从诺贝尔奖到治疗贫血新药

1. 2019年诺贝尔生理医学奖

  低氧诱导因子(Hypoxia-Inducible Factors)最早是由Semenza等发现。1991年，Semenza等在促红细胞生成素（EPO）基因上游鉴定出一段DNA序列，该序列受低氧调节，被命名为低氧反应元件（hypoxia response element，HRE）。1992年，Semenza等鉴定出一种能与HRE特异结合的蛋白，该蛋白只在低氧下存在，命名为HIF（Hypoxia-Inducible Factors，低氧诱导因子)。1995年，Semenza等发现HIF是由HIF-α和HIF-β组成的异源二聚体。进一步研究显示，HIF-α氧调节性受到2种羟化酶的催化，一种是脯氨酰羟化酶PHD，另一种是天冬氨酰羟化酶。2001 年，Kaelin 和 Ratcliffe发表论文证明：正常氧气下，脯氨酰羟化酶会把羟基添加到 HIF-1α ，使HIF-1α 快速降解，处于低水平。低氧条件下，羟化酶的功能受到抑制，HIF-1水平增高。增高的HIF与HRE结合而促进EPO转录表达。除直接调控EPO基因外，HIF还可以调节红细胞生成的下游靶基因，对铁代谢以及造血干细胞进行调控，PHD可以多环节调控红细胞生成。基于这些基础研究的理论，抑制PHD酶活性，就可以减少HIF的降解，从而促进EPO生成。他们在“氧感知通路”领域的基础性工作为对抗肾性贫血铺平了道路，研发PHD抑制剂成为治疗EPO肾性贫血的新策略。Semenza,Kaelin 和 Ratcliffe揭秘了细胞如何感知和适应氧变化的基本运作机理而获得2019年生理医学诺贝尔奖。

肾性贫血（renal anemia）是指由慢性肾脏病（CKD）引起的贫血。促红细胞生成素（EPO）是一种由肾脏产生的激素，它能够促进红细胞生成。在CKD患者中，肾脏受损无法产生足够的EPO，从而导致红细胞生成不足而造成贫血。PHD抑制剂可以促进EPO生成，理论推测它们可以治疗肾性贫血。

2、抗肾性贫血药物的研制

珐博进(FibroGen)公司是研究纤维蛋白胶原(Fibrinogen)的企业，脯氨酰羟化酶是合成胶原的关键蛋白。1996年，研究者给予实验小鼠脯氨酰羟化酶目的是提高胶原合成，结果显示小鼠的血液中含有接近90%的红细胞，而正常红细胞含量为45%。这个出乎意外的发现为研究罗沙司他埋下了种子。随着Semenza,Kaelin 和 Ratcliffe基础研究的发现，让FibroGen研究人员对这些高红细胞小鼠来了灵感：小鼠的脯氨酰羟化酶被抑制，无法正常降解HIF，促使EPO增高，加快红细胞生成。手头有现成的脯氨酰羟化酶，找到这个酶的抑制剂，就可以得到抗肾性贫血药物，于是FibroGen公司开始了这项研究。2004年，FibroGen公司宣布脯氨酰羟化酶抑制剂FG-2216显著增加了健康人体受试者EPO的产生。2006年，FibroGen公司发现了第二个脯氨酰羟化酶抑制剂FG-4592，以后临床实验证实其对肾性贫血良好的疗效，此即目前用于肾性贫血治疗的罗沙司他。现在已经研究出的HIF-PHI类药物还有恩那度司他片，达普司他等。

Key publications

1 Semenza, G.L, Nejfelt, M.K., Chi, S.M. & Antonarakis, S.E. (1991). Hypoxia-inducible nuclear factors bind to an enhancer element located 3’ to the human erythropoietin gene. Proc Natl Acad Sci USA, 88, 5680-5684

2 Wang, G.L., Jiang, B.-H., Rue, E.A. & Semenza, G.L. (1995). Hypoxia-inducible factor 1 is a basic-helix-loop-helix-PAS heterodimer regulated by cellular O2 tension. Proc Natl Acad Sci USA, 92, 5510-5514

3 Maxwell, P.H., Wiesener, M.S., Chang, G.-W., Clifford, S.C., Vaux, E.C., Cockman, M.E., Wykoff, C.C., Pugh, C.W., Maher, E.R. & Ratcliffe, P.J. (1999). The tumour suppressor protein VHL targets hypoxia-inducible factors for oxygen-dependent proteolysis. Nature, 399, 271-275

4 Mircea, I., Kondo, K., Yang, H., Kim, W., Valiando, J., Ohh, M., Salic, A., Asara, J.M., Lane, W.S. & Kaelin Jr., W.G. (2001) HIFa targeted for VHL-mediated destruction by proline hydroxylation: Implications for O2 sensing. Science, 292, 464-468

5 Jakkola, P., Mole, D.R., Tian, Y.-M., Wilson, M.I., Gielbert, J., Gaskell, S.J., von Kriegsheim, A., Heberstreit, H.F., Mukherji, M., Schofield, C.J., Maxwell, P.H., Pugh, C.W. & Ratcliffe, P.J. (2001). Targeting of HIF-α to the von Hippel-Lindau ubiquitylation complex by O2-regulated prolyl hydroxylation. Science, 292, 468-472

6 Urquilla P, Fong A, Oksanen S, Leigh S, Turtle E, Flippin L, Brenner M, Muthukrishnan E, Fourney P, Lin A, Yeowell D, Molineaux C (2004) Upregulation of Endogenous EPO in Healthy Subjects by Inhibition of HIF-PH (abstract SU-PO062). J Am Soc Nephrol 15: 546A

7 Langsetmo I, Young B, Zhang W, Guenzler V, Seeley T, Stephenson R, Molineaux C, Liu D, Lin A (2004) Effect of FG-2216 on Anemia and Iron Transport in a Rat Model of Anemia of Chronic Disease (abstract SU-PO072). J Am Soc Nephrol 15: 548A

8. Wang Q, Guo G, Guenzler V, Neff T, Klaus S, Turtle E, Molineaux C, Yeowell D, Lin A (2004) Stimulation of Erythropoiesis and Treatment of Anemia in Rodents by Oral Administration of FG-2216, a Novel HIF-Prolyl Hydroxylase Inhibitor (abstract PUB052). J Am Soc Nephrol 15: 773A

9 A. Rastogi 1, A.R. Nissenson, New approaches to the management of anemia of chronic kidney disease: Beyond Epogen and Infed, Kidney International Volume 70, Supplement 104, December 2006, Pages S14-S16