Cell | 多胺通过缓冲不稳定铁抑制铁死亡|多胺|有效成分|活性|细胞|脂质过氧化|蛋白|过氧化物

撰文|一只鱼

多胺是哺乳动物细胞中普遍存在且进化上高度保守的代谢物，包括腐胺、亚精胺和精胺，其胞内浓度可达毫摩尔水平。尽管细胞通过复杂的反馈网络严格调控多胺稳态，但这一调控的作用和意义仍不清楚。

近日，来自Whitehead研究所的Ankur Jain研究团队在Cell上发表题为Polyamines buffer labile iron to suppress ferroptosis的文章，通过全基因组CRISPR筛选鉴定出多胺耗竭与关键铁死亡抑制因子——谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）之间的合成致死依赖性，并发现多胺缺乏会触发细胞铁的重新分布，增加不稳定铁池并上调铁蛋白。

研究团队首先通过全基因组CRISPR-Cas9筛选，在细胞系中鉴定出多胺耗竭与谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）之间的合成致死关系。GPX4是铁死亡的核心抑制因子，负责还原磷脂氢过氧化物，保护细胞膜免受脂质过氧化损伤。使用多胺合成抑制剂（如DFMO或sardomozide）处理细胞后，细胞对GPX4抑制变得高度敏感，而单独抑制多胺合成或GPX4均不致死。补充亚精胺可有效挽救细胞活力，证实该效应源于多胺合成的靶向抑制。

进一步研究证明多胺耗竭导致细胞内铁稳态发生显著变化。多胺缺乏的细胞中铁蛋白（FTH1）水平大幅升高，这是细胞对氧化还原活性铁增加的代偿性反应。使用铁螯合剂去铁胺（DFO）处理可逆转铁蛋白上调，并显著恢复多胺缺陷细胞在GPX4抑制下的存活能力。电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）分析发现总胞内铁含量未发生明显变化，表明多胺耗竭并不增加铁的总摄入量，而是改变了铁的氧化还原状态或亚细胞分布，使更多铁转变为具有催化活性的不稳定铁形式。

为直接观测活细胞中的氧化还原活性铁，他们开发了一种基因编码的基于内源性铁反应元件/铁调控蛋白（IRE/IRP）系统的荧光报告子来检测胞内不稳定铁水平。结合已有的基因编码多胺报告子可实现在单细胞水平上同时检测多胺和氧化还原活性铁。结果显示，两者之间存在显著的反比关系，证实多胺耗竭与不稳定铁增加相关。进一步的生化实验揭示了多胺与铁直接相互作用的分子基础，且精胺和亚精胺能够以浓度依赖性方式螯合Fe²⁺，精胺可与Fe²⁺形成特定的配位络合物，在60倍摩尔过量时约15%的铁处于精胺结合态。即使在ATP存在下，这种相互作用依然可被检测到，说明多胺在生理条件下具有缓冲不稳定铁的能力。

最后，他们在体内模型中验证了上述发现。携带K562肿瘤的小鼠接受DFMO和多胺摄取抑制剂联合治疗后，肿瘤组织表现出铁摄取基因下调、金属硫蛋白诱导和血红素合成基因抑制等特征，与胞内铁可用性增加一致。