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追寻生命之光------和氧气相关的重大科研进展

已有 100 次阅读 2019-11-12 10:13 |系统分类:科研笔记

前言


And God said, " Let there be light ", and there was light.

---- Genesis 1:3


46亿年前,地球上一片死寂,毫无生命迹象;


20亿年过去了,地球上的情况有了改观,已经出现了一些简单的单细胞生物,但是谈不上有生气。


地球太孤寂了,好吧,来点生机吧,于是大气中氧气含量骤升,从5亿年前从1%增加到12%。而正是氧气,生命形态从单细胞过渡到多细胞,地球也就成为了一个独一无二的、生机勃勃的蓝色星球。


对人类而言,氧气可能是维持生命最重要的要素,我们可以数日不饮不食,但是不可一刻无氧气。因此在某种程度上说氧是生命之光并不为过。自现代自然科学诞生以来,回顾氧气相关的研究进展,我们会发现这是一部探寻生命奥秘的历史,一段寻找生命之光的历程。



适逢70周年国庆,一部《攀登者》的电影引爆影院。我们的登山队员们为了祖国的荣誉,搏命登上地球之巅---珠穆朗玛峰。攀登者持续面临着低氧,寒冷,狂风等常人难以想象的恶劣环境,而缺氧或许是他们面临的最大挑战。在珠峰上空气更加稀薄,单位体积下含氧量只有海平面的25%左右,意味着即使我们静止不动也总觉得喘不上气,何况还要在陡峭的岩壁上向上攀爬。在这种条件下,攀登者步履蹒跚,每前进一步都非常困难。



氧气对我们如此重要,因此虽然研究氧气的历史却并不久远,只有两百多年的历史,但是氧气的发现意义重大,直接导致了近代化学学科的建立、生命科学研究的启动。故事要从18世纪末开始说起。

一、氧气的发现开启了现代化学学科的建立


1772年的瑞典,年轻的Carl Scheele(舍勒)发现空气并非之前我们认识的是一种物质,它其实是混合物。Scheele研究磷的燃烧时发现,约20%的体积的空气在燃烧后消失,加热硝酸钾可以获得这种被他称之为“火焰空气”的,具有助燃的效果的气体。然而问题来了,燃烧过后“火焰空气”去哪里了?


当时学界普遍接受“燃素说”,物质之所以燃烧是因为其含有燃素,木头燃烧后重量变轻是因为燃素丧失。认可“燃素说”的Scheele觉得,“火焰空气”在密闭容器中在燃烧完成后和失去的燃素透过玻璃。然而这种比较玄学的回答不能让所有人满意。


不久后由法国化学家Lavoisier(拉瓦锡)回答了这个问题。Lavoisier是一个非常严谨的实验科学家,他对测量的重视将化学从定性科学进入定量科学,他认可俄罗斯人罗曼诺索夫的“物质守恒”原则。Lavoisier设计了著名的“钟罩”实验少量的汞在钟罩中持续加热,部分液态汞变成了红色的粉末,同时容器里的空气的体积减少了20%;红色粉末重新强热后,得到了汞和新的气体,而且该气体的体积恰好等于之前减少的体积(图 1)Lavoisier将这种气体命名为Oxygen,他用实验推翻了“燃素说”,开启了现代化学之门,因此被尊称为“father of modern chemistry”。 


▲ 图 1、Lavoisier著名的钟罩实验,推翻了在学界具有统治地位的“燃素说”,开启了现代化学的发展。


二、对肌肉收缩中氧代谢、热量变化、糖代谢的研究

肌肉收缩中氧代谢、热量变化


1910年冬天的剑桥大学校园里, 年轻的Archibald Hill博士刚走出室外,遇到扑面而来的寒风,不由自主的打了个寒颤,于是陡生疑问:肌肉为什么遇冷会收缩?接下来他就开始研究肌肉运动中的热量产生的问题,研究发现肌肉在收缩抖动时能产生热量,让人体可以增热御寒。那么接下来问题来了,肌肉收缩是如何产热?

希尔设计了非常精密的温度测定装置,用于测定离体肌肉收缩过程中的产热变化,发现肌肉收缩和舒张期产生的热量并不多,大部分的热量是在恢复期中产生的。Hill和德国科学家Otto Meyerhof的合作,对肌肉运动中氧代谢和乳酸合成进行了分析,肌肉完成运动以其内部化学变化为基础,肌糖原分解代谢形成一定量的乳酸,约25%乳酸体内后生成二氧化碳和水,剩余的乳酸又重新转变为糖原。


正是这些对肌肉运动的能量转化的研究,两人获得了1922年的诺贝尔生理学医学奖(图 2)。这些研究成果奠定了生理化学的基础,暗示生命体是一个复杂的“化学反应堆”,控制着各种各样的化学反应,于是诸多有关生理活动的秘密被人们从化学的角度一一揭开。Hill也是一位杰出的导师,中国神经生物学奠基者之一,冯德培先生是他的博士生。


▲ 图 2、1922年诺贝尔生理奖获得者Archibald Hill和Otto Meyerhof。图片源自Nobel Foundation。


肌肉运动过程中的糖代谢代谢


虽然Meyerhof之前的研究揭示肌肉在运动情况下将糖原代谢生成乳酸,部分乳酸又会重新转化为糖原,但是具体的细节却是由著名的生物化学家Cori夫妇揭示的。他们发现:肌肉收缩通过糖酵解将葡萄糖转化为乳酸,在乳酸转化为糖原的过程中,因为肌肉中不存在6-P-葡萄糖酯酶,所以需要先进入血液运输到肝脏中,由乳酸脱氢酶转化为丙酮酸,通过糖异生转化为葡萄糖再回到肌肉中,构成了一个循环(肌肉-肝脏-肌肉),此循环称为Cori循环 (图 3)。乳酸循环具有重要的生理意义:充分利用无氧糖酵解为机体短时间功能(无氧糖酵解产能速度是氧化磷酸化产能速度的100倍);避免肌肉中积累过多的乳酸。

▲ 图 3、1947年诺贝尔生理奖获得者Cori夫妇和他们发现的肌肉中乳酸代谢的Cori Cycle。图片源自Nobel Foundation。


Cori夫妇自身既是杰出科研人员,因对糖原代谢及其调控获得1947年诺贝尔生理医学奖,Gerty Cori也是美国首位获得诺贝尔奖的女性;同时也是杰出的教育家,从其实验室先后走出多达6位诺贝尔奖获得者,估计是前无古人后无来者的记录了。他们是:Severo Ochoa/RNA 合成;Arthur kornberg/DNA合成;Luis Leloir/糖合成;Earl Sutherland/cAMP( Sutherland的两个学生获得诺贝尔奖,Gilman/GPCR受体,Murad/NO 信使分子); Edwin Krebs/可逆磷酸化;De Duve/发现lysozyme, peroxisome。


Cori夫妇之后,美国生物化学领军人物基本上出自他们位于Washington University, St. Louis的实验室,其影响至今仍然巨大。此外,Cori夫妇还是成功的父母,他们的儿子Thomas Cori从哈佛大学毕业后,创立了一家生物化学试剂公司,这就是著名的Sigma-Aldrich公司。


三、Heme(血红素)---血液中氧气的运输者

二十世纪初,大量有机化学家开始研究生物过程中的化学现象,他们开始揭示生命过程中的化学本质。当时研究知道红细胞中血红蛋白参与了氧气的结合和解离,红细胞是体内氧气的携带者,而Hemoglobin(血红蛋白,由globin/珠蛋白和Heme结合)又是红细胞中负责氧气运输的蛋白。但是Heme的化学结构是什么?和氧气结合的动力学是什么?回答这些重要问题的是德国著名科学家Hans Fischer


Hans师出名门,博士导师是1902年Nobel Prize获得者,生物化学创始人Emil Fischer(一说是Hans的叔叔)。Fischer在糖、嘌呤、蛋白质多肽领域做出众多杰出的成果。Hans在Emil实验室打下了生化基础,从1921年开始历时8年系统研究Heme的结构。研究表明Heme是铁卟啉化合物,并证明了人工合成的Heme和hemoglobin中提取的Heme完全一致(图 4)


▲ 图 4、Hemoglobin和氧结合前后,heme和氧分子的相关作用。


Heme分子的亚铁离子和氧结合或解离,随之会使得和Heme结合的血红蛋白结构的变化,从而使得蛋白和氧结合力随之变化。随后的研究表明,heme除了和globin结合外,还是细胞色素P450,过氧化物酶等众多酶的辅基,参与了许多重要的生理反应。继Heme之后,Hans将研究方向转向另一种重要的植物捕光色素----chlorophyll(叶绿素),其研究结果表明Heme和chlorophyll结构非常相似,都是基于卟啉杂环结构。奇妙的是Heme和铁离子结合后呈红色,而chlorophyll和镁离子结合后呈绿色(图 5)


▲ 图 5、1930年诺贝尔化学奖得主Hans Fischer,以及其鉴定的heme和Chlorophyll分子的结构。图片源自Nobel Foundation。


Hans Fischer的研究揭示了地球生命活动最重要的两个反应(动物吸氧,植物光合作用)中的核心化合物的结构,他独享了1930年的诺贝尔化学奖。可惜他所在的实验室在二战结束前被盟军空袭炸毁,绝望中的他选择了结束自己的生命,让后人扼腕叹息。


四、肿瘤细胞的无氧代谢—Warburg effect


1921年的德国处于一个非常艰难的时期,一战的失败敲碎了德意志民族的自尊心。战前其科技实力傲视全球,但是现在经济衰退,新成立的魏玛共和国要面临面对高额的战争赔偿,对科研机构的支出捉襟见肘。这个时候,德国科技协会收到一封基金申请,里面只有一句话“我需要10, 000马克---Otto Warburg” (图 6)


▲ 图 6、Otto Warburg和他著名的基金申请书。图片源自Nobel Foundation,Willem H. Koppenol, et al., Nature Review in Cancer, 2011.


难以置信的是,这个申请最终被批准了。为什么?因为申请人是Otto Warburg,当时德国杰出的生化学家。他不久前的发现可能是我们认识癌症、治疗癌症的关键点:他实验室发现和肝癌细胞普通细胞不同,癌细胞大量摄入葡萄糖并通过糖酵解代谢为乳酸为其供能,而不是利用更高效的功能方式---线粒体中发生的氧化磷酸化来代谢糖。即使在氧气充足下亦是如此。该现象被称为Warburg effect


自报道以来的近90年来,Warburg effect就受到肿瘤生物学家和医生的高度重视,与之相关的报道超过了15000篇之多 (图 7)很多癌症诊断、治疗的方法与之相关:利用PET成像检测糖酵解代谢物用于肿瘤诊断;干预糖酵解来抑制Warburg effect来抑制癌细胞的生长。


▲ 图 7、 Warburg effect图示和与之相关的研究论文统计。(左图,Warburg effect图示,肿瘤细胞大量摄入葡萄糖,并且通过糖酵解代谢为丙酮酸,之后丙酮酸大多数转化为乳酸而不是进入线粒体中进行Krebs cycle。右图,与Warburg effect相关的研究论文统计,图片源自Maria V. Liberti, et al.,Trends in Biochemical Sciences, 2016.


长久以来乳酸被认为是糖酵解过程中的废物,或者认为只是作为普通的有机酸参与能量和物质代谢。但是近期,芝加哥大学赵英明教授在著名学术期刊Nature上报道了乳酸的新功能,同时还让医学工作者重新审视Warburg effect。赵英明教授的研究表明,细胞葡萄糖代谢产生的乳酸参与了细胞核中组蛋白的乳酸化修饰(lactylation)。免疫细胞受到刺激后,细胞内生成大量的乳酸,增加组蛋白lactylation修饰水平,促进参与巨噬细胞应答刺激信的基因的表达(图 8)。上述研究结果表明,乳酸代谢和癌症、免疫反应、基因表达调控相关,也让我们重新审视乳酸的生理学意义,重新看待细胞代谢、免疫反应、表观遗传调控和之间的关系。


▲图 8、免疫细胞受到刺激后,细胞内生成大量的乳酸,增加组蛋白lactylation修饰水平,促进参与巨噬细胞应答刺激信的基因的表达。图片源自,LUKE T. IZZO & KATHRYN E. WELLEN,2019,Nature


五、细胞对氧含量的感知


供氧不足是我们生活中比较常见的情况:剧烈运动时我们会气喘吁吁,大口喘气;高原上空气稀薄,我们会感到呼吸困难。其实在病理条件下,供氧不足更加常见:很多女性因为生理期的原因,会有贫血的症状,表现为身体乏力,脸色苍白;镰刀型贫血症患者,红细胞携氧能力只有正常人的一半,往往会出现头晕、气短、胸闷等症状大幅下降;癌症患者体内的病变组织生长失控,常常会导致局部缺氧。


面对缺氧的条件,细胞需要感知环境氧气的变化,并作相应的应答。一方面要避免缺氧对细胞造成的损伤,改变代谢方式以降低细胞对氧气的需求,避免细胞因暂时缺氧受到损失;另一方面要恢复氧气的供应,如分泌信号分子促进红细胞的生成提高全身供养,刺激心血管的生长,提高局部供氧。


那么细胞如何感知氧气含量?回答这个问题是获得2019年诺贝尔生理医学奖的三位科学家 (图 9)


▲ 图 9、2019年诺贝尔生理医学奖获得者。图片来源,Nobel Foundation。


在hypoxia(低氧胁迫条件)下,一些和Hypoxia应答相关的基因(血管内皮生长因子/VEGF,糖酵解酶)的表达就会被激活,而这主要是转录因子HIF-1α(hypoxia induced factor)参与。正常氧条件下,HIF-1α会发生prolyl hydroxylation修饰,进而依赖泛素化修饰的降解途径被降解。而在hypoxia条件下,HIF-1α因为不大被降解而进入细胞核,激活低氧应答基因的表达,从而对hypoxia进行应答 (图 10)


▲ 图10、HIF-1α在hypoxia和normoxia条件下对下游基因表达的调控。图源自Nobel Foundation。


之前提到肿瘤细胞有Warburg effect的特征:大量摄入葡萄糖,通过无氧糖酵解的丙酮酸来合成乳酸。那么,hypoxia对糖酵解途径会有什么影响?对糖酵解产物会有什么影响?这些问题,芝加哥大学赵英明教授最近在Nature上的论文给了我们答案。Hypoxia条件下导致HIF-1α的积累,抑制丙酮酸pyruvate进入线粒体完成氧化磷酸化,大部分通过细胞质中乳酸脱氢酶LDH转化为乳酸,大量的乳酸会导致细胞核组蛋白发生lactylation修饰。通过两种方式抑制乳酸的合成:化合物DCA(解除hypoxia抑制线粒体丙酮酸进入krebs cycle,减少胞质丙酮酸转化为乳酸)和化合物oxamate抑制LDH酶合成乳酸,而乳酸含量的降低直接导致组蛋白上lactylation水平的降低。在生理条件下,hypoxia导致肿瘤细胞乳酸含量增加,组蛋白上整体lactylation修饰水平增加,同时一些位点如H4K5的lactylation水平增加显著 (图 11)。上述研究表明hypoxia对癌症代谢途径、对组蛋白表观遗传调控也有非常大的影响,而这些又集中体些在乳酸、蛋白质乳酸化修饰lactylation上。


▲ 图11、氧胁迫hypoxia对肿瘤细胞乳酸含量的影响以及组蛋白lactylation修饰的影响。(左图,hypoxia对线粒体Krebs cycle的调控。中图,不同化合物对MCF-7肿瘤细胞乳酸含量的影响以及组蛋白lactylation修饰的影响。右图,hypoxia对MCF-7肿瘤细胞乳酸含量的影响以及组蛋白lactylation修饰的影响。图片源自Di Zhang, et al., 2019, Nature



氧气,对人们而言既熟悉又陌生。我们看不见、摸不着、闻不到它,以至于大家在日常生活中忽视它的存在。但是它的确是人类生命之光,离开它生命也就黯淡下来。我们对于氧气的奥秘了解的越多,生命之光才能更加灿烂和持久。我们期待科研工作者不断探寻氧气的奥秘,期待这些重要的科研成果带来重要的疗法、药物,减轻患者的痛苦,给患者带来福音。




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