鐵死亡孔誘導(dǎo)Ca2+通量和ESCRT-III激活來調(diào)節(jié)細胞死亡動力學(xué)

鐵死亡是一種與脂質(zhì)過氧化相關(guān)的調(diào)節(jié)壞死的鐵依賴形式。盡管它在鐵死亡的炎癥結(jié)果中起關(guān)鍵作用，但在這種類型的細胞死亡過程中導(dǎo)致質(zhì)膜破壞的分子事件知之甚少。

2020年11月，來自德國科隆大學(xué)遺傳學(xué)研究所、埃伯哈德-卡爾大學(xué)生物化學(xué)學(xué)院間研究所、德拉薩大學(xué)化學(xué)系等團隊合作在Cell Death & Differentiation雜志上發(fā)表了文章“Ferroptotic pores induce Ca2+ fluxes and ESCRT-III activation to modulate cell death kinetics.”。此文獻發(fā)現(xiàn)胞質(zhì)Ca2+的持續(xù)增加是鐵死亡的一個標(biāo)志，它發(fā)生在細胞完全破裂之前。質(zhì)膜損傷導(dǎo)致鐵死亡與半徑只有幾納米的膜納米孔有關(guān)，而鐵死亡可以被滲透保護劑延遲，而不是脂質(zhì)過氧化。鐵死亡過程中的Ca2+通量可誘導(dǎo)ESCRT-III 依賴的膜修復(fù)機制的激活，從而平衡細胞死亡動力學(xué)并調(diào)節(jié)鐵死亡的免疫學(xué)特征。團隊關(guān)于鐵死亡的發(fā)現(xiàn)提供了一個統(tǒng)一的概念，即在質(zhì)膜破裂之前胞漿Ca2+的持續(xù)增加是受調(diào)控的壞死類型的共同特征，并將ESCRT-III激活作為這些溶性細胞死亡途徑中的一般保護機制。

鐵死亡是一種不依賴于caspase的調(diào)控性壞死，其特征是細胞膜中產(chǎn)生鐵依賴的脂質(zhì)過氧化物。通過鐵死亡導(dǎo)致的細胞死亡的特征是質(zhì)膜破裂和釋放其他受限的細胞內(nèi)成分，包括促炎癥損傷相關(guān)的分子模式。因此，鐵死亡這種類型的細胞死亡與壞死性炎癥和先天免疫系統(tǒng)的激活有關(guān)。已有研究表明，鐵死亡可導(dǎo)致缺血/再灌注損傷、組織損傷和器官死亡，以及其他幾種病理，包括神經(jīng)退行性疾病和癌癥。因此，了解鐵死亡過程中膜破裂的分子機制不僅具有生物學(xué)意義，而且具有醫(yī)學(xué)意義。

執(zhí)行鐵死亡的一個基本步驟是質(zhì)膜的最終破壞。然而，然而，導(dǎo)致質(zhì)膜完整性喪失的分子機制以及鐵死亡癥膜損傷的性質(zhì)和大小仍未被探索。其他形式的壞死細胞死亡，如壞死性死亡、或毒素誘導(dǎo)的細胞死亡對質(zhì)膜的損傷導(dǎo)致離子通量的激活。在這些情況下，Ca2+通量與膜修復(fù)機制的激活有關(guān)。轉(zhuǎn)運所需的核內(nèi)體分選復(fù)合體(ESCRT)機制似乎發(fā)揮了關(guān)鍵的平衡作用，可以延遲壞死和焦亡中的細胞死亡。

在不同的細胞模型中，研究了Erastin-1和RSL3觸發(fā)鐵死亡時質(zhì)膜通透性的分子機制。利用活細胞成像和流式細胞術(shù)，我們并行追蹤了鐵死亡不同特征的動力學(xué)。我們發(fā)現(xiàn)在鐵死亡過程中脂質(zhì)過氧化發(fā)生在胞質(zhì)Ca2+持續(xù)增加和最終質(zhì)膜破裂之前。我們還確定納米孔的形成是鐵死亡過程中觸發(fā)質(zhì)膜破裂的核心機制，因此，適當(dāng)大小的滲透保護劑可以抑制質(zhì)膜破裂。最后，將鐵死亡中胞質(zhì)Ca2+的增加與ESCRT-III機制的激活聯(lián)系起來，該機制作為一種延遲細胞死亡的保護機制。這對免疫有影響，因為ESCRT-III的缺失可調(diào)節(jié)鐵死亡細胞的細胞因子分泌，從而重塑鐵死亡的炎癥特征。研究結(jié)果支持ESCRT-III機制在調(diào)節(jié)壞死過程中平衡膜損傷和調(diào)節(jié)免疫結(jié)果的一般作用。

技術(shù)路線：

一、胞漿內(nèi)Ca2+的持續(xù)增加是鐵死亡的一個標(biāo)志

在使用Erastin-1或RSL3處理的小鼠成纖維細胞(NIH-3T3)中，我們通過活細胞共聚焦成像(圖1A, B)和流式細胞術(shù)(圖1C H)檢測細胞漿Ca2+水平，同時檢測細胞形態(tài)和質(zhì)膜破裂的變化。我們使用氟-4乙酰氧基甲基(氟-4 AM)作為Ca2+指示劑[27]的熒光形式，來觀察細胞內(nèi)Ca2+水平，PI作為不可逆質(zhì)膜破壞和細胞死亡的標(biāo)記。

在使用Erastin-1或RSL3處理NIH-3T3細胞后，胞漿Ca2+濃度明顯升高(圖1A, B)。這伴隨著細胞形狀的改變，包括細胞圓形和出現(xiàn)單個腫脹水泡，隨后質(zhì)膜完整性完全破裂。當(dāng)用RSL3處理人類纖維肉瘤細胞(HT-1080)和人類乳腺癌細胞(Mda-157)時，也可以看到類似的事件(圖S1)。在所有的細胞模型系統(tǒng)中，最終的膜破壞導(dǎo)致細胞內(nèi)Ca2+和fluo - 4am染料的損失，盡管動力學(xué)和擴展取決于所使用的鐵下垂誘導(dǎo)物和所研究的細胞系(圖1和S1)。胞漿Ca2+、細胞圓化和質(zhì)膜破裂的增加均被鐵死亡抑制劑鐵他汀-1 (Fer- 1)特異性抑制，但壞死抑制劑壞死性他汀-1 (necc -1s)和泛半胱天酶抑制劑zVAD均未被抑制，表明所有這些事件都是鐵死亡的特征(圖1A F)。

與NIH-3T3細胞類似，fer1也完全抑制了RSL3處理后HT-1080和Mda-157細胞胞漿Ca2+的增加和細胞死亡(圖S1)。

我們通過流式細胞術(shù)平行追蹤fluo - 4am和PI熒光的時間過程(圖1G, H)。獨立于治療，胞漿Ca2+在質(zhì)膜破裂前數(shù)小時就出現(xiàn)了增加。

在erastin -1處理的細胞中，我們發(fā)現(xiàn)fer1并沒有完全消除胞漿內(nèi)Ca2+的增加(圖1A)，約40%的細胞群保留fluo - 4am陽性(圖1C, G)。

相反，當(dāng)RSL3誘導(dǎo)鐵死亡時，fer1完全阻止胞質(zhì)Ca2+的增加(圖1B, D, H)。這些結(jié)果表明，Erastin誘導(dǎo)了兩種不同的Ca2+信號通路:一個與鐵死亡無關(guān)，另一個與鐵死亡特異。

胞質(zhì)Ca2+的晚期增加可以被認(rèn)為是鐵死亡的標(biāo)志，因為它被fer1抑制，在Erastin-1或RSL3-誘導(dǎo)的鐵死亡中很常見。 

二、脂質(zhì)氧化先于胞質(zhì)Ca2+的增加和質(zhì)膜的破裂

使用活細胞共聚焦顯微鏡在單細胞水平上量化了fluo - 4am信號的增加、細胞圓度和PI攝入。從單細胞動力學(xué)曲線(圖2C, F, K)來看，計算了實現(xiàn)每種鐵死亡表型50%變化(t50)所需的時間。

這使得我們可以設(shè)置鐵死亡過程中每個過程之間的延遲時間(圖2D, G, L)。

與使用的鐵晶體觸發(fā)器無關(guān)，胞質(zhì)Ca2+的增加先于細胞圓化和完全的質(zhì)膜塌陷(圖2A, B)。

然而，流式細胞術(shù)實驗表明(圖1G)，在存在Erastin-1的情況下，細胞內(nèi)Ca2+的增加是一個兩階段的過程，具有兩相行為(圖2C)。

第一個事件在最大Ca2+信號的40%左右達到飽和，對應(yīng)于不相關(guān)的鈣(Ca2+ un)增加，因為它沒有被fer1抑制(圖1)。

第二種Ca2+升高，這是RSL3處理的常見現(xiàn)象，并被fer1抑制(圖1H和2F)，對應(yīng)于胞漿內(nèi)Ca2+升高，特異性于鐵下垂(Ca2+ sp)。

在時間上，Ca2+ un在Erastin-1處理后增加，隨后是Ca2+ sp上升，細胞圓角和最終的PI攝入量(圖2C E)。

相比之下，rsl3處理的細胞具有獨特的特異性Ca2+升高事件，隨后是細胞圓整和最終的PI攝入(圖2F-H)。

為了觀察膜中的脂質(zhì)過氧化，我們使用了脂質(zhì)過氧化傳感器C11 BODIPY 581/591。RSL3處理確實促進了質(zhì)膜和亞細胞膜的脂質(zhì)過氧化，可以通過增加BODIPY (BODIPYox)的綠色熒光信號來檢測(圖2I)。接下來，我們平行追蹤氧化率和細胞圓角的變化(圖2J, K)。脂質(zhì)過氧化先于細胞圓角?？紤]到胞漿Ca2+的增加到細胞圓角的滯后時間始終低于脂質(zhì)過氧化到細胞圓角的滯后時間，我們可以估計，Ca2+的增加發(fā)生在脂質(zhì)過氧化之后(圖2M)。

這一估計是基于fluo - 4am增加的獨立動力學(xué)(圖2fh)和BODIPY氧化率(圖2K, L)之間的外推。

三、滲透活性藥物保護細胞免受鐵死亡

孔的形成是不同類型調(diào)控細胞死亡的共同特征，包括凋亡[29]、壞死[13]和焦亡[30]。質(zhì)膜孔的打開導(dǎo)致水分子的凈流入，這是由于高濃度的不能通過膜孔的細胞內(nèi)大分子造成的滲透不平衡的結(jié)果(圖3A)。可以通過添加適當(dāng)大小的不能通過孔進入細胞的滲透保護劑來阻止這種影響，從而平衡細胞內(nèi)滲透壓、水流入和隨之而來的細胞崩潰(圖3B)。由此可見，聚乙二醇(peg)的滲透作用可以調(diào)節(jié)膜孔的滲透性，而離子通道的滲透性則不受調(diào)節(jié)。為了研究在鐵死亡細胞中觀察到的質(zhì)膜通透性是否與膜孔有關(guān)，我們評估了不同大小的peg對不同鐵死亡的動力學(xué)和程度的影響。

更小的peg的添加達到4000，并沒有阻止胞漿Ca2+的增加，細胞圓角或細胞死亡(圖3C F和S2)。

相比之下，高分子量peg(6000和8000)存在時，細胞漿Ca2+水平的升高和細胞死亡都以大小依賴的方式延遲(圖3D, F和S2D)。

在PEG 8000的存在下，我們還觀察到細胞舍圓動力學(xué)的延遲(圖3E)。這些結(jié)果表明，胞漿Ca2+的增加、細胞圓潤和質(zhì)膜破裂都是由滲透力驅(qū)動的事件。值得注意的是，PEG 8000對鐵死亡的保護作用在洗滌后恢復(fù)，這表明隨著時間的推移，膜損傷是穩(wěn)定的(圖3G)。我們還發(fā)現(xiàn)，PEG 8000不能防止rsl3處理的NIH-3T3細胞的脂質(zhì)過氧化(圖3H, I)。

值得注意的是，對于所有使用的PEG大小，當(dāng)NIH-3T3細胞處理較長時間(24小時)時，細胞死亡恢復(fù)(圖3J)。

peg對鐵死亡動力學(xué)的抑制作用也隨著RSL3濃度的增加而降低(圖3K、L和S3A)。

以在低濃度RSL3下能夠起到保護作用的PEG大小作為參考，我們可以粗略估計在2.5 nm半徑附近的質(zhì)膜穿孔部分較小的尺寸(圖3L)。

四、ESCRT-III復(fù)合物在鐵死亡過程中被激活并拮抗細胞死亡

最初，CHMP4B主要表現(xiàn)為均勻的胞漿分布，然而，在RSL3處理后，蛋白定位于不同的斑點，隨著時間的推移，蛋白數(shù)量和熒光強度增加(圖4A、B和S4)。

這一觀察結(jié)果與報道的CHMP4B在壞死[22,23]和焦亡[17]中的行為相似，表明ESCRT-III復(fù)合體在鐵死亡過程中被激活。

接下來，我們通過活細胞共聚焦成像在單細胞水平上量化了CHMP4B斑點形成與細胞質(zhì)Ca2+濃度增加、細胞圓角和最終質(zhì)膜破裂的時間相關(guān)性。CHMP4B斑點的形成大致與胞質(zhì)Ca2+濃度的增加相吻合(圖4C E和S4)。

此外，這些結(jié)果表明，細胞聚集在這兩個事件發(fā)生的同一時間(圖4C E)，這與滲透力的假定作用是一致的。在細胞漿Ca2+水平持續(xù)升高、細胞圓化和esrt - iii復(fù)合體激活后發(fā)生最終的膜破裂，可能是當(dāng)細胞修復(fù)機制最終被淹沒時(圖4B, E, F)。

PEG 8000也阻斷了CHMP4B斑點的形成，這可能是抑制Ca2+通量的結(jié)果(圖4G J)。

為了檢驗ESCRT-III在鐵死亡中的功能作用，我們評估了敲除CHMP4B對NIH-3T3細胞死亡的影響(圖5A, B)。

我們開始使用蛋白質(zhì)組分析器XL細胞因子陣列試劑盒(圖5C和S6)來確定鐵下垂是否可以直接調(diào)節(jié)不同細胞系中的細胞因子分泌。

在鐵下垂的誘導(dǎo)下，我們檢測到出現(xiàn)細胞系和治療依賴的細胞因子亞群水平的變化。此外，敲除CHMP4B改變了RSL3(圖5C, D)或Erastin-1(圖S6C)處理后獲得的細胞因子譜。