红细胞是人体血液中最为丰富的细胞，人体每秒钟需要生成200万个新生红细胞，其主要生物学功能是传输氧气进而为机体代谢提供能量。成熟的红细胞中98%的蛋白为血红蛋白 (Hemoglobin，缩写 Hb)，一个血红蛋白分子，最多可以结合四个氧分子。在成人红细胞中，血红蛋白由四个蛋白质亚基-两个α-球蛋白和两个β-球蛋白形成成人血红蛋白 (HbA)，β-球蛋白的突变会导致镰刀状细胞病或地中海贫血。而在胎儿发育过程中红细胞表达γ-球蛋白，γ-球蛋白与α-球蛋白结合形成胎儿血红蛋白(HbF) 。通常在出生前后，γ-球蛋白的表达逐渐被关闭，而β-球蛋白被打开，导致HbF向HbA的转换，该过程又称血红蛋白转换。之所以存在这样的转换是因为在不同发育阶段，血红蛋白需要承担的功能不同。比如胎儿血红蛋白结合氧气的能力就远高于成人的，这样才能帮助胎儿更好地从母亲的血液中竞争获得氧气。

而在某些特定因素影响下，胎儿血红蛋白 (HbF) 在成年人体内被唤醒，例如大量失血、急性贫血或暴露于缺氧环境。在这些情况下，机体应激性的产生大量红细胞也就是应激性红细胞生成 (Stress Erythropoiesis) 来弥补氧气供应的相对不足。细胞感应和适应氧气供应的核心机制是缺氧诱导因子（HIF）感受氧气浓度变化而被泛素连接酶VHL识别从而调控HIF的蛋白稳定性与活性，该研究成果获得2019年诺贝尔生理医学奖。尽管我们已知HIF1A通过直接激活促红细胞生成素调节应激性红细胞生成，但缺氧应激条件下沉默的胎儿血红蛋白究竟如何被重新激活仍然是多年未解之谜。

HIF1A有没有可能直接调节胎儿血红蛋白基因转换？2022年10月12日，圣裘德儿童医院 (St. Jude Children’s Research Hospital, SJCRH) Mitchell J. Weiss博士团队在Nature发表题为 Activation of γ-globin expression by hypoxia-inducible factor 1α 的研究论文给出了明确的答案。该研究首次系统阐述了缺氧诱导因子1α（HIF1α）如何通过直接结合到珠蛋白基因座的一个增强子区激活γ-球蛋白基因的表达。

作者通过CRISPR-Cas9 文库筛选平台筛选潜在的胎儿血红蛋白抑制子，该文库针对泛素化连接酶及蛋白酶体亚基，筛选到了E3泛素连接酶VHL作为一个新的潜在胎儿血红蛋白抑制子。作者进一步在红系前体祖细胞系，原代造血干祖细胞诱导分化来源的红细胞中验证了VHL的确是一个功能性的胎儿血红蛋白抑制子。作者利用蛋白质谱和RNA表达的多组学分析，发现在VHL敲除的红细胞前体细胞中VHL的底物缺氧诱导因子1a (HIF1A) 蛋白水平显著增加而RNA水平维持不变，因此推测敲除VHL是通过增加HIF1A的蛋白水平来促进γ-球蛋白的表达。作者通过遗传学挽救实验证实在VHL敲除的红细胞是通过增加HIF1A来促进γ-球蛋白的表达。

以往其他研究提示，HIF1A作为转录因子需要通过结合DNA序列来直接影响下游基因表达。因此作者通过CUT&RUN实验发现在外周血来源的红系前体祖细胞中及VHL敲除的红细胞系中，HIF1A仅特异结合在珠蛋白基因座的一个称为BGLT3的长非编码RNA区。作者进一步通过CUT&RUN足迹分析发现在该结合位点中包含两个连续的HIF1A保守的结合序列ACGTG，这提示HIF1A是通过直接结合这两个保守序列来影响γ-球蛋白的表达。通过Base editing单碱基编辑的方法，作者精准的将两个保守结合位点序列分别或共同的进行了突变，进一步验证了BGLT3区域中的两个连续的ACGTG保守序列是γ-球蛋白的激活表达的必需元件。

为进一步探明HIF1A结合与BGLT3是如何影响γ-球蛋白的表达的，作者通过一系列的CUT&RUN和Capture-C实验发现HIF1A结合到BGLT3后将该区域转化为具有增强子特性的区域，从而导致HBE和HBBP1/BGLT3之间的连接发生解离，最终引起γ-球蛋白区域可以与该基因座中最强的增强子LCR接触从而激活γ-球蛋白的表达。本研究工作提示了通过靶向累积HIF1A可以激活γ-球蛋白的表达的潜在治疗策略，为验证这一可能性，作者尝试了一种可以激活部分细胞缺氧反应的药物脯氨酸羟化酶抑制剂 (Roxadustat) ，该药物可以有效引起HIF1A积累，结合相同的DNA调控区，激活其转录γ-球蛋白产生HbF。体外结果显示，这一策略可以可以有效的抑制镰刀状细胞贫血病人来源的红细胞的镰状化。本研究建立了缺氧适应和HbF表达之间的直接联系。这种联系解释了长期以来的临床观察中发现的应激性红细胞生成中高HbF的原因。VHL-HIF1A这一通路直接调控胎儿血红蛋白的表达转换，从机制上完善了为何缺氧应急环境下机体通过大量产生含有HbF的红细胞而从环境中更多竞争性的获得氧气。

脯氨酸羟化酶抑制剂目前正处于治疗慢性肾脏疾病相关贫血的晚期临床研发阶段。这些药物通过稳定HIF蛋白来刺激促红细胞生成素的产生，促红细胞生成素是一种促进红细胞产生的激素。该药物是否能最终应用于临床治疗镰刀状细胞病或地中海贫血人仍需要更进一步的深入研究。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05312-w