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名家观点|线粒体:铁死亡翩翩起舞

2022-05-08  MITOMMY

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科学顾问团

数十位线粒体和细胞死亡等生命医学领域著名专家学者组成

王福俤&闵军霞团队及陶亮(南华大学)

方学贤(杭州师范大学)| 供 稿

线粒体Club编委会 |校审、编辑、排版 

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摘 要

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铁死亡(ferroptosis)是由铁依赖的脂质过氧化物(lipid peroxides)过量积累引起的调节性的细胞坏死过程。虽然铁死亡与细胞代谢关系密切,而线粒体在细胞代谢和细胞死亡调节中发挥重要作用,但线粒体是否调控铁死亡仍存在争议。本文将结合近期的研究成果,总结线粒体多种代谢活动对铁死亡的影响,以及线粒体自身抗氧化系统抵抗铁死亡的相关机制。

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研究成果

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铁死亡是一种由铁依赖的脂质过氧化物过量积累引起的调节性细胞坏死[1-3],近年来,作为一种与疾病高度相关的新型细胞死亡形式,受到科研界的广泛关注。铁死亡发生的主要原因是由于细胞活性氧(reactive oxygen species,ROS)的累积超过还原型谷胱甘肽(glutathione,GSH)和以GSH为底物的磷脂氢过氧化物酶(phospholipid hydroperoxidases)的氧化还原能力而诱导发生的[3-5]。

最近的研究表明铁死亡与多种病理状态和疾病相关铁死亡是一种重要的肿瘤抑制机制,铁死亡抵抗可促进肿瘤的发展[6, 7]。而过度激活的铁死亡可促进多种退行性疾病、缺血/再灌注诱导的器官损伤、心肌病、血色病、中风和急性肾损伤等多种疾病的发展[8-12]。因此研究铁死亡的机理并开发出特异性铁死亡诱导剂和抑制剂用以治疗相关疾病引起了科研界的极大兴趣。

细胞代谢对铁死亡至关重要,这可能与脂质过氧化物主要由细胞代谢的各个步骤产生有关。越来越多的证据表明,不同的细胞代谢过程,包括脂质代谢和氨基酸代谢(特别是半胱氨酸和谷氨酰胺)可促进铁死亡的发生[2, 13]。考虑到线粒体在氧化代谢和细胞死亡调控中的核心作用,自铁死亡被发现以来,科学家就开始猜想线粒体是否参与调控铁死亡[3]。两个关键研究开启了“线粒体—铁死亡”研究先河。一篇是来自王福俤/闵军霞教授团队发表在2019年《PNAS》上的研究论文[14];另一篇是来自姜学军团队发表在2019年《Molecular Cell》上的研究论文[15]。

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研究成果

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目前大量的研究表明,线粒体的多种代谢活动对铁死亡产生影响。

(1)在电子显微镜下,发生铁死亡的细胞最显著的特征是线粒体形态学的改变,包括线粒体的皱缩及膜密度增加[3]。此外,2017年,王福俤/闵军霞教授团队发表于《Hepatology》期刊的研究成果首次报道体内铁代谢紊乱(铁过载)通过铁死亡导致肝损伤,而靶向抑制铁死亡能有效缓解铁过载肝损伤。在铁过载引发铁死亡的过程中,与正常的肝实质细胞相比,柠檬酸铁(ferric citrate,FAC)刺激会引起肝实质细胞中线粒体显著变小和破裂(图1),该论文被当期《Hepatology》选为封面文章[8]。(图2);

(2)线粒体是细胞中ROS的主要来源。具体来说,电子从线粒体电子传递链(electron transfer chain,ETC)复合物I和III产生超氧化物(superoxide,O2·−),超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)将其转化为过氧化氢(hydrogen peroxide,H2O2)。H2O2与亚铁离子(Fe2+)反应生成羟基自由基(hydroxyl radicals,·OH),·OH再从多聚不饱和脂肪酸(PUFAs)中获得双烯丙基氢(bis-allylic hydrogen)生成PUFA自由基(PUFA radicals,PUFA·)。这些不稳定的碳基和氧快速反应生成PUFA过氧自由基(PUFA peroxyl radicals,PUFA-OO·),最终生成PUFA过氧化物(PUFA hydroperoxides,PUFA- OOH)[16]。因此,线粒体产生的ROS可能通过促进脂质过氧化而促进铁死亡的发生。2019年,王福俤/闵军霞教授团队研究进一步报道,线粒体靶向抗氧化剂Mito-TEMPO可以阻断阿霉素(doxorubicin)诱导的小鼠心脏铁死亡,该研究为线粒体与铁死亡之间的联系提供了强有力的体内实验证据[14];

(3)王福俤/闵军霞团队研究发现线粒体铁代谢在调控铁死亡中也发挥了重要作用。血红素加氧合酶1(heme oxygenase 1,Hmox1)依赖的血红素降解和游离铁过载可能通过Hmox-1在线粒体中的作用促进阿霉素诱导的铁死亡和心肌病[14] ,该成果是国际上首次展示小鼠模型体内发现线粒体调控铁死亡发生的关键机制。线粒体铁蛋白(mitochondrial ferritin;一种位于线粒体中的铁储存蛋白)的过表达,可能通过促进线粒体中铁的储存来抑制erastin诱导的铁死亡[17];

(4)最近的研究表明,能量缺失激活的能量传感器(AMP-activated protein kinase,AMPK)通过引起乙酰辅酶a羧化酶(acetyl-CoA carboxylase,ACC;一种脂肪酸生物合成中的限速酶)的磷酸化和失活抑制铁死亡的发生,而AMPK的失活则促进铁死亡[18, 19]。

(5)线粒体脱氧核糖核酸缺失综合征(mitochondrial DNA depletion syndrome,MDS)是一种严重的、表型异质的隐性遗传病,表现为组织和器官中线粒体DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)含量显著降低。脱氧核糖核苷激酶(deoxyribonucleoside kinase,DGUOK)基因突变是肝脑型MDS的主要病因。绝大多数DGUOK突变型MDS患者发生铁过载,进而发展为严重的肝功能衰竭。刘兴国团队2021年发表于《Advanced Science》期刊的研究报道[20],mtDNA缺失和呼吸功能障碍的DGUOK突变患者中,诱导多功能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSCs)来源的肝细胞以及肝细胞样细胞(hepatocyte-like cells,iHep)和肝细胞类器官(hepatocyte organoids,iHep-Orgs) 对铁过载诱导的铁死亡更为敏感。作者探究了DGUOK基因突变患者铁死亡的病理机制,揭示了mtDNA缺失与铁死亡之间的联系[20]。

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图1. 野生型原代肝细胞,磷酸盐缓冲液(PBS)或10 mM FAC处理12小时,然后用透射电镜观察[8]。

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图2. 2017年8月的《Hepatology》期刊封面,论文题目为:Characterization of ferroptosis in murine models of hemochromatosis[8]。

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研究成果

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虽然大量的证据支持线粒体在铁死亡发生过程中的重要作用,但也有不同的报道。例如,mtDNA缺失的癌细胞系(ρ0细胞系)与线粒体完整的亲代细胞之间的对比没有显示出显著的铁死亡敏感性差异[3]。更重要的是,研究表明,细胞自身存在的防御机制降低了细胞膜上的脂质过氧化水平,其中最重要的是谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4),GPX4可利用GSH作为辅因子降低脂质过氧化物,从而抑制铁死亡。

因此,在多种细胞系中,GPX4失活将会诱导显著的脂质过氧化,进而引发铁死亡,但是不能显著诱导线粒体的脂质过氧化,这表明GPX4失活诱导的铁死亡主要是通过非线粒体脂质过氧化引发的[4]。但甘波谊团队新近在《Nature》上发表的成果解释了上述问题。研究表明,线粒体内膜的外表面存在一种线粒体酶—二氢乳清酸脱氢酶(dihydroorotate dehydrogenase,DHODH),可以将辅酶Q(coenzyme Q,CoQ)还原为泛素醇(ubiquinol,CoQH2),CoQ是一种亲脂性代谢物,由氧化还原活性醌头基团(quinone head group)和长聚异戊二烯类脂质(long polyisoprenoid lipid)尾部组成,在内皮细胞线粒体中发挥着重要的电子传递载体的作用,其完全还原的形式CoQH2可以作为一种自由基捕获的抗氧化剂降低脂质过氧化自由基。因此,该研究提出线粒体GPX4确实在铁死亡抵抗中发挥作用,但其抗铁死亡功能只能在DHODH失活的条件下才能发挥作用(图3)[21, 22]。

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图3. 铁死亡通路图[22]

此外,王福俤/闵军霞教授在国际著名学术期刊《Signal Transduction and Targeted Therapy》(STTT)发表题为:DHODH tangoing with GPX4 on the ferroptotic stage的评述[23],重点评价和肯定了甘波谊团队关于铁死亡是DHODH发挥抗癌作用的关键机制的新成果,解读了DHODH抵抗线粒体脂质过氧化的功能,以及DHODH抑制剂对GPX4高表达和GPX4低表达的肿瘤的杀伤作用,并肯定了该研究为通过靶向DHODH治疗GPX4低表达癌症患者提供了重要的临床前证据。

总之,甘波谊教授团队、姜学军团队相关研究成果和王福俤/闵军霞教授团队(2019)阿霉素诱导心肌损伤可通过靶向线粒体减少由铁死亡引起的心肌损伤成果均为线粒体与铁死亡的紧密联系提供了有力证据[23](图3)。

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图4. DHODH、GPX4、FSP1及HO-1调控细胞铁死亡分子网络模式图[23](部分调整)

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研究结论

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综上所述,虽然大量的研究表明线粒体在铁死亡中扮演着至关重要的角色,但是目前仍然存在争议。随着研究的不断深入,部分争议已经被解决,并发现了诸多重要的研究成果。相信线粒体在铁死亡中的作用仍然会不断产生新的有趣的发现,我们后期将会不断紧跟科学前沿,报道线粒体与铁死亡相关的新故事。

因文稿长度有限,部分重要文献没能引用,深表歉意

References:

[1]Angeli J, Shah R, et al. Ferroptosis Inhibition: Mechanisms and Opportunities [J]. 2017, 38(5): 489-98.

[2]Stockwell B R, Angeli J P F, et al. Ferroptosis: A Regulated Cell Death Nexus Linking Metabolism, Redox Biology, and Disease [J]. 2017, 171(2): págs. 273-85.

[3]Dixon S, Lemberg K, et al. Ferroptosis: an iron-dependent form of nonapoptotic cell death [J]. 2012, 149(5):

[4]Angeli J F, Schneider M, et al. Inactivation of the ferroptosis regulator Gpx4 triggers acute renal failure in mice [J]. 2014, 76(12): 1180-91.

[5]Ingold I, Berndt C, et al. Selenium Utilization by GPX4 Is Required to Prevent Hydroperoxide-Induced Ferroptosis [J]. 2017, 423-34.

[6]Jiang, Ning, et al. Ferroptosis as a p53-mediated activity during tumour suppression [J]. 2015,

[7]Zhang Y, Shi J, et al. BAP1 links metabolic regulation of ferroptosis to tumor suppression [J]. 2018, 20.

[8]Wang H, An P, et al. Characterization of ferroptosis in murine models of hemochromatosis [J]. 2017,

[9]Fang X, Cai Z, et al. Loss of Cardiac Ferritin H Facilitates Cardiomyopathy via Slc7a11-Mediated Ferroptosis [J]. 2020, 127(4):

[10] Belavgeni A, Meyer C, et al. Ferroptosis and Necroptosis in the Kidney [J]. 2020, 27(4):

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[12] Stockwell B R, Jiang X, et al. Emerging Mechanisms and Disease Relevance of Ferroptosis - ScienceDirect [J]. 2020,

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[14] Fang X, Wang H, et al. Ferroptosis as a target for protection against cardiomyopathy [J]. 2019,

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[17] Wang Y Q, Chang S Y, et al. The Protective Role of Mitochondrial Ferritin on Erastin-Induced Ferroptosis [J]. 2016, 8(308).

[18] Lee H, Zandkarimi F, et al. Energy-stress-mediated AMPK activation inhibits ferroptosis [J]. 2020,

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[21] Mao C, Liu X, et al. DHODH-mediated ferroptosis defence is a targetable vulnerability in cancer [J]. 2021, 593(7860):

[22] Gan B J T J o C B. Mitochondrial regulation of ferroptosis [J]. 2021, 220(9):

[23] Wang F, Min J J 信. DHODH tangoing with GPX4 on the ferroptotic stage [J]. 2021, 6(7): 2.

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