弗里德赖希共济失调模型中背根神经节铁死亡通路的解密：LKB1/AMPK、KEAP1和GSK3β在NRF2反应受损中的作用

作者及机构
本研究由西班牙莱里达大学医学基础科学系的A. Sanz-Alcázar、M. Portillo-Carrasquer、F. Delaspre等团队完成，通讯作者为Elisa Cabiscol。论文发表于2024年9月的《Redox Biology》期刊（卷76，文章编号103339），遵循CC BY-NC-ND 4.0许可协议。

学术背景
弗里德赖希共济失调（Friedreich ataxia, FA）是一种罕见的神经退行性疾病，由线粒体蛋白frataxin表达降低引起。frataxin参与铁稳态、能量代谢和氧化应激调控。近年研究发现，铁死亡（ferroptosis，一种铁依赖性脂质过氧化驱动的细胞死亡形式）与FA的细胞退化相关，但背根神经节（dorsal root ganglia, DRG）感觉神经元（FA最早且最严重受累的细胞）中的具体机制尚不明确。本研究旨在通过两种FA模型（原代培养的frataxin缺陷DRG神经元和FXNI151F小鼠DRG组织），揭示铁死亡的调控通路，重点关注NRF2（核因子E2相关因子2）反应的受损机制。

研究流程
1. 模型构建
- 原代DRG神经元模型：从新生Sprague Dawley大鼠分离DRG神经元，通过慢病毒转导靶向frataxin的shRNA（FXN1/FXN2）敲减frataxin至患者相似水平（20%-30%），对照组为无义序列（SCR）。
- FXNI151F小鼠模型：使用携带I151F突变（模拟人类I154F突变）的 homozygous小鼠，在症状出现前（21周）和症状明显期（39周）采集DRG组织。

1. 铁稳态与铁死亡标志物分析

   • 铁代谢相关蛋白：通过Western blot检测转铁蛋白受体1（TFR1）、铁蛋白重链（FTH1）、轻链（FTL）及血红素氧合酶1（HMOX1）。结果显示，frataxin缺陷导致TFR1上调、FTH1/FTL下降及线粒体铁积累（通过Mito-Ferro Green荧光探针证实）。
     
   • 抗氧化系统：检测胱氨酸转运体SLC7A11（系统xc⁻组分）、谷胱甘肽（GSH）及谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4），发现其表达均显著降低，伴随脂质过氧化（BODIPY C11探针检测）和蛋白质谷胱甘化增加。
     

2. NRF2调控通路解析

   • NRF2水平：Western blot及免疫荧光显示，frataxin缺陷导致NRF2总蛋白及核定位减少。
     
   • 负调控因子：KEAP1（Kelch样ECH关联蛋白1）表达上调，GSK3β（糖原合成酶激酶3β）在Thr216位点磷酸化（激活态）增加而Ser9位点磷酸化（抑制态）减少，促进NRF2降解。
     
   • LKB1/AMPK通路：Liver kinase B1（LKB1）及其下游AMPK（AMP激活蛋白激酶）磷酸化（Thr172）水平降低，SIRT1（LKB1激活剂）表达下降，进一步削弱NRF2活性。
     

3. AMPK激活干预实验
   使用特异性AMPK激活剂MT-6378处理原代神经元，结果显示：

   • AMPK磷酸化（Thr172）及GSK3β抑制性磷酸化（Ser9）恢复。
     
   • NRF2核转位增加，GPX4表达上调，脂质过氧化水平降低至对照组水平。
     

主要结果
1. 铁死亡特征：frataxin缺陷导致DRG神经元铁代谢紊乱（TFR1↑、FTH1↓、线粒体铁积累）、抗氧化防御系统（SLC7A11/GPX4/GSH↓）崩溃及脂质过氧化加剧，符合铁死亡标志。
2. NRF2调控机制：KEAP1上调与GSK3β激活共同促进NRF2降解，而LKB1/AMPK通路受损（LKB1↓→pAMPK↓→NRF2核转位↓）进一步削弱NRF2的抗氧化应答功能。
3. 治疗潜力：MT-6378通过激活AMPK，逆转NRF2抑制并减轻铁死亡，提示AMPK是FA潜在治疗靶点。

结论与意义
本研究首次系统阐明frataxin缺陷通过多重通路（KEAP1/GSK3β/LKB1-AMPK）导致DRG神经元NRF2功能受损，进而诱发铁死亡的分子机制。科学价值在于：
1. 机制创新：揭示LKB1/AMPK通路在FA中的新作用，补充了NRF2调控的复杂性。
2. 治疗靶点：MT-6378的干预效果为FA提供了新的治疗策略，尤其针对DRG早期退化。
3. 模型应用：原代神经元与FXNI151F小鼠的双模型验证增强了结果的可靠性。

研究亮点
1. 多通路整合：首次将KEAP1、GSK3β和AMPK通路共同纳入FA铁死亡调控网络。
2. 时空动态：在FXNI151F小鼠中观察到年龄依赖性蛋白表达差异（如FTL在21周上调而39周无差异），提示疾病进展中的代偿机制。
3. 转化医学：MT-6378的疗效直接关联临床转化潜力，为FA药物开发提供实验基础。

其他价值
研究还发现SIRT1下调可能通过乙酰化修饰影响LKB1活性，为后续表观调控研究提供方向。数据已通过公开补充材料共享，便于同行验证与拓展。