鐵死亡是一種由鐵誘導的脂質(zhì)過氧化介導的細胞死亡形式。鐵死亡抑制蛋白1（FSP1）通過生成抗氧化劑來抵御這種死亡，這一過程需要還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）作為輔因子。NADH通過在酶反應中充當輔因子參與各種細胞事件。目前已知的NADH作用涉及其可溶性形式，但NADH是否以顯著水平存在于細胞膜上以及膜NADH可能起什么作用尚未得到研究。

2025年4月14日，美國哈佛醫(yī)學院的研究團隊在《Cell》上發(fā)表了題為“ALDH7A1 protects against ferroptosis by generating membrane NADH and regulating FSP1”的研究論文，這項研究通過揭示細胞膜上以前未被發(fā)現(xiàn)的NADH“池”，加深了對NADH的基本理解，為理解FSP1的作用機制以及醛脫氫酶如何抵御鐵死亡提供了重要見解。

1. 細胞膜含有大量的NADH且膜NADH需要ALDH7A1活性

由于尚不清楚NADH在細胞膜上的存在水平，研究團隊檢測了各種細胞，發(fā)現(xiàn)膜NADH是一種普遍現(xiàn)象。醛脫氫酶（ALDHs）家族將底物中的醛基轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物中相應的羧基，涉及將煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）轉(zhuǎn)化為NADH。醛脫氫酶7A1（ALDH7A1）是該家族中高度保守的成員。研究團隊用針對ALDH7A1的小干擾RNA（siRNA）處理細胞，發(fā)現(xiàn)膜NADH優(yōu)先降低，膜NADH水平較高的細胞受到的影響更大。膜NADH需要ALDH7A1的催化活性來支持，因為通過表達野生型ALDH7A1而不是催化失活形式（E268Q），可以恢復針對ALDH7A1的siRNA降低的水平。此外，針對多種其他ALDH成員的siRNA并沒有降低膜NADH水平。因此，ALDH7A1在支持膜NADH水平方面顯示出特異性（圖1）。之前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)ALDH7A1在S102殘基上的磷酸化可以促進其膜定位。用S102A（阻止磷酸化）或S102D（模擬磷酸化）形式替換內(nèi)源性ALDH7A1，發(fā)現(xiàn)S102A表達降低了膜上的NADH水平，而S102D表達增加了膜上NADH水平。因此，ALDH7A1需要被招募到細胞膜上以支持膜NADH水平。

圖1 ALDH7A1活性是膜NADH水平的主要決定因素

（圖片源于《Cell》）

2. ALDH7A1支持FSP1活性

研究團隊進一步確定膜NADH的功能。在文獻檢索中，注意到FSP1已被發(fā)現(xiàn)可以預防鐵死亡，其作用涉及將泛醌還原為泛醌醇，這需要NADH作為輔因子。此外，FSP1僅在膜上具有活性。因此，團隊探索了ALDH7A1產(chǎn)生的膜NADH支持FSP1活性的可能性。他們發(fā)現(xiàn)，使用siRNA干擾ALDH7A1或FSP1與使用RSL3（GPX4抑制劑）誘導鐵死亡導致相似程度的細胞死亡和脂質(zhì)過氧化。他們證實了觀察到的細胞死亡是由鐵死亡引起的，因為它可以通過鐵死亡抑制劑來預防。接下來，他們探討了ALDH7A1對鐵死亡的保護作用是否與細胞表現(xiàn)出不同水平的膜NADH有關(guān)。酰基輔酶A（CoA）合成酶4（ACSL4）是合成多不飽和脂肪酸的關(guān)鍵酶。通過轉(zhuǎn)染MCF7細胞過表達ACSL4，發(fā)現(xiàn)ACSL4導致MCF7細胞對RSL3處理誘導的鐵死亡的敏感性增加。ACSL4過表達也導致RSL3處理更顯著地增加了膜NADH水平，這種增加依賴于ALDH7A1。此外，抗ACSL4的siRNA導致細胞死亡和脂質(zhì)過氧化減少，并降低膜NADH水平。因此，這些結(jié)果提示細胞膜NADH水平與細胞對鐵死亡的易感性程度相關(guān)。接下來，研究團隊尋找更多的直接證據(jù)，證明ALDH7A1是FSP1活性所必需的（圖2）。通過共沉淀實驗，他們發(fā)現(xiàn)ALDH7A1在MDA231細胞和其他多種細胞類型中與FSP1相互作用。使用CRISPR-Cas9敲除了ALDH7A1，發(fā)現(xiàn)生成的細胞在正常條件下甚至不能存活，而是需要用鐵抑制素1處理或重新表達ALDH7A1才能存活。

圖2 ALDH7A1通過FSP1抵抗鐵死亡

（圖片源于《Cell》）

3. ALDH7A1將FSP1招募到細胞膜上通過級聯(lián)信號調(diào)控FSP1活性

FSP1的募集需要ALDH7A1的存在，這需要ALDH7A1的膜結(jié)合（S102D）而不是可溶性（S102A）形式。RSL3處理增加的鐵死亡應激誘導MDA231細胞中內(nèi)源性FSP1的膜募集，這種募集被抗ALDH7A1的siRNA阻止。研究團隊進一步證實ALDH7A1的膜募集作用不需要其催化活性，因為催化失活的ALDH7A1的表達仍然支持RSL3處理將FSP1募集到膜上的能力。該突變體ALDH7A1的表達導致細胞膜NADH水平顯著降低。研究團隊試圖闡明鐵死亡應激如何通過ALDH7A1誘導FSP1的膜募集。用AMPK抑制劑處理細胞，可以阻止RSL3處理促進的FSP1膜募集。當細胞用抗AMPK的siRNA處理時，得到了類似的結(jié)果。相反，用AMPK激活劑處理，可導致FSP1被募集到膜上，而無需RSL3處理。為了進一步支持ALDH7A1介導AMPK調(diào)節(jié)FSP1募集的能力，團隊發(fā)現(xiàn)當內(nèi)源性ALDH7A1被S102A形式所取代時，AMPK的激活不再能夠誘導FSP1募集。相反，當內(nèi)源性ALDH7A1被S102D形式取代時，針對AMPK的siRNA不再能夠?qū)⒛?/span>FSP1重新分配到胞質(zhì)中。因此，這些發(fā)現(xiàn)揭示了一個信號級聯(lián)，通過ALDH7A1調(diào)節(jié)FSP1的膜募集。在鐵死亡應激誘導下，細胞ATP水平降低，激活AMPK磷酸化ALDH7A1，導致ALDH7A1定位于膜上，從而穩(wěn)定募集FSP1（圖3）。

圖3 信號級聯(lián)調(diào)節(jié)FSP1向膜的募集

（圖片源于《Cell》）

4. 對鐵死亡的易感性調(diào)節(jié)信號機制的激活

研究團隊注意到，FSP1的表達水平在很大程度上與細胞依賴FSP1預防鐵死亡的程度相關(guān)。然而，一些細胞，如H460，僅在誘導高水平鐵死亡應激時才表現(xiàn)出FSP1依賴性。因此，研究團隊探討闡明的信號機制是否可以為解釋提供線索。通常劑量的RSL3處理誘導的鐵死亡應激不能促進H460細胞中ALDH7A1或FSP1的膜募集。進一步分析發(fā)現(xiàn)，常規(guī)劑量的RSL3處理不能激活AMPK，而是需要高劑量的RSL3處理，這反映在AMPK的T172殘基磷酸化上。也需要更高劑量的RSL3處理來降低細胞ATP水平。這些結(jié)果表明，在H460細胞中，鐵死亡應激損害了降低細胞ATP水平的能力。為了進一步表征這一缺陷，研究團隊探討了在H460細胞中過表達ACSL4是否也會增加對鐵死亡應激的易感性。ACSL4過表達本身并不激活信號級聯(lián)。ACSL4過表達導致H460細胞更容易受到鐵死亡應激，這反映在標準劑量RSL3處理時細胞死亡增強。這種處理還降低了細胞ATP水平，并誘導FSP1向細胞膜募集。通過細胞死亡和脂質(zhì)過氧化評估，H460細胞的這種轉(zhuǎn)化導致它們更依賴于ALDH7A1和FSP1來抵抗鐵死亡。此外，這種依賴性的增加與更高水平的膜NADH相關(guān)。因此，這些結(jié)果為H460細胞如何依賴于FSP1來抵抗鐵死亡提供了一個微妙的解釋。由于ACSL4在正常情況下表達水平相對較低，因此它們對鐵死亡具有相對的抗性。然而，當面臨高水平的鐵死亡應激時，它們對FSP1的保護依賴變得明顯。

圖4 激活H460細胞中的信號級聯(lián)需要較高的鐵死亡應激

（圖片源于《Cell》）

綜上所述，這項研究發(fā)現(xiàn)了ALDH7A1預防鐵死亡的新方式，即促進膜NADH生成和調(diào)節(jié)FSP1向膜的募集。這一發(fā)現(xiàn)揭示了一種調(diào)節(jié)FSP1活性的信號機制，為理解FSP1的作用機制引入了一個新的方向。

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