Wenn Sie in die Berge fahren und auf großer Höhe ein paar Tage verbringen, passt sich Ihr Körper an die dünnere Luft an: Er bildet mehr rote Blutkörperchen, die Sauerstoff transportieren. Doch woher wissen Ihre Zellen eigentlich, wie viel Sauerstoff ihnen gerade zur Verfügung steht? Diese scheinbar einfache Frage hat der britische Arzt und Forscher Peter J. Ratcliffe über Jahrzehnte verfolgt. 2019 erhielt er gemeinsam mit William G. Kaelin Jr. und Gregg L. Semenza den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin – für ihre Entdeckungen darüber, wie Zellen die Verfügbarkeit von Sauerstoff wahrnehmen und sich an sie anpassen.
Herkunft und Ausbildung
Peter John Ratcliffe wurde am 14. Mai 1954 in Morecambe im Nordwesten Englands geboren, in der Grafschaft Lancashire. Er besuchte die Lancaster Royal Grammar School und studierte anschließend Medizin am Gonville and Caius College der Universität Cambridge. Seine klinische Ausbildung absolvierte er am St Bartholomew’s Hospital in London.
Danach ging er nach Oxford, wo er sich auf Nierenheilkunde spezialisierte. Die Niere sollte für seinen weiteren Weg entscheidend sein. In seiner frühen Forschung beschäftigte er sich mit der Frage, wie die Niere mit Sauerstoff versorgt wird und wie sie auf Sauerstoffmangel reagiert.
Ein Hormon als Ausgangspunkt
Im Zentrum stand dabei das Hormon Erythropoetin, abgekürzt EPO. Es wird vor allem in der Niere gebildet und regt das Knochenmark an, mehr rote Blutkörperchen herzustellen. Sinkt der Sauerstoffgehalt im Blut – etwa in großer Höhe oder bei Blutarmut –, schüttet der Körper mehr EPO aus. Ist genug Sauerstoff vorhanden, sinkt die EPO-Produktion wieder. Den meisten Menschen ist EPO heute vor allem als Dopingmittel im Radsport bekannt, in der Medizin ist es aber ein wichtiges Medikament, etwa für Menschen mit Nierenerkrankungen.
Ende der 1980er-Jahre gründete Ratcliffe in Oxford eine eigene Arbeitsgruppe, um zu verstehen, wie die Bildung von EPO durch Sauerstoff gesteuert wird. Man ging damals davon aus, dass nur wenige spezialisierte Zellen in der Niere einen solchen Sauerstoffsensor besitzen.
Eine überraschende Entdeckung
Ratcliffes Team machte eine Beobachtung, die diese Annahme umwarf. Die Forscher untersuchten Zellen aus verschiedenen Organen und fanden, dass praktisch alle Zellen auf Sauerstoffmangel reagieren können – auch solche, die überhaupt kein EPO herstellen. Die Steuerung über den Sauerstoff war also kein Spezialmechanismus der Niere, sondern ein allgemeines Prinzip, das in fast allen Zellen des Körpers wirkt.
Parallel dazu hatte der Amerikaner Gregg Semenza ein Eiweiß entdeckt, das bei Sauerstoffmangel die EPO-Produktion anschaltet. Er nannte es HIF, nach der englischen Bezeichnung für „durch Sauerstoffmangel induzierbarer Faktor“. HIF ist ein sogenannter Transkriptionsfaktor: Es bindet an die Erbinformation und schaltet bestimmte Gene an. Die große Frage war nun, wie HIF selbst vom Sauerstoff gesteuert wird.
Wie Zellen Sauerstoff messen
Man wusste, dass HIF bei normalem Sauerstoffgehalt schnell abgebaut wird, bei Sauerstoffmangel dagegen erhalten bleibt und sich anreichert. Ein wichtiges Puzzleteil kam aus der Krebsforschung: William Kaelin untersuchte eine seltene Erbkrankheit, das von-Hippel-Lindau-Syndrom, bei dem Betroffene ein stark erhöhtes Risiko für bestimmte Tumoren haben. Das dafür verantwortliche Gen bildet ein Eiweiß namens VHL.
Ratcliffes Gruppe zeigte 1999, dass VHL an HIF bindet und dafür sorgt, dass HIF bei ausreichend Sauerstoff zerstört wird. Fehlt VHL, bleibt HIF auch bei normaler Sauerstoffversorgung aktiv – die Zelle verhält sich so, als litte sie ständig unter Sauerstoffmangel. Das erklärt, warum die Tumoren beim von-Hippel-Lindau-Syndrom oft besonders stark mit Blutgefäßen versorgt sind.
Es blieb die Frage, wie VHL erkennt, ob Sauerstoff vorhanden ist. 2001 lieferten die Gruppen von Ratcliffe und Kaelin nahezu gleichzeitig die Antwort. Bei ausreichend Sauerstoff hängen bestimmte Enzyme an zwei Stellen des HIF-Eiweißes eine kleine chemische Gruppe an, eine Hydroxylgruppe. Nur so markiertes HIF wird von VHL erkannt und dem Abbau zugeführt. Fehlt Sauerstoff, können die Enzyme nicht arbeiten, HIF bleibt unmarkiert und schaltet seine Zielgene an. Ratcliffes Team identifizierte zudem die Enzyme, die diese Markierung vornehmen. Damit war der eigentliche Sauerstoffsensor der Zelle gefunden.
Sie können sich diesen Mechanismus wie einen Sicherheitsschalter vorstellen: Solange genug Sauerstoff da ist, wird das Alarmsignal HIF ständig markiert und entsorgt. Erst wenn der Sauerstoff knapp wird, bleibt das Signal bestehen und löst eine ganze Reihe von Anpassungen aus – von der Bildung neuer Blutgefäße über einen veränderten Stoffwechsel bis zur Ausschüttung von EPO.
Der Nobelpreis 2019
Am 7. Oktober 2019 gab das Nobelkomitee bekannt, dass William G. Kaelin Jr., Peter J. Ratcliffe und Gregg L. Semenza den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin erhalten. Die Auszeichnung würdigte ihre Entdeckungen darüber, wie Zellen die Verfügbarkeit von Sauerstoff wahrnehmen und sich anpassen. Das Komitee betonte, dass die drei einen der lebenswichtigsten Anpassungsprozesse des Körpers aufgeklärt haben.
Zuvor hatten die drei Forscher bereits 2016 gemeinsam den Albert Lasker Award für medizinische Grundlagenforschung erhalten. Ratcliffe ist seit 2002 Mitglied der Royal Society, und 2014 wurde er für seine Verdienste um die Medizin zum Ritter geschlagen, weshalb er den Titel Sir trägt.
Arzt und Forscher
Ratcliffe hat stets betont, dass ihn als Arzt die Verbindung von Klinik und Labor geprägt habe. Von 2004 bis 2016 war er Nuffield-Professor für Medizin und Leiter der medizinischen Fakultät in Oxford. 2016 wechselte er als Direktor für klinische Forschung an das Francis Crick Institute in London und behielt zugleich eine Position am Ludwig-Institut für Krebsforschung in Oxford. Er erforscht weiterhin, wie Zellen und Organe auf Sauerstoffmangel reagieren, und widmet sich offenen Fragen, etwa wie der Körper mit sehr unterschiedlichen Sauerstoffkonzentrationen in verschiedenen Geweben umgeht.
In Interviews beschreibt er sich als jemanden, der nicht nach einem fernen medizinischen Ziel gesucht, sondern einer biologischen Neugier nachgegangen sei. Die praktische Bedeutung seiner Ergebnisse habe sich erst nach und nach gezeigt.
Wirkung
Das Wissen um die Sauerstoffmessung der Zellen hat die Medizin auf mehreren Gebieten beeinflusst. Viele Menschen mit chronischer Nierenerkrankung leiden unter Blutarmut, weil ihre Nieren zu wenig EPO bilden. Auf Grundlage der Forschung wurden Medikamente entwickelt, die jene Enzyme hemmen, die HIF markieren. Dadurch bleibt HIF aktiv, und der Körper bildet selbst mehr EPO. Solche Wirkstoffe sind in mehreren Ländern zugelassen. Zugleich gibt es Medikamente, die HIF gezielt blockieren; ein Wirkstoff dieser Art wird bei Tumoren im Rahmen des von-Hippel-Lindau-Syndroms eingesetzt.
Darüber hinaus spielt der Sauerstoffsensor bei vielen Erkrankungen eine Rolle, darunter Herzinfarkt, Schlaganfall, Wundheilung und Krebs. Tumoren wachsen oft so schnell, dass ihr Inneres unter Sauerstoffmangel leidet; sie nutzen die HIF-Reaktion, um neue Blutgefäße anzulocken. Wer diesen Mechanismus versteht, kann neue Ansatzpunkte für Therapien suchen.
Wie grundlegend dieses System ist, zeigt auch ein Blick auf die Evolution. Ähnliche Mechanismen zur Sauerstoffmessung finden sich bei vielen Tieren, und Ratcliffes Gruppe beschrieb später auch einen verwandten sauerstoffabhängigen Signalweg, der bei Tieren und Pflanzen vorkommt. Beim Menschen haben Bevölkerungsgruppen, die seit Jahrtausenden im Hochland leben, etwa in Tibet, Veränderungen in Genen dieses Signalwegs, die ihnen helfen, mit der dünnen Luft zurechtzukommen. Die Natur hat also an genau den Stellschrauben gedreht, die Ratcliffe und seine Kollegen im Labor entdeckt haben.
Für Sie als Patientin oder Patient bleibt diese Forschung meist unsichtbar. Sie steckt aber in Behandlungen, die Ärztinnen und Ärzte heute anbieten können, und in vielen Studien, die derzeit laufen. Auch beim Verständnis von Höhenkrankheit, Atemwegserkrankungen und Durchblutungsstörungen hilft das Wissen über HIF weiter.
Peter J. Ratcliffe steht für einen Weg, der mit einer klinischen Beobachtung an der Niere begann und zu einem grundlegenden Prinzip des Lebens führte. Jeder Atemzug, den Sie tun, wird in Ihren Zellen von dem Mechanismus begleitet, den er mit aufgeklärt hat.
Die offizielle Würdigung finden Sie bei der Nobelstiftung.
Stand: 29.10.2026