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线粒体在铁死亡（ferroptosis）中的作用：机制与肿瘤抑制意义
作者及机构
本研究由Minghui Gao（哈尔滨工业大学生命科学与技术学院）、Junmei Yi、Jiajun Zhu、Alexander M. Minikes、Prashant Monian、Craig B. Thompson（纪念斯隆-凯特琳癌症中心）和Xuejun Jiang（通讯作者，纪念斯隆-凯特琳癌症中心）共同完成，发表于2019年1月17日的《Molecular Cell》期刊（第73卷，354–363页）。
研究领域与动机
铁死亡是一种铁依赖性的调节性坏死（regulated necrosis），由脂质过氧化驱动，与多种疾病（如缺血性器官损伤、神经退行性疾病和癌症）密切相关。尽管代谢过程（如半胱氨酸和谷氨酰胺代谢）已被证明参与铁死亡，但线粒体是否在其中发挥核心作用仍存在争议。此前研究显示，铁死亡伴随线粒体形态改变（如嵴结构扩大），但线粒体DNA缺失细胞（ρ0细胞）对铁死亡的敏感性并未显著改变，导致学界对线粒体的功能角色争论不休。
研究目标
本研究旨在明确线粒体在铁死亡中的具体作用，并揭示其分子机制，尤其关注半胱氨酸剥夺诱导的铁死亡（cysteine-deprivation-induced ferroptosis, CDI）与谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）抑制诱导的铁死亡的差异。此外，研究还探讨了线粒体代谢酶延胡索酸水合酶（fumarate hydratase, FH）的肿瘤抑制功能是否与铁死亡相关。
1. 线粒体缺失模型的构建与铁死亡敏感性分析
- 研究对象：人纤维肉瘤HT1080细胞和小鼠胚胎成纤维细胞（MEFs）。
- 方法：通过过表达Parkin蛋白（一种线粒体自噬关键蛋白）联合线粒体解偶联剂CCCP处理，诱导线粒体清除（mitophagy），并通过Western blot（检测TOM20、TIM23蛋白）和Mitotracker染色验证线粒体清除效率。
- 实验设计：比较线粒体清除细胞与对照细胞在半胱氨酸剥夺或Erastin（System Xc⁻抑制剂）处理后的铁死亡敏感性（通过Sytox Green染色和流式细胞术检测细胞死亡）及脂质ROS积累（C11 BODIPY荧光探针）。
- 关键发现：线粒体缺失显著抑制CDI铁死亡和脂质ROS生成，且脂质ROS首先在线粒体富集，随后扩散至质膜。
2. 线粒体代谢途径的功能验证
- TCA循环的作用：通过补充TCA循环中间代谢物（如α-酮戊二酸、琥珀酸、延胡索酸、苹果酸）替代谷氨酰胺，验证其对CDI铁死亡的挽救能力。GC-MS代谢组学分析显示，谷氨酰胺缺失导致TCA循环代谢物（如α-酮戊二酸、延胡索酸）水平下降。
- 电子传递链（ETC）的作用：使用ETC复合物抑制剂（如鱼藤酮、抗霉素A、叠氮化钠）处理细胞，发现抑制ETC可阻断CDI铁死亡和脂质ROS积累。
3. 线粒体膜电位（MMP）的动态变化
- 方法：通过TMRE荧光探针实时监测MMP，发现CDI铁死亡伴随MMP超极化（hyperpolarization），而凋亡诱导剂引起MMP去极化。线粒体解偶联剂CCCP可阻断MMP超极化和铁死亡。
- 机制关联：谷氨酰胺分解（glutaminolysis）和TCA循环代谢物补充可恢复MMP超极化，表明线粒体代谢活性直接驱动铁死亡。
4. GPX4抑制诱导的铁死亡的线粒体非依赖性
- 实验设计：通过CRISPR/Cas9敲除GPX4或使用GPX4抑制剂RSL3诱导铁死亡，发现线粒体缺失或ETC抑制剂均无法阻断此类铁死亡，且谷氨酰胺非必需。
5. 延胡索酸水合酶（FH）突变与肿瘤耐药性
- 研究对象：FH突变型肾癌细胞（UOK262、UOK268）及其野生型FH回补细胞。
- 结果：FH突变细胞对CDI铁死亡抵抗，但外源补充苹果酸（FH下游代谢物）可恢复死亡敏感性。克隆形成实验证实FH突变细胞在应激条件下具有增殖优势。
科学价值
- 首次系统证明线粒体通过TCA循环和ETC主动促进CDI铁死亡，而非仅作为“旁观者”。
- 提出FH突变肿瘤的耐药性可能与铁死亡抵抗相关，为靶向代谢的癌症治疗提供新思路。
应用潜力
- 针对线粒体代谢（如谷氨酰胺酶抑制剂）或可增强肿瘤细胞对铁死亡的敏感性。
- FH突变癌症中联合铁死亡诱导剂与TCA循环干预策略值得探索。
其他价值
研究还提示，不同铁死亡诱导途径（如CDI vs. GPX4抑制）的机制差异需在治疗设计中谨慎考量，避免因依赖线粒体非依赖性途径导致耐药。