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科研進展

Molecular Cell | 閆博/艾有為等揭示鐵死亡的生化機理

發布時間:2020/12/15
鐵死亡(Ferroptosis)是一種鐵離子催化的壞死性細胞死亡。其特征是當細胞內還原系統失活后細胞膜或細胞器膜上含不飽和脂肪酸長鏈的磷脂分子被過氧化破壞,造成細胞膜破裂。這種細胞死亡形式被美國科學家Stockwell于2012年命名為鐵死亡。

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

近日,北京生命科學研究所/清華大學生物醫學交叉研究院王曉東實驗室的博士后艾有為與張志遠實驗室的博士后閆博等合作,在Molecular Cell在線發表題為Membrane Damage During Ferroptosis is Caused by Oxidation of Phospholipids Catalyzed by the Oxidoreductases POR and CYB5R1的文章,對造成細胞鐵死亡的脂質過氧化過程進行了詳細的解析。他們發現促使細胞鐵死亡的酶為位于內質網上的氧化還原酶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。氧氣接受電子后轉化成過氧化氫(H2O2),H2O2在鐵離子的存在下發生芬頓反應形成羥基自由基,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,造成了脂質過氧化過程。他們用表達純化的POR和CYB5R1酶,催化含不飽和脂肪酸長鏈磷脂的脂質過氧化,造成脂質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胞膜氧化損傷的生化機理。

該研究起源于一個針對蛋白質二硫鍵異構酶(PDI)小分子抑制劑篩選的課題。在分析過程中發現一個PDI小分子抑制劑PACMA31可以以不依賴PDI的方式誘導細胞鐵死亡,進一步通過靶標鑒定發現PACMA31通過結合GPX4來誘導鐵死亡。然后通過全基因組的CRISPR-Cas9篩選和一個小規模的RNAi篩選,發現當敲除細胞內氧化還原酶POR時,鐵死亡激活劑誘導的細胞死亡被顯著抑制,在敲除POR的基礎上再敲低CYB5R1,細胞死亡被進一步抑制。說明這兩個位于內質網的氧化還原酶對細胞鐵死亡是必需的。然后通過一系列生物化學實驗,闡明了細胞鐵死亡的生化機理。完美解釋了鐵離子在此過程的必要性和細胞需要GPX4等抗氧化系統不斷起作用的原因。
實驗發現鐵死亡過程中的細胞膜破損與已知的壞死性凋亡(Necroptosis)和細胞焦亡(Pyroptosis)不一樣。后者完全依賴于膜穿孔蛋白(MLKL和Gasdermins)在細胞膜上打孔。鐵死亡過程中的膜破損是由氧化還原酶介導的脂質過氧化而造成的。細胞壞死性凋亡和細胞焦亡的分子機理分別在2014年和2016年在北京生命科學研究所王曉東實驗室和邵峰實驗室發現。
該研究的主要作者有張志遠實驗室閆博博士,王曉東實驗室艾有為博士,論文其他作者包括邵峰實驗室孫琦博士,代謝中心馬燕博士和曹楊,還有蔡濤實驗室王家文博士等。
論文鏈接:https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(20)30802-9

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