撰文 | 風(fēng)

神經(jīng)退行性疾病是一組以認(rèn)知衰退和運(yùn)動(dòng)功能障礙為特點(diǎn)的疾病，其病理特征是神經(jīng)元的進(jìn)行性丟失。盡管神經(jīng)元 死亡是共同終點(diǎn)，但每種神經(jīng)退行性疾病都有獨(dú)特的病理標(biāo)志，同時(shí)也是致病驅(qū)動(dòng)因素和干預(yù)靶點(diǎn)【1】。在過去幾十年中，GWAS研究已經(jīng)鑒定這些疾病相關(guān)的遺傳易感因素，為揭示其分子機(jī)制和藥物篩選提供依據(jù)【2】。然而，神經(jīng)元丟失作為先顯著特征，尤其是驅(qū)動(dòng)細(xì)胞死亡的上游通路，仍未得到充分認(rèn)識(shí)，這也是治療方式開發(fā)的主要障礙。谷胱甘肽過氧化物酶 4（glutathione peroxidase 4， GPX4 ）是鐵死亡的核心調(diào)節(jié)因子【3】。鐵死亡是一種非凋亡性、鐵依賴性細(xì)胞死亡形式，廣泛涉及多種疾病發(fā)病機(jī)制。研究已經(jīng)證實(shí)GPX4的致病性變異與Sedaghatian 型脊柱干骺端發(fā)育不良（Sedaghatian-type spondylometaphyseal dysplasia， SSMD ）相關(guān)【4】。SSMD一種極罕見的常染色體隱性遺傳病，以嚴(yán)重神經(jīng)退行性變和骨骼異常為特征。盡管迄今為止僅有少數(shù)SSMD報(bào)道病例，但均與GPX4突變相關(guān)，凸顯了鐵死亡促進(jìn)神經(jīng)退行性疾病的重要作用【5】。然而，其中的細(xì)節(jié)仍需進(jìn)一步闡明。

近 日 ， 德國(guó)亥姆霍茲中心代謝與細(xì)胞死亡研究所 Marcus Conrad 團(tuán)隊(duì) 在Cell雜志上在線發(fā)表了 題為 A fin-loop-like structure in GPX4 underlies neuroprotection from ferroptosis 的 研究文章 。 該研究通過極罕見3名SSMD患者攜帶的GPX4蛋白R(shí)152H突變鑒定一個(gè)鰭環(huán)狀疏水性結(jié)構(gòu)介導(dǎo)GPX4的質(zhì)膜結(jié)合發(fā)揮抗鐵死亡作用，同時(shí)進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)鐵死亡調(diào)控在維持神經(jīng)元完整性中不可或缺的作用 。

團(tuán)隊(duì)在來自兩個(gè)不相關(guān)家庭的三名SSMD患者中發(fā)現(xiàn)共同的GPX4錯(cuò)義突變（c.455G>A; p.R152H），為研究SSMD的鐵死亡機(jī)制提供機(jī)會(huì)。影像學(xué)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)這三名患者表現(xiàn)出特征性骨骼異常和不同程度的小腦萎縮。另外，這種神經(jīng)退行性病變癥狀僅在純合子Gpx4 R152H 攜帶者中出現(xiàn)，但比雙等位基因截?cái)嘈?Gpx4突變患者癥狀溫和，表明GPX4的R152H突變嚴(yán)重?fù)p害但并未完全廢除其功能，可能揭示此前未被識(shí)別的GPX4調(diào)控機(jī)制。作者直接分離一名純合子患者及其雜合子父親的原代成纖維細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)只有純合子Gpx4 R152H 患者來源成纖維細(xì)胞表現(xiàn)出典型鐵死亡特征的快速細(xì)胞死亡，且可以被自由基捕獲抗氧化劑或鐵死亡抑制劑（liproxstatin-1）逆轉(zhuǎn)。將這些成纖維細(xì)胞在體外重編程為人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（hiPSCs）后通過神經(jīng)元祖細(xì)胞將 hiPSCs定向分化為大腦皮質(zhì)神經(jīng)元。盡管誘導(dǎo)效率無差別，但純合子來源的神經(jīng)元出現(xiàn)鐵死亡驅(qū)動(dòng)的細(xì)胞死亡。隨后，作者構(gòu)建 Gpx4 R152H 小鼠，該小鼠純合子致死，提示人類存在尚未確定的補(bǔ)償程序或抑制基因，使純合子Gpx4 R152H 個(gè)體能夠存活。為此，作者再次構(gòu)建 Gpx4 R152H/fl Rosa26CreER T2+/tg 小鼠，他莫昔芬誘導(dǎo)后小鼠出現(xiàn)GPX4敲除類似的腎小管上皮細(xì)胞廣泛死亡，提示R152H變異無法補(bǔ)償野生型GPX4的缺失?？傊?，這些數(shù)據(jù) 鑒定到GPX4的R152H變異引起的鐵死亡。

隨后的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)R152H變異并不改變細(xì)胞GPX4的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)水平，也不影響GPX4的酶活性。光譜和晶體結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)野生型GPX4蛋白在130殘基位置突出蛋白質(zhì)表面形成鰭狀環(huán)結(jié)構(gòu)，而R152H變異的GPX4蛋白此結(jié)構(gòu)塌陷，蛋白質(zhì)的其余部分未受影響，提示152位精氨酸對(duì)維持GPX4鰭狀環(huán)的重要作用?？紤]到GPX4的整體結(jié)構(gòu)未受影響且酶活性未改變以及鰭狀環(huán)結(jié)構(gòu)周圍的疏水性，作者推測(cè)鰭狀環(huán)結(jié)構(gòu)介導(dǎo)GPX4與膜的正確定位和結(jié)合。雙分子層與GPX4野生型和突變型滴定的光譜分析結(jié)果支持R152H突變引起的鰭狀環(huán)結(jié)構(gòu)塌陷顯著抑制GPX4與雙分子層結(jié)合。不僅如此，將130殘基位置附近的疏水性129號(hào)異亮氨酸和131號(hào)亮氨酸突變?yōu)橛H水絲氨酸時(shí)，雖然不影響GPX4整體結(jié)構(gòu)包括鰭狀環(huán)，但也能像R152H突變類似抑制GPX4與雙分子層結(jié)合，提示疏水性鰭狀環(huán)介導(dǎo)GPX4與膜的相互作用。值得注意的是，用賴氨酸替換R152（R152K）可以通過水介導(dǎo)的氫鍵部分恢復(fù)鰭狀環(huán)的穩(wěn)定性，表明即使在該位點(diǎn)進(jìn)行適度的結(jié)構(gòu)補(bǔ)償也足以維持功能并有效預(yù)防鐵死亡。緊接著，作者在穩(wěn)定表達(dá)野生型和R152H變異的GPX4敲除細(xì)胞系中使用差速離心進(jìn)行亞細(xì)胞器分離，免疫印跡證實(shí)質(zhì)膜富集的R152H突變GPX4蛋白顯著降低。超分辨率顯微鏡同樣發(fā)現(xiàn)R152H突變的GPX4蛋白膜結(jié)合能力受損?？傊?，這些數(shù)據(jù)表明 R152H突變阻礙GPX4的細(xì)胞膜定位，進(jìn)而損害其抗鐵死亡作用。

最后，作者構(gòu)建大腦前皮質(zhì)谷氨酸能神經(jīng)元特異性GPX4敲除和R125H引入小鼠模型（ Camk2aCreER T2+/tg Gpx4 fl/fl 和 Camk2aCreER T2+/tg Gpx4 R152H/fl ），發(fā)現(xiàn)小鼠均出現(xiàn)進(jìn)行性皮質(zhì)神經(jīng)退行性病變，但后者表型較為溫和呈現(xiàn)亞效性表型。神經(jīng)絲輕鏈（NfL）是一種軸突結(jié)構(gòu)蛋白，是血漿和腦脊液（CSF）中神經(jīng)元損傷的既定標(biāo)志物。作者檢測(cè)到GPX4缺失的確引起血漿Nfl水平增加。大腦流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)GPX4缺失導(dǎo)致CD45 + 免疫細(xì)胞浸潤(rùn)顯著增高，小膠質(zhì)細(xì)胞也處于活化狀態(tài)。為了將表型擴(kuò)展至皮質(zhì)神經(jīng)元之外，作者又構(gòu)建小腦特異性GPX4敲除小鼠模型（ L7Cre +/tg Gpx4 fl/fl ），發(fā)現(xiàn)GPX4缺失引起小鼠 異常步態(tài)并發(fā)展 為 明顯的共濟(jì)失調(diào)表型 ，病理分析發(fā)現(xiàn)浦肯野細(xì)胞明顯丟失。另外，蛋白質(zhì)質(zhì)譜分析表明神經(jīng)元GPX4缺失引起大腦阿爾茨海默病通路以及其他神經(jīng)退行性疾病通路顯著富集?？傊?GPX4缺乏與癡呆樣分子特征相關(guān)。

綜上所述，這 項(xiàng) 研究 解析三名極罕見常染色體隱性遺傳疾病SSMD患者中發(fā)現(xiàn)的純合子GPX4錯(cuò)義變異（p.R152H）的結(jié)構(gòu)和功能，揭示R152H突變通過破壞一個(gè)鰭狀疏水性環(huán)引起GPX4的質(zhì)膜結(jié)合能力缺陷，導(dǎo)致無法有效抑制鐵死亡。該研究為理解GPX4如何錨定在膜上阻止脂質(zhì)過氧化以及鐵死亡作為神經(jīng)退行性疾病的治療靶點(diǎn)提供理論依據(jù)。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.11.014

制版人： 十一

參考文獻(xiàn)

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