缺氧 时 人 体会 有 什么 变化 ？癌症 治疗 又 有 新 方法 ！【2019诺贝尔 医学奖 解读】 What happens to the human body when it is deprived of oxygen? There is a new way to treat cancer! [Interpretation of the 2019 Nobel Prize in Medicine]

各位 同学 大家 好 我 是 李永乐 老师

最近 有 一部 电影 《 中国 机长 》 特别 火 Recently, there is a movie "Captain of China" that is very popular

讲述 的 是 一架 客机 在 空中 遇到 了 危险

挡风玻璃 破裂 客舱 失压

结果 在 飞行员 的 神 操作 下 As a result, under the pilot's godly operation

这 架飞机 安然 地 降落 在 地面 上 的 故事

其实 美国 人 特别 喜欢 把 真实 发生 的 空难 改编 成 电影

比如说 阿波罗 13 号 宇宙飞船 在 太 空中爆炸 了

结果 在 宇航员 的 神 操作 下

几个 人 都 安然 的 回到 了 地面

那么 美国 人 也 把 它 拍成 了 一部 电影

就 叫 《 阿波罗 13 号 》

大家 如果 有 兴趣 也 不妨 去 看 一下

那么 看 完 这部 电影 之后

很多 小朋友 就 问 我 说 客舱 失压 之后

人 都 要 戴 氧气 面罩 人 为什么 需要 氧气 呢

如果 没有 氧气 人 的 身体 会 有 什么 变化 呢 What would happen to the human body without oxygen?

刚好 最近 的 诺贝尔 生理学 奖 就 颁发 给 了 三位 科学家

以 表彰 他们 在 研究 细胞 感知 氧气 过程 中 发挥 的 作用

那 我们 今天 就 来 研究 一下 人 的 细胞

是 如何 知道 缺乏 氧气 又 如何 去 调节 这个 过程 的

我们 首先 先 来说 一说 氧气 有 什么 作用

我们 的 身体 为什么 需要 氧气 呢

我们 都 知道 没有 氧气 我们 就 憋死 了

但是 我们 为什么 需要 氧气 呢

我们 知道 我们 吃了饭

这个 饭 里面 有 很多 的 物质 可以 转化成 葡萄糖

那么 这个 葡萄糖

它 可以 为 我们 的 身体 提供 营养 提供 能量

但是 葡萄糖 自身 直接 是 无法 提供 能量 的

它 必须 要 和 氧气 结合

在 氧气 的 作用 下 葡萄糖 就 会 转化成 ATP

叫做 三 磷酸 腺苷

三 磷酸 腺苷 这种 物质 是 我们 身体 内 最 重要 的 能源

那么 它 是 可以 被 我们 的 细胞 利用 的 then it can be used by our cells

比如说 我们 的 这 胳膊 要 收缩 我们 的 肌肉 要 收缩 For example, our arm needs to contract and our muscles need to contract

就 需要 使用 到 ATP 它 是 我们 身上 最 重要 的 能源

当然 还会 产生 比如 二氧化碳 还有 水 等等

那么 假如 说 你 没有 氧气 了 的话

那么 葡萄糖 不能 通过 这 过程 转化成 ATP

你 的 细胞 就 会 饿死 那么 细胞 饿死 的 人 也 就 死 了

所以 我们 必须 要 氧气

那么 如果说 一个 人 处于 一种 缺氧 的 环境 下 So if a person is in an oxygen-deficient environment

缺氧 的 环境 下 他 又 会 如何 应对 呢

首先 最 直接 的 一个 反应

如果 缺氧 人会 怎么样 人会 呼吸 加速

呼吸 加速 就 可以 吸入 更 多 的 空气 和 更 多 的 氧气 了

那么 除此之外 还 可以 怎么样

还会 心跳 加速

因为 我们 知道 心脏 是 控制 血液循环 的

心跳 加速 之后 会 有 什么 结果

血流 就 会 加快

血液 流速 加快 了

这样一来 让 血液 输送 更 多 的 氧气

到 身体 各个 细胞

但是 这 只是 一个 短期 的 效应

如果 我们 长期 生活 在 一个 缺氧 环境 下

比如说 我们 在 高原 上 高原 上 空气稀薄 氧气 少

这个 时候 身体 又会有 什么 变化 呢

我们 身体 非常 聪明

这个 肾脏 会 产生 一种 物质

这种 物质 叫做 促 红细胞 生长素 This substance is called erythropoietin

促 红细胞 生长素 英文 写作 EPO

这个 促 红细胞 生长素 可以 干嘛 呢

跟 它 名字 一样 可以 促进 红细胞 的 产生 Like its name, it can promote the production of red blood cells

它会 告诉 骨髓 告诉 造血 干细胞 说 现在 我们 缺氧 了

你 多 给 我 产生 一些 红细胞 you give me more red blood cells

在 它 的 作用 下 造血 干细胞 工作

产生 了 更 多 的 红细胞

红细胞 多 了 之后 就 可以 携带 更 多 的 氧气 了 对 不 对

所以 就 可以 调节 我们 缺氧 的 这么 一个 情况

有些 运动员 他们 为了 让 自己 的 运动 成绩 提高 Some athletes, in order to improve their sports performance

人工 去 注射 这种 促 红细胞 生长素

人造 的 这种 物质

打进去 了 之后 这种 生长素 会 怎么样 What will happen to this auxin after injection

会 使 你 的 红细胞 增多

所以 你 携带 氧气 的 能力 增强 了

这样一来 你 的 耐力 就 会 增强

就 可以 取得 好 成绩

所以 它 也 是 一种 什么 呀

兴奋剂 也 是 一种 兴奋剂 A stimulant is also a stimulant

在 上个世纪 60 年代 的 时候

芬兰 有 一个 滑雪 运动员 名字 叫 门蒂兰塔 There is a skier in Finland named Mendiranta

他 在 奥运会 上 拿 了 三次 世界冠军

然后 又 在 世锦赛 上 拿到 两次 世界冠军

所以 有人 就 觉得 这个 人 他 一定 是 打 了 兴奋剂

因为 他 的 红细胞 含量 比 别人 高 了 20%

所以 就 反复 的 去 查 结果 查来查 去 发现 So I checked the results repeatedly and checked to find out.

好像 都 没有 打 兴奋剂

为什么 呢 原来 是 他们 家族 200 多 个人 都 这样 Why? It turns out that more than 200 people in their family are like this

他 的 这个 促 红细胞 生长素 的 基因 特别 厉害

比 别人 要 厉害

所以 他 天生 红细胞 就 比 别人 多

所以 这个 不能 算 兴奋剂 So this is not a doping

你 自己 产生 的 不算 what you generate yourself doesn't count

如果 你 打进去 的 那 就算 兴奋剂 了

除了 这个 促 红细胞 生长素 以外

人 在 缺氧 的 环境 下

还会 产生 另外 一种 物质 叫做 血管 内皮 生长因子

血管 内皮 生长因子 它 也 是 一种 蛋白质

英文 简称 叫 VEGF

这个 血管 内皮 生长因子 干嘛 用 的 呢

它 可以 促进 血管 的 生成

可以 产生 血管

这 是 读 xue 还是 读 xie Is this reading xue or reading xie

这个 血管 它会 变多 血管 变多 了 之后

就 可以 使得 这个 氧气 能够 达到 更 多 的 部位 This will allow the oxygen to reach more parts

所以 你 的 细胞 就 不 缺氧 了

所以 在 寒冷 地区 高原地区 生活 的 人

他们 的 血管 这个 丰富 程度 其实 比 普通人 要 多一些

总而言之 就是 人 的 身体 会 知道 说 我 氧气 缺乏 了

所以 我要 做出 相应 的 反应

但是 问题 是

在 缺氧 的 时候 人们 怎么 就 知道 了 氧气 缺乏 呢

那么 我们 这个 身体 有没有 什么 一个 氧气 浓度 探测器 So does our body have an oxygen concentration detector?

它 通过 一个 什么样 的 方式 知道 了 这件 事

又 是 通过 一个 什么样 的 方式

来 促进 这些 生长激素 生长 的 呢

这个 就是 开始 人们 不 知道 的 事

那么 最近 诺贝尔奖 颁发 给 这 三位 科学家

其实 就是 弄清楚 了 这件 事

我们 称之为 氧气 的 细胞 感知 Cellular Sensing We Call Oxygen

就 是从 细胞 的 这个 层面

它 怎么 就 知道 现在 氧气 到底 是 够 还是 不够

那么 这 三位 科学家 都 做 了 什么 呢

首先 我们 先 来说 第一位 科学家

他 的 名字 叫做 西门 扎 his name is simenza

他 是 美国 约翰霍普金斯 大学 的 一位 老师

西门 扎 这位 科学家 发现 了 什么 呢 What did the scientist Semenza discover?

我们 知道 人 能够 产生 各种各样 的 蛋白质

是因为 人 的 身体 里面 有 基因

基因 去 控制 相应 蛋白质 的 产生

但 不是 说 你 的 基因 里面 有 这 一段

就 一定 会 产生 这种 蛋白质 的

就 好像 一个 工厂

它 有 很多很多 种 商品 的 这个 图纸

但 它 不见得 生产

生产 什么 是 靠 老板 一句 话 决定 的

同样 道理 这个 基因 能否 进行 表达 Similarly, whether this gene can be expressed

这 是 有 调控 有 开关 的

那 西门 扎 他 其实 就是 发现 了 一个 开关

这个 开关 叫 什么 呢

叫做 缺氧 诱导 因子 hypoxia inducible factor

这个 缺氧 诱导 因子 就是 他 给 命名 的

那 叫做 HIF 发现 了 这样 的 一种 因子

说 这个 因子 它 就是 某 一些 基因 的 控制 开关

某 一些 基因 的 老板

它 可以 在 缺氧 的 环境 下

就 假如 说 这个 环境 它 缺氧 了

那么 这个 时候 它 就 会 告诉 基因

基因 是 什么 呀

就是 DNA 上面 的 一个 片段 表达 了 一些 含义 的 片段

它 就 会 告诉 这个 基因 说 现在 缺氧 了 It will tell this gene that it is hypoxic now

然后 你 干什么 呢 你 就 开启 表达

这个 基因 就 开启 表达

我们 就 按照 这个 图纸 生产

生产 什么 生产 蛋白质

这些 个 蛋白质 都 是 跟 氧气 有关 的

比如说 像 这个 EPO

这个 EPO 它 可以 促进 红细胞 的 生成

再 比如说 这个 VEGF 促进 血管 的 产生

这样一来 它 就 可以 产生 更 多 的 氧气 对 吧

就是 可以 使 我们 的 身体 氧气 含量 恢复

所以 在 缺氧 的 情况 下

这个 HIF 因子 它 就 会 启动 基因 的 表达

让 基因 合成 更 多 的 蛋白质 以 生产 氧气

这个 就是 第一位 科学家 西门 扎 他 的 贡献

紧接着 另外 一位 科学家 哈佛大学 的 凯林 Then another scientist, Kaelin of Harvard University

这个 凯林 他 发现 了 另外 一件 事

说 什么 事

说 诱导 因子 应该 是 在 缺氧 的 环境 下

才 能够 启动 基因 的 表达

但是 有 一种 病人

这种 病人 他 患有 一种 疾病

这个 疾病 叫 什么 呢

这个 疾病 叫做 VHL 病

这个 VHL 病 叫做 冯希 佩尔 林道 病 This VHL disease is called von Hippel Lindau disease

是 以前 的 两位 医生 发现 的

这种 病 的 人 他 特别 容易 患 肿瘤

而且 这个 肿瘤 里边 充满 了 血管

他 身体 体内 的 这个 EPO 含量 特别 特别 高

这 怎么回事 呢

后来 人们 发现 这 是因为 他们 的 基因 变异 了

这个 VHL 基因 变异 了 造成 他们 缺少 一种 蛋白

就是 VHL 蛋白 他 缺少 了 这种 蛋白 之后

本来 只有 在 缺氧 的 环境 下 才能 工作 的 这个 HIF 因子

在 富氧 的 环境 下 它 也 能够 工作

就是说 在 氧气 浓度 很 高 的 时候 正常 的 时候

它 也 可以 启动 基因 的 表达

也就是说 不管 你 是不是 需要 氧气 Which means whether you need oxygen or not

我 都 启动 基因 表达

然后 我 都 产生 了 很多 的 EPO 和 VEGF

产生 了 很多 的 红细胞 很多 的 血管

这样一来 你 患有 肿瘤 了 之后

你 这个 肿瘤 里面 就 会 有 很多 血管

他 就 解释 了 这么 一件 事

凯林 发现 这个 事 之后

有 科学家 就 想 说 你 看 这个 VHL 这种 蛋白质

它会 影响 到 HIF 因子

所以 它们 俩 之间 肯定 有 一种 作用 对 不 对

但是 这个 作用 到底 是 什么

最终 这件 事

是 由 牛津大学 的 一位 科学家

名字 叫做 拉特 克利夫 完成 的 It's called Ratcliffe

拉特 克利夫 这个 科学家 他 发现

说 正常人 没有 患有 VHL 病 的 这种 人

他 在 富氧 的 情况 下 是 不会 启动 …

这个 HIF 的 因子 是 不会 启动 的

说 这 是 为什么 呢

就是 因为 他 说 从 分子 层面 上 讲

HIF 在 富氧 的 情况 下

氧气 有 很多 的 氧原子 对 吧

有 很多 的 氧原子 构成 氧分子 构成 的

那么 在 这种 情况 下 这个 HIF 因子 它会 和 氧气 结合

因为 它 本身 分子 上面 有 氢 Because it has hydrogen on its molecule

氢和氧一 结合 就是 氢氧 Hydrogen and oxygen combine to form oxyhydrogen

氢氧 在 化学 上 叫做 羟 Hydroxygen is chemically called hydroxyl

形成 羟基 form hydroxyl

它 在 富氧 的 情况 下 这个 因子 会 被 羟基 化 It will be hydroxylated in the case of rich oxygen

那么 在 羟基 化 了 之后

它 进而 又 会 结合 什么 what does it in turn combine

又 会 结合 刚才 我们 所说 的 这个 VHL 蛋白

它 又 会 结合 上 VHL 蛋白

就是 你 只有 先 跟 氧 结合 变成 羟基 了

你 才 能够 结合 VHL

这是 化学 上 他 研究 清楚 的 这件 事

研究 完 了 之后 然后 又 会 怎么样

在 它 结合 的 羟基 和 VHL 蛋白质 之后

它 又 会 身上 挂 着 一大堆 的 链

这个 链是 什么

这个 链 叫做 泛素 标签

这是 一种 小 蛋白质

你 把 它 挂 上 了 之后 after you hang it up

我们 就 称之为 你 被 泛素 化 了 we call it ubiquitinated

你 被 泛素 化 了

但是 标签 的 前提 是 要 有 VHL

被 泛素 化 了 是 什么 意思

大家 可能 不太 明白

就是 我们 身体 内部

其实 有 很多 不 需要 的 蛋白质

这些 不 需要 的 蛋白质 就 会 被 这个 打 上 泛素 标签

而且 你 一旦 打 上 一个 周围 的 泛素 标签 也 都 过来 了 And once you put a surrounding ubiquitin tag on it's all over

你 就 会 打成 一串 you'll be in a bunch

打 上 泛素 标签 之后 干什么

身体 内部 有 一种 特别 大 的 桶状 的 蛋白 Inside the body is a particularly large barrel-shaped protein

特别 大 桶状 蛋白 还 带 盖子 Special big barrel egg white with lid

这种 蛋白 叫做 蛋白酶体

蛋白酶体

这个 蛋白酶体 会 怎么样

它 专门 用来 消化 那些 你 不 需要 的 蛋白质 It's designed to digest those proteins you don't need

你 一旦 打 上 泛素 标签 了

泛素 标签 到 这个 蛋白酶体 的 这个 口 这儿 Ubiquitin tag to this mouth of the proteasome here

这个 口一 检查 check this mouth

你 看 你 是 打 上 泛素 标签 你 是 垃圾

所以 你 赶紧 进来 吧 我 是 垃圾桶

所以 它 就 会 钻 到 这个 蛋白酶体 里边 去

蛋白酶体 里边 有 一些 消化 蛋白质 的 酶

这些 酶 就 会 把 这个 蛋白质 给 分解

分解成 一大堆 的 氨基酸

然后 用来 干什么

用来 做 新 的 蛋白质 的 原料

这样一来 我们 就 会 发现

在 这种 情况 下 这个 HIF 就 被 分解 了

就 被 分解 了

HIF 一旦 被 分解 了

它 就 没有 办法 钻 到 基因 里边 去

启动 这个 蛋白质 的 表达

再造 出 这个 促 红细胞 生长素 和 血管 内皮 生长因子

所以 人 的 氧气 含量 就 不会 提高

反过来说 如果 你 缺氧 的话

你 没有 氧 上面 的 过程 根本 就 不能 完成

所以 你 就 会 进到 这个 基因 里面 去

启动 这个 表达

使 你 的 氧气 含量 恢复 一些

所以 你 看 这个 人体 内部 的 生命 机理 So look at the life mechanism inside the human body

是不是 非常 非常 的 精彩

说 那 我们 研究 的 这样 一个 图谱 有 什么 用 呢

咱们 可以 想象

人体 可以 感知 氧气 的 多少 The human body can sense the amount of oxygen

从而 做出 相应 的 调节

但是 有 的 时候 人 的 身体 会 出毛病

比如说 贫血

贫血 就是 血 红细胞 少

那 怎么办

贫血 的话 我们 就 可以 促进 底下 这个 过程

让 缺氧 诱导 因子 更 多 的 发挥作用

氧气 浓度 增加

所以 我们 就 可以 治疗 贫血 了

那么 还有 的 时候 then there are times

人 的 身体 里边 不 需要 这么 多 的 血液

比如说 肿瘤

肿瘤 的 内部 需要 很多 的 能量

所以 肿瘤 内部 其实 有 很多 的 血管

我们 有没有 办法 让 肿瘤 内部 的 血管 全都 断掉 Is there a way we can sever all the blood vessels inside the tumor?

然后 让 肿瘤 饿死 呢

那 我们 就 用 上面 这 过程

我们 使得 这个 HIF 尽量 的 被 泛素 化

然后 被 蛋白酶体 给 干嘛

给 消化 掉

这样一来 肿瘤 内部 就 会 因为 缺氧 而 饿死 对 不 对

这 也 是 一种 治疗 肿瘤 的 一种 方式

所以 治疗 肿瘤 的 方式 最近 几年 发明 出 了 很 多种

比如 去年 诺贝尔奖 就 给 了 那个 PD-1 For example, the Nobel Prize last year was given to that PD-1

那 也 是 一种 治疗 肿瘤 的 方式

那么 现在 我们 通过 这种 饿死 肿瘤 的 方法

又 找到 了 一种 方式

说不定 很快 就 会 有 更 多 的 癌症 能够 被 人类 所 攻克 了

其实 生命科学 是 世界 上 最 深奥 的 科学

我们 对于 自身 的 了解 what we know about ourselves

远远 没有 我们 对于 太阳 的 了解 多

我们 知道 太阳 从 哪里 来 太阳 如何 演化 We know where the sun came from and how the sun evolved

太阳 最终 会 变成 什么

但是 我们 却 不 知道 生命 从 哪里 来

我们 对于 生命 的 演化 也 知之甚少

在 20 年前 就 有 科学家 说 过 这样 一句 话

21 世纪 是 生命科学 的 世纪

的确 最近 这 20 年 生命科学 每天 都 有 长足 的 进步

我们 现在 去 翻 一翻 中学 的 生物 课本 Let's look through the middle school biology textbooks now

跟 20 年前 的 生物 课本 差别 是 非常 的 大

我们 希望 生命科学 有 更 快 的 发展

能 让 我们 在 有生之年 看到 癌症 被 攻克

生命科学 也 是 对 人类 最 重要 的 一门 科学

因为 当 我们 晚年 的 时候 躺 在 病床 上 Because when we're dying in our sickbeds

我们 绝对 不会 去 关心 物理 化学 We definitely don't care about physical chemistry

或者 计算机 互联网

我们 更 关心 的 是不是 有 一种 新 的 药物

能够 治疗 我们 的 疾病

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