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PNAS专家点评丨王福俤团队等发现铁死亡是心脏疾病发生的关键机制

 生物_医药_科研 2019-01-29

点评丨高明辉(哈尔滨工业大学生命科学中心研究员)

          陈厚早(中国医学科学院基础医学院教授)

责编丨迦溆


心脏疾病已经成为亟待解决的重要健康问题之一。作为一种终末分化细胞,心肌细胞的死亡将导致心肌细胞数量的减少,从而引起心脏结构和功能上的缺陷,加剧心力衰竭。因此,心肌细胞死亡的调控通路具有重大的研究价值与临床转化意义。


细胞死亡不仅是所有细胞的最终命运,而且它与细胞分裂、增殖等生命现象一样,在整个机体的正常运转以及病理生理过程中具有不可替代的作用。长期以来,细胞死亡方式主要分为经典的坏死(Necrosis)和凋亡(Apoptosis)两大类型。然而,随着对细胞死亡机制的深入研究,程序性坏死(Necroptosis)、自噬(Autophagy)、铁死亡(Ferroptosis)、焦亡(Pyroptosis)、Parthanatos(基于PARP-1的激活的一种程序性细胞坏死形式)等多种新的细胞死亡方式被相继发现【1】。然而心脏疾病存在的细胞死亡类型还存在许多争议。


心脏疾病存在的细胞死亡类型还存在许多争议(右侧图片来自文献 [1])


1月29日,浙江大学医学院公共卫生学院王福俤、闵俊霞团队联合美国哥伦比亚大学顾伟教授以及德国德累斯顿工业大学Andreas Linkermann教授等PNAS杂志上发表了题为Ferroptosis as a target for protection against cardiomyopathy的研究论文【2】,首次揭示抗癌药物阿霉素(DOX)诱导的心肌病和缺血再灌注(Ischemia/Reperfusion, I/R)诱发的心脏损伤中存在新型细胞死亡类型“铁死亡”;阐明了其分子调控机制并研究发掘5种预防心脏损伤的有效途径,包括铁死亡抑制剂Fer-1、铁螯合剂DXZ、线粒体抗氧化剂MitoTEMPO、血红素加氧酶(Hmox1)特异性抑制剂锌原卟啉(ZnPP)以及低铁膳食,这一里重要发现为心肌病及心肌梗死等致死性心脏疾病的防治提供了崭新策略



为了深入研究心脏疾病中细胞死亡的作用,在王福俤和闵军霞教授指导下,方学贤博士采用多种细胞死亡抑制剂处理以及细胞死亡通路相关基因敲除小鼠发现,只有铁死亡特异性抑制剂Ferrostatin-1(Fer-1)可以显著降低DOX导致的心脏毒性并有效提高小鼠存活率,揭示心肌损伤的重要机制是铁死亡。


铁死亡是一种铁依赖的脂质过氧化引发的新型细胞死亡方式。研究表明铁死亡在癌症、神经退行性疾病和器官损伤等病理生理学过程中发挥着非常重要的作用【3】。值得关注的是:王福俤团队曾利用多种铁过载基因敲除小鼠模型(Hjv及Smad4敲除) 揭示高铁处理可诱导肝脏铁死亡发生,进一步确认Slc7a11是调控“铁过载-铁死亡”的关键基因,研究成果以封面论文发表在2017年Hepatology【4】


为了寻找DOX心肌病模型中铁死亡发生过程的关键调控因子,方博士通过RNA-seq发现:血红素加氧酶-1(Hmox1)的显著上调可能参与其中。进一步研究发现,使用Hmox1抑制剂可明显缓解DOX小鼠心脏中铁死亡的发生发展,并保护心脏功能;反之,加载血红素诱导Hmox1过表达则效果相反。


那么Hmox1介导心肌细胞铁死亡的机制是什么呢?Hmox1是铁卟啉化合物血红素分解代谢过程中的限速酶,可将血红素分解为一氧化碳、胆绿素和二价铁离子,而心肌含有丰富的血红素用以合成肌红蛋白、细胞色素等。阿霉素注射后,小鼠被检测到血红素降低,铁和胆红素(胆绿素的氧化产物)水平升高;而使用Hmox1抑制剂或者敲除上游调控分子Nrf2均可减轻心肌细胞铁蓄积。因此,Hmox1的激活介导自由铁离子从血红素中释放出来,蓄积在心肌细胞从而诱发了铁死亡


有研究提示,铁死亡是通过细胞膜或者细胞器膜发生脂质过氧化损伤来杀伤细胞,但具体的亚细胞定位一直存在争议。研究人员首先通过对DOX处理小鼠心脏组织进行透射电镜观察,发现DOX小鼠的线粒体形态发生明显变化,进一步实验发现ATP生成与线粒体膜电位均显著下降;而这些变化均能被铁死亡特异性抑制剂Fer-1所抑制。进而分离心肌线粒体后发现,铁蓄积和脂质过氧化在DOX作用后主要发生在心肌细胞的线粒体而不是细胞胞质中。相较于传统的抗氧化剂TEMPO,使用线粒体特异性抗氧化剂MitoTEMPO可以有效抑制铁死亡,保护心脏功能,从而更加明确了线粒体损伤与心脏损伤在DOX模型中的因果关系。


此外,运用另一种经典的心脏损伤模型,即小鼠在体(in vivo)心肌缺血再灌注(I/R)损伤,同样发现铁死亡的存在。给予铁死亡抑制剂阻断铁死亡可明显减轻缺血再灌注导致的急性和慢性心脏损伤,为临床上心肌梗死等心脏疾病提供了非常有前景的新思路和新策略


据悉,PNAS的匿名评审专家给予了该研究高度的评价,认为“这是一项设计精良的综合性研究,包含了大量的来自多种转基因小鼠模型和疾病模型的高质量数据(This is a well-designed comprehensive study that contains large amount of high-quality data from multiple transgenic mouse lines and disease models);“无论对铁死亡还是心血管研究领域,这项研究意义重要(The study is an important contribution to the fields on ferroptosis and cardiology)


据悉,博士后方学贤为论文第一作者;浙江大学王福俤教授(Lead contact)、闵军霞教授、美国哥伦比亚大学顾伟教授以及德国德累斯顿工业大学Andreas Linkermann教授为共同通讯作者。


左起:王福俤教授,方学贤博士(第一作者),闵军霞教授


必需微量元素铁与心脏疾病的关系广泛而紧密。自从Jerome  L.  Sullivan教授于1981在Lancet杂志正式提出“铁源性心脏病”假说【5】,此后大量流行病学与分子生物学证据表明铁代谢紊乱在心血管疾病的发生发展过程中扮演重要角色。铁代谢与心肌功能是王福俤团队的重要研究方向之一,团队近期的系列人群流行病学研究揭示:摄入膳食铁过多,特别是血红素铁,会显著增加心血管疾病风险,且呈现出明显的剂量-效应关系【6】;功能研究方面,王福俤团队与英国牛津大学的科研小组分别独立报道了心肌细胞铁外排蛋白Ferroportin基因特异性敲除小鼠影响心肌铁代谢和导致心肌损伤的开创性研究成果【7,8】


原文链接:/content/early/2019/01/23/1821022116


参考文献



[1] Lorenzo Galluzzi*, Ilio Vitale, Stuart A. Aaronson, et al. Molecular mechanisms of cell death: recommendations of the Nomenclature Committee on Cell Death 2018. Cell Death Differ. 2018; 25(3): 486-541.

[2] Xuexian Fang, Hao Wang, Dan Han, Enjun Xie, Xiang Yang, Jiayu Wei, Shanshan Gu, Feng Gao, Nali Zhu, Xiangju Yin, Qi Cheng, Pan Zhang, Wei Dai, Jinghai Chen, Fuquan Yang, Huang-Tian Yang, Andreas Linkermann*, Wei Gu*, Junxia Min* and Fudi Wang*. Ferroptosis as a target for protection against cardiomyopathy. PNAS, 2019.

[3] Brent R. Stockwell*, José Pedro Friedmann Angeli, Hülya Bayir, Ashley I. Bush, Marcus Conrad, Scott J. Dixon, Simone Fulda, Sergio Gascón, Stavroula K. Hatzios, Valerian E. Kagan, Kay Noel, Xuejun Jiang, Andreas Linkermann, Maureen E. Murphy, Michael Overholtzer, Atsushi Oyagi, Gabriela C. Pagnussat, Jason Park, Qitao Ran, Craig S. Rosenfeld, Konstantin Salnikow, Daolin Tang, Frank M. Torti, Suzy V. Torti, Shinya Toyokuni, K.A. Woerpel, Donna D. Zhang. Ferroptosis: A regulated cell death nexus linking metabolism, redox biology, and disease. Cell. 2017;171(2):273-285.

[4] Hao Wang, Peng An, Enjun Xie, Qian Wu, Xuexian Fang, Hong Gao, Zhuzhen Zhang, Yuzhu Li, Xudong Wang, Jiaying Zhang, Guoli Li, Lei Yang, Wei Liu, Junxia Min*, Fudi Wang*. Characterization of ferroptosis in murine models of hemochromatosis. Hepatology. 2017;66(2): 449-465.

[5] Jerome L. Sullivan. Iron and the sex difference in heart disease risk. Lancet. 1981; 1(8233): 1293-4.

[6] Xuexian Fang, Peng An, Hao Wang, Xinhui Wang, Xiaoyun Shen, Xiuyang Li, Junxia Min, Simin Liu, Fudi Wang*. Dietary intake of heme iron and risk of cardiovascular disease: a dose-response meta-analysis of prospective cohort studies. Nutr Metab Cardiovasc Dis. 2015; 25(1): 24-35.

[7] Samira Lakhal-Littleton*, Magda Wolna, Carolyn A. Carr, Jack J. J. Miller, Helen C. Christian, Vicky Ball, Ana Santos, Rebeca Diaz, Daniel Biggs, Richard Stillion, Philip Holdship, Fiona Larner, Damian J. Tyler, Kieran Clarke, Benjamin Davies, and Peter A. Robbins. Cardiac ferroportin regulates cellular iron homeostasis and is important for cardiac function. Proc Natl Acad Sci U S A. 2015;112(10): 3164-9.

[8] Xuexian Fang, Hao Wang, Peng An, Junxia Min, Fudi Wang*. Cardiomyocyte-specific deletion of ferroportin using MCK-Cre has no apparent effect on cardiac iron homeostasis. Int J Cardiol. 2015;201:90-2.

 

专家点评

高明辉(哈尔滨工业大学生命科学中心研究员,长期从事铁死亡分子机制的研究)


程序性细胞死亡(Programmed Cell Death)是细胞最基本的生命活动,对多细胞生物除去不必要或异常的细胞,维持内环境的稳态至关重要。程序性细胞死亡异常会导致多种疾病的发生。心脏损伤便是其中之一。


铁死亡(Ferroptosis)是一种依赖于细胞内铁离子和脂类过氧化物的程序性细胞死亡过程。王福俤教授长期利用小鼠模型研究铁死亡的分子机制及其在人类疾病中的作用。2017年,王教授团队曾经在Hepatology上以封面文章的形式报道了铁死亡在血色病(Hemochromatosis)的作用(Wang et al. Hepatology, 2017)


本研究中,王福俤团队的研究人员通过大量的基因敲除小鼠模型对铁坏死在心脏损伤中的关键作用进行了深入研究。分子机制上,研究人员发现,在诱导心肌损伤时,NRF2-ARE-HMOX1信号通路会被激活,进而降解血红素,导致细胞内铁离子和脂质过氧化物的积累,最终促进铁死亡的发生。利用HMOX1抑制剂能够有效缓解心肌损伤的进程。


非常有意思的是研究人员发现线粒体在阿霉素诱导的心肌损伤中扮演了重要的角色。使用线粒体特异性的抗氧化剂MitoTEMPO能够有效抑制铁死亡,保护心脏功能。该发现与近期的报道(Gao et al. Molecular Cell,2019,详见BioArt此前的报道:Mol Cell丨哈工大高明辉组揭示线粒体在铁坏死中的作用)共同揭示了线粒体在铁死亡中的关键作用。


目前关于铁死亡的研究还主要集中于体外细胞水平,本研究通过在基因敲除小鼠体内利用阿霉素和缺血再灌注诱导心脏损伤的动物模型,为我们深入了解铁死亡在心脏损伤中的作用,探索利用铁死亡抑制剂治疗心脏损伤提供了大量的证据。



陈厚早(中国医学科学院基础医学院,教授,国家优青,青年长江,长期从事心肌病机制研究)


细胞死亡(Cell death)一直是生命科学研究中备受关注的领域。一般认为,细胞死亡的类型主要有经典的凋亡(Apoptosis)和坏死(Necrosis)两大类。近年来,焦亡(Pyroptosis)、铁死亡(Ferroptosis)、自噬(Autophagy)等多种新型细胞死亡被相继地发现,随着研究的深入,可能还有新的死亡方式逐渐地被揭示。近日,浙江大学王福俤团队在PNAS上发表的文章Ferroptosis as a novel target for protection against cardiomyopathy首次阐述了新型细胞死亡类型——铁死亡(Ferroptosis)在心肌病的防治方面的潜在作用。


铁死亡(Ferroptosis)于2012年首次由BR.Stockwell课题组提出【1】。随后,BR.Stockwell课题组在细胞模型中证明铁死亡参与亨廷顿症(Huntington's disease,HD), 脑室周围白质软化(periventricular leukomalacia,PVL)和肾衰(kidney dysfunction)【2】。2015年,哥伦比亚大学顾伟教授课题组首次证明p53可以通过抑制胱氨酸的吸收调控铁死亡,进而影响肿瘤细胞的增殖【3】,开启了铁死亡参与各类肿瘤的研究。铁死亡参与疾病的研究大多基于细胞模型,动物模型的数据相对较少。值得一提的是,王福俤教授团队于2017年在小鼠模型中证明了铁死亡参与血色病【4】


在这篇PNAS工作中,作者首次在模型小鼠中揭示了利用铁死亡防治心肌病。该研究团队使用多种细胞死亡类型抑制剂处理小鼠,发现抑制铁死亡明显改善了阿霉素诱导的心肌损伤。利用抑制剂和铁的螯合剂阻断铁死亡途径,能够保护阿霉素诱导的心肌损伤,提示铁积累引起的细胞死亡是阿霉素诱导的心肌细胞死亡的主要形式。机制研究中,利用RNA seq发现血红素加氧酶1(Hmox1)表达显著上调,并利用调节Hmox1表达的转录因子Nrf2的敲除鼠(Nrf2-/-小鼠),验证了Nrf2/Hmox1通路在阿霉素诱导心肌损伤模型中的作用。在亚细胞器水平,该研究中通过电镜观察到铁死亡抑制剂保护了阿霉素的作用导致的线粒体结构和功能的破坏。最后在心脏缺血灌注损伤模型中同样验证了铁死亡的存在,且阻断铁死亡能够降低死亡率,提升了该工作在临床应用的前景。


如何修复心肌细胞死亡引起的心脏功能受损一直是心血管领域至关重要的科学问题。之前的研究工作主要集中在细胞凋亡、坏死和自噬【5-8】,到底哪一种死亡方式主要贡献了心脏的功能受损仍然处于争论之中【9.10】本篇工作除了证明铁死亡在阿霉素诱导的心脏功能受损中具有主要作用以外,更重要的是,发现铁死亡参与模型小鼠的缺血再灌注损伤,提示铁死亡参与小鼠的多个心脏疾病,也提示铁死亡可能参与临床上心肌梗死等多种心脏疾病的发病。因此,将来还需要研究患有心脏疾病的组织中多种形式的死亡各自占比重是多少,确定各种形式细胞死亡对于心脏疾病发病直接贡献作用,从而促进其潜在应用于人类,促进健康。总的来说,该工作是一篇非常优秀的工作!



参考文献



[1] Dixon S J, Lemberg K M, Lamprecht M R, et al. Ferroptosis: an iron-dependent form of nonapoptotic cell death[J]. Cell, 2012, 149(5): 1060-1072.

[2] Skouta R, Dixon S J, Wang J, et al. Ferrostatins inhibit oxidative lipid damage and cell death in diverse disease models[J]. Journal of the American Chemical Society, 2014, 136(12): 4551-4556.

[3] Jiang L, Kon N, Li T, et al. Ferroptosis as a p53-mediated activity during tumour suppression[J]. Nature, 2015, 520(7545): 57.

[4] Wang H, An P, Xie E, et al. Characterization of ferroptosis in murine models of hemochromatosis[J]. Hepatology, 2017, 66(2): 449-465.

[5] Olivetti G, Abbi R, Quaini F, et al. Apoptosis in the failing human heart[J]. New England Journal of Medicine, 1997, 336(16): 1131-1141.

[6] Whelan R S, Kaplinskiy V, Kitsis R N. Cell death in the pathogenesis of heart disease: mechanisms and significance[J]. Annual review of physiology, 2010, 72: 19-44.

[7] Melman Y F, Shah R, Danielson K, et al. Circulating MicroRNA-30d is associated with response to cardiac resynchronization therapy in heart failure and regulates cardiomyocyte apoptosis: a translational pilot study[J]. Circulation, 2015, 131(25): 2202-2216.

[8] Su H, Li J, Menon S, et al. Perturbation of Cullin Deneddylation via Conditional Csn8 Ablation Impairs the Ubiquitin–Proteasome System and Causes Cardiomyocyte Necrosis and Dilated Cardiomyopathy in Mice[J]. Circulation research, 2011, 108(1): 40-50.

[9] Nishida K, Yamaguchi O, Otsu K. Crosstalk between autophagy and apoptosis in heart disease[J]. Circulation research, 2008, 103(4): 343-351.

[10] Kung G, Konstantinidis K, Kitsis R N. Programmed necrosis, not apoptosis, in the heart[J]. Circulation research, 2011, 108(8): 1017-1036.

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