proxy_redirect é a diretiva que você está procurando. Como o servidor backend está redirecionando para a porta 80, parte do problema está lá. Teste o tornado diretamente na porta 5000, os redirecionamentos funcionam? Meu palpite seria não. Descubra como ajustar o tornado ou o Flask para incluir a porta adequada no redirecionamento.
Mesmo que você não faça isso, o nginx pode manipulá-lo com proxy_redirect (s).
proxy_redirect default;
proxy_redirect http://127.0.0.1:80/ /;