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鐵死亡是一種由鐵誘導(dǎo)的脂質(zhì)過氧化介導(dǎo)的細(xì)胞死亡形式。鐵死亡抑制蛋白1（FSP1）通過生成抗氧化劑來抵御這種死亡，這一過程需要還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）作為輔因子。NADH通過在酶反應(yīng)中充當(dāng)輔因子參與各種細(xì)胞事件。目前已知的NADH作用涉及其可溶性形式，但NADH是否以顯著水平存在于細(xì)胞膜上以及膜NADH可能起什么作用尚未得到研究。

2025年4月14日，美國(guó)哈佛醫(yī)學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)在《Cell》上發(fā)表了題為“ALDH7A1 protects against ferroptosis by generating membrane NADH and regulating FSP1”的研究論文，這項(xiàng)研究通過揭示細(xì)胞膜上以前未被發(fā)現(xiàn)的NADH“池”，加深了對(duì)NADH的基本理解，為理解FSP1的作用機(jī)制以及醛脫氫酶如何抵御鐵死亡提供了重要見解。

1. 細(xì)胞膜含有大量的NADH且膜NADH需要ALDH7A1活性

由于尚不清楚NADH在細(xì)胞膜上的存在水平，研究團(tuán)隊(duì)檢測(cè)了各種細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)膜NADH是一種普遍現(xiàn)象。醛脫氫酶（ALDHs）家族將底物中的醛基轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物中相應(yīng)的羧基，涉及將煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）轉(zhuǎn)化為NADH。醛脫氫酶7A1（ALDH7A1）是該家族中高度保守的成員。研究團(tuán)隊(duì)用針對(duì)ALDH7A1的小干擾RNA（siRNA）處理細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)膜NADH優(yōu)先降低，膜NADH水平較高的細(xì)胞受到的影響更大。膜NADH需要ALDH7A1的催化活性來支持，因?yàn)橥ㄟ^表達(dá)野生型ALDH7A1而不是催化失活形式（E268Q），可以恢復(fù)針對(duì)ALDH7A1的siRNA降低的水平。此外，針對(duì)多種其他ALDH成員的siRNA并沒有降低膜NADH水平。因此，ALDH7A1在支持膜NADH水平方面顯示出特異性（圖1）。之前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)ALDH7A1在S102殘基上的磷酸化可以促進(jìn)其膜定位。用S102A（阻止磷酸化）或S102D（模擬磷酸化）形式替換內(nèi)源性ALDH7A1，發(fā)現(xiàn)S102A表達(dá)降低了膜上的NADH水平，而S102D表達(dá)增加了膜上NADH水平。因此，ALDH7A1需要被招募到細(xì)胞膜上以支持膜NADH水平。

圖1 ALDH7A1活性是膜NADH水平的主要決定因素

（圖片源于《Cell》）

2. ALDH7A1支持FSP1活性

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步確定膜NADH的功能。在文獻(xiàn)檢索中，注意到FSP1已被發(fā)現(xiàn)可以預(yù)防鐵死亡，其作用涉及將泛醌還原為泛醌醇，這需要NADH作為輔因子。此外，FSP1僅在膜上具有活性。因此，團(tuán)隊(duì)探索了ALDH7A1產(chǎn)生的膜NADH支持FSP1活性的可能性。他們發(fā)現(xiàn)，使用siRNA干擾ALDH7A1或FSP1與使用RSL3（GPX4抑制劑）誘導(dǎo)鐵死亡導(dǎo)致相似程度的細(xì)胞死亡和脂質(zhì)過氧化。他們證實(shí)了觀察到的細(xì)胞死亡是由鐵死亡引起的，因?yàn)樗梢酝ㄟ^鐵死亡抑制劑來預(yù)防。接下來，他們探討了ALDH7A1對(duì)鐵死亡的保護(hù)作用是否與細(xì)胞表現(xiàn)出不同水平的膜NADH有關(guān)。酰基輔酶A（CoA）合成酶4（ACSL4）是合成多不飽和脂肪酸的關(guān)鍵酶。通過轉(zhuǎn)染MCF7細(xì)胞過表達(dá)ACSL4，發(fā)現(xiàn)ACSL4導(dǎo)致MCF7細(xì)胞對(duì)RSL3處理誘導(dǎo)的鐵死亡的敏感性增加。ACSL4過表達(dá)也導(dǎo)致RSL3處理更顯著地增加了膜NADH水平，這種增加依賴于ALDH7A1。此外，抗ACSL4的siRNA導(dǎo)致細(xì)胞死亡和脂質(zhì)過氧化減少，并降低膜NADH水平。因此，這些結(jié)果提示細(xì)胞膜NADH水平與細(xì)胞對(duì)鐵死亡的易感性程度相關(guān)。接下來，研究團(tuán)隊(duì)尋找更多的直接證據(jù)，證明ALDH7A1是FSP1活性所必需的（圖2）。通過共沉淀實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)ALDH7A1在MDA231細(xì)胞和其他多種細(xì)胞類型中與FSP1相互作用。使用CRISPR-Cas9敲除了ALDH7A1，發(fā)現(xiàn)生成的細(xì)胞在正常條件下甚至不能存活，而是需要用鐵抑制素1處理或重新表達(dá)ALDH7A1才能存活。

圖2 ALDH7A1通過FSP1抵抗鐵死亡

（圖片源于《Cell》）

3. ALDH7A1將FSP1招募到細(xì)胞膜上通過級(jí)聯(lián)信號(hào)調(diào)控FSP1活性

FSP1的募集需要ALDH7A1的存在，這需要ALDH7A1的膜結(jié)合（S102D）而不是可溶性（S102A）形式。RSL3處理增加的鐵死亡應(yīng)激誘導(dǎo)MDA231細(xì)胞中內(nèi)源性FSP1的膜募集，這種募集被抗ALDH7A1的siRNA阻止。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步證實(shí)ALDH7A1的膜募集作用不需要其催化活性，因?yàn)榇呋Щ畹?/span>ALDH7A1的表達(dá)仍然支持RSL3處理將FSP1募集到膜上的能力。該突變體ALDH7A1的表達(dá)導(dǎo)致細(xì)胞膜NADH水平顯著降低。研究團(tuán)隊(duì)試圖闡明鐵死亡應(yīng)激如何通過ALDH7A1誘導(dǎo)FSP1的膜募集。用AMPK抑制劑處理細(xì)胞，可以阻止RSL3處理促進(jìn)的FSP1膜募集。當(dāng)細(xì)胞用抗AMPK的siRNA處理時(shí)，得到了類似的結(jié)果。相反，用AMPK激活劑處理，可導(dǎo)致FSP1被募集到膜上，而無(wú)需RSL3處理。為了進(jìn)一步支持ALDH7A1介導(dǎo)AMPK調(diào)節(jié)FSP1募集的能力，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)內(nèi)源性ALDH7A1被S102A形式所取代時(shí)，AMPK的激活不再能夠誘導(dǎo)FSP1募集。相反，當(dāng)內(nèi)源性ALDH7A1被S102D形式取代時(shí)，針對(duì)AMPK的siRNA不再能夠?qū)⒛?/span>FSP1重新分配到胞質(zhì)中。因此，這些發(fā)現(xiàn)揭示了一個(gè)信號(hào)級(jí)聯(lián)，通過ALDH7A1調(diào)節(jié)FSP1的膜募集。在鐵死亡應(yīng)激誘導(dǎo)下，細(xì)胞ATP水平降低，激活AMPK磷酸化ALDH7A1，導(dǎo)致ALDH7A1定位于膜上，從而穩(wěn)定募集FSP1（圖3）。

圖3 信號(hào)級(jí)聯(lián)調(diào)節(jié)FSP1向膜的募集

（圖片源于《Cell》）

4. 對(duì)鐵死亡的易感性調(diào)節(jié)信號(hào)機(jī)制的激活

研究團(tuán)隊(duì)注意到，FSP1的表達(dá)水平在很大程度上與細(xì)胞依賴FSP1預(yù)防鐵死亡的程度相關(guān)。然而，一些細(xì)胞，如H460，僅在誘導(dǎo)高水平鐵死亡應(yīng)激時(shí)才表現(xiàn)出FSP1依賴性。因此，研究團(tuán)隊(duì)探討闡明的信號(hào)機(jī)制是否可以為解釋提供線索。通常劑量的RSL3處理誘導(dǎo)的鐵死亡應(yīng)激不能促進(jìn)H460細(xì)胞中ALDH7A1或FSP1的膜募集。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，常規(guī)劑量的RSL3處理不能激活AMPK，而是需要高劑量的RSL3處理，這反映在AMPK的T172殘基磷酸化上。也需要更高劑量的RSL3處理來降低細(xì)胞ATP水平。這些結(jié)果表明，在H460細(xì)胞中，鐵死亡應(yīng)激損害了降低細(xì)胞ATP水平的能力。為了進(jìn)一步表征這一缺陷，研究團(tuán)隊(duì)探討了在H460細(xì)胞中過表達(dá)ACSL4是否也會(huì)增加對(duì)鐵死亡應(yīng)激的易感性。ACSL4過表達(dá)本身并不激活信號(hào)級(jí)聯(lián)。ACSL4過表達(dá)導(dǎo)致H460細(xì)胞更容易受到鐵死亡應(yīng)激，這反映在標(biāo)準(zhǔn)劑量RSL3處理時(shí)細(xì)胞死亡增強(qiáng)。這種處理還降低了細(xì)胞ATP水平，并誘導(dǎo)FSP1向細(xì)胞膜募集。通過細(xì)胞死亡和脂質(zhì)過氧化評(píng)估，H460細(xì)胞的這種轉(zhuǎn)化導(dǎo)致它們更依賴于ALDH7A1和FSP1來抵抗鐵死亡。此外，這種依賴性的增加與更高水平的膜NADH相關(guān)。因此，這些結(jié)果為H460細(xì)胞如何依賴于FSP1來抵抗鐵死亡提供了一個(gè)微妙的解釋。由于ACSL4在正常情況下表達(dá)水平相對(duì)較低，因此它們對(duì)鐵死亡具有相對(duì)的抗性。然而，當(dāng)面臨高水平的鐵死亡應(yīng)激時(shí)，它們對(duì)FSP1的保護(hù)依賴變得明顯。

圖4 激活H460細(xì)胞中的信號(hào)級(jí)聯(lián)需要較高的鐵死亡應(yīng)激

（圖片源于《Cell》）

綜上所述，這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)了ALDH7A1預(yù)防鐵死亡的新方式，即促進(jìn)膜NADH生成和調(diào)節(jié)FSP1向膜的募集。這一發(fā)現(xiàn)揭示了一種調(diào)節(jié)FSP1活性的信號(hào)機(jī)制，為理解FSP1的作用機(jī)制引入了一個(gè)新的方向。

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