Seahorse XF細(xì)胞能量代謝分析技術(shù)在諾貝爾生理和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用

2019年諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)在瑞典卡洛琳斯卡醫(yī)學(xué)院揭曉，哈佛醫(yī)學(xué)院的William G. Kaelin，牛津大學(xué)的Peter J. Ratcliffe以及約翰霍普金斯大學(xué)的Gregg L. Semenza教授因在“發(fā)現(xiàn)細(xì)胞如何感知和適應(yīng)氧氣變化”領(lǐng)域做出的卓越貢獻(xiàn)，被授予這一科學(xué)界最高獎(jiǎng)項(xiàng)。

圖1：獲獎(jiǎng)的三位科學(xué)家

眾所周知，哺乳動(dòng)物需要利用氧氣將食物轉(zhuǎn)化成可供使用的生物能量。此次諾貝爾獎(jiǎng)獲得者開(kāi)創(chuàng)性地揭示了細(xì)胞感應(yīng)氧氣的分子機(jī)制，闡明了氧氣含量是如何影響細(xì)胞代謝和生理功能的，為包括腫瘤、心血管病、慢性腎臟貧血等多種疾病的臨床治療開(kāi)辟了新路徑¹。

三位科學(xué)家獲獎(jiǎng)的核心成果是發(fā)現(xiàn)了低氧誘導(dǎo)因子1（HIF-1），其廣泛存在于慢性缺氧細(xì)胞中，它的表達(dá)水平受到氧氣含量的影響：在高氧狀態(tài)下，低氧誘導(dǎo)因子被修飾，從而降解；在低氧狀態(tài)下，低氧誘導(dǎo)因子不被修飾，不會(huì)降解。HIF-1所調(diào)控的基因能夠作用于線粒體呼吸，還能夠動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)糖酵解的速率。

氧氣消耗速率（OCR）和細(xì)胞外酸化速率（ECAR）是測(cè)定活細(xì)胞線粒體呼吸功能和糖酵解水平的金標(biāo)準(zhǔn)，安捷倫公司推出的Seahorse XF細(xì)胞能量代謝分析系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的相關(guān)研究領(lǐng)域。下面是幾位獲獎(jiǎng)科學(xué)家使用Seahorse XF技術(shù)發(fā)表的文章：

2011年，Gregg L. Semenza組在Cell期刊上發(fā)表文章，發(fā)現(xiàn)丙酮酸激酶PKM2與脯氨酰羥化酶3（PHD3）的相互作用增強(qiáng)了PKM2與HIF-1α的結(jié)合，促進(jìn)了HIF-1α靶基因的轉(zhuǎn)錄激活 ²。他們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，PHD3可以羥基化403/408位的脯氨酸，PHD3的敲低會(huì)抑制PKM2共激活子的功能，減少癌細(xì)胞對(duì)葡萄糖的攝取、乳酸的產(chǎn)生，增加了氧消耗。在這篇文章中作者利用Seahorse XF技術(shù)測(cè)量了氧氣消耗速率OCR。如下圖：

圖2：敲低PHD3降低了腎癌細(xì)胞的胞內(nèi)葡萄糖和胞外乳酸的水平，增加了氧消耗

2016年Semenza組又在Cancer Research發(fā)表文章，研究磷酸甘油酸脫氫酶（PHGDH）在乳腺癌干細(xì)胞的維持和肺轉(zhuǎn)移過(guò)程中的作用³。缺氧誘導(dǎo)HIF的表達(dá)，HIF作為轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)一步誘導(dǎo)PHGDH的表達(dá)。瘤內(nèi)缺氧的環(huán)境會(huì)使乳腺癌干細(xì)胞富集，促進(jìn)乳腺癌轉(zhuǎn)移和病人死亡。在這樣一個(gè)研究背景下，作者想要研究低氧時(shí)PHGDH是如何影響乳腺癌干細(xì)胞的。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，敲低PHGDH 會(huì)顯著減少乳腺癌干細(xì)胞的富集。作者運(yùn)用Seahorse XF技術(shù)來(lái)檢測(cè)PHGDH對(duì)細(xì)胞代謝的影響，結(jié)果表明，敲低PHGDH的乳腺癌細(xì)胞系MDA-MB-231和MCF-7的OCR和ECAR都上升，而葡萄糖的攝取并沒(méi)有改變。進(jìn)一步的研究證實(shí)，PHGDH影響乳腺癌細(xì)胞對(duì)葡萄糖代謝物的利用。

圖3：PHGDH的敲低使乳腺癌細(xì)胞的氧消耗和糖酵解水平升高

2010年，另外一位獲獎(jiǎng)?wù)遅illiam G. Kaelin組同樣使用Seahorse XF技術(shù)在Circulation期刊上發(fā)表文章，研究脯氨酰羥化酶（PHD）在心臟中的功能⁴。作者發(fā)現(xiàn)心臟PHD的特異性失活和HIF的長(zhǎng)期激活，足以引起很多缺血性心肌病的癥狀。在研究PHD如何影響心臟功能的時(shí)候，作者采用了Seahorse XF技術(shù)。如下圖：

圖4：PHD2缺陷的小鼠胚胎成纖維細(xì)胞和心肌細(xì)胞的氧消耗降低

除了在基礎(chǔ)科研領(lǐng)域大放異彩，HIF的研究成果也被用到了制藥行業(yè)中。獲獎(jiǎng)科學(xué)家中的William G. Kaelin教授，是琺博進(jìn)（中國(guó)）醫(yī)藥技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司的科學(xué)顧問(wèn)委員會(huì)成員�，m博進(jìn)基于Kaelin教授獲諾貝爾獎(jiǎng)的低氧誘導(dǎo)因子機(jī)制研發(fā)的羅沙司他 (Roxadustat)已于2018年12月18日在中國(guó)首先獲批上市。羅沙司他是全球獲批的首個(gè)小分子低氧誘導(dǎo)因子脯氨酰羥化酶（HIF-PH）抑制劑類貧血藥物。HIF不僅使紅細(xì)胞生成素表達(dá)增加，也能使紅細(xì)胞生成素受體以及促進(jìn)鐵吸收和循環(huán)的蛋白表達(dá)增加。羅沙司他通過(guò)模擬脯氨酰羥化酶（PH）的底物之一酮戊二酸來(lái)抑制PH酶，影響PH酶在維持HIF生成和降解速率平衡方面的作用，從而達(dá)到糾正貧血的目的。治療慢性腎臟貧血是該藥的第一個(gè)適應(yīng)癥。目前許多科學(xué)家，例如Anna Baulies⁵和Takemura K⁶還在繼續(xù)研究羅沙司他對(duì)癌癥和骨骼肌的作用，在他們發(fā)表的論文中，也均使用了安捷倫的SeahorseXF技術(shù)。

從生命科學(xué)研究領(lǐng)域到生物制藥領(lǐng)域，Agilent Seahorse XF技術(shù)以其專業(yè)獨(dú)特的分析測(cè)試技術(shù)，正在為科研工作者提供更深入的細(xì)胞功能洞察力。更多Agilent Seahorse XF相關(guān)科研文獻(xiàn)查詢，請(qǐng)點(diǎn)擊安捷倫細(xì)胞分析出版物數(shù)據(jù)庫(kù)：https://www.agilent.com/publications-database/.

參考文獻(xiàn)
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2 Luo, W. et al. Pyruvate kinase M2 is a PHD3-stimulated coactivator for hypoxia-inducible factor 1. Cell 145, 732-744, doi:10.1016/j.cell.2011.03.054 (2011).
3 Samanta, D. et al. PHGDH Expression Is Required for Mitochondrial Redox Homeostasis, Breast Cancer Stem Cell Maintenance, and Lung Metastasis. Cancer Res 76, 4430-4442, doi:10.1158/0008-5472.CAN-16-0530 (2016).
4 Moslehi, J. et al. Loss of hypoxia-inducible factor prolyl hydroxylase activity in cardiomyocytes phenocopies ischemic cardiomyopathy. Circulation 122, 1004-1016, doi:10.1161/CIRCULATIONAHA.109.922427 (2010).
5 Baulies, A. et al. The 2-oxoglutarate carrier promotes liver cancer by sustaining mitochondrial GSH despite cholesterol loading. Redox Biol 14, 164-177, doi:10.1016/j.redox.2017.08.022 (2018).
6 Takemura, K., Nishi, H., Higashihara, T. & Nangaku, M. SUN-285 PHD inhibitor and hypoxia influence on skeletal muscle glucose metabolism. Kidney International Reports 4, doi:10.1016/j.ekir.2019.05.790 (2019).