叮~線粒體和鐵死亡的關(guān)系了解一下？
2021-01-20 15:00:36
來源/作者：普拉特澤生物-醫(yī)學整體課題外包
Tags: ROS GPX4 pink1—parkin Erastin ferroptosis
從歷年國家自然科學基金中標項目分析中我們發(fā)現(xiàn)，自從2013年河北醫(yī)科大學申請到第一項關(guān)于“鐵死亡”項目后，2014年，2016年都各只有一項“鐵死亡”相關(guān)項目，從2017年突然增加到15項，2018年急劇增加到37項，2019年50項。
相信2020年與“鐵死亡”相關(guān)的研究項目會繼續(xù)成倍增長。各位大大們需要抓住熱點啦~
今天小編小姐姐就帶大家再來精讀1篇鐵死亡的高分文獻。
文獻信息：題目：Role of Mitochondria in Ferroptosis.Molecular Cell ( IF 14.548 ) Pub Date : 2019-Jan-1 , DOI: 10.1016/j.molcel.2018.10.042
Minghui Gao, Junmei Yi, Jiajun Zhu, Alexander M Minikes, Prashant Monian, Craig B Thompson, Xuejun Jiang
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正文開始
先上一個魔鬼生化必考題：
三羧酸循環(huán)（TCA）圖解
本文的結(jié)論放前邊講：
1：本文證明了線粒體在半胱氨酸剝奪誘導的鐵死亡中起著關(guān)鍵作用，但在抑制谷胱甘肽過氧化物酶-4（GPX4）誘導的鐵死亡中不起作用。
2：在機制上，半胱氨酸缺乏會導致線粒體膜電位超極化和脂質(zhì)過氧化物積累。
3：抑制半胱氨酸剝奪誘導后線粒體TCA循環(huán)或電子轉(zhuǎn)移鏈（ETC）可減輕線粒體膜電位超極化、脂質(zhì)過氧化物積累和鐵死亡。阻斷谷氨酰胺分解具有相同的抑制作用，可通過供應下游TCA循環(huán)中間產(chǎn)物可以來抵消該作用。
4：重要的是，延胡索酸酶（FH，一種抑癌劑和TCA循環(huán)成分）功能的喪失會使人對半胱氨酸缺乏引起的鐵死亡產(chǎn)生抵抗。
5：線粒體在半胱氨酸剝奪誘導的鐵死亡中起著關(guān)鍵作用，并與抑制腫瘤中的鐵死亡有關(guān)。
為方便理解，先來一波名詞釋義：
鐵死亡：鐵死亡是一種鐵依賴型的調(diào)節(jié)性壞死，已成為與疾病高度相關(guān)的一種新的細胞死亡方式。鐵死亡是由于細胞活性氧（Ros）的積累超過了谷胱甘肽（GSH）和以GSH為底物的磷脂氫過氧化物酶維持的氧化還原含量。當細胞抗氧化能力降低，脂質(zhì)活性氧堆積，就能引起細胞氧化性死亡，即鐵死亡。
三羧酸循環(huán)：三大營養(yǎng)素（糖類、脂類、氨基酸）的最終代謝通路，又是糖類、脂類、氨基酸代謝聯(lián)系的樞紐。
Erastin：一種常用的鐵死亡誘導劑。合成的小分子化合物Erastin可通過抑制半胱氨酸谷氨酸轉(zhuǎn)運體（system Xc-）的活性而觸發(fā)鐵死亡，導致細胞半胱氨酸和GSH的消耗，從而導致細胞氧化還原穩(wěn)態(tài)的崩潰。
system XC-：胱氨酸/谷氨酸逆轉(zhuǎn)運體（system xc-），調(diào)節(jié)胱氨酸轉(zhuǎn)運，及谷胱甘肽（Glutathione，GSH）合成的過程中發(fā)揮重要作用。
電子轉(zhuǎn)移鏈（ETC）：線粒體中的電子傳遞鏈是伴隨著營養(yǎng)物質(zhì)的氧化放能，又稱作呼吸鏈。
pink1—parkin途徑：參與膜電位降低引起的線粒體自噬的發(fā)生。
CCCP：一種氧化磷酸化抑制劑，導致細胞的逐漸損害以及生命體的死亡，它主要影響線粒體中的蛋白質(zhì)合成。促使線粒體內(nèi)膜對H+產(chǎn)生通透性，導致線粒體內(nèi)膜兩側(cè)的膜電位喪失，誘導凋亡發(fā)生。
Mito Tracker：活體線粒體染色劑。
CC饑餓：半胱氨酸剝奪饑餓
這里很重要的提示下：
誘發(fā)鐵死亡的是脂質(zhì)過氧化物累積，不是胞質(zhì)ROS！
因此，即使在細胞半胱氨酸和谷胱甘肽含量正常的情況下，清除脂質(zhì)活性氧所需的酶谷胱甘肽過氧化物酶4（GPX4）失活，也會誘發(fā)鐵死亡！
鐵死亡的誘發(fā)途徑主要有間接和直接2種。
其中，間接途徑為：通過抑制 systemXC阻礙谷胱甘肽的吸收。谷胱甘肽又是 GPXs 發(fā)揮作用的必要輔助因子，因此能夠?qū)е?GPXs 的活性降低，細胞抗過氧化能力降低，最終導致脂質(zhì)活性氧堆積，引起細胞的氧化性死亡，即鐵死亡。
直接途徑為：直接抑制GPX4活性，致細胞抗氧化能力下降，脂質(zhì)活性氧上升，最終引起鐵死亡。
不管是哪種途徑，最終都是通過直接或間接影響谷胱甘肽過氧化物酶 GPXs的活性而降低細胞抗氧化能力，致使脂質(zhì)過氧化反應增加，脂質(zhì)ROS增多，從而引發(fā)鐵死亡。
寫了這么多，是不是看著很累，來，可愛的小編圖也給你畫好了。
間接途徑 直接途徑
下面我們來過一下這篇文章的結(jié)果
Fig1 線粒體調(diào)節(jié)半胱氨酸剝奪引起的鐵死亡
1. CCCP處理后，在無CCCP培養(yǎng)基中恢復24小時后，Parkin過表達細胞中的線粒體明顯消失（圖1a、b）。看不懂專業(yè)名詞的往上翻“名詞釋義”喲~
2.Parkin過表達、線粒體缺失的細胞對半胱氨酸（CC）饑餓或Erastin引起的鐵死亡不太敏感（圖1c），證實線粒體促進CDI誘導的鐵死亡。
3.在CC饑餓或Erastin處理后，線粒體缺失的細胞脂質(zhì)活性氧積累水平降低（圖1d）。
4.在Erastin處理的HT1080人纖維肉瘤HT1080細胞和小鼠胚胎成纖維細胞（MEFs）中，氧化探針首先出現(xiàn)在顯著與線粒體共定位，然后在晚些時候與質(zhì)膜共定位的分布（圖1e、S1）。
Fig2 線粒體TCA循環(huán)參與半胱氨酸剝奪誘導（CDI）的鐵死亡
谷氨酰胺代謝，是半胱氨酸剝奪誘導（CDI）的鐵死亡所必需的，而谷氨酰胺分解的主要功能之一，就是促進線粒體的三羧酸（TCA）循環(huán)（圖2a）。
α-酮戊二酸（aKG）是緊接著谷氨酰胺分解的，下游的TCA循環(huán)代謝產(chǎn)物，可以取代谷氨酰胺用于CDI誘導的脂質(zhì)ROS積聚和鐵死亡（圖2b、2c）
Q, L-glutamine：谷氨酰胺，缺乏抑制鐵死亡
CC, L-cystine ：半胱氨酸，缺乏誘導鐵死亡
Fer-1：鐵死亡抑制劑
aKG下游的TCA代謝物，包括琥珀酸（Suc）、富馬酸（Fum）和蘋果酸（Mal），都可以替代谷氨酰胺在CC饑餓或system Xc-抑制引起的脂質(zhì)ROS積累所致鐵死亡中的作用（圖2d-2f）。
整個fig2闡述一個問題：單靠CC饑餓不會改變TCA循環(huán)代謝物的水平。而在沒有谷氨酰胺的情況下，包括aKG、Fum和Mal在內(nèi)的多種TCA循環(huán)代謝物的水平均顯著降低（圖2g）。
Fig3 線粒體電子傳遞鏈調(diào)控半胱氨酸剝奪誘導的鐵死亡
TCA循環(huán)最重要的功能之一是支持嵌入線粒體內(nèi)膜的蛋白質(zhì)復合物的電子傳遞活性。那么，由CDI引起的鐵死亡是否需要ETC的成分？
如圖中結(jié)果所示：線粒體復合物i（魚藤酮）、復合物ii（DBM）、復合物iii（抗霉素）和復合物iv（NaN3）的抑制劑均抑制了由CC饑餓或Erastin引起的脂質(zhì)ROS積累和鐵死亡（圖3d-3e）。
這些結(jié)果表明，線粒體傳遞鏈（ETC）參與了由細胞CDI引起的鐵死亡。
Fig4 線粒體膜電位超極化與CDI誘導的脂質(zhì)積累
線粒體通過質(zhì)子電化學梯度電位在線粒體膜上積累ROS和鐵死亡，產(chǎn)生ATP，這是TCA循環(huán)等作用的結(jié)果。
以上結(jié)果已證實TCA、ETC促進了CDI誘導的鐵死亡，這個現(xiàn)象是否與線粒體膜電位的改變也有關(guān)呢？
CC饑餓、Erastin等，都能誘導MMP超極化（圖4a-4b）。
為了進一步探討MMP在CDI鐵死亡中的作用，作者研究了線粒體解偶聯(lián)劑CCCP對鐵死亡的影響。
如圖4c、4d、s4e和s4f所示，CCCP會破壞MMP，完全阻斷CDI脂質(zhì)ROS積聚和鐵死亡。此外，根據(jù)細胞集落形成試驗（圖4f），在去除Erastin和CCCP后，增殖得以恢復，這表明CCCP暫時干擾MMP可以防止鐵死亡，而不會損害長期細胞生存能力。這一結(jié)論與ETC對鐵死亡的藥理抑制作用一致（圖3中的結(jié)果）。
Fig5 線粒體功能在GPX4抑制性鐵死亡中可有可無
盡管谷氨酰胺分解和線粒體TCA循環(huán)/ETC活性有助于CDI誘導的鐵死亡，但當這些線粒體活性被破壞時，抑制GPX4或遺傳消除仍然可以觸發(fā)鐵死亡。當GPX4抑制劑RSL3觸發(fā)鐵死亡時，線粒體缺失的HT1080細胞沒有表現(xiàn)出明顯的抵抗力（圖5a和5b）。用ETC抑制劑治療RSL3觸發(fā)的鐵死亡時，不能影響脂質(zhì)活性氧的積累和鐵死亡（圖5C、5D）。
利用CRIPSR/CAS9技術(shù)構(gòu)建GPX4-/-敲除（KO）HT1080細胞，發(fā)現(xiàn)ETC抑制劑并不能治療RSL3誘導的脂質(zhì)活性氧積聚或鐵死亡的情況（圖5E、5F）。即使在沒有谷氨酰胺的情況下，GPX4抑制誘導的鐵死亡也可能發(fā)生（圖5g）。因此，谷氨酰胺和線粒體功能對GPX4抑制引起的鐵死亡不是必要的。
Fig6 線粒體腫瘤抑制因子延胡索酸酶功能喪失導致腎癌細胞對鐵死亡的抵抗
TCA循環(huán)酶延胡索酸酶（FH）基因的基因突變已在良性和惡性腎癌病變中被證實是腎癌中一種真正的腫瘤抑制因子。
線粒體TCA循環(huán)和呼吸作用ETC驅(qū)動CDI誘發(fā)的細胞鐵死亡，作者研究了FH功能的喪失是否使細胞對鐵死亡更具抵抗力，從而促進其抑癌作用。
uok262和uok262：病人來源的FH已突變的腎癌細胞系
與表達WT-FH的細胞相比，F(xiàn)H突變體腎癌細胞對CC饑餓誘導的鐵死亡不太敏感（圖6a-6c）。
這些突變體細胞中的細胞死亡可以通過供應外源性蘋果酸來得以改善（蘋果酸是TCA循環(huán)中FH下游的代謝物（圖6a、6b））。
腫瘤細胞的集落形成實驗中，F(xiàn)H突變體腎癌細胞在CC饑餓時仍然存活和增殖，而表達WT-FH的等基因細胞在此條件下未能增殖（圖6d）。
這些結(jié)果表明，在氧化應激（常見于實體瘤的生長環(huán)境）下，F(xiàn)H功能的喪失可使癌細胞對鐵死亡具有更強的抵抗力，從而具有致瘤優(yōu)勢。
好了，今天的文章就到這里了，有感興趣的胖友們，記得關(guān)注我們的微信公眾號-U平臺哦么么噠！
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