30 năm nghiên cứu công trình Nobel Y sinh 2019

Mục đích của ba nhà khoa học Gregg Semenza, William Kaelin và Sir Peter Ratcliffe là phát hiện ra các protein, cũng như xác định được gene các protein này, giúp cơ thể thích ứng với tình trạng thiếu hụt oxy khi nồng độ của nó thấp hơn bình thường, từ đó giải thích cho việc mức oxy khác nhau ảnh hưởng đến trao đổi chất và chức năng sinh lý của tế bào. Cơ chế thích nghi với oxy thay đổi là một trong những lý do các loài động vật và con người có thể tồn tại được ở nhiều điều kiện sống, chống lại bệnh tật.

Những nghiên cứu cơ bản của Gregg Semenza, William Kaelin và Sir Peter Ratcliffe đều xoay quanh các hành động của yếu tố phiên mã HIF (yếu tố cảm ứng hypoxia). Việc phát hiện ra yếu tố này lần lượt bắt nguồn từ các thí nghiệm từ năm 1986, 1987 của các nhà khoa học Maurice Bondurant, Mark Koury và Jaime Caro. Nghiên cứu của họ cho thấy tình trạng thiếu oxy gây ra sự gia tăng trong biểu hiện phiên mã của hormone erythropoietin (EPO) ở thận. Những phát hiện này cũng lần lượt bắt nguồn từ các thí nghiệm từ năm 1882 và của nhà sinh lý học người Pháp Paul Bert, người đầu tiên vạch ra các tác động của tình trạng thiếu oxy với tim mạch.

Với hiện tượng mức oxy thấp trong máu (hypoxia), ba nhà khoa học đi sâu hơn vào nghiên cứu cấp độ tế bào cơ thể bằng phản ứng tăng hormone erythropoietin (EPO), dẫn đến tăng tế bào hồng cầu. 

Gregg Semenza nghiên cứu gene EPO và cách nó được điều chỉnh bởi những mức oxy khác nhau. Đầu tiên ông nghiên cứu trên chuột biến đổi gene vào năm 1990, một năm sau, vào năm 1991, ông tiến hành thêm hai nghiên cứu khác, gồm nghiên cứu về hoạt động của ADN cạnh EPO và một nghiên cứu thêm về sư điều hòa của EPO. Ông phát hiện một đoạn ADN cạnh EPO điều tiết phản ứng với hiện tượng hypoxia. Ratcliffe cũng có công trình nghiên cứu tương tự. Cả hai nhóm phát hiện cơ chế cảm nhận oxy xuất hiện trong gần như mọi tế bào, không chỉ ở tế bào thận và gan nơi EPO được sản sinh. Phát hiện này gây ra sự quan tâm đặc biệt trong giới khoa học.

Công trình nghiên cứu trên đã giúp Gregg Semenza xác định được khoảng 50 chất tăng cường tại gene EPO có thể được sử dụng trong việc cảm nhận và thích ứng với mức độ oxy. Cả Ratcliffe và Semenza đều chứng minh được rằng chất tăng cường EPO có thể điều khiển sự thích ứng với mức độ oxy trong một loạt các loại tế bào động vật có vú. Điều này cho thấy cơ chế phân tử liên quan đến điều hòa oxy của EPO đã hoạt động trong một loạt các tế bào động vật.

Semenza tiếp tục thực hiện một phương pháp sinh hóa để tinh chế protein từ một lượng lớn chiết xuất tế bào. Ông tìm thấy trong tế bào gan có một phức hợp protein gắn với đoạn ADN liên quan đến phản ứng với thiếu oxy, gọi là tác nhân cảm ứng hyoxia (HIF). Năm 1995, ông xác định gene tạo ra HIF. Phức hợp protein được phát hiện bao gồm 2 protein gắn ADN riêng biệt, gọi là các tác nhân giải mã, gồm HIF-1α và ARNT. Việc phát hiện ra HIF là điều quan trọng, làm cơ sở cho sự thích nghi trao đổi chất và tạo ra sự tái tạo mô để đáp ứng với dòng oxy mô.

Oxy được kiểm soát bởi một hoặc một dạng đồng phân HIF. Quá trình nghiên cứu xác định lượng HIF-1α phụ thuộc vào mức oxygen, hay nói cách khác, khi mức oxygen cao, tế bào chứa rất ít HIF-1α. Nhưng khi mức oxy thấp, lượng HIF-1α tăng lên để gắn vào ADN có thể kết nối và điều chỉnh gene EPO cũng như các gene khác có phần ADN gắn kết với HIF.

Giai đoạn giữa năm 1996 và 1998, các nhà nghiên cứu thấy rõ HIF-1α nhanh chóng bị suy giảm nhưng không bị ức chế trong tình trạng thiếu oxy. Trong khi Gregg Semenza và Sir Peter Ratcliffe tìm ra gene EPO, William Kaelin, giáo sư tại Đại học Y Harvard, đang miệt mài nghiên cứu về một hội chứng di truyền mang tên Von Hippel-Lindau (VHL). Vào năm 1999, ông tình cờ phát hiện một phản ứng di truyền khác trong cơ thể khi lượng oxy thay đổi. Nghiên cứu của William Kaelin cho thấy gene VHL tạo nên một loại protein ngăn chặn sự hình thành ung thư. Phát hiện này được đánh giá mang tính đột phá.

Ông cũng phát hiện tế bào ung thư thiếu gene VHL hoạt động bình thường có mức độ gene điều chỉnh hypoxia cao bất thường, nhưng khi gene VHL được đưa trở vào tế bào ung thư, mức độ gene điều chỉnh hypoxia trở lại bình thường. Đây là bước tiên quan trọng cho thấy gene VHL có liên quan đến cơ chế phản ứng với thiếu oxy.

Nhiều nghiên cứu khác kết hợp cho thấy VHL là một phần của cơ chế sinh lý đánh dấu protein trong cơ thể bằng một protein nhỏ có tên là ubiquitin, giúp cơ chế proteasome nhận diện và thoái biến protein mà tế bào không cần đến. Từ đây, Ratcliffe và cộng sự phát hiện VHL có thể phản ứng với HIF-1α và yêu cầu cơ chế proteasome thoái biến protein này khi mức oxy bình thường.

Hình ảnh cho thấy, khi nồng độ oxy thấp ( (hypoxia), (1) HIF-1α ko bị phân biến, chúng liên kết với protein ARNT gắn vào đoạn ADN trên gene. (2) Ở mức độ oxy bình thường, HIF-1α nhanh chóng phân biến (bị suy giảm nhanh chóng) bởi proteasome. (3) oxy trong tế bào điều chỉnh quá trình phân biến bằng nhóm hydroxit trên HIF-1α. (4) VHL nhận thấy nhóm OH gắn kết và đánh dấu cho cơ chế proteasome.

Năm 2001, các phòng thí nghiệm của William Kaelin và Sir Peter Ratcliffe đã phát hiện trong môi trường có oxy bình thường, 2 vị trí đặc biệt trên protein HIF-1α xuất hiện nhóm hydroxit (-OH, hydroxyl). Sự điều chỉnh protein này được gọi là prolyl hydroxylation, cho phép VHL phát hiện và gắn vào HIF-1α để phân biến protein. Khi không có đủ oxy, HIF-1α gắn vào ADN của gene phản ứng với hiện tượng hypoxia.

Nhóm nghiên cứu Sir Peter Ratcliffe đã xác định độc lập các gene prolyl hydroxylase (PHD) liên quan đến hydroxylating HIF-1α và EPAS1 mô tả sự phân lập di truyền của PHD. Nhóm của William Kaelin cũng đã phân lập gene PHD bằng phương pháp sinh hóa và công bố công vào năm 2002. Việc xác định các hydroxylase này dẫn đến khả năng tạo ra các chất ức chế PHD để tăng hoạt động HIF, tăng mức độ EPO ở bệnh nhân thiếu máu.

Chức năng HIF tăng về mặt dược lý có thể hỗ trợ điều trị một loạt các bệnh, được chứng minh là tăng cường hệ miễn dịch, hình thành sụn và chữa lành vết thương. Ngược lại, ức chế chức năng HIF cũng có thể gây nên nhiều bệnh ung thư, các bệnh tim mạch bao gồm đột quỵ, đau tim và tăng huyết áp phổi. Phát hiện của ba nhà khoa học giúp mở đường cho các liệu pháp mới để điều trị ung thư, thiếu máu và nhiều loại bệnh khác.

Ngày 7/10/2019, công trình nghiên cứu của cả ba nhà khoa học đã được trao giải Nobel Y sinh 2019, đánh dấu hành trình 30 năm nghiên cứu về cách tế bào cảm nhận và thích ứng với mức độ oxy sẵn có. Randall Johnson, thành viên Ủy ban Nobel miêu tả công trình nghiên cứu là một "phát hiện mang tính nền tảng", có thể đưa vào sách giáo khoa môn sinh học

Trước đây, các cơ chế cảm nhận oxy ở động vật đã được nghiên cứu bởi hai nhà khoa học, đạt giải thưởng Nobel từ hơn 75 năm trước, là nhà khoa học Otto Warburg năm 1931 vì những khám phá liên quan đến cơ sở enzyme cho hô hấp tế bào, và nhà khoa học Corneille Heymans vào năm 1938 cho những phát hiện của ông về vai trò của hệ thần kinh trong phản ứng hô hấp với oxy. Tuy nhiên, trong hầu hết thế kỷ 20, các nhà khoa học không rõ được cách quá trình này điều chỉnh theo mức oxy.