鐵死亡（Ferroptosis）是一種鐵離子催化的壞死性細(xì)胞死亡。其特征是當(dāng)細(xì)胞內(nèi)還原系統(tǒng)失活后細(xì)胞膜或細(xì)胞器膜上含不飽和脂肪酸長鏈的磷脂分子被過氧化破壞，造成細(xì)胞膜破裂。這種細(xì)胞死亡形式被美國科學(xué)家Stockwell于2012年命名為鐵死亡。

細(xì)胞鐵死亡在細(xì)胞內(nèi)GPX4、FSP1、xCT、GCH1等抗氧化系統(tǒng)被藥物學(xué)或者遺傳學(xué)手段抑制時發(fā)生。GPX4（谷胱甘肽過氧化酶4）以GSH（谷胱甘肽）為還原劑，催化脂質(zhì)過氧化物還原成對應(yīng)的醇，從而保護(hù)細(xì)胞免受脂質(zhì)過氧化損傷。FSP1（鐵死亡抑制蛋白1）催化CoQ10轉(zhuǎn)化成ubiquinol，后者是親脂的抗氧化劑，能夠中和脂質(zhì)過氧化物。xCT是cystine-glumate antiporter（胱氨酸-谷氨酸-逆轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）的功能亞基，抑制其功能減少cystine轉(zhuǎn)入，導(dǎo)致細(xì)胞中cysteine缺乏，造成GSH和CoQ10的減少從而削弱細(xì)胞的抗氧化功能。GCH1(GTP依賴的環(huán)水解酶1)通過合成親脂的，具有抗氧化能力的生物蝶呤，增強(qiáng)細(xì)胞膜抵抗氧化損傷的能力，也能保護(hù)細(xì)胞免受鐵死亡。雖然大量的研究對細(xì)胞還原系統(tǒng)（抗氧化系統(tǒng)）進(jìn)行了報導(dǎo)，但是對造成細(xì)胞鐵死亡的脂質(zhì)過氧化過程中的氧化系統(tǒng)知之甚少，甚至爭議不斷。

近日，北京生命科學(xué)研究所/清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)交叉研究院王曉東實(shí)驗(yàn)室的博士后艾有為與張志遠(yuǎn)實(shí)驗(yàn)室的博士后閆博等合作，在Molecular Cell在線發(fā)表題為Membrane Damage During Ferroptosis is Caused by Oxidation of Phospholipids Catalyzed by the Oxidoreductases POR and CYB5R1的文章，對造成細(xì)胞鐵死亡的脂質(zhì)過氧化過程進(jìn)行了詳細(xì)的解析。他們發(fā)現(xiàn)促使細(xì)胞鐵死亡的酶為位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的氧化還原酶POR和CYB5R1。這些氧化還原酶正常情況下將來源于NAD(P)H的電子傳遞給下游CYP450等蛋白。但在這個電子傳遞的過程中，“意外”的將部分電子傳遞給了溶液中的氧氣。氧氣接受電子后轉(zhuǎn)化成過氧化氫（H2O2），H2O2在鐵離子的存在下發(fā)生芬頓反應(yīng)形成羥基自由基，活躍的羥基自由基剝奪不飽和脂肪酸長鏈雙鍵間的氫原子，造成了脂質(zhì)過氧化過程。他們用表達(dá)純化的POR和CYB5R1酶，催化含不飽和脂肪酸長鏈磷脂的脂質(zhì)過氧化，造成脂質(zhì)體膜的氧化破損和泄漏，因此清晰地揭示了鐵死亡過程中細(xì)胞膜氧化損傷的生化機(jī)理。

該研究起源于一個針對蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶（PDI）小分子抑制劑篩選的課題。在分析過程中發(fā)現(xiàn)一個PDI小分子抑制劑PACMA31可以以不依賴PDI的方式誘導(dǎo)細(xì)胞鐵死亡，進(jìn)一步通過靶標(biāo)鑒定發(fā)現(xiàn)PACMA31通過結(jié)合GPX4來誘導(dǎo)鐵死亡。然后通過全基因組的CRISPR-Cas9篩選和一個小規(guī)模的RNAi篩選，發(fā)現(xiàn)當(dāng)敲除細(xì)胞內(nèi)氧化還原酶POR時，鐵死亡激活劑誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡被顯著抑制，在敲除POR的基礎(chǔ)上再敲低CYB5R1，細(xì)胞死亡被進(jìn)一步抑制。說明這兩個位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的氧化還原酶對細(xì)胞鐵死亡是必需的。然后通過一系列生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)，闡明了細(xì)胞鐵死亡的生化機(jī)理。完美解釋了鐵離子在此過程的必要性和細(xì)胞需要GPX4等抗氧化系統(tǒng)不斷起作用的原因。
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鐵死亡過程中的細(xì)胞膜破損與已知的壞死性凋亡（Necroptosis）和細(xì)胞焦亡（Pyroptosis）不一樣。后者完全依賴于膜穿孔蛋白（MLKL和Gasdermins）在細(xì)胞膜上打孔。鐵死亡過程中的膜破損是由氧化還原酶介導(dǎo)的脂質(zhì)過氧化而造成的。細(xì)胞壞死性凋亡和細(xì)胞焦亡的分子機(jī)理分別在2014年和2016年在北京生命科學(xué)研究所王曉東實(shí)驗(yàn)室和邵峰實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)。
該研究的主要作者有張志遠(yuǎn)實(shí)驗(yàn)室閆博博士，王曉東實(shí)驗(yàn)室艾有為博士，論文其他作者包括邵峰實(shí)驗(yàn)室孫琦博士，代謝中心馬燕博士和曹楊，還有蔡濤實(shí)驗(yàn)室王家文博士等。
論文鏈接：https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(20)30802-9

來源：NIBS