研究发现呼吸过多的氧气容易导致人类健康问题

呼吸氧气水平高于地球大气层中发现的标准21%的空气会导致人类和动物的器官损伤、癫痫发作，甚至死亡。这被称为氧气毒性，或高氧症，当氧气过量超过身体的需要时就会发生。虽然科学家们已经意识到这一现象，但直到现在，他们大多依靠猜测来了解氧中毒的基本机制。

Alan Baik是格拉德斯通研究所Isha Jain实验室团队的一员，该团队发现了为什么高浓度的氧气会导致人类的持久问题。资料来源：迈克尔-肖特/格拉德斯通研究所

格莱斯顿研究所最近的一项研究揭示了过量的氧气水平如何改变我们细胞内的某些含铁和含硫的蛋白质，类似于铁生锈的过程。结果，这些"生锈"的蛋白质引发了连锁反应，对细胞和组织造成损害。这项研究已经发表在《分子细胞》杂志上，阐明了对心脏病发作和睡眠呼吸暂停等疾病的影响。

"这项研究使我们能够为高氧状态下发生的事情制定一个非常具体的时间表，"新研究的资深作者、格拉德斯通助理研究员Isha Jain博士说。"结果完全不是我们所期望的，但现在知道这一系列事件是如何展开的，这非常有趣和令人兴奋。"

一个未被充分研究的问题

在高水平上，氧气对每一种生命形式都是有毒的，从细菌和植物到动物和人。当然，氧气不足也是致命的；有一个中间的"Goldilocks"量，在这个量下，地球上的大多数生命都能茁壮成长--不是太多，也不是太少。

虽然临床医生长期以来一直在研究氧气短缺如何影响细胞和组织的细节（例如，在心脏病发作和中风中），但对氧气过量的影响的研究却相对不足。

Jain实验室的博士后学者、加州大学旧金山分校（UCSF）的心脏病专家Alan Baik博士说："多年来，医学教学认为，在某种程度上，在治疗心脏病发作等疾病的病人时，更多更纯的氧气是更好的，或者至少是良性的。但现在已经有越来越多的临床研究表明，过量的氧气实际上导致了更糟糕的结果。这促使我们更好地了解为什么过量的氧气会有毒性"。

例如，最近的研究显示，呼吸过多的补充氧气可能对心脏病患者和早产婴儿有害。同样，在阻塞性睡眠呼吸暂停症中，呼吸暂停后突然爆发的氧气已被证明是该疾病如何增加患者的慢性健康问题风险的一个关键组成部分。

然而，这些影响的机制仍然是模糊的。许多研究人员认为，活性氧--不稳定和高活性的氧衍生物，可以损害我们的基因组和我们细胞中的许多分子--可能在高氧症中发挥了作用，但几乎没有证据表明过量的氧气如何影响特定的酶和途径。

CRISPR如何找到了答案

Jain的研究小组--包括Baik、博士后Galih Haribowo和研究生Kirsten Xuewen Chen（他们是新论文的共同第一作者）--求助于基因组编辑技术CRISPR来测试各种基因在高氧症中的作用。

利用CRISPR，研究人员从实验室中生长的人类细胞中一次删除了2万多个不同的基因，然后比较每组细胞在21%的氧气和50%的氧气下的生长情况。

Jain说："这种无偏见的筛选让我们探究了高氧环境下数千条不同途径的贡献，而不是仅仅关注那些我们已经怀疑可能参与的途径。这使我们找到了以前从未在同一句话中提到过的与氧气毒性有关的分子"。

筛选出的四个分子途径参与了高氧的影响。它们与不同的细胞功能有关，包括受损DNA的修复、新DNA构件的生成和细胞能量的产生。

共同的蛋白质簇

起初，研究小组无法确定这四条途径有什么共同点，以及为什么它们都受到高氧水平的影响。经过一些分子调查发现，每条途径都有一个关键的蛋白质，其分子结构中含有与硫原子相连的铁原子，即所谓的"铁硫簇"。

研究人员继续表明，在只有30%的氧气中，这四种蛋白质中的铁硫簇会被氧化--它们与氧原子发生化学反应--这种变化导致蛋白质退化。结果，细胞停止正常运作，消耗更少的氧气，导致周围组织中的氧气含量进一步增加。

"一个重要的启示是，高氧并不像许多人假设的那样仅仅通过活性氧影响细胞和组织，"Jain说。"这意味着使用抗氧化剂--它能在一定程度上对抗活性氧--不太可能足以防止氧中毒。"