Gpx4-flox 基因敲除小鼠

Gpx4，即谷胱甘肽过氧化物酶4，是一种重要的抗氧化酶，负责将脂质过氧化物还原成非毒性脂质醇。它在细胞内发挥关键作用，特别是在调节脂质过氧化和铁死亡方面。铁死亡是一种铁依赖性调节性细胞死亡，其特征是脂质过氧化和膜损伤。Gpx4通过消除磷脂氢过氧化物来阻断铁死亡。然而，Gpx4的调控机制尚不完全清楚。

研究发现，铜可以促进铁死亡，但不是铜死亡，通过诱导Gpx4的巨自噬/自噬降解。铜螯合剂可以减少铁死亡的敏感性，但不抑制其他类型的细胞死亡，如凋亡、坏死和碱性死亡。相反，外源性铜通过直接结合到Gpx4蛋白的半胱氨酸C107和C148上，增加Gpx4的泛素化和Gpx4聚集物的形成。Tax1结合蛋白1（TAX1BP1）作为自噬受体，在铜应激下介导Gpx4的降解和随后的铁死亡。因此，铜通过增强铁死亡介导的肿瘤抑制，在胰腺癌小鼠模型中发挥作用，而铜螯合剂则减轻了与铁死亡相关的实验性急性胰腺炎[1]。

铁死亡已被证明与多种退行性疾病有关。Gpx4通过将脂质过氧化物转化为非毒性脂质醇来防止铁死亡。然而，对Gpx4抑制剂的敏感性在不同癌症细胞系中差异很大，这表明还有其他因素控制对铁死亡的抵抗。研究发现，FSP1（以前称为AIFM2）是一种强大的铁死亡抵抗因子。FSP1被肉豆蔻酰化并募集到质膜，在那里它作为氧化还原酶减少辅酶Q10（CoQ），后者作为一种亲脂性自由基捕获抗氧化剂，阻止脂质过氧化物的传播。此外，FSP1的表达与数百个癌症细胞系的铁死亡抵抗呈正相关，FSP1介导了肺癌细胞在培养和移植瘤中的铁死亡抵抗。因此，FSP1被认为是非线粒体CoQ抗氧化系统的一个关键组成部分，它与经典的基于谷胱甘肽的Gpx4途径并行作用。这些发现定义了一条铁死亡抑制途径，并表明FSP1的药理抑制可能是一种有效的策略，可以增强癌症细胞对铁死亡诱导化疗药物的敏感性[2]。

铁死亡受到两种主要的监控机制的控制：一种是由Gpx4介导的，它催化磷脂过氧化物的还原；另一种是由FSP1等酶介导的，它们产生具有自由基捕获抗氧化活性的代谢物。通过全基因组CRISPR激活筛选，研究人员发现了MBOAT1和MBOAT2作为铁死亡的抑制剂。MBOAT1/2通过重塑细胞磷脂谱来抑制铁死亡，并且它们的铁死亡监控功能独立于Gpx4或FSP1。MBOAT1和MBOAT2分别由雌激素受体（ER）和雄激素受体（AR）转录上调。ER或AR拮抗剂与铁死亡诱导剂结合显著抑制了ER+乳腺癌和AR+前列腺癌的生长，即使肿瘤对单一激素治疗有耐药性[3]。

Gpx4在脂质氧化、铁死亡、疾病和治疗中起着枢纽作用。Gpx4作为一种结构蛋白和抗氧化酶，强烈抑制脂质氧化。近年来，它被认为是铁死亡的关键调节因子，参与脂质和氨基酸代谢，影响细胞衰老、肿瘤发生和细胞死亡。越来越多的证据表明，靶向Gpx4诱导的铁死亡是一种有前景的疾病治疗方法，尤其是癌症治疗。研究人员概括了Gpx4的功能以及Gpx4与铁死亡之间的调节机制，讨论了它在疾病病理学中的作用，并关注了疾病治疗潜力的最新进展[4]。

铁死亡与骨关节炎（OA）的进展有关。OA是最常见的关节疾病，是老年人慢性残疾的主要原因。软骨细胞死亡和细胞外基质（ECM）降解是OA发病机制的一部分。铁死亡是一种与脂质过氧化相关的铁依赖性细胞死亡。研究表明，铁死亡存在于OA中，并确定了Gpx4是OA的重要调节因子。铁死亡相关变化在OA和未受损的软骨中被分析。在55对OA样本中检测了Gpx4的表达。使用Fer-1和DFO治疗OA，在体外和体内。通过RNA-seq分析确定了Gpx4介导的信号通路的变化。使用AAV-Gpx4-shRNA在体内下调Gpx4的表达。转录组学、生物化学和显微分析表明，铁死亡与OA密切相关。55例OA患者的OA软骨中Gpx4的表达显著低于未受损的软骨。Fer-1和DFO可以通过坏死独立的方式保护OA，表明铁死亡存在于OA进展中。重要的是，Gpx4的下调可以通过MAPK/NFκB途径增加软骨细胞对氧化应激的敏感性，并加重ECM的降解。此外，通过AAV-Gpx4-shRNA下调Gpx4的表达在体内加剧了OA。铁死亡有助于OA的发病机制，而Gpx4是调节OA进展的两个机制（铁死亡和ECM降解）的交汇点[5]。

由Gpx4维持的氧化还原平衡有助于STING激活。STING对于感知细胞质DNA和启动对微生物感染和肿瘤的先天免疫反应至关重要。氧化还原平衡是所有生物系统中氧化和还原反应的平衡。然而，细胞内氧化还原状态如何控制STING激活尚不清楚。研究表明，由Gpx4维持的细胞氧化还原平衡是STING激活所必需的。Gpx4缺陷增强了细胞脂质过氧化，因此特异性地抑制了cGAS-STING通路。一致地，Gpx4缺陷抑制了单纯疱疹病毒1（HSV-1）诱导的先天抗病毒免疫反应，并促进了HSV-1在体内的复制。机制上，Gpx4失活增加了脂质过氧化物的产生，导致STING在C88处发生羰基化，并抑制其从内质网（ER）到高尔基体的转运。因此，细胞应激诱导的脂质过氧化特异性地减弱了STING DNA感知通路，这表明Gpx4通过维持脂质的氧化还原平衡来促进STING激活[6]。

Gpx4在脂质稳态和铁死亡中起着交叉作用。氧气对于有氧代谢是必要的，但可以导致脂质和其他大分子的有害氧化。胆固醇和含有多不饱和脂肪酸酰链的磷脂的氧化可以导致脂质过氧化，膜损伤和细胞死亡。脂质氢过氧化物是脂质过氧化过程中的关键中间体。Gpx4将脂质氢过氧化物转化为脂质醇，这个过程可以防止毒性脂质活性氧（ROS）的形成。Gpx4功能的抑制会导致脂质过氧化，并可能导致铁死亡的诱导。这篇综述描述了活性脂质物种的形成，Gpx4在防止氧化脂质损伤中的作用，以及Gpx4功能障碍、脂质氧化和铁死亡诱导之间的联系[7]。

药理激活Gpx4可以减轻多柔比星诱导的心肌病。由于多柔比星（DOX）的心脏毒性，其临床应用受到限制。脂质过氧化是由过量的亚铁离子引起的，被认为是DOX诱导的心肌病（DIC）的关键分子机制。右旋雷佐生（DXZ）是一种铁螯合剂，是FDA批准的唯一用于减少DIC的药物，但它有许多副作用，不能在临床实践中用作预防药物。单核RNA测序（snRNA-seq）分析确定了易受DOX诱导的铁死亡的心肌和上皮细胞。Gpx4激活剂硒代蛋氨酸（SeMet）显著降低了体外多不饱和脂肪酸（PUFAs）和氧化脂质水平。一致地，与DXZ、铁死亡抑制剂1和生理盐水相比，SeMet显著降低了H9C2细胞和C57BL/6小鼠中DOX诱导的脂质过氧化和死亡率。SeMet可以有效地降低C57BL/6小鼠和乳腺癌患者的心脏损伤血清标志物。在C57BL/6小鼠中敲除Gpx4基因导致多不饱和脂肪酸（PUFA）水平升高，并消除了SeMet对DIC的保护作用。值得注意的是，SeMet对DOX的乳腺癌模型表现出抗癌作用，同时为同一动物提供心脏保护，而毒性可检测[8]。

USP8调节的Gpx4稳态协调铁死亡和癌症免疫治疗。铁死亡是一种铁依赖性调节性细胞死亡，由广泛的脂质过氧化引起，在各种生理和病理过程中发挥着关键作用。然而，对铁死亡敏感性调节的机制尚不完全清楚。研究发现，在肠道上皮细胞（IECs）中敲除Usp8（泛素特异性蛋白酶8）导致结肠上皮结构变化和鼠寿命缩短，伴有IEC死亡和脂质过氧化的迹象。然而，IECs中Usp8杂合缺失的小鼠表现出正常表型，并对偶氮甲烷/葡聚糖硫酸钠诱导的结直肠癌发生表现出抗性。机制上，USP8与Gpx4相互作用并去泛素化Gpx4，导致Gpx4稳定。因此，USP8抑制导致Gpx4不稳定，使癌细胞对铁死亡敏感。值得注意的是，USP8抑制与铁死亡诱导剂联合使用可以延缓肿瘤生长并增强CD8+ T细胞浸润，从而增强肿瘤对抗PD-1免疫疗法的反应。这些发现揭示了USP8通过稳定Gpx4来对抗铁死亡，并强调了将USP8作为增强铁死亡以增强癌症免疫治疗的潜在治疗策略[9]。

脂质过氧化和铁死亡：GSH和Gpx4的作用。铁死亡（FPT）是一种由于膜脂质过氧化（LPO）失控而导致的细胞死亡。根据非偶然细胞死亡的定义，LPO发生在改变稳态的情况下。与凋亡不同，铁死亡发生在没有任何已知的特定遗传编码死亡途径或特定激动剂的情况下，因此必须被认为是一种调节性，尽管不是“程序化”的死亡途径。因此，LPO受到稳态代谢的控制，并且只有在必不可少的约束得到满足并且抗氧化剂机制崩溃时才被允许。硒代过氧化物酶谷胱甘肽过氧化物酶4（Gpx4）的活性是抗氧化剂防御的基石。关于LPO机制和Gpx4酶学的证据表明，LPO是由铁从脂质（LOOH）的氢过氧化物衍生物中产生的烷氧自由基引起的，这些衍生物是需氧代谢不可避免的缺点。当阈值被超过时，发生FPT。当主要条件得到满足时，就会发生这种情况：i）氧代谢导致连续形成磷脂中多不饱和脂肪酸的LOOH痕迹；ii）LOOH的酶促还原缺失；iii）可从可变铁池中获得的亚铁离子。尽管目前尚不清楚在生理条件下影响稳态并导致FPT的效应因子，但从LPO和Gpx4酶学的现有知识来看，我们提出有氧生活本身，虽然支持生物能学，也是有氧生活本身的一个关键要求。然而，当LOOH形成和还原之间的稳态控制丢失时，LPO被激活，FPT被执行[10]。

综上所述，Gpx4是一种重要的抗氧化酶，在调节脂质过氧化和铁死亡中发挥关键作用。研究表明，Gpx4的调控机制复杂，涉及多种因素，包括铜、FSP1、MBOAT1/2、USP8等。Gpx4的失调与多种疾病的发生和发展有关，包括癌症、骨关节炎和心脏疾病。因此，Gpx4已成为疾病治疗和预防研究的热点。未来的研究需要进一步阐明Gpx4的调控机制和功能，为开发基于Gpx4的治疗策略提供理论基础。