作为科学研究中的热点，铁死亡可谓是明星选手，常年能在各大期刊上见到它的身影，近日，关于铁死亡的研究又有新发现~ 

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以往的研究表明，铁死亡可以从一个细胞传播到另一个细胞，从而像野火一样蔓延，启动大规模的细胞死亡。然而，这个过程的传播机制、作用尚不清楚。

2024年7月10日，中央研究院分子生物研究所陈升宏课题组于 Nature 发文：Emergence of large-scale cell death through ferroptotic trigger waves，他们开发了一种新方法，对细胞间铁死亡的传播进行了分离和研究，不仅提供了关于大规模细胞死亡的新视角，同时揭示了铁死亡在胚胎发育中的重要作用。

铁死亡传播机制

为了研究铁死亡传播的机制，研究人员通过使用激光在培养皿中生长的一大片细胞中的单一位置激活铁死亡，以此研究在空间上受限的细胞中启动铁死亡如何影响临近细胞的行为。

通过这一方法，研究人员发现，当在一个位置启动铁死亡时，这一过程会以触发波（trigger waves）的形式传播到未暴露于激光光束的临近细胞。这种传播可以跨越许多细胞，范围达数毫米——在组织环境中，这是一个很长的距离。

▲铁死亡在细胞间传播示意图

具体来说，在蓝光照射后，细胞内 ROS 水平上升，引发铁死亡诱导剂（如Erastin/RSL3）处理的细胞死亡，尤其在人视网膜色素上皮（RPE）细胞中更为明显。这种光诱导的细胞死亡正是铁死亡，因为 Fer-1、DFO 等铁死亡抑制剂可以抑制这种死亡，而凋亡和坏死的抑制剂不能。并且，蓝光照射可以控制铁死亡的启动时间和位置，以 5.52 ± 0.09 μm/min 的恒定速度传播，距离≥5 mm。

▲铁死亡在RPE-1细胞中通过脂质过氧化波前以恒定速度传播

这种从一个细胞传播到另一个细胞的“细胞死亡波”有两个关键点：细胞间的ROS扩散和细胞内的ROS放大。包含三个主要的反馈回路：GSH介导的双重负反馈回路、芬顿反应和NOX信号传导的正反馈回路。通过抑制胱氨酸摄取或引入铁死亡应激，可以激活这些ROS反馈回路，从而引发铁死亡触发波。

GSH介导的双重负反馈回路

细胞依赖于营养物质（如葡萄糖和胱氨酸）的代谢来合成新的GSH，以维持生理水平的ROS。这意味着GSH的合成与细胞的代谢状态密切相关。当葡萄糖供应减少时，GSH水平会下降，导致ROS水平上升。类似地，抑制胱氨酸摄取也会引起ROS水平的波动，导致ROS的双稳态开关。

小贴士

ROS双稳态开关是指在一定范围内，细胞内的ROS水平可以在低稳态和高稳态之间转换。在双稳态区域，存在两个ROS稳定状态（低和高），它们由一个激活阈值（即不稳定稳态，USS）分隔。研究人员预测，当ROS水平超过激活阈值时，ROS反馈回路被激活，使ROS水平从低稳态切换到高稳态。这一过程通过一系列ROS激活–扩散事件反复进行，形成自我再生的ROS触发波。

 

研究通过 Erastin 和光诱导验证了这一机制。在较低的 Erastin 浓度（<0.63 μM）下，细胞维持低 ROS 水平，表现出单稳态特性。当 Erastin 浓度超过 1.25 μM 时，细胞内 ROS 稳态切换到高水平，导致 ROS 水平进一步增加并传播到邻近细胞，从而形成大范围的细胞死亡，且波速随着 Erastin 浓度的增加而加快。

芬顿反应

芬顿反应通过细胞内游离铁将 H₂O₂ 转化为高度活性的·OH，引发自催化脂质过氧化，从而放大 ROS 信号。

 

为了验证铁在铁死亡传播中的作用，研究人员使用铁螯合剂 DFO 和铁补充剂 FC 调节铁水平。结果显示，DFO 处理降低了铁死亡传播速度，而 FC 则加速了传播。这一结果表明，细胞内游离铁的水平直接影响铁死亡传播的速度。

NOX

NADPH 氧化酶（NOX）信号是另一个重要的正反馈回路。NOX 产生的 ROS 通过抑制酪氨酸激酶磷酸酶，从而激活酪氨酸激酶。活化的酪氨酸激酶及其下游效应物（如PI3K）又能进一步激活 NOX，促进 ROS 的产生，形成一个正反馈回路。

实验中，研究人员通过应用 NOX1/NOX4 抑制剂（GKT137831）、PI3K抑制剂（LY294002）和酪氨酸激酶抑制剂（dasatinib）来抑制这一反馈回路，结果显示，这些抑制剂能够显著减缓铁死亡的传播速度。

 

▲三条活性氧反馈回路调节铁死亡触发波的速度

铁死亡传播在肢体重塑中的作用

大规模的细胞死亡是四肢发育的重要机制之一，可塑造新的组织结构和去除临时的特异性组织。在确定了铁死亡传播的机制后 ，研究人员选择了鸟类胚胎作为模型系统验证铁死亡在肌肉组织重塑中的作用。

结果发现，在使用 GPX4 抑制剂后观察到大规模的细胞死亡，特别是在肌肉重塑的关键区域。这些细胞死亡在时间和空间上与正常的肌肉发育过程密切相关。而在使用铁螯合剂的对照组中，细胞死亡显著减少，表明铁死亡促进了肢体的肌肉重塑。

▲铁死亡有助于在发育中的鸡后肢中塑造肌肉组织

小结

综上，这项研究表明，铁死亡通过ROS触发波的形式传播，能够在细胞群体中实现大规模细胞死亡。同时揭示了铁死亡在细胞重塑和器官形成中的潜在机制，为进一步探讨发育信号与铁死亡的相互作用提供了新的视角。

科研助力

Erastin 一种作用于线粒体 VDAC 的铁死亡激活剂，具有 ROS 和铁依赖性。Erastin 具有抗肿瘤活性，选择性作用于 RAS 致癌突变的肿瘤细胞。该产品在溶液中不稳定，建议现配现用。

RSL3 一种 GPX4 的抑制剂，抑制阻断 GSH 合成的 system xc- (IC50=100 nM)。RSL3 是一种不依赖 VDAC 的铁死亡激活剂，对携带致癌 RAS 的肿瘤细胞具有选择性。

DFO 一种铁螯合剂和铁死亡抑制剂。可将游离铁结合成稳定的复合物，减少铁的积累，也可以上调 HIF-1α 水平，诱导细胞凋亡。

FC 一种非运铁蛋白结合的铁的生理形式，会引起的细胞内铁超负荷从而导致细胞铁死亡，能增强蛋白质产生。

参考资料：

[1]Co, H.K.C., Wu, CC., Lee, YC. et al. Emergence of large-scale cell death through ferroptotic trigger waves. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07623-6