MYSM1

引言 组蛋白H2AK119位点单泛素化修饰（H2AK119Ub）是调节基因转录、DNA损伤修复和高阶染色质结构的关键表观遗传学标志。H2AK119Ub由泛素E3连接酶PRC1写入，并被USP3, USP12, USP16, USP21, USP22, USP46, PR-DUB and Mysm1等多种去泛素化酶擦除。其中，USP16是最早在2007年被鉴定到的H2AK119Ub核小体去泛素酶。USP16对H2AK119Ub的擦除在细胞周期M期进展、基因表达、干细胞自我更新和细胞衰老中至关重要。在阿尔茨海默症中，抑制USP16表达能逆转干细胞衰老和记忆丧失【1】。此外，基因定位在二十一号染色体的USP16在唐氏综合征（也称“21-三体综合征”）患者体内剂量依赖地过表达，导致干细胞缺陷等障碍【2,3】。尽管USP16具有很重要的生理与病理功能，但我们尚不清楚USP16催化H2AK119Ub核小体去泛素化的机制细节。 近期报道的H2AK119Ub被异源二聚体去泛素化酶PR-DUB选择性擦除的机制显示PR-DUB催化亚基BAP1和辅因子ASXL协同识别核小体H2A-H2B酸性区域、核小体DNA SHL 0和SHL 6，将BAP1的活性中心靶向H2AK119Ub的异肽键，进而切割泛素【4,5】。然而，USP16与PR-DUB分属不同的去泛素化酶家族（USP家族与UCH家族），且USP16以单亚基形式独立擦除H2AK119ub（BAP1需要ASXL激活），表明USP16通过一种独特的识别和催化机制去泛素化H2AK119Ub核小体。 2024年6月25日，清华大学化学系刘磊团队和上海交通大学潘漫团队在Nature Structural & Molecular Biology在线发表Structural and mechanistic basis for nucleosomal H2AK119 deubiquitination by single-subunit deubiquitinase USP16的研究文章，揭示了人源单亚基去泛素化酶USP16以一种不依赖于核小体酸性区域的独特模式识别和去泛素化H2AK119Ub核小体，展现出与PR-DUB完全不同的H2AK119Ub去泛素化机制。 本研究中，作者首先通过本团队2011年发展的多肽合成领域广泛使用的多肽酰肼法【6】、通过四片段分割法化学合成了具有天然异肽键链接的H2AK119Ub组蛋白（图1），并与其它三种核心组蛋白（H2B、H3、H4）组装成八聚体，随后缠绕601序列的DNA组装成H2A K119位点精准泛素化修饰的核小体。体外去泛素化实验表明，USP16在H2AK119Ub核小体底物而非组蛋白八聚体底物上具有泛素切割活性，表明USP16行使功能依赖完整的核小体结构。 图1. 天然异肽键的H2AK119Ub组蛋白的化学合成路线【7】（Credit: Nature Structural & Molecular Biology） 接着，为构建稳定酶-底物复合物，作者通过二溴丙酮方法合成了H2AK119Ub模拟物样品（图2）【8】，将泛素的羧基末端与H2A K119C的侧链通过烷基化反应连接起来，该链接形式可以耐受去泛素化酶的水解切割。 图2. 异肽键不可水解的H2AK119Ub组蛋白的化学合成【8】（Credit: Nature Structural & Molecular Biology） 随后作者将该不可水解的H2AK119Ub组蛋白组装成核小体，与人源全长USP16蛋白组装复合物，并通过冷冻电镜解析了整体分辨率为3.05 Å的1:1结合比例的复合物结构。在该结构中，USP16与H2AK119Ub核小体的相互作用主要分为三个部分：1) USP16的碱性残基R755和K272/K273分别识别核小体SHL 6.5和SHL 0 DNA；2) USP16与组蛋白H2A羧基末端尾巴和H2B羧基末端螺旋相互作用；3) USP16识别泛素分子上的L8、I36、I44和L71/L73互作热点区域。令人意外的是，USP16不与核小体上的染色质互作热点区域——H2A/H2B酸性区域产生相互作用。 综上，这项研究揭示了单亚基去泛素化酶USP16擦除H2AK119Ub修饰的独特机制，强调了H2AK119Ub去泛素化机制的多样性，为理解USP16的疾病相关突变提供了结构框架。 向期刊提交的封面概念图：核小体H2AK119Ub擦除模式的多样性，后方的起钉锤（PR-DUB）需要以木板（核小体H2A/H2B酸性区域）为支点拔出钉子（H2AK119Ub）；前方的钳子（USP16）不需要木板支撑即可拔出钉子（H2AK119Ub）（Credit: Nature Structural & Molecular Biology） 参考文献 https://www-nature-com.libproxy1.nus.edu.sg/articles/d41591-024-00013-5 责编|探索君 排版|探索君 文章来源|“BioArt” End 往期精选 围观 一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版） 热文 Cell | 是什么决定了细胞的大小？ 热文 Nature | 2024年值得关注的七项技术 热文 Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望 热文 CRISPR技术进化史 | 24年Cell综述

引言铁死亡（ferroptosis）是一种受控细胞死亡方式，驱动着许多疾病的病理生理过程，由哥伦比亚大学 Brent Stockwell 实验室于2012年发现并定义。在多种受控细胞死亡中均可检测到氧化应激，但只有铁死亡涉及脂质过氧化和铁依赖性。铁死亡起源于并传播至包括线粒体、内质网、高尔基体和溶酶体在内的多个细胞器。最近的研究表明，免疫细胞既能诱导铁死亡又能发生铁死亡。了解铁死亡如何调节免疫功能对于理解铁死亡如何调控免疫反应以及这一过程在疾病中的失调至关重要。从转化的角度来看，需要更多的工作来开发调控铁死亡的免疫疗法。2024年5月14日，密歇根大学邹伟平教授、Hannah N. Bell 及哥伦比亚大学 Brent R. Stockwell 在 Immunity 期刊发表了题为：Ironing out the role of ferroptosis in immunity 的综述论文。该综述重点讨论了铁死亡在免疫相关疾病中的作用，包括感染、自身免疫病和癌症，还讨论了铁死亡在免疫系统中的调节方式，这些调节是如何导致疾病发生，以及靶向铁死亡可能带来的新型治疗方法。细胞死亡是一种基本生物学过程，对于生存至关重要，它可以调节发育、组织稳态和疾病。受控的细胞死亡可以清除不需要的细胞以及因感染、突变或衰老而受损的细胞。对细胞死亡的空间、时间和机制进行调控是防止人类疾病的关键节点。受控的细胞死亡既可以是免疫刺激性的，也可以是免疫抑制性的，但总体目标是系统地移除那些应该死亡的细胞，而不伤害附近的细胞。免疫原性细胞死亡可以通过细胞表面膜蛋白的变化以及可溶性分子的释放来介导。这些信号共同刺激抗原呈递细胞（例如巨噬细胞和树突状细胞）将抗原呈递给T细胞，并诱导适应性免疫。不同类型的细胞死亡刺激如何导致不同的细胞表面标志物和分泌的蛋白质组的变化是一个活跃的研究领域。无论免疫原性如何，生存信号和死亡诱导信号之间的平衡失调是感染、自身免疫性疾病、癌症和生物体发育的标志。这种动态而灵敏的平衡对于免疫系统的生理调节也至关重要。非免疫细胞的受控细胞死亡调节免疫反应对病原体的反应，控制自身免疫引起的损伤，并调节抗肿瘤免疫。受控的免疫细胞死亡调节T细胞反应的丰富度和特异性，刺激抗病毒防御，调节炎症反应，调节免疫耐受，产生对抗肿瘤和病原体的保护性免疫。铁死亡（ferroptosis）是一种由铁、活性氧（ROS）和细胞膜脂质过氧化共同驱动的受控细胞死亡形式。虽然许多形式的细胞死亡都具有氧化特性，但铁死亡在形态学和分子水平上都与之不同。铁死亡细胞的线粒体萎缩，嵴减少，细胞体积减小，细胞核体积正常，并积累了膜脂过氧化物。细胞膜脂质过氧化是铁死亡的最终事件。与其他形式的受控细胞死亡不同，尚未发现任何普遍的铁死亡“执行基因”。铁死亡是由死亡促进信号与防御系统之间的复杂相互作用所调节的，这些信号通常是代谢性的，而一些防御系统则依赖于代谢物，例如半胱氨酸和谷胱甘肽（GSH）。 最近的研究也发现了一系列内源性铁死亡诱导剂。受控的细胞死亡对于组织和器官发育至关重要。在发育过程中，受控的细胞死亡通常被认为主要是通过细胞凋亡（apoptosis）实现的。然而，随着对铁死亡的研究日益深入，虽然铁死亡缺乏与细胞凋亡相关的典型的生化和遗传执行者，但它在发育过程中也发挥着作用。铁死亡在组织稳态中的新作用以及越来越多的证据支持铁死亡在许多病理过程中的作用，推动了最近的铁死亡研究热潮。铁死亡是由铁、活性氧（ROS）和易受氧化的脂质的积累所调控的一种细胞死亡方式。对抗铁死亡的主要机制是谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）的活性及其蛋白水平。GPX4是一种含硒蛋白，是GPX家族中唯一能够清除嵌入细胞膜的脂质过氧化物的成员。GPX4失活会导致多种细胞类型的脂质过氧化和细胞死亡。GPX4是防止铁死亡最终执行的关键蛋白质。脂质过氧化可由线粒体、溶酶体或内质网（ER）受损引起。线粒体是铁死亡的最终执行中不可或缺的枢纽。线粒体在多种受控细胞死亡形式中扮演着至关重要的角色，包括铁死亡、细胞凋亡和细胞焦亡。在细胞焦亡中，gasdermin D使线粒体通透性增加。在细胞凋亡中，线粒体外膜通透性增加释放细胞色素c并引发caspase激活。在铁死亡中，胱氨酸缺乏导致线粒体脂质过氧化累积，而抑制电子传递链则可防止脂质过氧化和铁死亡。理论上，线粒体可能是不同类型的受控细胞死亡之间调节和交互作用未被充分认识的节点。近年来的许多研究表明，铁死亡在多种疾病中发挥重要作用。在这篇综述中，作者们重点探讨了铁死亡与免疫之间的相互作用，以帮助我们更好地理解铁死亡在传染病、自身免疫性疾病和癌症中的意义。铁死亡作用机制铁死亡被定义为一种氧化性和铁依赖的细胞死亡形式。基因敲除GPX4也会诱导一种非凋亡的氧化性细胞死亡。GPX4和system xc-是铁死亡的主要防御蛋白。GPX4是唯一能清除嵌入细胞膜的脂质过氧化物的酶，对于细胞抵御脂质过氧化和细胞死亡至关重要。基因敲除或化学抑制GPX4可诱导铁死亡（图1A）。system xc-是主要的氨基酸转运蛋白，通过SLC7a11将L-半胱氨酸转入以交换谷氨酸（图1A）。胱氨酸在体内通过消耗烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）的还原反应转化为半胱氨酸，然后可用于合成GSH，这是一种重要的细胞抗氧化系统辅因子。降低胱氨酸的可用性或通过erastin阻断SLC7a11会导致铁死亡。铁死亡通过磷脂和醚类脂质中的多不饱和脂肪酸（PUFA）的过氧化来执行，这会导致膜通透性增加和铁死亡。酰基辅酶A（acyl-CoA）合成酶长链家族成员4（ACSL4）和卵磷脂酰基转移酶3（LPCAT3）在细胞膜中富集PUFA。基因敲除ACSL4或通过药物抑制ACSL4可诱导铁死亡抵抗（图1A）。该研究还着重介绍了几种在研究中常用的铁死亡人工诱导剂和抑制剂（图1A）以及内源性铁死亡防御系统（图1B）。最终阶段的铁死亡是膜磷脂中多不饱和脂肪酸（PUFA）的过氧化，导致膜通透性（图1C），产生大量脂质来源的亲电体（LDE）。铁死亡还可通过氧化脂质与相邻细胞质膜的相互作用在细胞间传递，产生波浪式的细胞死亡传播。该综述还介绍了各种细胞器调控铁死亡过程（图1C）。内质网是脂质过氧化的中心场所。内质网膜含有丰富的多不饱和脂肪酸-磷脂（PUFA-PL），这可能解释了其在铁死亡过程中驱动脂质过氧化的核心作用（图1C）。这表明膜脂过氧化有一个有序的进程，从内质网最初的过氧化开始，然后在细胞膜中积累。线粒体可能包含一个抑制铁死亡的途径，该途径由二氢乳清酸脱氢酶（DHODH）介导，线粒体还通过电子传递链驱动铁死亡（图1C）。实际上，抑制电子传递链或线粒体耗竭可以防止铁死亡，但不能防止由抑制GPX4引起的铁死亡。图1：铁死亡机制和位点 (Credit: Immunity)总的来说，铁死亡是由脂质组成、铁和半胱氨酸可用性以及铁死亡防御蛋白的活性和表达所调节的。铁死亡需要内源性代谢物，例如半胱氨酸、GSH和铁。目前尚不清楚体内的哪些因素决定了细胞是通过铁死亡还是其他类型的受控细胞死亡方式来死亡。此外，铁死亡不可逆转的阶段以及铁死亡诱导对其他受控细胞死亡类型的交叉调控的影响尚未充分研究。对不同细胞类型对铁死亡的敏感性，以及如何调节微环境因素以诱导或抑制铁死亡的治疗方法，还需要更多探索，驱动铁死亡的具体PUFA种类尚未完全阐明。这一研究领域的挑战在于难以在单细胞水平上描述铁死亡机制。尽管存在这些技术挑战，但铁死亡在免疫方面的研究仍然取得了重要进展。铁死亡在稳态中的作用有关铁死亡如何促进免疫系统的发育和稳态的研究尚不充分。最近有研究表明，人类造血干细胞（HSC）容易受到铁死亡的影响。这一发现始于对一种罕见的遗传性骨髓衰竭症的研究，该疾病是由MYSM1缺失引起的。MYSM1缺失会导致全局蛋白质翻译减少和可溶性铁增加，通过未知机制诱导HSC中的脂质过氧化和铁死亡，而抑制铁死亡可以挽救Mysm1−/−小鼠的HSC耗竭。然而，尚不清楚在其他干细胞衰竭模型中是否存在铁死亡增加的情况，以及MYSM1缺失如何使细胞对铁死亡敏感。尽管如此，这项工作表明，造血稳态可能通过铁死亡调节。与此相符的是，之前的一项研究表明，铁过载通过增加活性氧（ROS）抑制HSC的增殖，而铁螯合剂或铁死亡抑制可能有助于促进HSC的增殖。因此，通过抑制铁死亡，可能有助于治疗由辐射暴露、体细胞突变或获得性疾病（例如再生障碍性贫血和骨髓增生异常综合症）引起的骨髓衰竭。此外，还有研究显示预防铁死亡显著延缓了红细胞的成熟脱核过程。这些数据表明，铁死亡可能调控红细胞的发育。除了HSC的发育外，铁死亡在调节HSC功能方面的作用还不清楚。敲除HSC中的Gpx4基因并不抑制健康成年小鼠HSC的功能。HSC只有在饮食中缺乏维生素（一种亲脂性抗氧化剂）时才依赖GPX4。这表明HSC对铁死亡的敏感性是环境依赖性的，或者至少维生素E可以替代GPX4保护HSC免受铁死。因此，在使用铁死亡诱导剂作为治疗方法时，监测HSC可能有益。而铁死亡如何调节产生免疫细胞的干细胞的机制尚不清楚。铁死亡还对衰老有所贡献。随着年龄增长，大多数主要器官的铁死亡和不稳定铁都会增加。高脂肪饮食会增加衰老组织中的铁死亡，这可能促进衰老。例如，在秀丽隐杆线虫中，铁也会随着时间的推移而积累，这与年龄相关的GSH水平下降相结合，使线虫中的衰老细胞更容易发生铁死亡，而在线虫中阻断铁死亡可防止年龄相关细胞死亡，并延长其寿命和健康寿命，这提示了抑制铁死亡或可促进健康衰老。铁死亡还会影响巨噬细胞的生理功能。红髓巨噬细胞的噬红细胞作用会导致铁死亡，同时伴随着ROS、脂质过氧化和单核细胞从骨髓向脾脏的迁移。由于巨噬细胞介导的红细胞吞噬作用控制着红细胞的寿命，因此这种过程可能在生理上调节巨噬细胞的铁死亡。遗传学或药理学手段降低诱导型一氧化氮合酶（iNOS）的表达会增强经典激活的吞噬细胞对铁死亡的敏感性。在体内，经典激活的巨噬细胞比替代激活的巨噬细胞更能抵抗铁死亡，但在肿瘤微环境（TME）中的iNOS缺陷细胞中，这种抵抗力会降低。 这表明iNOS在肿瘤微环境中的巨噬细胞铁死亡中发挥作用。铁死亡在正常生理状态下如何调节巨噬细胞亚群的发育、功能和生存尚不清楚。总的来说，越来越多的证据表明，铁死亡在调控衰老、造血和巨噬细胞功能方面发挥着作用。然而，这些结果仍然是一个个孤立的岛屿，截至2023年底，铁死亡相关研究文献库已超过10000篇，这些研究主要基于疾病模型，尤其是癌症或感染方面。在生理学和病理学中，铁死亡都受到微环境和代谢的调节。了解铁死亡如何参与免疫稳态可能揭示出新的干预疾病甚至改善寿命的方法。铁死亡在感染免疫中的作用病原体利用受控细胞死亡来促进自身繁殖和生存。例如，乙型肝炎病毒（HBV）通过H3K27Me3修饰抑制SLC7a11表达，诱导肝细胞发生铁死亡，而过表达SLC7a11或使用Ferrostatin-1可挽救肝细胞免于铁死亡并防止急性肝功能衰竭。因此，在HBV感染中，诱导肝细胞铁死亡可能是主要的细胞死亡机制（图2A）。有趣的是，丙型肝炎病毒（HCV）本身对脂质过氧化敏感（图2A）。由于病毒蛋白酶直接受脂质过氧化物的调节，脂质过氧化限制了HCV的复制，从而可能在氧化性组织中阻止病毒复制并允许病毒持续存在。与这一观察相一致，通过化学方法诱导铁死亡可预防HCV复制，并增加对抗病毒药物的敏感性。无论是阻止还是诱导铁死亡是否会改变HBV或HCV在人体中的治疗进程尚未得到研究。此外，SARS-CoV-2感染会在COVID-19患者中引起铁死亡和细胞焦亡相关基因表达谱。是否是基因或表观遗传学上的SLC7a11表达或胱氨酸转运能力的降低导致了对病毒引起的组织损伤的易感性或对病毒感染的敏感性尚未得到研究。细菌病原体也可以利用铁死亡来诱导宿主细胞损伤并促进细菌繁殖（图2B）。例如，结核分枝杆菌（Mtb）等胞内病原体会降低GPX4的表达并增加游离铁、线粒体超氧化物和脂质过氧化，导致宿主细胞发生铁死亡（图2B）。此外，肺炎假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）等革兰氏阴性细菌会表达脂氧合酶，在人类支气管上皮细胞中引发铁死亡（图2B）。此外，真菌也可以促进宿主细胞的铁死亡。鉴于病原体在宿主细胞中诱导铁死亡，将铁死亡抑制剂与抗生素结合可能使免疫系统有效地抑制这种感染。铁死亡也调节机体对病原体的免疫反应。例如，硒补充剂可增加Tfh（滤泡辅助性T细胞）中的GPX4表达，降低其铁死亡潜力，从而改善流感免疫小鼠的抗体反应（图2B）。与此相符的是，特异性针对T细胞的GPX4缺陷小鼠无法对抗急性淋巴细胞性脑脊髓膜炎病毒或利什曼原虫的感染。这种免疫缺陷可以通过大剂量补充脂溶性抗氧化剂维生素E来预防，它可以保护GPX4-/- T细胞免受铁死亡的影响。然而，在不同的病原体感染免疫反应过程中，T细胞铁死亡何时发生以及如何发生，目前尚不清楚。图2：铁死亡在病毒和细菌免疫中的作用(Credit: Immunity)病原体如何利用铁死亡来促进自身生存，宿主生物体如何利用铁死亡来防止感染，这些都需要进一步研究。不同形式的细胞死亡如何相互调节并在感染过程中相互交流，目前尚不清楚。了解病原体如何引导目标细胞走向特定的细胞死亡命运，可能有助于开发新型抗生素或抗病毒药物。铁死亡在感染免疫中可能是一把双刃剑，因为不同的病原体可能被铁死亡限制或促进。因此，必须仔细研究病原体本身和宿主免疫系统如何对铁死亡调节剂作出反应，以实现有效的临床应用。铁死亡在自身免疫中的作用铁死亡会影响几种自身免疫性疾病的病理过程，包括炎症性肠病（IBD）、类风湿性关节炎（RA）、系统性红斑狼疮（SLE）和多发性硬化症（MS）（图3）。铁死亡参与了炎症性肠病（IBD）的发病机制，早在铁死亡概念确立之前，即1980年代，就有报道称溃疡性结肠炎（UC）患者的PUFA水平升高，这表明炎症会改变结肠的脂质组成。我们现在认识到，这种脂质变化可能会增加肠道上皮细胞对铁死亡的敏感性。除了溃疡性结肠炎（UC）外，克罗恩病（CD）的肠道上皮细胞也存在GPX4活性降低和脂质过氧化增加的情况。在GPX4基因缺失的小鼠中，采用富含PUFA的饮食治疗会导致中性粒细胞肉芽肿和肠炎。理论上，高PUFA饮食可能会与遗传因素相互作用，调节免疫性疾病患者的铁死亡。类风湿性关节炎（RA）是由关节液中占主导地位的细胞成分（例如激活的中性粒细胞和成纤维细胞）介导的关节功能逐渐恶化的疾病。 类风湿关节炎患者关节液中的中性粒细胞表现出较高的氧化应激，表现为高水平的活性氧、羟基自由基和脂质过氧化。在类风湿关节炎小鼠模型中，使用铁死亡诱导剂erastin治疗可减少关节液中的成纤维细胞数量，其与肿瘤坏死因子（TNF）拮抗剂etanercept的联合治疗可减缓关节炎的进展。然而，目前缺乏针对特定细胞类型进行铁死亡调节药物的靶向研究。自身免疫性疾病中铁死亡的失调并不仅限于炎症性肠病（IBD）和类风湿性关节炎（RA）。在实验性自身免疫性脑脊髓炎（EAE）小鼠模型中，这是一种小鼠多发性硬化症（MS）模型，小鼠大脑和脊髓的GPX4和SLC7a11的含量减少，同时脂质过氧化增加。EAE小鼠具有铁死亡引起的异常神经元线粒体形态。抑制铁死亡或降低ACSL4表达改善了EAE小鼠模型的表型，减少了神经元死亡，并减少了神经炎症。这表明铁死亡在介导多发性硬化症中枢神经系统损伤中发挥作用。很少有研究探究过铁死亡是如何在系统性红斑狼疮（SLE）中被诱导的。从患有狼疮性肾炎的患者或小鼠中分离出的肾脏显示出增加的脂质过氧化和ACSL4表达增加。狼疮性肾炎患者的血清会增加人近端肾小管细胞对铁死亡的敏感性，这表明一种血清因子可能会传播狼疮性肾炎。SLE的损伤也可能通过中性粒细胞的铁死亡来介导。从SLE小鼠模型或SLE患者中分离出的中性粒细胞会经历增加的铁死亡。自身抗体和IFNα会增强一种转录调控因子与GPX4启动子的结合，从而导致GPX4表达减少，最终导致脂质过氧化增加。此外，具有GPX4一个等位基因缺失的小鼠会出现自身抗体、中性粒细胞减少症、皮肤病变和蛋白尿，这些都是人类SLE的症状。给易感小鼠使用铁死亡抑制剂可降低疾病的严重程度。因此，中性粒细胞铁死亡可能在SLE的病理中发挥作用。此外，在一种自身免疫性皮肤病——银屑病中，ACSL4在表皮的银屑病病变部位上调表达，促进脂质底物的产生，供脂质过氧化作用使用。这会激活铁死亡，进而引发炎症反应。通过抑制铁死亡，可以抑制铁死亡相关的改变，防止在小鼠模型中出现的皮炎。这些数据表明，铁死亡在银屑病中发挥作用。图3：铁死亡在自身免疫性疾病中引起损伤(Credit: Immunity)总的来说，自身免疫性疾病与不同细胞类型的脂质过氧化和铁死亡增加有关。靶向铁死亡可能是自身免疫性疾病的一种有潜力的治疗选择。铁死亡在肿瘤免疫中的作用最近的研究揭示了铁死亡在抗肿瘤免疫中的作用。T细胞通过几种机制诱导癌细胞发生细胞凋亡，包括Fas和Fas-ligand通路以及穿孔素-颗粒酶通路。两种途径都会激活半胱氨酸蛋白酶，导致细胞凋亡（图4A）。 T细胞还可以诱导一种受控细胞死亡方式——细胞焦亡（图4B）。自然杀伤（NK）细胞和细胞毒性T淋巴细胞（CTL）分泌的颗粒酶A（Granzyme A）可以通过细胞焦亡杀死细胞。颗粒酶A切割gasdermin B，释放其在细胞膜上打孔的能力。gasdermin B在一些源自消化道的肿瘤中高度表达。这表明，由颗粒酶A诱导的细胞焦亡可能是某些肿瘤的重要抗肿瘤免疫机制。值得注意的是，杀伤细胞可以通过直接切割gasdermin E来激活Caspase非依赖性细胞焦亡。有趣的是，激活的T细胞产生的IFNγ与肿瘤微环境（TME）中的特定脂肪酸结合可以诱导肿瘤细胞发生铁死亡（图4C）。IFNγ可以由多种免疫细胞亚群释放，如辅助性T细胞（Th1细胞）、自然杀伤细胞（NK细胞）和自然杀伤T细胞（NKT细胞）。因此，产生IFNγ的免疫细胞可以在特定的富含脂肪的微环境中触发细胞铁死亡。鉴于大多数铁死亡研究使用合成化学诱导剂（例如RSL3和erastin），将IFNγ和脂肪酸识别为内源性铁死亡诱导剂为理解体内铁死亡提供了关键信息，未来研究中可能还会发现其他潜在的内源性铁死亡诱导剂。图4：铁死亡在肿瘤免疫中的相关通路 (Credit: Immunity)肿瘤铁死亡可促进癌症免疫和免疫治疗。免疫治疗可刺激CD8+T细胞产生IFNγ。一方面，IFNγ降低了system xc-（SLC3A2和SLC7A11）的表达，从而降低了肿瘤细胞摄取半胱氨酸的能力，破坏了肿瘤细胞的谷胱甘肽（GSH），从而使肿瘤细胞对铁死亡敏感。另一方面，IFNγ在存在亚油酸和其他脂肪酸的情况下刺激ACSL4表达，并改变肿瘤细胞的脂质谱，从而增加C16和C18酰基磷脂中亚油酸的整合，并诱导肿瘤细胞发生铁死亡。因此，肿瘤浸润的T细胞可以通过多种机制诱导肿瘤细胞发生铁死亡。肿瘤中高表达半胱氨酸转运机制和低水平的ACSL4与不良癌症患者预后相关。因此，在免疫检查点阻断（ICB）的同时诱导铁死亡可能是一种潜在的治疗方法。同样，CD8+T细胞可以通过IFNγ使癌症细胞对基于顺铂的化疗敏感。顺铂可被谷胱甘肽（GSH）螯合，随后GSH-顺铂复合物从肿瘤细胞中排出，导致肿瘤对化疗产生抗药性。IFNγ抑制system xc-，降低肿瘤相关成纤维细胞中的半胱氨酸和GSH含量。这导致肿瘤细胞中的细胞内GSH含量降低，GSH-顺铂复合物形成减少，细胞内铂累积增加，肿瘤杀伤增加。铁死亡也介导由肿瘤放疗引起的肿瘤细胞死亡。放疗激活的共济失调毛细血管扩张突变（ATM）与IFNγ协同作用，抑制肿瘤细胞中SLC7A11的表达和胱氨酸的摄取。这导致肿瘤细胞铁死亡增加，并通过放疗改善肿瘤控制。树突状细胞（DC）中内质网应激反应因子X-盒结合蛋白（XBP1）的激活通过驱动异常脂质积累来抑制抗肿瘤免疫。这种脂质积累抑制树突状细胞和T细胞之间的相互作用。沉默树突状细胞中的XBP1改善了其抗肿瘤功能和免疫刺激树突状细胞功能。这暗示了靶向ER应激反应途径可能有助于增强抗癌免疫功能并直接导致肿瘤细胞死亡。总的来说，铁死亡是肿瘤细胞免疫杀伤的一种新兴机制。粒细胞铁死亡在肿瘤微环境中的作用是一个正在发展的研究领域。在小鼠胶质瘤模型中，从脑肿瘤中分离出的粒细胞通过铁死亡杀死肿瘤细胞。粒细胞通过胞质小泡将髓过氧化物酶转移到肿瘤细胞中，从而在肿瘤细胞中诱导脂质过氧化产物。在人胶质瘤中，铁死亡与坏死相关，并预示着不良生存结果。理论上，铁死亡可能驱动脑肿瘤的坏死，并具有促肿瘤生成的作用。然而，铁死亡、坏死和凋亡途径之间的交叉作用以及它们如何影响对肿瘤的免疫反应尚不清楚。吞噬细胞清除铁死亡细胞的机制目前还不清楚。铁死亡细胞表面的一个关键吞噬信号是氧化磷脂1-棕榈酰-2-十五碳-羟基磷脂酰乙醇胺（SAPE-OOH）。添加SAPE-OOH可以增强巨噬细胞通过Toll样受体2（TLR2）介导的对铁死亡细胞的吞噬作用。在体内乳腺肿瘤小鼠模型中，TLR2对于清除铁死亡细胞也至关重要。有必要进一步研究SAPE-OOH的调节机制，以及这一TLR通路是否具有免疫原性或免疫抑制性。铁死亡性肿瘤细胞可能会调节免疫细胞在肿瘤微环境中的浸润和活性。树突状细胞是专性抗原呈递细胞，铁死亡性癌细胞如何影响树突状细胞功能和肿瘤免疫反应尚不明确，之前的研究往往相互矛盾。免疫细胞亚群的铁死亡可能改变肿瘤微环境中的免疫反应。最近的一项研究表明，粒状髓源性抑制细胞（G-MDSC），即中性粒细胞，在肿瘤微环境中对铁死亡敏感。这些铁死亡的中性粒细胞会释放氧化脂质，限制T细胞的活性。另一方面，还有研究表明，肿瘤浸润的中性粒细胞对铁死亡有抵抗力。从机制上讲，肿瘤浸润的中性粒细胞会产生衣康酸，防止铁死亡，使中性粒细胞在肿瘤微环境中存活下来。值得注意的是，与铁死亡无关，肿瘤相关G-MDSC（即中性粒细胞）已被证实是免疫抑制的实体。目前缺乏关于肿瘤微环境中凋亡、铁死亡或存活的中性粒细胞是否具有不同免疫抑制作用的直接比较。因此，得出铁死亡中性粒细胞可能具有免疫抑制作用的结论，进而得出肿瘤微环境铁死亡具有免疫抑制和肿瘤促进作用的结论是误导性的。相反，TME的环境和细胞组成很可能是决定铁死亡是免疫抑制还是免疫原性的关键因素。这给通过诱导铁死亡来抑制肿瘤生长带来了额外的复杂性，因为其他细胞类型也容易发生铁死亡，可能会抑制抗肿瘤免疫。目前，在不进行基因修饰的情况下，无法在特定细胞类型中诱导铁死亡，但在将铁死亡诱导作为广泛应用的抗癌策略之前，可能需要针对特定细胞类型进行靶向。同样，在诱导癌症凋亡和焦亡用于治疗时也存在类似的考虑。除了中性粒细胞外，在不同的环境中还观察到了T细胞亚群的铁死亡现象，包括在肿瘤中。有趣的是，即使在激活后，人类淋巴细胞的半胱氨酸转运活性也出奇地低。在T细胞受体信号通路激活后，Treg细胞中GPX4的缺失导致脂质过氧化和铁死亡。正如预期的那样，消除Treg细胞中的GPX4会抑制肿瘤生长并增强抗肿瘤免疫。相比之下，消除CD8+T细胞中的GPX4会导致抗原刺激的T细胞扩增失败，并降低病原体免疫力。这归因于CD8+T细胞中快速积累的膜脂过氧化物和铁死亡。消除T细胞中的GPX4也会阻止Tfh细胞的产生和生发中心反应的发生，这可能限制了抗体反应。总的来说，这些数据表明GPX4对于保护T细胞免受脂质过氧化和铁死亡至关重要。值得注意的是，虽然体外T细胞增殖依赖于system xc-，但system xc-在体内T细胞增殖和对肿瘤的原发性和记忆性免疫反应中似乎并不必要，可能T细胞外的胱氨酸的重要性可以通过其他机制得到补偿。然而，与GPX4缺失引起的铁死亡相比，胱氨酸耗竭或xCT抑制引起的铁死亡的差异尚未得到充分阐明。肿瘤细胞通常有异常调控的脂质产生。这种调控紊乱如何介导肿瘤细胞的铁死亡或抗肿瘤免疫反应尚不为人所知。据报道，浸润肿瘤的T细胞会积累脂质。这种积累依赖于CD36，这是一种氧化脂质的清道夫受体。敲除CD36使T细胞在肿瘤中的效应功能与野生型T细胞相比得以维持。CD36促进氧化低密度脂蛋白进入T细胞，从而引发脂质过氧化。消除CD36在效应CD8+T细胞中的作用会导致细胞毒性细胞因子的增加和肿瘤清除率的提高。因此，阻断CD36或抑制CD8+T细胞中的铁死亡可能有助于恢复抗肿瘤免疫功能，并可能提高免疫检查点阻断（ICB）的疗效。肿瘤微环境（TME）中与铁死亡调控相关的基因的功能重要性正在逐渐被揭示。然而，仍有许多未解之谜：铁死亡在何种背景下具有免疫原性；经历铁死亡的细胞中存在哪些损伤相关分子模式；哪些TME细胞启动对铁死亡细胞的反应；随着时间的推移，如何促进对肿瘤的免疫反应；TME中不同死亡途径之间可能存在何种交叉作用；如何优化促进铁死亡和抑制铁死亡的药物，以在肿瘤抑制中实现帮助与伤害的平衡？解答这些问题将揭示肿瘤微环境中铁死亡的本质，并识别出新的癌症治疗模式。靶向铁死亡的治疗方法目前还没有任何用于治疗传染病的调控铁死亡的药物。初步研究表明，诱导细菌铁死亡可能导致开发出一类新的抗生素。用含铁硫酸盐的水凝胶治疗可产生多种活性氧、脂质过氧化和铁死亡，对金黄色葡萄球菌（S. aureus）有效。此外，亚油酸可诱导金黄色葡萄球菌脂质过氧化和死亡。从机制上讲，亚油酸被氧化并改变细菌的大分子结构，引起毒性。使用抗氧化剂可防止金黄色葡萄球菌在接触亚油酸后死亡。因此，在细菌中诱导铁死亡可能有助于治疗对传统抗生素产生抗药性的感染，并为开发新型抗生素提供了一种方法。针对炎症性疾病的进展，人们已经研究了通过饮食调节来抑制铁死亡的机制。 一些研究表明，抗氧化剂并不能改变类风湿性关节炎（RA）的炎症指标。然而，半胱氨酸供体N-乙酰半胱氨酸（NAC）改善了风湿性关节炎（RA）和系统性红斑狼疮（SLE）的临床表现。硒补充剂改善了风湿性关节炎（RA）患者的健康状况评分，与安慰剂组相比，并使粒细胞的氧化应激标志物恢复正常，改善了银屑病患者的临床状况。当前的文献并未就通过饮食调节铁死亡来预防自身免疫性疾病的病理机制达成共识。 了解铁死亡的参与时间、参与细胞类型以及铁死亡的分子途径，对于实现转化影响至关重要。临床前研究表明，靶向肿瘤铁死亡途径是一种有前途的抗癌治疗策略。事实上，在抗癌药物筛选中发现了铁死亡诱导剂——erastin。在小鼠弥漫性大B细胞淋巴瘤模型中，强效铁死亡诱导剂erastin治疗可导致谷胱甘肽（GSH）耗竭、脂质过氧化增加，并减缓肿瘤生长。由于半胱氨酸对某些氧化条件下的癌细胞生存至关重要，因此体内使用半胱氨酸酶（可耗竭胱氨酸和半胱氨酸）可抑制肿瘤生长。索拉非尼是晚期肝细胞癌（HCC）的一线药物。一些研究表明，索拉非尼可诱导铁依赖的铁死亡肿瘤细胞死亡。SLC27A5在索拉非尼耐药性HCC中表达下调。SLC27A5参与脂肪酸延长和复杂脂质合成，其缺乏可抑制铁死亡并促进索拉非尼耐药性。然而，最近也有研究质疑索拉非尼是否确实诱导铁死亡。如上所述，免疫细胞亚群在肿瘤微环境中受到铁死亡的调节。铁死亡诱导药物可能会在肿瘤微环境中不加区分地诱导癌细胞和其他细胞（例如免疫细胞）发生铁死亡。 最近的药物筛选发现，一种以前未被研究过的小分子N6F11可以特异性地降解癌细胞中的GPX4，但不会降解树突状细胞、T细胞和NK细胞。 使用N6F11治疗可诱导癌细胞发生铁死亡，并增强胰腺肿瘤对免疫检查点阻断（ICB）的响应，仍有待评估N6F11如何实现肿瘤特异性靶向。鉴于增加的微环境铁可介导铁死亡，可以使用磁场将氧化铁递送到肿瘤微环境中以触发肿瘤细胞铁死亡并抑制肿瘤进展。将铁死亡诱导与已建立的癌症治疗方法（例如免疫疗法、放疗和化疗）相结合，已在实验中得到评估。目前正在积极探索几种诱导肿瘤铁死亡的方法。仿生磁性纳米粒子可产生温和的免疫反应，并改善小鼠转移性乳腺癌模型中的免疫疗法效果。另一种潜在的方法是将热能、铁死亡和免疫疗法结合起来。一种含有嵌入金纳米棒和氧化铁纳米粒子的凝胶递送治疗平台可实现靶向光热疗法和铁死亡，以触发固有免疫和适应性免疫。最近，一种新型的六酶共表达纳米平台，包括脂氧合酶和磷脂酶A2共负载FeCo/Fe-Co双金属原子纳米酶，诱导初始铁死亡和上调花生四烯酸的表达，并与IFNγ协同诱导免疫原性铁死亡。通过耗竭半胱氨酸、间歇性甲硫氨酸剥夺、抑制system xc-或靶向GPX4等方式诱导铁死亡，可以提高免疫检查点阻断（ICB）在肿瘤动物模型中的治疗效果。有趣的是，人类肥胖与对免疫检查点阻断（ICB）的增强反应有关，这种现象被称为“肥胖-免疫疗法悖论”。这一悖论可能部分得到解释，因为ICB激活的免疫细胞通过IFNγ与微环境中的脂肪酸合作，促进和诱导癌症铁死亡。尚未有直接证据表明肥胖癌症患者具有独特的脂质组。然而，脂肪酸、血清和粪便特征确实与癌症患者的ICB疗效相关。因此，虽然尚未直接证明，但肥胖癌症患者可能表现出有利于免疫诱导肿瘤铁死亡的脂质代谢。总的来说，当前的基础和转化研究为传染病、自身免疫性疾病和癌症的铁死亡疗法的发展提供了理论依据。总结及未来研究方向有令人信服的证据表明，铁死亡参与调节免疫反应。 包括system xc-、GPX4、脂质过氧化和解毒系统、ACSL介导的脂肪酸激活、FSP1-辅酶Q10系统和与线粒体相关的DHODH途径在内的几种分子途径可以调节铁死亡。与细胞凋亡和细胞焦亡不同，铁死亡尚未发现有明确的执行基因。 这不仅凸显了不同类型调控性细胞死亡机制之间的差异，而且也凸显了在生理和病理条件下进一步理解铁死亡促进和抑制信号以及环境背景之间关系的必要性。目前的研究表明，多种细胞器参与了铁死亡过程。在不同的实验条件下，已经研究了铁死亡过程中线粒体、内质网、高尔基体、溶酶体和细胞膜的作用，但还需要明确特定细胞类型、时机、诱因、微环境因素和干预点。不同的铁死亡调节因子会改变不同的细胞器，有些是通过线粒体，有些是通过内质网，有些是通过高尔基体。然而，无论通过哪种细胞器途径，铁死亡的最终不可逆转的机制可能是由于脂质过氧化导致的细胞膜损伤。线粒体可能是作为细胞死亡的诱导中心和不同细胞死亡途径之间的通信枢纽。进一步阐明免疫系统在调控铁死亡过程中所采用的精确分子和细胞调节机制将是很重要的。在特定脂肪酸的存在下，效应T细胞会抑制system xc-并通过IFNγ刺激ACSL4来促进和诱导肿瘤细胞铁死亡。这有助于T细胞杀死肿瘤细胞和免疫检查点阻断。基于这些发现，可以推断出，在感染和自身免疫性疾病的疾病微环境中，激活的免疫细胞，如T细胞、NK细胞和NKT细胞，也可能诱导铁死亡。铁死亡会产生从过氧化脂质到次级电活性氧化断裂物种的数千种多样化脂质过氧化副产物。众所周知，某些脂质物种可能会与蛋白质形成共价加合物并附着在生物分子上。一方面，这可能产生潜在的新抗原，为利用这些新抗原对抗癌症提供机会。另一方面，这些由脂质过氧化引起的新抗原可能会通过自抗原交叉反应刺激自身免疫反应。因此，对氧化脂质与蛋白质在铁死亡过程中相互作用的研究可能为铁死亡生物学研究带来新的见解。最后，氧化应激是各种调控性细胞死亡形式的共同特征，包括铁死亡、细胞凋亡和细胞焦亡。然而，磷脂过氧化是铁死亡特有的。铁死亡的独特特征为进一步调节细胞死亡提供了额外的途径。由细胞代谢、免疫应激和治疗干预引起的线粒体和内质网应激可能是不同形式的调控性细胞死亡相互作用的交叉点。所有形式的细胞死亡最终都会导致细胞膜的分解和细胞溶解，但导致这一结果的触发途径却大相径庭。铁依赖性和脂质过氧化是铁死亡特有的。功能上，细胞凋亡的作用最初主要是在组织和细胞分化过程中定义的，而细胞焦亡则在感染控制中发挥着重要作用，铁死亡则介于两者之间，在维持稳态和建立自身免疫性、病原性和肿瘤方面发挥着日益重要的作用。未来的研究方向将是探索不同形式的受控细胞死亡之间的相互作用是否、如何以及何时决定感染性疾病、自身免疫性疾病和肿瘤的命运。原文链接https://www-cell-com.libproxy1.nus.edu.sg/immunity/fulltext/S1074-7613(24)00140-7责编|探索君排版|探索君文章来源|“生物世界”End往期精选围观一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版）热文Cell | 是什么决定了细胞的大小？热文Nature | 2024年值得关注的七项技术热文Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望热文CRISPR技术进化史 | 24年Cell综述

身体不断地用新的红细胞和白细胞补充血液，这要归功于一个名为造血干细胞（HSC）的小而重要的细胞群体。如今，在一项新的研究中，来自美国布罗德研究所、波士顿儿童医院和达纳-法伯癌症研究所的研究人员发现，人类造血干细胞特别容易受到铁死亡（一种由铁引发的细胞死亡）的影响。相关研究结果发表在2023年2月16日的Cell期刊上，论文标题为“Human hematopoietic stem cell vulnerability to ferroptosis”。科学家们主要在癌细胞中研究铁死亡，然而这项新的研究是首次发现正常细胞类型也容易受到这种形式的细胞死亡的影响。这一研究结果还指出了正在开发的促进铁死亡以杀死癌细胞的药物的潜在副作用。他们还提出了治疗由造血干细胞水平低下引起的血液疾病的新策略。这些作者首先在一种罕见的骨髓疾病中发现了造血干细胞的这种铁死亡易感性，但是惊讶地发现健康的造血干细胞也有这种特征。他们还发现，这种易感性源于这些细胞的蛋白生产速度下降。论文通讯作者、布罗德研究所研究员Vijay Sankaran说，“这是一个很好的例子，一种罕见疾病可以教会我们更多关于基本生物学过程的知识，否则我们不会发现这些知识。这确实强化了为什么研究罕见疾病可以教会我们一些有广泛价值的东西。”铁死亡特征Sankaran实验室致力于了解遗传学如何影响造血，其中大部分研究工作集中在造血干细胞如何发挥作用以及在疾病中如何出现功能障碍。他们首先关注的是一种骨髓疾病，在这种疾病中，患者缺乏一种名为MYSM1的酶，该酶能修饰组蛋白，即帮助缠绕细胞中长链DNA的结构蛋白。携带两个损坏的MYSM1基因拷贝的患者，随着时间的推移，会失去所有的造血干细胞，但科学家并不确定其中的原因。这些作者利用基因组编辑，产生了具有两个损坏的MYSM1基因拷贝的人类造血干细胞。这些干细胞显示出应激的迹象，并产生较少的血红素，即一种关键的含铁化合物。它们产生能够保护自己免受铁死亡影响的蛋白的速度也较慢，并显示出铁死亡的常见迹象，如线粒体萎缩和某些脂质特征，这些特征由Clary Clish和布罗德研究所代谢组学平台的其他人进行分析。此外，他们发现，关闭细胞中的铁死亡可防止它们的死亡，这表明铁死亡可能是这种疾病中造血干细胞丧失的基础。临床策略令他们惊讶的是，这些作者发现在所有造血干细胞和造血祖细胞中，即使是健康的造血干细胞，也特别容易受到铁死亡的影响，这表明对于影响造血干细胞的疾病，有一系列潜在的治疗策略。图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.01.020。科学家们有可能使用阻断铁死亡的药物来帮助造血干细胞增殖并治疗其他更常见的骨髓疾病，如再生障碍性贫血和范可尼贫血。类似的策略可能帮助保持造血干细胞在实验室中的功能。一些基因疗法涉及从身体中移除造血干细胞，在实验室中对它们进行改造，然后将它们放回体内来治疗某些疾病。目前，科学家们只能在体外维持造血干细胞几天的时间；如果阻断铁死亡使它们存活更长时间，科学家们可能有更多时间在实验室里对它们进行基因改造。相反，这项新的研究还表明，科学家们在开发旨在通过诱导铁死亡杀死癌细胞的癌症疗法时，应仔细监测他们的治疗，以避免造血干细胞的损失和新血细胞产生受损。下一步，Sankaran计划探索造血干细胞在其他疾病中如何对铁死亡敏感，以及其他细胞中蛋白产生和铁死亡之间的联系。Sankaran说，“我认为这些发现将把各种不同群体的人聚集在一起。这是我们真正看到铁死亡发挥作用的首批例子之一，不仅在癌细胞中发挥作用，而且在体内的一种正常细胞类型中也发挥作用。”参考资料：Jiawei Zhao et al. Human hematopoietic stem cell vulnerability to ferroptosis. Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.01.020.