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「攀登者」为啥耐缺氧?今年诺奖这样解释
The following article is from 科学大院 Author 叶盛
10月7日,2019年诺贝尔生理学或医学奖颁给了来自美国的小威廉·凯林教授(William G. Kaelin, Jr.)、格雷格·西门扎教授(Gregg L. Semenza),以及来自英国的彼得·拉特克利夫爵士(Sir Peter J. Ratcliffe),以表彰这三位科学家在细胞低氧感知与适应研究上所做出的突出贡献。
听起来就很高端、很学术是不是?你也和阿信一样一头雾水对不对?!
不要急……今天,阿信邀请到了:北京航空航天大学大数据精准医疗高精尖创新中心的特聘研究员叶盛博士,给我们科普一下这次获奖的三位科学家的科研成果吧。
你会发现,诺贝尔奖级别的科学成就,其实离我们的生活并不遥远。
本文作者:叶 盛转载自公众号:科学大院
ID:kexuedayuan
今年国庆假期,几部国产大片成为人们去电影院的首选。其中之一便是《攀登者》,讲述了我们中国登山队员克服重重困难,在六十年代和七十年代两次登顶珠穆朗玛峰的感人故事。大自然带给他们的挑战主要来自三方面:狂风、寒冷、低氧。
每当登山队员们到达珠峰上的某个地标,大银幕上就会给出此处的风速、温度,以及氧含量。
在珠峰上,氧气含量只有9%左右,不及平原水平(20.8%)的一半。处在这种低氧环境中的感觉,大概就像是平常不跑步的人刚刚跑了几公里之后的感觉差不多——无论你怎么使劲喘气,都觉得自己喘不上气来。此时,你身体里的每一个细胞都在呐喊:
“我!缺!氧!”
我们的身体可以十几天不吃饭,也可以几天不喝水,却一分钟也离不开氧气。对于大多数人来讲,这是司空见惯的常识,无须解释。可究竟为什么氧气如此不可或缺呢?
答案在于:我们需要氧气来完成食物的“燃烧”。
食物中的能量物质正是通过与氧气完成的氧化反应才得以释放能量的。从化学上来讲,这跟一块木头的燃烧可以说是一码事情,主要的区别在于:可见的燃烧是个剧烈的氧化过程,而细胞里的“燃烧”是个受控的缓慢氧化过程。
为什么会这样?
这是个很难回答、更难以求证的问题。但一个可能的解释在于:氧气比水和食物都更容易获得。既然你一张嘴就能得到它,何必要进化出一个氧气罐来呢?
不过,我们的身体也有各种手段来解决低氧的麻烦。
最先被科学家们观察到的现象是,体内的红细胞数量会大大增加,以此提高运送氧气的能力。就像一个车队的卡车多了,运力自然就提高了。
在上个世纪末,人们又为EPO找到了一个不那么光彩的应用方向——兴奋剂。通过注射EPO,运动员的身体就会合成更多红细胞,提高供氧能力,从而提高肌肉的输出功率。这效果就像是汽车打开涡轮增压一样,单纯通过提供更多的氧气,就能从同样的燃料中榨出更多的能量来。
最早进行EPO基因操纵实验的人,恰恰就是今天的诺奖得主之一,西门扎教授。他的实验室将人的EPO基因转移到了小鼠体内,结果这种转基因小鼠就能生成更多的红细胞了。
这一结果说明了两件事儿:一、EPO能够促成红细胞的增多;二、人跟小鼠的EPO差别不太大,换着也能用(这可不是放在所有蛋白质上都能成立的事情,事实上,两者只有80%左右的一致性,不过这在生物学角度上来看已经算是相当高的近似性了)。
如果说低氧应答元件是与低氧应答有关的那个“开关”,那么HIF-1的这两个蛋白质就是操纵低氧应答开关的那双手。
总而言之,低氧状态会通过HIF-1α和HIF-1β这双“手”,开启一系列的基因,让身体从多种角度去应对低氧带来的能量供给困难。
在氧供给正常的情况下,HIF-1α就会不断被细胞自己降解掉。也就是说,细胞其实一直都在生产HIF-1α这只“左手”,但又不断地砍去这只“左手”。
今年的诺奖获得者之一,凯林教授在研究中发现,如果VHL基因(一种抑癌基因)出现问题,HIF-1α就会长期存在下去。
拉塔克利夫教授不仅有着爵士的头衔,也是牛津大学若干研究机构的负责人。同时,他还是一位癌症领域的临床医生。其实他对低氧问题的兴趣,最初就是来自于他对肾癌等癌症的研究。
今年的诺奖公布之后,可能很多人都会觉得奇怪,不知道细胞的低氧感知有什么重要性。其实,它不仅仅与你的高原之旅有关系,还与肿瘤的生长和恶性化有着重要的联系。因为肿瘤之中正是一个低氧区。
可是真正的肌肉组织里有血管和毛细血管,为每一处的细胞输送氧气和营养,带走二氧化碳和其他代谢废物。而一个“肉瘤子”里面是没有血管的。因此,可以说肿瘤里面的细胞活得很“惨”,都处在珠穆朗玛峰那样的极度缺氧状态。
根据世界卫生组织的统计,死于癌症的病人当中,大部分都是死于转移产生的次发性癌症。也就是说,如果能阻断转移,就能拯救很多癌症患者的生命。
而癌症转移的发起者,也正是HIF-1这双“手”,同样是低氧刺激所引发的。
本文转载自微信公众号“科学大院”是中科院官方科普微平台,由中科院科学传播局主办、中国科普博览团队运营,致力于最新科研成果的深度解读、社会热点事件的科学发声。
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