高达419项！2023年国自然大热点「铁死亡」，这么开展研究更易斩获高分！（最新研究思路）

安喜的空间 2023-10-13 发布于上海

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最新“出炉”的2023年最佳国自然“中标”研究热点，铁死亡荣登榜首第4位，中标率高达419。查阅2023年近期“铁死亡”相关文章，发现铁死亡研究热度居高不下，成了科研领域的“明星”！

铁死亡（Ferroptosis）是近年来发现的一种新的细胞死亡方式，是指在小分子物质诱导下发生的氧化性细胞死亡，具有铁离子依赖性。铁死亡的发生是细胞内脂质活性氧（ROS）生成与降解的平衡失调所致——具体来说，铁死亡诱导剂通过不同的通路直接或间接作用于谷胱甘肽过氧化物酶（GPXs），导致细胞抗氧化能力降低、ROS堆积，最终引起细胞脂质过氧化性死亡。事实上，铁死亡不仅与众多疾病的发生发展有关，其相关信号通路上的关键蛋白也可成为药物的作用靶点。

近日，来自美国华盛顿大学医学院的科学家们在Nature出版集团旗下刊物《Scientific Reports》发表了题为“Oxidative stress induces mitochondrial iron overload andferroptotic cell death”的研究论文，确定了线粒体铁过载是氧化应激诱导心肌细胞铁死亡的关键机制和潜在的分子靶点。

一、研究背景

心肌细胞的凋亡和坏死，可导致多种心脏病的发病机制，如缺血/再灌注损伤(I/R)、心肌病、药物性心脏毒性和各种病因的心力衰竭等。细胞凋亡是一种受调控的细胞死亡形式，由死亡受体或线粒体介导的信号通路的严格调控。相反，细胞坏死一直被认为是一个不受调节的被动过程，其特征是细胞肿胀、质膜破裂和细胞溶解。

然而，有研究揭示了坏死也可被调控，称为“调节性坏死”，具有多种受调节的坏死途径，如程序性坏死、线粒体介导的坏死、铁死亡和焦亡等。

程序性坏死通过诱导受体相互作用蛋白激酶1和3(RIPK1-RIPK3)、混合谱系激酶结构域样蛋白(MLKL)的磷酸化和寡聚化以及质膜破坏来实现。与之相反，线粒体介导的坏死是由线粒体膜通透性转换孔(mPTP)打开，亲环蛋白D(CypD)调节和/或Bax和bak（细胞凋亡促进蛋白）介导的线粒体外膜通透性增加导致。

而铁死亡是一种新的程序性死亡方式，其特征是在二价铁或酯氧合酶的作用下，催化细胞膜上高表达的不饱和脂肪酸，发生铁依赖性脂质过氧化，从而诱导细胞死亡。此外，还表现为抗氧化体系（谷胱甘肽系统）的调控核心酶GPX4的降低。

二、研究方法和结论

1.有机氧化剂诱导心肌细胞铁死亡

氧化应激可以诱导非凋亡调节性细胞死亡，所以研究员想要探究氧化应激是否可以诱导心肌细胞铁死亡。叔丁基过氧化氢(tBHP)是一种有机过氧化物，通过氧化应激诱导心肌细胞坏死，增加质膜完整性受损指标-碘化丙啶(PI)的摄取，以及促进细胞死亡标志-高迁移率族蛋白B1 (HMGB1)的释放。

研究员发现，tBHP诱导的细胞死亡和HMGB1释放被铁死亡抑制剂（铁抑素-1(fer1)和去铁胺(DFO)）所抑制，但是不受坏死性凋亡抑制剂（坏死抑素-1s(Nec-1s)或环孢素A(CsA)）的影响，表明其机制不同于程序性坏死或线粒体介导的坏死。

再加以RIPK1、RIPK3、CyPD的基因检测和其他氧化剂（过氧化氢异丙苯(CHP)和过氧化氢(H2O2) ）进一步验证，发现有机氧化剂可以选择性诱导细胞铁死亡，但不诱导程序性坏死或线粒体介导的坏死。

2.有机氧化剂促进谷胱甘肽耗竭，下调GPX4，促进心肌细胞脂质过氧化

先前文献表明，谷胱甘肽过氧化酶4(GPX4)是一种依赖谷胱甘肽(GSH)的抗氧化酶，可将有毒的脂质氢过氧化物转化为无毒的脂质醇。而GSH耗竭或GPX4失活，与脂质ROS积累和铁死亡有关。因此，研究员想要探究有机氧化剂是否可以促进脂质过氧化（铁死亡关键特征），结果发现，tBHP和CHP均诱导了心肌细胞的脂质过氧化，而且被fer1、Lip-1（铁死亡抑制剂）或DFO阻断，即tBHP和CHP诱导了心肌细胞的铁死亡。

为探究有机氧化剂诱导铁死亡的机制，研究员评估了tBHP对GSH-GPX4信号传导的影响。结果显示，tBHP以时间依赖性的方式诱导心肌细胞GSH耗竭，GPX4在tBHP刺激下也显著下调。进一步，研究员又检测了野生型GPX4腺病毒载体转导的心肌细胞死亡率，试图确定GPX4在tBHP诱导的铁死亡中的作用。实验发现，沉默GPX4促进了tBHP诱导的细胞死亡和HMGB1的释放，表明有机氧化剂通过GSH耗竭和下调GPX4诱导心肌细胞铁死亡。

3.有机氧化剂通过Bach1-HO-1途径促进不稳定铁的积累

接下来，研究员探究了氧化应激是否会诱导铁过载（铁死亡决定性特征）。通过Calcein-AM(钙黄绿素乙酰氧基甲酯)测定心肌细胞中的不稳定铁水平和血红素加氧酶-1(血红素降解驱动铁释放的酶，HO-1)、转录因子BTB和HO-1的转录抑制因子Bach1的表达量，辅以HO-1抑制剂ZnPP处理和HO-1过表达的心肌细胞加以验证。最后，进行了Bach1 shRNA的腺病毒载体实验。

综合结果表明，Bach1-HO-1信号通路在有机氧化剂诱导的心肌细胞铁过载和铁凋亡中起关键作用。

4.有机氧化剂促进线粒体铁过载

然后，研究员进一步探究了线粒体在介导氧化应激诱导的心肌细胞铁死亡中的关键作用。通过检测tBHP处理后心肌细胞中的线粒体亚铁(Fe2 )、HO-1、铁蛋白(FTMT)和重肽铁蛋白1(FTH1)水平，发现HO-1下调可以降低tBHP诱导的线粒体铁积累，FTMT有效抑制了tBHP诱导的心肌细胞死亡，而FTH1的过表达抑制了铁死亡。结果表明，线粒体铁过载是有机氧化剂诱导心肌细胞铁死亡的关键介质。

5.有机氧化剂促进线粒体脂质过氧化和ROS积累

研究员利用线粒体靶向荧光探针技术，发现FTMT过表达可以抑制tBHP诱导的线粒体部分脂质过氧化。然后，通过活性氧自由基和清除体系活性分析（MitoSOX）检测线粒体ROS水平、GSH水平，以及利用线粒体靶向ROS抑制剂(如MitoQ和SKQ1)、过表达线粒体靶向过氧化氢酶(mCAT)进行预处理研究。最后结果表明，线粒体铁过载和脂质过氧化在有机氧化剂诱导的心肌细胞铁死亡中起关键作用。

6.线粒体铁和ROS积累促进由缺血/再灌注或阿霉素诱导的心肌细胞死亡

为了进一步探究线粒体铁和ROS在氧化应激升高相关病理条件下的作用，研究员对心肌细胞进行了缺血/再灌注(sI/R)或化疗药物阿霉素(DOX)干预。在sI/R或DOX处理的心肌细胞中，线粒体铁水平显著升高并且脂质过氧化。

为了研究线粒体铁和ROS在sI/R或DOX诱导的细胞死亡中的作用，研究员用Ad-FTMT或Ad-mCAT转导心肌细胞，以防止线粒体铁或ROS的积累。结果显示，过表达FTMT或mCAT可减少sI/R诱导的线粒体脂质过氧化和细胞死亡，并减少HMGB1释放。最后结果表明，在与氧化应激相关的病理条件下，靶向抑制线粒体铁或ROS积累可防止细胞死亡。