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Molecular Cell | 闫博/艾有为等揭示铁死亡的生化机理

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後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年命名爲鐵死亡。

细胞铁死亡在细胞内GPX4、FSP1、xCT、GCH1等抗氧化系统被药物学或者遗传学手段抑制时发生。GPX4(谷胱甘肽过氧化酶4)以GSH(谷胱甘肽)为还原剂,催化脂质过氧化物还原成对应的醇,从而保护细胞免受脂质过氧化损伤。FSP1(铁死亡抑制蛋白1)催化CoQ10转化成ubiquinol,后者是亲脂的抗氧化剂,能够中和脂质过氧化物。xCT是cystine-glumate antiporter(胱氨酸-谷氨酸-逆转运蛋白)的功能亚基,抑制其功能减少cystine转入,导致细胞中cysteine缺乏,造成GSH和CoQ10的减少从而削弱细胞的抗氧化功能。GCH1(GTP依赖的环水解酶1)通过合成亲脂的,具有抗氧化能力的生物蝶呤,增强细胞膜抵抗氧化损伤的能力,也能保护细胞免受铁死亡。虽然大量的研究对细胞还原系统(抗氧化系统)进行了报导,但是对造成细胞铁死亡的脂质过氧化过程中的氧化系统知之甚少,甚至争议不断。

近日,北京生命科學研究所/清华大学生物医学交叉研究院王晓东實驗室的博士后艾有为与张志远實驗室的博士后闫博等合作,在Molecular Cell在线发表题为Membrane Damage During Ferroptosis is Caused by Oxidation of Phospholipids Catalyzed by the Oxidoreductases POR and CYB5R1的文章,对造成细胞铁死亡的脂质过氧化过程进行了详细的解析。他们发现促使细胞铁死亡的酶为位于内质网上的氧化还原酶POR和CYB5R1。这些氧化还原酶正常情况下将来源于NAD(P)H的电子传递给下游CYP450等蛋白。但在这个电子传递的过程中,“意外”的将部分电子传递给了溶液中的氧气。氧气接受电子后转化成过氧化氢(H2O2),H2O2在铁离子的存在下发生芬顿反应形成羟基自由基,活跃的羟基自由基剥夺不饱和脂肪酸长链双键间的氢原子,造成了脂质过氧化过程。他们用表达纯化的POR和CYB5R1酶,催化含不饱和脂肪酸长链磷脂的脂质过氧化,造成脂质体膜的氧化破损和泄漏,因此清晰地揭示了铁死亡过程中细胞膜氧化损伤的生化机理。

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。然後通過全基因組的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。然後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。
实验发现铁死亡过程中的细胞膜破损与已知的坏死性凋亡(Necroptosis)和细胞焦亡(Pyroptosis)不一样。后者完全依赖于膜穿孔蛋白(MLKL和Gasdermins)在细胞膜上打孔。铁死亡过程中的膜破损是由氧化还原酶介导的脂质过氧化而造成的。细胞坏死性凋亡和细胞焦亡的分子机理分别在2014年和2016年在北京生命科學研究所王晓东實驗室和邵峰實驗室发现。
该研究的主要作者有张志远實驗室闫博博士,王晓东實驗室艾有为博士,论文其他作者包括邵峰實驗室孙琦博士,代谢中心马燕博士和曹杨,还有蔡涛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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