Search This Blog

Saturday, October 12, 2019

2019- يىللىق نوبېل فىزىئولوگىيە ياكى مىدىتسىنا مۇكاپاتى ھەققىدە

2019- يىللىق نوبېل فىزىئولوگىيە ياكى مىدىتسىنا مۇكاپاتى ھەققىدە


2019ـيىللىق نوبېل فىزىيولوگىيە ۋە مېدىتسىنا مۇكاپاتى ۋىلىيام كېيلىن، پىتىر رەتكىلىف، گرەگ سېمەنزا قاتارلىق ئۈچ نەپەر ئالىمنىڭ «ھۈجەيرىلەرنىڭئوكسىگېن مىقدارىنى سېزىشى ۋە ئوكسىگېن مىقدارىنىڭ ئۆزگىرىشىگە ماسلىشىشى ھەققىدىكى بايقاشلىرى» ئۈچۈن بېرىلدى.
William G. Kaelin Jr (ئامېرىكا)
 Sir Peter J. Ratcliffe (ئەنگىلىيە)
Gregg L. Semenza (ئامېرىكا)

https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2019/summary/

خۇلاسە
ھايۋانلار يېمەكلىكنى ئىشلەتكىلى بولىدىغان ئېنىرگىيەگە ئايلاندۇرۇش ئۈچۈن ئوكسىگېنغا ئېھتىياجلىق. ئوكسىگېننىڭ نېگىزلىك مۇھىملىقى گەرچە ئەسىرلەردىنبۇيان بىزگە ئايان بولسىمۇ، ئەمما ھۈجەيرىلەرنىڭ ئوكسىگېن مىقدارىنىڭ ئ‍ۆزگىرىشىگە قانداق ماسلىشىدىغانلىقى بىزگە ئۇزۇن زامانغىچە نامەلۇم ئىدى
ۋىلىيام كەيلىن، پىتىر رەتكلىف ۋە گرەگ سېمەنزالار بىرلىكتە ھۈجەيرىنىڭ قانداق قىلىپ ئوكسىگېننى سېزىدىغانلىقى ۋە ئوكسىگېن مىقدارىنىڭ ئۆزگىرىشىگەقانداق ماسلىشىدىغانلىقىنى بايقىدى. ئۇلار ئوكسىگېن مىقدارىنىڭ ئۆزگىرىشىگە قارىتا ئىنكاس قايتۇرىدىغان گېنلار ئاكتىپچانلىقىنىڭ قانداقتەڭشىلىدىغانلىقىنىڭ مولىكۇلىلىق مىخانىزىمىنى ئېنىقلاپ چىقتى.

بۇ يىللىق نوبېل مۇكاپاتى ساھىبلىرىنىڭ غايەت زور تەسىر كۈچكە ئىگە بايقاشلىرى ھاياتلىقنىڭ ئەڭ مۇھىم بولغان ماسلىشىش پائالىيەتلىرىنىڭ بىرىنىڭمىخانىزىمىنى يورۇتۇپ بەردى. ئۇلار بىزنىڭ ئوكسىگېن مىقدارىنىڭ ھۈجەيرە مىتابولىزىمى ۋە فىزىيولوگىيىلىك فۇنكىسىيىسىگە قانداق تەسىر كۆرسىتىدىغانلىقىھەققىدىكى چۈشەنچىلىرىمىزگە ئۇل سېلىپ بەردى. ئۇلارنىڭ بۇ بايقاشلىرى قان ئازلىق كېسىلى، راك ۋە باشقا نۇرغۇن كېسەللىكلەرگە قارشى تۇرۇشتىكى زورئۈمىدكە تولغان يېڭى ئۇسۇللارنىڭ بارلىققا كىلىشىگە يول ئېچىپ بەردى.

ئ‍وكسىگېنننىڭ مەركىزى سەھنىدىن ئورۇن ئىلىشى
ئوكسىگېن، يەنى مولىكۇلا فورمۇلاسى O2  بولغان ئېلىمېنت بولۇپ يەر شارى ئاتموسفىراسىنىڭ بەشتىن بىرىنى تەشكىل قىلىدۇ. ئوكسىگېن ھايۋانلارنىڭ ياشىشىئۈچۈن زۆرۈر چۈنكى بارلىق ھايۋانلار ھۈجەيرىلىرىدە مەۋجۇت بولىدىغان خوندىرىئوسوملار يېمەكلىكلەرنى ئىشلەتكلى بولىدىغان ئېنىرگىيەگە ئايلاندۇرۇش ئۈچۈنئ‍وكسىگېنغا ئېھتىياجلىق. 1931-يىللىق نوبېل مېدىتسىنا مۇكاپاتى ساھىبى ئوتتو ۋاربۇرگ بۇ خىل ئۆزگىرىشنىڭ ئېنزىملار تەرىپىدىن كونتىرول قىلىنىدىغانلىقىنىكۆرسىتىپ بەرگەن.

تەدرىجىي تەرەققىيات جەريانىدا، ھۈجەيرە ۋە توقۇلمىلارنىڭ يېتەرلىك ئوكسىگېن بىلەن تەمىنلىنىشىنى كاپالەتكە ئىگە قىلىدىغان بىر مىخانىزىم بارلىققاكەلگەن. بويۇننىڭ ئىككى يېنىدىكى يوغان تومۇرلارغا يانداش ئورۇنلاشقان كاروتىد بويۇن ئارتىرىيە تومۇرلىرى قاندىكى ئوكسىگېن مىقدارىنى سېزىدىغانھۈجەيرىلەرگە ئىگە. 1938-يىللىق نوبېل مېدىتسىنا مۇكاپاتى قاندىكى ئوكسىگېن مىقدارىنى سېزىشنىڭ قانداق قىلىپ كاروتىد بويۇن ئارتىرىيەلىرى ئارقىلىق مېڭەبىلەن بىۋاستە ئالاقە قىلىش ئارقىلىق نەپەسلىنىش سۈرئىتىنى كونتىرول قىلىدىغانلىقى ئۈستىدىكى بايقاشلىرى ئۈچۈن Corneille Heymans كورنىيىل ھەيمەنگەبېرىلگەن ئىدى

تۆۋەن ئوكسىگېن (ھىپوكسىيە) دا ئىندۇكسىيەلەنگۈچى فاكتور (HIF) نىڭ سەھنىدە پەيدا بولۇشى

كاروتىد بويۇن ئارتىرىيە تومۇرى-كونتىروللۇقىدىكى ھىپوكسىيەگە جىددىي ماسلىشىشتىن باشقا، يەنە بىر نەچچە خىل فىزىيولوگىيىلىك ماسلىشىشلار مەۋجۇت. ھىپوكسىيەگە قارىتا ئاچقۇچلۇق فىزىيولوگىيىلىك ئىنكاس دەل قىزىل قان ئىشلەشنى ئىلگىرى سۈرگۈچى ھورمۇن (EPO، ئېرىتروپويېتىن) مىقدارىنىڭ ئېشىشىدىنئىبارەت بولۇپ، بۇ خىل ئۆزگىرىش قىزىل قان ھۈجەيرىلىرىنىڭ ئىشلەپچىقىرىلىشىنى ئىلگىرى سۈرىدۇ. گەرچە قىزىل قان ھۈجەيرىسى ئىشلەپچىقىرىلىشىكونتىرول قىلىنىشىنىڭ مۇھىملىقى 20-ئەسىرنىڭ باشلىرىدىلا بىلىنگەن بولسىمۇ، ئەمما بۇ جەرياننىڭ ئوكسىگېن تەرىپىدىن كونتىرول قىلىنىدىغانلىقى بىر سىرئىدى.
گرەگ سېمەنزا قىزىل قان ئىشلەشنى ئىلگىرى سۈرگۈچى ھورمۇن EPO گېنى ۋە ئۇنىڭ قانداق قىلىپ ئوخشىمىغان ئوكسىگېن مىقدارى تەرىپىدىن كونتىرولقىلىنىدىغانلىقىنى تەتقىق قىلغان. گېنى ئۆزگەرتىلگەن چاشقانلاردا تەجىرىبە ئىشلەش ئارقىلىق، EPO گېنى يىنىغا جايلاشقان DNA بۆلەكلىرىنىڭ ھىپوكسىيەگەئىنكاس قايتۇرۇشنى ماسلاشتۇرىدىغانلىقى بايقالغان. چەۋانداز (ئەنگىلىيە خانىشى تەرىپىدىن تۆھپىسى زور كىشىلەرگە بېرىلىدىغان ھۆرمەت ئوردېنى ۋە نامى) پىتىر رەتكلىفمۇ ئوخشاشلا EPO گېنىنىڭ ئوكسىگېن تەرىپىدىن كونتىرول قىلىنىشىنى تەتقىق قىلغان بولۇپ، ھەر ئىككىلى تەتقىقات گۇرۇپپىسىدىكىلەرئوكسىگېننى سېزىش مىخانىزىمىنىڭ پەقەت EPO نى ئىشلەپچىقىرىدىغان بۆرەكتىلا ئەمەس، بەلكى بارلىق توقۇلمىلاردا مەۋجۇت ئىكەنلىكىنى بايقىغان. بۇبايقاشلار بۇ خىل مىخانىزىمنىڭ ئورتاق ئىكەنلىكى ۋە نۇرغۇنلىغان ئوخشىمىغان ھۈجەيرىلەردە فۇنكىسىيەگە ئىگە ئىكەنلىكىنى ئوتتۇرىغا قويغانلىقى ئۈچۈنئىنتايىن مۇھىم ئەھمىيەتكە ئىگە

سېمەنزا بۇ جەرياننى كونتىرول قىلىدىغان ھۈجەيرە بۆلۈمچىسىنىڭ زادى قايسى ئىكەنلىكىنى ئېنىقلاشقا بەل باغلىغان. تەن سىرتىدا يېتىشتۈرۈلگەن جىگەرھۈجەيرىلىرىدە ئۇ ئېنىقلانغان د ئېن ئا (DNA) بۆلىكىگە ئوكسىگېنغا-تايىنىشچان تەرىزدە بېرىكىدىغان بىر ئاقسىل كومپېلىكسى (بىرىكمىسى) نى بايقىغان. ئۇ بۇكومپېلىكىسنى تۆۋەن ئوكسىگېن (ھىپوكسىيە) دا ئىندۇكسىيەلەنگۈچى فاكتور (HIF) دەپ ئاتىغان. شۇنىڭدىن كېيىن، غايەت زور كۈچ ۋە زېھىن HIF كومپىلىكسىنى ساپلاشتۇرۇپ ئايرىپ ئېلىشقا سەرپ قىلىنغان ۋە 1995-يىلى سېمەنزا ئۇنىڭ بىر قىسىم مۇھىم بايقاشلىرىنى ئوتتۇرىغا قويۇشقا مۇيەسسەر بولغان. بۇ بايقاشلار HIF ئاقسىلىغا كود يازىدىغان گېننىڭ بايقىلىشىنىمۇ ئۆز ئىچىگە ئالىدۇ. HIF ئىككى خىل ئوخشىمايدىغان DNA غا بېرىككۈچى ئاقسىلدىنتۈزۈلىدىغان بولۇپ، بۇ خىل نۇسخىلىنىش فاكتورلىرى كېيىن HIF1α ۋە ARNT دەپ ئاتالغان. شۇنىڭدىن ئىتبارەن، تەتقىقاتچىلار تېپىشماقنى يېشىشنى باشلاشئىمكانىيىتىگە ئىگە بولغان بولۇپ، سېمەنزانىڭ يۇقىرىدىكى بايقاشلىرى باشقا ئالىملارنىڭ قايسى قوشۇمچە تۈزۈلۈشلەرنىڭ بۇ جەرياندا رولى بارلىقى ۋە ھەرقايسى بۆلەكلەرنىڭ قانداق ماسلىشىدىغانلىقىنى چۈشىنىشىگە يول ئېچىپ بەرگەن

VHL: كۈتۈلمىگەن شېرىك
ئوكسىگېن مىقدارى يۇقىرى ۋاقىتتا، ھۈجەيرىلەردە بەكلا ئاز مىقداردىكى (HIF-1α) بولىدۇ. ئەمما، ئوكسىگېن مىقدارى تۆۋەن ئەھۋالدا، HIF-1α نىڭ مىقدرىئېشىپ بارىدۇ، شۇنداق قىلىپ ئۇ EPO گېنى ۋە باشقا HIF-غا بېرىككۈچى DNA بۆلەكلىرىدىكى گېنلارغا بېرىكىدۇ ۋە ئۇلارنى كونتىرول قىلىدۇ (1-رەسىمدەكۆرسىتىلگەندەك). بىر قانچە تەتقىقات گۇرۇپپىلىرى ئادەتتە ناھايىتى تىزلا پارچىلىنىپ كېتىدىغان HIF-1αنىڭ ھىپوكسىيە يەنى تۆۋەن ئوكسىگېنلىق شارائىتتاپارچىلىنىپ كېتىشتىن قوغدىلىپ قالىدىغانلىقىنى بايقايدۇ. نورمال ئوكسىگېنلىق شارائىتتا، 2004-يىللىق نوبېل خېمىيە مۇكاپاتى ساھىبلىرى ئارون سىيچانوۋېر،ئ‍اۋرام ھېرشكو ۋە ئېرۋىن روۋزلار تەرىپىدىن بايقالغان پىروتىيوزوم  ياكى ئاقسىل پارچىلاش بۆلۈمچىسى دەپ ئاتىلىدىغان ھۈجەيرە ئاپپاراتى HIF-1α نىپارچىلايدۇ. ئۇ خىل شارائىتتا، بىر كىچىك پىپتىد، پارچىلىغۇچى ئاقسىل ياكى يۇبىكۋىتىن  HIF-1α ئاقسىلىغا قوشۇلىدۇ. پارچىلىغۇچى ئاقسىل يۇبىكۋىتىنپارچىلىنىشقا مەھكۇم بولغان ئاقسىللارنىڭ كارتۇچكىسىلىق رولىنى ئۆتەيدۇ.ئەمما يۇبىكۋىتىننىڭ ئوكسىگېنغا-تايىنىشچان تەرىزدە HIF-1α غا قانداقبېرىكىدىغانلىقى بىر ئاچقۇچلۇق سوئال سۈپىتىدە قىپ قالغان ئىدى.

بۇ سوئالنىڭ جاۋابى بىر كۈتۈلمىگەن يۆنىلىشتىن تېپىلىدۇ. سېمەنزا ۋە رەتكلىفلەر EPO گېنىنىڭ كونتىرول قىلىنىشنى تەكشۈرۋاتقان مەزگىللەردە، راكتەتقىقاتچىسى ۋىللىيام كەيلىن (كىچىك) بىر ئېرسىيەت كېسەللىكى ئۈستىدە تەتقىقات قىلىۋاتاتتى، بۇ كېسەل ۋون ھېپپەل-لىندوۋ كېسىلى يەنى ( VHL كېسىلى) دەپ ئاتىلىدۇ. بۇ ئېرسىي كېسەل VHL گېنى توساتتىن ئۆزگەرگەن ئائىلەردە بىر قىسىم راك كېسەللىرىنىڭ كۆرۈلۈش نىسبىتىنى غايەت زور دەرىجىدەئاشۇرىۋىتىدۇ. كەيلىن VHL گېنىنىڭ راكنىڭ پەيدا بولۇشىنى توسىدىغان بىر ئاقسىلغا كود يازىدىغانلىقىنى بايقايدۇ. كەيلىن يەنە فۇنكىسىيىلىك VHL گېنىنۇسخىسىغا ئىگە بولمىغان راك ھۈجەيرىلىرىنىڭ ھىپوكسىيە (تۆۋەن مىقداردىكى ئوكسىگېن)-باشقۇرۇشىدىكى گېنلىرى نورمالدىن تاشقىرى يۇقىرى مىقداردائىپادىلىنىدىغانلىقى؛ ئەمما VHL گېنى بۇ راك ھۈجەيرىلىرىگە قايتىدىن كىرگۈزۈلگەندە نورمال مىقدارغا قايتىدىغانلىقىنى كۆرسىتىپ بېرىدۇ. بۇ VHL گېنىنىڭھىپوكسىيەگە قارىتا ئىنكاستا رول ئوينايدىغانلىقىغا مۇھىم يىپ ئۇچى تەمىنلەيدۇ. تېخىمۇ كۆپ يىپ ئۇچلىرى باشقا بىر نەچچە VHL نىڭ ئاقسىللارنىيۇبىكۋىتىن بىلەن بەلگە سالىدىغان كومپىلىكىسنىڭ بىر قىسمى ئىكەنلىكى ۋە ئۇلارنىڭ پىروتىيوزومدا پارچىلىنىشىغا بەلگە سالىدىغانلىقىنى كۆرسىتىپ بەرگەنباشقا بىر نەچچە تەتقىقات گۇرۇپپىلىرىدىن كىلىدۇ. ئۇنىڭدىن كىيىن، رەتكلىف ۋە ئۇنىڭ تەتقىقات گۇرۇپپىسىدىكىلەر بىر ئاچقۇچلۇق بايقاشنى ئوتتۇرىغا قويىدۇ: يەنى بۇ بايقاش دەل  ئۇلارنىڭ VHLنىڭ HIF-1α بىلەن ئۇچرىشىدىغانلىقى ۋە نورمال ئوكسىگېنلىق شارائىتتا ئۇنىڭ پارچىلىنىشىنى كەلتۈرۈپ چىقىرىدىغانلىقىنىكۆرسىتىپ بەرگەنلىكىدۇر. بۇ بايقاش VHL بىلەن HIF-1α باغلاشتۇرىدۇ

ئوكسىگېن مۇۋازىنەتنى ئ‍ۆزگەرتىدۇ

نۇرغۇن يىپ ئۇچلىرى جىپسىلاشسىمۇ، ئەمما ئوكسىگېننىڭ قانداق قىلىپ VHL بىلەن HIF-1α ئوتتۇرىسىدىكى ئالاقىنى كونتىرول قىلىدىغانلىقى ھەققىدىكىبىلىش يەنىلا كەم ئىدى. بۇ جەھەتتىكى ئىزدىنىشلەر HIF-1α ئاقسىلىنىڭ VHL گە-تايىنىشچان پارچىلىنىشىدا مۇھىم رولغا ئىگە بىر ئېنىق بۆلىكى ئۈستىگەمەركەزلىشىدۇ ھەمدە كەيلىن ۋە رەتكلىفلەر ئوكسىگېن-سېزىشتىكى ئاچقۇچنىڭ مۇشۇ ئاقسىل بۆلىكىدە ئىكەنلىكىنى پەرەز قىلىدۇ. 2001-يىلى، ئىككى ئوخشاشۋاقىتتا ئېلان قىلىنغان ئىلمىي ماقالىلەردە ئۇلار نورمال ئوكسىگېنىلىق شارائىتتا ھىدروكسىي گۇرۇپپىسىنىڭ HIF-1α ئاقسىلىدىكى ئېنىق بىر ئورۇنغاقوشۇلىدىغانلىقىنى كۆرسىتىپ بېرىدۇ. بۇ خىل پرولىيل ھىدروكسىلىنىشى دەپ ئاتىلىدىغان ئاقسىلغا ئۆزگەرتىش كىرگۈزۈش VHL نىڭ HIF-1α نى تونۇشى ۋەئۇنىڭغا بېرىكىشىنى ئىمكانىيەتكە ئىگە قىلىدۇ. شۇنىڭ ئۈچۈن بۇ نورمال ئوكسىگېنىلىق شارائىتنىڭ قانداق قىلىپ ئوكسىگېنغا-سەزگۈرلۈكى كۈچلۈك پرولىيلھىدروكسىي ئېنزىمىنىڭ ياردىمى بىلەن HIF-1α نىڭ پارچىلىنىشىنى كەلتۈرۈپ چىقىردىغانلىقىنى چۈشەندۈرۈپ بېرىدۇ. رەتكلىف ۋە باشقىلارنىڭ تېخىمۇئىچكىرىلىگەن تەتقىقاتلىرى مەسئۇل پرولىيل ھىدروكسىي ئېنزىمىنى ئېنىقلاپ چىقىدۇ. ئۇنىڭدىن باشقا HIF-1α نىڭ گېنلارنى قوزغىتىش فۇنكىسىيىسىنىڭئوكسىگېنغا-تايىنىشچان ھىدروكسىللىنىش تەرىپىدىن كونتىرول قىلىنىدىغانلىقى كۆرسىتىپ بېرىلىدۇ. شۇنداق قىلىپ بۇ يىللىق نوبېل مۇكاپاتى ساھىبلىرىئاخىرى ئوكسېگېننى سېزىشنىڭ مىخانىزىمى ۋە ئۇنىڭ ئىشلەش پىرىنسىپلىرىنى ئېنىق يورۇتۇپ بېرىدۇ

ئوكسىگېن نورمال فىزىيولوگىيە ۋە پاتولوگىيە (كېسەل كىلىپ چىقىش) نى تەڭشەيدۇ

بۇ نوبېل مۇكاپاتى ساھىبلىرىنىڭ تۆھپىلىرى بىلەن بىز ھازىر ئوخشىمىغان ئوكىسىگېن مىقدارىنىڭ نېگىزلىك فىزىيولوگىيىلىك جەريانلارنى قنداقتەڭشەيدىغانلىقى ھەققىدە ناھايىتى كۆپ بىلىملەرنى بىلىمىز. ئوكسىگېن-سېزىش ھۈجەيرىلەرنى ئۇلارنىڭ مىتابولىزىمىنى تۆۋەن ئوكسىگېن مىقدارىغاماسلاشتۇرۇشىنى ئىمكانىيەتكە ئىگە قىلىدۇ: مەسىلەن، ئېغىر ھەرىكەت داۋامىدا مۇسكۇللىرىمىزدا شۇنداق ئەھۋال يۈز بېرىدۇ.يەنە  يېڭى قان تومۇرلارنىڭشەكىللىنىشى ۋە قىزىل قان ھۈجەيرىلىرىنىڭ ئىشلەپچىقىرىلىشىمۇ ئوكسىگېن-سېزىش كونتىرول قىلىدىغان ماسلىشىشچان جەريانلارنىڭ مىساللىرىدىندۇر. ئۇنىڭدىن باشقا، ئىممۇنىت سىستىمىمىز ۋە باشقا فىزىيولوگىيىلىك فۇنكىسىيىلەرمۇ ئوكسىگېن سېزىش قۇرۇلمىسى تەرىپىدىن ئىنچىكە تەڭشىلىدۇ. ئوكسىگېنسېزىش يەنە ھامىلە يېتىلىش جەريانىدا نورمال قان تومۇرلارنىڭ ھاسىل بولۇشى ۋە بالا ھەمرىيىنىڭ يېتىلىشىنىڭ كونتىرول قىلىنىشىدىمۇ كەم بولسابولمايدىغانلىقى كۆرسىتىپ بېرىلدى.

ئوكسىگېن سېزىش نۇرغۇن كېسەللىكلەردە مۇھىم ئورۇندا تۇرىدۇ (ئىككىنچى رەسىمدە كۆرسىتىلىگىنىدەك). مەسىلەن، سوزۇلما خارەكتېرلىك بۆرەك زەئىپلىشىشبىمارلىرى دائىم EPO ئاقسىلىنىڭ ئىپادىلىنىشى تۆۋەنلەپ كەتكەنلىكى تۈپەيلىدىن ئېغىر دەرىجىدىكى قان ئازلىقنىڭ ئازابىنى تارتىدۇ. EPO بۆرەكھۈجەيرىلىرىدە ئىشلەپچىقىرىلىدىغان بولۇپ، يۇقىرىدا ئېيتىپ ئۆتۈلگىنىدەك، قىزىل قان ھۈجەيرىلىرىنىڭ ئىشلەپچىقىرىلىشىدا ناھايىتى مۇھىم ئورۇن تۇتىدۇ. ئۇنىڭدىن باشقا، ھۈجەيرىنىڭ ئوكسىگېن سېزىش قۇرۇلمىسى راك كېسىلىدىمۇ مۇھىم رولغا ئىگە. ئۆسمىلەردە، ئوكسىگېن سېزىدىغان قۇرۇلما قان تومۇرلارنىڭشەكىللىنىشىنى ئىلگىرى سۈرۈش ۋە راك ھۈجەيرىلىرىنىڭ ئۈمۈملۈك بۆلۈنۈپ كۆپىيىشىدە زۆرۈر بولغان مىتابولىزىمنى قايتىدىن تەڭشەشتە ئىشلىتىلىدۇ. نۆۋەتتەنۇرغۇن ئىلمىي تەتقىقات تەجىرىبىخانىلىرى ۋە دورا شىركەتلىرىنىڭ غايەت زور ئۇرۇنۇشلىرى ئوكسىگېن سېىزىش قۇرۇلمىلىرىنى قوزغىتىدىغان ياكى چەكلەشئارقىلىق ئوخشىمىغان كېسەللىك ئەھۋاللىرىنى توسىغۇچى دورىلارنى ۋۇجۇدقا كەلتۈرۈشكە مەركەزلەشمەكتە.

SUMMARY
Animals need oxygen for the conversion of food into useful energy. The fundamental importance of oxygen has been understood for centuries, but how cells adapt to changes in levels of oxygen has long been unknown.
William G. Kaelin Jr., Sir Peter J. Ratcliffe and Gregg L. Semenza discovered how cells can sense and adapt to changing oxygen availability. They identified molecular machinery that regulates the activity of genes in response to varying levels of oxygen.
The seminal discoveries by this year’s Nobel Laureates revealed the mechanism for one of life’s most essential adaptive processes. They established the basis for our understanding of how oxygen levels affect cellular metabolism and physiological function. Their discoveries have also paved the way for promising new strategies to fight anemia, cancer and many other diseases.
Oxygen at center stage
Oxygen, with the formula O2, makes up about one fifth of Earth’s atmosphere. Oxygen is essential for animal life: it is used by the mitochondria present in virtually all animal cells in order to convert food into useful energy. Otto Warburg, the recipient of the 1931 Nobel Prize in Physiology or Medicine, revealed that this conversion is an enzymatic process.
During evolution, mechanisms developed to ensure a sufficient supply of oxygen to tissues and cells. The carotid body, adjacent to large blood vessels on both sides of the neck, contains specialized cells that sense the blood’s oxygen levels. The 1938 Nobel Prize in Physiology or Medicine to Corneille Heymans awarded discoveries showing how blood oxygen sensing via the carotid body controls our respiratory rate by communicating directly with the brain.
HIF enters the scene
In addition to the carotid body-controlled rapid adaptation to low oxygen levels (hypoxia), there are other fundamental physiological adaptations. A key physiological response to hypoxia is the rise in levels of the hormone erythropoietin (EPO), which leads to increased production of red blood cells (erythropoiesis). The importance of hormonal control of erythropoiesis was already known at the beginning of the 20th century, but how this process was itself controlled by O2 remained a mystery.
Gregg Semenza studied the EPO gene and how it is regulated by varying oxygen levels. By using gene-modified mice, specific DNA segments located next to the EPO gene were shown to mediate the response to hypoxia. Sir Peter Ratcliffe also studied O2-dependent regulation of the EPO gene, and both research groups found that the oxygen sensing mechanism was present in virtually all tissues, not only in the kidney cells where EPO is normally produced. These were important findings showing that the mechanism was general and functional in many different cell types.
Semenza wished to identify the cellular components mediating this response. In cultured liver cells he discovered a protein complex that binds to the identified DNA segment in an oxygen-dependent manner. He called this complex the hypoxia-inducible factor (HIF) . Extensive efforts to purify the HIF complex began, and in 1995, Semenza was able to publish some of his key findings, including identification of the genes encoding HIF. HIF was found to consist of two different DNA-binding proteins, so called transcription factors, now named HIF-1α and ARNT. Now the researchers could begin solving the puzzle, allowing them to understand which additional components were involved and how the machinery works.

VHL: an unexpected partner

When oxygen levels are high, cells contain very little HIF-1α. However, when oxygen levels are low, the amount of HIF-1α increases so that it can bind to and thus regulate the EPO gene as well as other genes with HIF-binding DNA segments (Figure 1). Several research groups showed that HIF-1α, which is normally rapidly degraded, is protected from degradation in hypoxia. At normal oxygen levels, a cellular machine called the proteasome, recognized by the 2004 Nobel Prize in Chemistry to Aaron Ciechanover, Avram Hershko and Irwin Rose, degrades HIF-1α. Under such conditions a small peptide, ubiquitin, is added to the HIF-1α protein. Ubiquitin functions as a tag for proteins destined for degradation in the proteasome. How ubiquitin binds to HIF-1α in an oxygen-dependent manner remained a central question.

The answer came from an unexpected direction. At about the same time as Semenza and Ratcliffe were exploring the regulation of the EPO gene, cancer researcher William Kaelin, Jr. was researching an inherited syndrome, von Hippel-Lindau’s disease (VHL disease). This genetic disease leads to dramatically increased risk of certain cancers in families with inherited VHL mutations. Kaelin showed that the VHL gene encodes a protein that prevents the onset of cancer. Kaelin also showed that cancer cells lacking a functional VHL gene express abnormally high levels of hypoxia-regulated genes; but that when the VHL gene was reintroduced into cancer cells, normal levels were restored. This was an important clue showing that VHL was somehow involved in controlling responses to hypoxia. Additional clues came from several research groups showing that VHL is part of a complex that labels proteins with ubiquitin, marking them for degradation in the proteasome. Ratcliffe and his research group then made a key discovery: demonstrating that VHL can physically interact with HIF-1α and is required for its degradation at normal oxygen levels. This conclusively linked VHL to HIF-1α.

Oxygen sHIFts the balance

Many pieces had fallen into place, but what was still lacking was an understanding of how O2 levels regulate the interaction between VHL and HIF-1α. The search focused on a specific portion of the HIF-1α protein known to be important for VHL-dependent degradation, and both Kaelin and Ratcliffe suspected that the key to O2-sensing resided somewhere in this protein domain. In 2001, in two simultaneously published articles they showed that under normal oxygen levels, hydroxyl groups are added at two specific positions in HIF-1α (Figure 1). This protein modification, called prolyl hydroxylation, allows VHL to recognize and bind to HIF-1α and thus explained how normal oxygen levels control rapid HIF-1α degradation with the help of oxygen-sensitive enzymes (so-called prolyl hydroxylases). Further research by Ratcliffe and others identified the responsible prolyl hydroxylases. It was also shown that the gene activating function of HIF-1α was regulated by oxygen-dependent hydroxylation. The Nobel Laureates had now elucidated the oxygen sensing mechanism and had shown how it works.


Figure 1. When oxygen levels are low (hypoxia), HIF-1α is protected from degradation and accumulates in the nucleus, where it associates with ARNT and binds to specific DNA sequences (HRE) in hypoxia-regulated genes (1). At normal oxygen levels, HIF-1α is rapidly degraded by the proteasome (2). Oxygen regulates the degradation process by the addition of hydroxyl groups (OH) to HIF-1α (3). The VHL protein can then recognize and form a complex with HIF-1α leading to its degradation in an oxygen-dependent manner (4).
Oxygen shapes physiology and pathology
Thanks to the groundbreaking work of these Nobel Laureates, we know much more about how different oxygen levels regulate fundamental physiological processes. Oxygen sensing allows cells to adapt their metabolism to low oxygen levels: for example, in our muscles during intense exercise. Other examples of adaptive processes controlled by oxygen sensing include the generation of new blood vessels and the production of red blood cells. Our immune system and many other physiological functions are also fine-tuned by the O2-sensing machinery. Oxygen sensing has even been shown to be essential during fetal development for controlling normal blood vessel formation and placenta development. 
Oxygen sensing is central to a large number of diseases (Figure 2). For example, patients with chronic renal failure often suffer from severe anemia due to decreased EPO expression. EPO is produced by cells in the kidney and is essential for controlling the formation of red blood cells, as explained above. Moreover, the oxygen-regulated machinery has an important role in cancer. In tumors, the oxygen-regulated machinery is utilized to stimulate blood vessel formation and reshape metabolism for effective proliferation of cancer cells. Intense ongoing efforts in academic laboratories and pharmaceutical companies are now focused on developing drugs that can interfere with different disease states by either activating, or blocking, the oxygen-sensing machinery.

Figure 2. The awarded mechanism for oxygen sensing has fundamental importance in physiology, for example for our metabolism, immune response and ability to adapt to exercise. Many pathological processes are also affected. Intensive efforts are ongoing to develop new drugs that can either inhibit or activate the oxygen-regulated machinery for treatment of anemia, cancer and other diseases.

Key publications
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 USA88, 5680-5684
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
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
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
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

William G. Kaelin, Jr. was born in 1957 in New York. He obtained an M.D. from Duke University, Durham. He did his specialist training in internal medicine and oncology at Johns Hopkins University, Baltimore, and at the Dana-Farber Cancer Institute, Boston. He established his own research lab at the Dana-Farber Cancer Institute and became a full professor at Harvard Medical School in 2002. He is an Investigator of the Howard Hughes Medical Institute since 1998.
Sir Peter J. Ratcliffe was born in 1954 in Lancashire, United Kingdom. He studied medicine at Gonville and Caius College at Cambridge University and did his specialist training in nephrology at Oxford. He established an independent research group at Oxford University and became a full professor in 1996. He is the Director of Clinical Research at Francis Crick Institute, London, Director for Target Discovery Institute in Oxford and Member of the Ludwig Institute for Cancer Research.
Gregg L. Semenza was born in 1956 in New York. He obtained his B.A. in Biology from Harvard University, Boston. He received an MD/PhD degree from the University of Pennsylvania, School of Medicine, Philadelphia in 1984 and trained as a specialist in pediatrics at Duke University, Durham. He did postdoctoral training at Johns Hopkins University, Baltimore where he also established an independent research group. He became a full professor at the Johns Hopkins University in 1999 and since 2003 is the Director of the Vascular Research Program at the Johns Hopkins Institute for Cell Engineering.

#bilimdan   #bilimzar  

No comments:

Post a Comment