Cell Res | 四川大学贾大团队发现FSP1氧化NADPH抑制铁死亡

铁死亡是一种非凋亡性细胞死亡形式，其特征是铁依赖性脂质过氧化物的积累和细胞膜的氧化损伤。

2023年9月22日，四川大学贾大团队在Cell Research（IF=44）在线发表题为“FSP1 oxidizes NADPH to suppress ferroptosis”的研究论文，该研究发现FSP1可以通过氧化NADPH抑制铁死亡。

另外，2023年1月2日，四川大学贾大、张小虎、莫显明及首都医科大学李巍共同通讯在Signal Transduction and Targeted Therapy（IF=38）在线发表题为“SCGN deficiency is a risk factor for autism spectrum disorder”的研究论文，该研究表明SCGN缺陷是自闭症谱系障碍的危险因素。该研究确定了促泌素(SCGN)，一种突触传递的调节因子，作为ASD的一个新的风险基因。在ASD先证物中出现了两个SCGN的杂合功能缺失突变。斑马鱼或小鼠中Scgn的缺失会导致类似自闭症的行为，并损害大脑发育。在这两种动物模型中，Scgn缺乏在机制上破坏催产素信号，并异常激活炎症。携带Scgn突变的ASD先验者也显示催产素水平降低。重要的是，作者证明了催产素和抗炎药物的管理可以减弱由SCGN缺乏引起的ASD相关缺陷。总之，该研究确定了潜在的自闭症遗传风险因素SCGN与催产素信号和免疫反应的病理失调之间的收敛，为患有SCGN缺陷的ASD患者提供了潜在的治疗方法。该研究还表明，根据ASD患者的疾病机制来识别和分层是至关重要的，这可以极大地提高治疗的成功率（点击阅读）。

近年来，已经发现了几种通过防止脂质过氧化抑制铁死亡的监测机制：(1)胱氨酸-GSH-GPX4系统，其中谷胱甘肽二硫还原酶(GSR)利用NADPH作为辅助因子生成GSH，GSH随后被GPX4用于解毒脂质氢过氧化物。(2) GCH1-BH4系统，其中二氢叶酸还原酶(DHFR)也利用NADPH促进四氢生物蝶呤(BH4)的形成，BH4是一种能够抑制铁凋亡的自由基捕获抗氧化剂。(3) FSP1-CoQH2系统，其中黄素蛋白铁死亡抑制蛋白1 (FSP1)催化泛醌(CoQ10)或维生素K的还原，从而捕获脂质过氧自由基，抑制脂质过氧化。有趣的是，FSP1，也称为凋亡诱导因子线粒体相关2 (AIFM2)，与AIFM1(也称为凋亡诱导因子，AIF)具有显著的序列相似性，AIFM1是一种已建立的NADPH选择性氧化还原酶。然而，目前尚不清楚FSP1是利用NADH、NADPH还是两者都作为电子供体。

为了解决这个难题，作者纯化了非豆蔻酰化的FSP1(残基10-373)，并以2.5 Å的分辨率测定了其晶体结构。该蛋白在P21 21 21空间组中结晶，每个不对称单元只含有FSP1的拷贝。与AIFM1类似，FSP1除了对亚细胞定位至关重要的N端序列外，还包含三个结构域：NAD(P)H结合域、FAD结合域和C端结构域。然而，FSP1在结构上与AIFM1有三个不同之处。首先，它们的C端结构域在三维结构和氨基酸序列方面差异最为显著。DALI搜索发现NAD(P)H结合结构域(149个Cα原子2.4 Å RMSD)和FAD结合结构域(114个Cα原子2.3 Å RMSD)之间存在显著的相似性，而C端结构域之间没有相似性。

其次，AIFM1在氧化态和还原态下结晶，其中AIFM1分别为单体和二聚体形式。对AIFM1二聚化至关重要的多个元件，包括C-loop、E246和R449，在FSP1中并不保守，这表明FSP1不能以类似的方式二聚化。第三，FSP1和AIFM1都有三个可以容纳基板或辅因子的口袋。FSP1的三个口袋是相互连接的，而AIFM1的口袋III与其他两个口袋没有连接。已知AIFM1的口袋III可以容纳处于还原状态的第二个NADH分子。在FSP1 (3471 Å3)中，假定的底物(CoQ10或维生素K)结合袋III的大小明显大于AIFM1 (1148 Å3)，这与FSP1能够催化CoQ10等大型底物的还原一致。总之，结构分析支持FSP1是一种真正的氧化还原酶的概念，而AIFM1作为NADH传感器调节线粒体活性和细胞死亡。

NADH和NADPH彼此高度相似，唯一的区别是核糖环2 '位置的磷酸基团。FSP1的NAD(P) H结合袋比其他蛋白质带更多的正电荷，这与它与带负电荷的磷酸基团接触的作用一致。具体来说，FSP1的R208侧链与NADPH特有的磷酸基氧原子形成两个短氢键(2.2-2.3 Å)。FSP1的S175和Q176通过形成额外的氢键进一步有助于识别2 '磷酸。重要的是，尽管识别NAD(P)H的烟酰胺和腺嘌呤的氨基酸在所有四种蛋白中都很大程度上保守，但这三个残基在AIFM1、Sc.Ndi1和Ct. NDH-2中被其他残基取代。

FSP1以NADPH依赖的方式抑制铁死亡（图源自Cell Research ）

为了研究与NADPH结合如何影响FSP1抑制铁凋亡的能力，zz1使用CRISPR/Cas9技术生成了FSP1KO细胞。与先前的研究一致，在基础条件下，通过BODIPY 581/591 C11染色测定，对照和FSP1KO HT1080细胞表现出相似的脂质过氧化水平。然而，在RSL3(一种靶向GPX4的铁凋亡诱导剂)诱导下，FSP1KO细胞显示出显著增加的脂质过氧化。当重新引入FSP1 WT时，脂质过氧化水平可以恢复。

携带FSP1 E156A的细胞，一种已知能消除与其辅因子FAD相互作用的突变体，与携带FSP1 WT的细胞相比，显示出明显更高的脂质过氧化水平。重要的是，具有FSP1 AAP的细胞显示出与具有FSP1 E156A的细胞相似的脂质过氧化水平，这表明NADPH的结合，而不是NADH，是FSP1抑制脂质过氧化的关键。与铁死亡研究的主要细胞模型HT1080细胞类似，作者发现HeLa和A549细胞的脂质过氧化水平与对NADPH的亲和力呈很强的负相关。

总之，该研究结合生化、结构和细胞研究表明，与AIFM1特异性地与NADH相互作用相比，铁死亡抑制因子FSP1是一种NADPH选择性酶。更重要的是，FSP1的抗铁死亡活性严格依赖于它对NADPH的亲和力。因此，所有三种铁死亡监测系统都利用NADPH，而不是NADH作为电子供体。该研究是第一个定量地证明这种关系的研究。鉴于FSP1在癌症治疗中的重要作用，阐明其结构和反应机制可能有助于发现和开发新的治疗方法。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41422-023-00879-z

转自：“iNature”微信公众号

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