研究背景
铁死亡（ferroptosis）是一种以脂质过氧化累积为特征的受调节的铁依赖性细胞程序性死亡。铁死亡的引发或抑制与氨基酸、脂质、氧化还原和铁代谢等多方面都相关。
铁死亡是依赖于细胞内铁的累积而引起毒性脂质过氧化物ROS升高的非凋亡细胞死亡形式。主要机制是，在二价铁或酯氧合酶的作用下，催化细胞膜上高表达的不饱和脂肪酸，发生脂质过氧化，从而诱导细胞死亡；此外，还表现为抗氧化体系（谷胱甘肽系统）的调控核心酶GPX4的降低。与阿尔兹海默症等退行性疾病、肿瘤、中风、脑出血、外伤性脑损伤等多种疾病都有关联。然而，在铁死亡的早期，细胞如何应对并调控铁死亡的压力尚待研究。
研究成果
2022年5月3号，由南开大学生命科学学院的周军教授和陈佺教授团队共同通讯合作于Cell Discovery杂志(IF: 17.15)上发表“Dynamic O-GlcNAcylation coordinates ferritinophagy and mitophagy to activate ferroptosis”研究论文，揭示了O-GlcNAcylation 修饰的动态变化与铁代谢之间的联系，在使用常用的铁死亡诱导剂RSL3抑制O-GlcNAcylation 修饰后，会导致铁自噬和线粒体自噬能力的增强，进而完成对铁死亡敏感度的调节，从而为对抗神经退行性疾病、心血管疾病、代谢综合征和癌症等疾病提供了潜在的治疗干预。
周军教授主要从事细胞骨架与人类疾病的研究，在国际学术刊物上发表六十余篇论文，主著两部英文书籍。陈佺教授主要从事线粒体生物学和肿瘤干细胞研究。集中研究线粒体在细胞凋亡调控中的关键作用及线粒体自噬的分子调控机制。同时开展肿瘤干细胞在肿瘤发生和转移中作用的研究。
现有研究表明氨基酸、脂质、氧化还原和铁代谢等多种因素可驱动或抑制铁死亡的发生。然而，细胞如何破译各种促铁死亡应力来激活铁死亡仍然是个谜。这篇研究中就揭示了一个还未被证实的O-GlcNAcylation 修饰的动态变化与铁代谢之间的联系，从而为对抗疾病提供了潜在的治疗干预。
主要内容
研究人员发现，蛋白的O-GlcNAcylation 修饰作为葡萄糖流量的主要营养传感器，可以协调铁死亡的铁自噬和线粒体自噬。在治疗铁死亡刺激物（如常用的铁死亡诱导剂RSL3）后，蛋白质O-GlcNAcylation 修饰的双相变化就可以调节铁死亡。通过药理学方法或遗传抑制O-GlcNAcylation 修饰的方法可以促进铁自噬，导致活性铁向线粒体积聚。对O-GlcNAcylation 修饰的抑制导致线粒体断裂，线粒体自噬能力增强，可以提供额外的不稳定铁源，使细胞对铁死亡更敏感。在机制上，研究人员发现S179处铁蛋白重链的去-O-GlcNAcylation促进其与铁自噬受体NCOA4的相互作用，从而积累不稳定铁以促进铁死亡的进程。
1.蛋白质O-GlcNAcylation 修饰的双相变化可以调节铁死亡
作者研究了铁死亡期间的蛋白O-GlcNAcylation 修饰，来探究O-GlcNAcylation 修饰是否参与调节铁死亡。免疫印迹分析显示，用RSL3（一种常用的铁死亡诱导剂）治疗后，O-GlcNAcylation 修饰呈双相模式。如图1所示，不同的铁死亡诱导剂如ML21032、iFSP1、Erastin或抑制剂RSL3在不同细胞系中都可以改变48小时蛋白O-GlcNAcylation 修饰的积累，以及负责UDP-N-乙酰基葡萄糖胺合成的肝素结合蛋白最重要的限速酶GFPT1的mRNA和蛋白质水平也会随之改变。
图1. O-GlcNAcylation 修饰可以调节细胞对铁死亡的敏感度
2.抑制O-GlcNAcylation 修饰可以促进铁自噬
接下来，作者试图了解抑制O-GlcNAcylation修饰如何促进铁死亡的潜在机制。通过实时PCR分析发现RSL3和OSMI-1会引起铁死亡相关的基因表达如PTGS2、CHAC1的mRNA水平显著增加。有趣的是，研究人员还发现FTH和FTL的mRNA水平也与RSL3和OSMI-1相关，在使用自噬抑制剂BafA1抑制铁蛋白吞噬后，可以发现BafA1会抑制OSMI-1引起的FTH减少，表明O-GlcNAcylization修饰减少可以促进铁蛋白吞噬和FTH降解。除此之外，作者还通过敲除NCOA4，OSMI-1诱导的溶酶体铁蛋白定位增加也被消除（图2h）。这表明OSMI-1通过加速铁蛋白NCOA4依赖性转运到溶酶体来促进铁蛋白吞噬。而且，NCOA4耗竭可部分阻断OSMI-1诱导的铁死亡敏感性增加（图2i），表明NCOA4依赖性铁蛋白沉积的促进有助于铁死亡。这些结果共同表明了抑制O-GlcNAcylation 修饰可以促进铁自噬，进而改变细胞对铁死亡的敏感度。
图2.抑制O-GlcNAcylation 修饰可以促进铁自噬
3.抑制O-GlcNAcylation 修饰可以促进线粒体自噬
作者进而研究了OSMI-1诱导的铁蛋白沉积促进是否会导致更多的游离铁释放，导致脂质过氧化和铁死亡的增强。作者通过蛋白质免疫分析、钙黄绿素AM检测、铁橙染色检测、荧光成像发现OSMI-1处理后细胞铁水平增加（图3b），线粒体亚铁显著增加（图3f，g），RSL3可进一步促进这种增加（图3h）。在RSL3处理后细胞铁的释放速率增加，O-GlcNAcylization修饰水平降低（图3c，d，2-4 h），荧光成像证实了这一结果。在铁死亡期间，单独使用RSL3也会导致线粒体亚铁水平逐渐增加（图3h），这表明不稳定铁可能被运输到线粒体以缓冲有毒铁。而且事实上，NCOA4基因敲除降低了线粒体亚铁水平，并且有效地挽救了OSMI-1诱导的增加（图3i，j）。综上所述，这些数据表明，减少O-GlcNAcylization修饰可提高细胞不稳定铁的水平，尤其是亚铁，使细胞对铁死亡更敏感。此外，线粒体可能是铁蛋白噬菌体释放的过量细胞铁的缓冲池。
图3.O-GlcNAcylation 修饰对细胞铁流量的调节
结果总结
图4为铁自噬和线粒体自噬调节与铁死亡中O-GlcNAcylation 修饰的相互关系模型。对O-GlcNAcylation 修饰的抑制，会导致FTH和NCOA4之间的相互作用的增加，进而促进铁蛋白沉积，也导致活性铁的积累，这些铁可能流向线粒体。另一方面，减少O-GlcNAcylation 修饰也会导致线粒体破裂，进而增强线粒体自噬能力，为活性铁提供额外来源，进一步增加细胞对铁死亡的敏感度。因此，可以看到，O-GlcNAcylation 修饰会同时导致铁自噬和线粒体自噬能力的增强，进而完成对铁死亡敏感度的调节。
图4.通过铁自噬和线粒体自噬调节铁死亡中O-GlcNAcylation 修饰的模型
结论与展望
作者通过研究说明了铁代谢和线粒体如何协调应对决定细胞命运的各种压力。虽然大多数测量是在铁可用性容易改变的培养细胞中进行的，但可以合理地假设这些途径在病理生理条件下也起作用。O-GlcNAcylation 修饰、铁稳态和线粒体功能，可能有助于治疗与铁超载相关的疾病。O-GlcNAcylation 修饰失调、铁超载、线粒体功能障碍和铁死亡是衰老和衰老相关人类疾病的常见病因，包括神经退行性疾病、心血管疾病、代谢综合征和癌症。而作者通过研究表明这些分子事件是相互关联的，有助于后续开发铁超载相关的进一步治疗。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41421-022-00390-6
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