIF-1α 在誘導(dǎo)產(chǎn)生Tregs和調(diào)節(jié)腸道炎癥中具有重要作用。

今年三位諾貝爾生理學或醫(yī)學獎獲得者的開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)，解釋了生命中最重要的氧適應(yīng)機制，關(guān)注諾貝爾獎得主及其研究成果無疑是一次集體科普。不可否認，關(guān)于HIF通路的研究還是一個漫長的過程，許多新的疾病發(fā)生機制還有待于科研工作者的不斷探究。

南模生物自主研發(fā)的HIF-1α 條件性基因敲除（HIF-1α-CKO）小鼠模型，可用于研究HIF-1α 的生理功能、HIF-1α 基因相關(guān)的疾病發(fā)生機制及治療方案，相信，HIF-1α 條件性基因敲除小鼠一定會是HIF相關(guān)通路研究中的重要資源。

請注意，目前HIF-1α 條件性基因敲除小鼠有活體供應(yīng)哦?。?a href="http://www.154v3.cn/portal/article/index/id/4220/post_type/3.html" target="_blank">進入訂購頁面）

參考文獻：

【1】Ryall H．Lo J．Johnson R，et a1．HIF-10tis required for solid tumor

formation and embryonic vascularization[J]．EMBO J．1998，17：3005-3015．

【2】lyer N，Ketch L，Agani F，et a1．Cellular and developmental control

0f02 homeostasis by hypoxia—inducible factor一10t[J]．Genes Dev．1998．12：149-162．

【3】Krzywinska E1, Kantari-Mimoun C1, Kerdiles Y，et a1．Loss of HIF-1α in natural killer cells inhibits tumour growth by stimulating non-productive angiogenesis. Nat Commun. 2017 Nov 17;8(1):1597.?

【4】邵進. 低氧/HIFα通路在小鼠骨發(fā)育中的作用及其調(diào)控機制[D]. 上海交通大學, 2009.

【5】唐含林, 周超, 孫力華. 腸上皮細胞HIF-1α對結(jié)腸炎的緩解作用及機制研究[J]. 免疫學雜志, 2019(3).