田培学 它是臭名昭著的兴奋剂，也是诺奖梦开始的地方

它是一种激素，也是治疗贫血的神奇药物，它成就了生物技术的独角兽Amgen，也击溃了环法七冠王，就在四天前，它又带来了诺奖。

（图片来源：veer图库）

2019年诺贝尔生理学或医学奖的三位得主William G。 Kaelin， Jr。、Gregg L。 Semenza和Sir Peter J。 Ratcliffe早在2016年就以细胞对低氧感知与适应机制的研究斩获了诺奖风向标——拉斯克基础医学奖，所以也没有让人特别意外。三人发现和鉴定的关键分子低氧诱导因子1 （hypoxia-inducible factor 1， HIF-1）一时间也在朋友圈爆红。今天我们希望回到这一项研究的起点——促红细胞生成素（erythropoietin，缩写EPO），一个神奇的分子。

它，是红细胞生成的最重要因素

红细胞是血液中数量最多的一种血细胞，是脊椎动物体内通过血液运送氧气和二氧化碳的最主要媒介。红细胞在骨髓中生成：造血干细胞首先增殖分化为各类血细胞的祖细胞，其中红系祖细胞能够进一步分化成熟为红细胞。正常情况下人类的红细胞生成速率很低，但在出血、溶血以及缺氧等胁迫压力下，红细胞的生成速率甚至可以提高8倍。在这一过程中，促红细胞生成素EPO是最重要的因素，没有之一。

EPO是一种主要在肾脏合成的激素，化学本质是一种有高度糖基化修饰的蛋白质。为什么是在肾脏？每分钟有1升左右的血液流经肾脏，所以肾脏能够快速有效地监测到血液中氧含量的变化。当血液中氧含量较低时，肾脏就会快速响应，大量合成EPO。后者通过血液循环进入骨髓，促进其中的红系祖细胞向红细胞的转变。成熟的红细胞从骨髓中被释放到循环系统，以提高机体对氧气结合能力。肾脏感受到血液中氧气浓度增加后会减少EPO的合成，进而降低骨髓中的红细胞含量。

EPO调节红细胞生成示意图

这就构成了一个完美的调节闭环。而高原生活的人以及一些贫血患者常常碰到血氧含量持续低的状况，就无法完成上述循环，刺激肾脏持续分泌EPO，使其血液中的EPO浓度高于常人。

花了近80年才揭开它的真面目

和很多重大发现类似，科学家对EPO的认识不是一帆风顺的，一路伴随着质疑、挑战。从EPO概念的提出到最终确定具体的分子花了接近80年的时间。

1906年，法国科学家Carnot 和Deflandre给正常的兔子输注了贫血兔子的血清后，发现正常兔子血浆里红细胞计数增加，他们认为血浆中某种体液因子能够刺激调节红细胞的生成。这就是最早的EPO概念原型。遗憾的是随后几十年里研究者并没有成功重复这一实验结果，一个的主要原因是当时对新生红细胞的计数定量并不精准。

1950年Reissmann和Ruhenstroth-Bauer的异种共生实验给出了真正有力的证据。他们通过外科手术将两只活体大鼠的循环系统连接在一起，将其中一只置于低氧环境，另一只呼吸正常的空气，结果两只老鼠的体内都大量生成了红细胞。毫无疑问，血液循环系统中存在一种能够刺激红细胞生成的激素，促红细胞生成素EPO由此得名。另一方面也说明EPO对低氧非常敏感。

EPO究竟是一个什么分子？美国科学家Goldwasser用了30年的时间，最终在生物化学水平阐明了这个问题。工欲善其事，必先利其器。EPO的功能是能刺激新生红细胞，但后者的计数定量并不精准。红细胞里最主要的功能分子是含有血红素的血红蛋白，血红素分子中心含有一个亚铁离子，所以Goldwasser研究组用放射性的铁同位素标记新生的红细胞，建立了灵敏检测EPO活力的方法，使得从动物体液样本分离纯化浓度极低的EPO（每毫升纳克级）变得可能。但EPO的分离还是异常艰难的，他们的研究对象从肾脏换成贫血绵羊血浆、转向因钩虫感染而严重缺铁的病人尿液，最后在1977年从2550升日本再生障碍性贫血患者的尿液中纯化得到8毫克的人EPO蛋白。

1985年，人源EPO的蛋白质测序以及基因克隆得以完成。EPO基因编码了一段193个氨基残基的多肽，在分泌过程中剪切掉信号肽后成为166个氨基酸残基组成的成熟蛋白质，含有4个发生糖基化修饰的位点。1998年，EPO核磁共振溶液结构以及EPO及其受体复合物晶体结构得到解析。至此，人们对EPO才有了最直观的认识。

EPO的三维结构（PDB code：1BUY， PYMOL 软件出图），球状标示为糖基化位点

它，催生了制药巨头