Nobelpriset i medicin för hur celler anpassar sig till syret

Djur behöver syre för att i sina celler omvandla föda till användbar energi. Syrets fundamentala betydelse har varit känd under lång tid men hur celler anpassar sig efter syretillgänglighet förblev länge okänt.

William G. Kaelin, Jr., Sir Peter J. Ratcliffe och Gregg L. Semenza upptäckte hur celler känner av och anpassar sig till förändrade syrenivåer. Deras forskning identifierade ett molekylärt maskineri som reglerar geners aktivitet som svar på varierande syrenivåer.

Nobelpristagarna banbrytande upptäckter har förklarat mekanismen bakom en livsnödvändig anpassningsförmåga. De lade grunden för vår förståelse av hur syrenivåer påverkar cellens ämnesomsättning och fysiologiska processer. Deras upptäckter har också lett fram till nya lovande strategier för att bekämpa blodbrist, cancer och många andra sjukdomar.

Vårt livsviktiga syre

Syre med den kemiska beteckningen O₂ utgör ungefär en femtedel av gaserna i vår atmosfär. I djurriket är O₂ livsnödvändigt. Alla våra celler behöver O₂ för att i en syreberoende process i cellernas energifabriker (mitokondrierna) kunna omvandla födoämnen till användbar energi. Otto Warburg, mottagare av Nobelpris i fysiologi eller medicin 1931, visade att detta är en enzymatisk process.

Under evolutionen har mekanismer utvecklats för att säkra den livsviktiga syretillförseln. Karotiskroppen, belägen i anslutning till halsens stora blodkärl, innehåller specialiserade celler som kan känna av blodets syrenivåer och aktivera de nervbanor som styr vår andning. 1938 års Nobelpris i fysiologi eller medicin till Corneille Heymans belönade upptäckter kring hur blodets syrenivåer kan avläsas och styra vår andningsfrekvens.

HIF intar scenen

Utöver den snabba anpassningen styrd från karotiskroppen vid låga syrenivåer (hypoxi) sker en mer långsam anpassning i kroppens celler. Bland annat ökar nivåerna av hormonet erytropoietin (EPO) som stimulerar nybildning av röda blodkroppar och därmed ökar blodets syretransporterande förmåga. Hormonets betydelse för blodbildning var känd redan i början på 1900-talet men hur nivåerna regleras förblev länge en gåta.

Amerikanen Gregg Semenza studerade EPO-genen och hur den kontrolleras av varierande syrenivåer. Han använde genmodifierade möss och kunde i anslutning till EPO-genen påvisa DNA-segment som behövs för genens aktivering vid hypoxi. Engelsmannen Sir Peter Ratcliffe studerade också EPO-genens reglering och bägge forskargrupperna fann att den syrereglerade mekanismen var verksam i olika vävnader, inte bara i de celler i njuren där EPO normalt tillverkas. Det här var viktiga fynd. Nu förstod man att mekanismen var universell och kunde aktiveras i många olika celltyper.

Semenza ville identifiera de samverkande cellulära komponenterna och i odlade leverceller upptäckte han ett proteinkomplex som binder till DNA-segmentet på ett syreberoende sätt. Han kallade det för hypoxia-inducible factor (HIF). Ett omfattande reningsarbete tog vid och 1995 kunde Semenza publicera sina fynd. HIF visade sig bestå av två olika DNA-bindande proteiner, så kallade transkriptionsfaktorer, som nu benämns HIF-1α och ARNT. Nu kunde forskarna börja lägga pusslet för att förstå vilka ytterligare komponenter som påverkar cellernas fysiologi vid hypoxi, och hur maskineriet fungerar.

VHL: En oväntad partner

Vid höga syrenivåer innehåller celler mycket lite HIF-1α. Då syrenivåerna däremot är låga ökar dock mängden så att HIF-1α kan binda till och därmed reglera EPO-genen och andra gener som har HIF-bindande DNA segment (Figur 1). Flera forskargrupper visade att HIF-1α normalt bryts ner mycket snabbt men att proteinet skyddas från nedbrytning och anrikas vid hypoxi. Ett cellulärt maskineri kallat proteasomen, belönat med 2004 års Nobelpris i kemi till Aaron Ciechanover, Avram Hershko och Irwin Rose, används för att bryta ner HIF-1α vid normala syrenivåer. Under sådana normala betingelser adderas en liten peptid, ubiquitin, till HIF-1α. Ubiquitin fungerar som en adresslapp för de proteiner som ska brytas ner i proteasomen, men hur ubiquitin adderas till HIF-1α i närvaro av syre var en återstående och avgörande fråga.

Svaret kom från ett oväntat håll. Ungefär samtidigt som Semenza och Ratcliffe utforskade EPO-genens reglering studerade den amerikanske cancerforskaren William Kaelin, Jr. ett nedärvt syndrom, von Hippel-Lindaus sjukdom. Sjukdomen leder till förhöjd cancerrisk och orsakas av en genetisk defekt. I ett genombrottsarbete lyckades Kaelin bevisa att VHL-genen kodar för ett protein som hämmar uppkomst av cancer. I ett samarbetsprojekt visade Kaelin att cancerceller som saknar en funktionell VHL-gen producerar onormalt höga nivåer av hypoxi-reglerade gener, men då VHL-genen återinfördes i cancercellerna återställdes nivåerna. Det här var en viktig ledtråd som visade att VHL tycktes vara inblandad i maskineriet som kontrollerar cellernas svar på hypoxi. Ytterligare ledtrådar kom från flera forskargrupper som visade att VHL är en del i ett komplex som märker proteiner med ubiquitin för nedbrytning i proteasomen. Ett avgörande genombrott kom då Ratcliffe och hans forskargrupp visade att VHL behövs för att HIF-1α ska kunna brytas ner vid normala syrenivåer. Därmed hade kopplingen mellan VHL och HIF-1α etablerats.

Syrets centrala roll

Nu hade många av pusselbitarna fallit på plats. Men hur kan O₂ reglera kontakten mellan VHL och HIF-1α så att proteinet skyddas från nedbrytning vid hypoxi? Man kände till att en specifik del av HIF-α-proteinet var viktig för dess VHL-beroende nedbrytning. Kaelin och Ratcliffe misstänkte att den regionen innehöll nyckeln till hypoxiregleringen. Deras jakt på en förklaring lyckades och genombrottet kunde 2001 presenteras i två samtidigt publicerade artiklar som visade att en syreatom adderas till två specifika positioner i HIF-1α vid normala syrenivåer (Figur 1). Denna förändring, som benämns prolyl-hydroxylering, gör att VHL kan känna igen och binda till HIF-1α. Upptäckten förklarade hur olika syrenivåer kan styra nedbrytningen av HIF-1α. Ytterligare forskning, bland annat från Ratcliffe, kunde identifiera de ansvariga syre-sensorerna, prolyl-hydroxylaserna. Det visades också att den genaktiverande funktionen i HIF-1α regleras genom en syreberoende hydroxylering. Nobelpristagarnas upptäckter hade därmed klarlagt det syrereglerade maskineriets byggstenar och funktion.

HIF-1α skyddas från nedbrytning vid låga syrenivåer (hypoxi) och bildar istället komplex med ARNT och binder till specifika DNA-sekvenser (HRE) i hypoxi-reglerade gener (1). Vid normala syrenivåer bryts HIF-1α ner i proteasomen (2). Syre reglerar nedbrytningsprocessen genom att ett syreberoende enzym adderar hydroxylgrupper (OH) till HIF-1α (3). VHL kan då känna igen och bilda ett komplex med HIF-1α vilket medför att proteinet bryts ner (4). Bild: Mattias Karlén/Nobelkommittén för fysiologi eller medicin

Syre påverkar fysiologi och sjukdom

Tack vare Nobelpristagarnas banbrytande upptäckter vet vi nu mycket mer om hur olika syrenivåer reglerar fundamentala delar av vår fysiologi. Regleringen gör det möjligt för celler att anpassa sin metabolism till låga syrenivåer, exempelvis i våra muskler vid hårt arbete. Blodkärlsbildning och produktion av röda blodkroppar är ytterligare exempel på processer som behöver anpassas till olika syrenivåer. Även vårt immunsystem och många andra fysiologiska funktioner finjusteras av det O₂-reglerade maskineriet. Syreregleringen krävs också för den normala fosterutvecklingen, bland annat för fostrets blodkärlsbildning och utvecklingen av moderkakan (placenta).

Syreregleringen har även avgörande betydelse vid olika sjukdomstillstånd. Patienter med kronisk njursvikt lider ofta av svår blodbrist (anemi) till följd av minskad produktion av EPO, det hormon som produceras i njuren och kontrollerar nybildning av röda blodkroppar. Det syrereglerade maskineriet har stor betydelse även vid cancer. En snabbt växande cancertumör ställer stora krav på syre- och näringstillförsel. Cancercellerna utnyttjar det syrereglerade maskineriet för att stimulera blodkärlsbildning och också för att ställa om sin metabolism för effektiv tumörtillväxt. Intensiv aktivitet pågår för att utveckla nya läkemedel som kan påverka syreregleringen genom att antingen aktivera eller blockera maskineriet vid ett flertal olika sjukdomstillstånd.

Den prisbelönade mekanismen har fundamental betydelse för vår fysiologi, bland annat för cellernas energimetabolism, för vårt immunförsvar och för hur våra vävnader svarar på träning. Ett flertal patologiska processer är också påverkade. Intensivt arbete pågår för att ta fram nya läkemedel som antingen kan stimulera eller hämma syreregleringen för behandling av anemi, cancer och andra sjukdomar. Bild: Mattias Karlén/Nobelkommittén för fysiologi eller medicin