J Pineal Res :罗承良/王福俤/陶陆阳团队合作在脑外伤及铁死亡领域获得重要突破

研究揭示了Fth在脑外伤引起铁死亡中的作用机制,证明了褪黑素是一种可行的铁死亡抑制剂,为认识褪黑素的多种生物学功能提供了新的思路,其介导的抗铁死亡作用机制有望成为脑损伤治疗的新靶点。

研究结果揭示了Fth在脑外伤引起铁死亡中的作用机制,证明了褪黑素是一种可行的铁死亡抑制剂,为认识褪黑素的多种生物学功能提供了新的思路,其介导的抗铁死亡作用机制有望成为脑损伤治疗的新靶点。

原始出处:

Tongyu Rui, Haochen Wang, Qianqian Li, et al.Deletion of ferritin H in neurons counteracts the protective effect of melatonin against traumatic brain injury-induced ferroptosis.J Pineal Res. 2020 Nov 18;e12704. doi: 10.1111/jpi.12704.

近日,苏州大学医学部罗承良副教授与浙江大学医学院王福俤教授团队,在国际著名学术期刊《Journal of Pineal Research》(影响因子:14.528)在线合作发表题为“Deletion of ferritin H in neurons counteracts the protective effect of melatonin against traumatic brain injury-induced ferroptosis”的研究论文。该成果首先系统阐明了脑外伤后铁死亡相关蛋白表达与铁沉积的时程变化规律;在国际上率先构建脑铁死亡的遗传小鼠模型(Ferritin H-KO),为靶向神经元铁死亡提供新模型;首次在脑外伤动物模型上揭示了褪黑素是一种潜在的铁死亡抑制剂,阐明了褪黑素在治疗脑外伤中的新机制,其抗铁死亡作用有望成为脑损伤治疗的新靶点。

该研究首先揭示了脑外伤后铁死亡相关蛋白表达与铁沉积的时程变化规律,发现 xCT、Cox2、Tfr1、Nox2和 Fpn蛋白表达在创伤后12h至24h达到高峰,随后逐渐下降接近或略低于正常水平。而Fth、Ftl 和4HNE蛋白表达于创伤后3天明显上调,从3d至14d略有下降(图1)。普鲁斯兰染色证实铁沉积在外伤后7天有明显增加,之后尚有增多的趋势。采用褪黑素与铁死亡特异性抑制剂liproxstatin-1分别干预后,均能明显逆转上述铁死亡与铁代谢相关蛋白的表达水平,减轻铁沉积及神经退行性改变,并减轻脑外伤引起的神经功能障碍。

上述结果提示,褪黑素可能通过抑制铁死亡的方式来发挥神经保护作用。该研究还采用褪黑素受体拮抗剂进一步证明褪黑素的抗铁死亡机制主要通过褪黑素受体2(MT2)发挥作用。

图1 小鼠脑外伤后铁死亡相关蛋白表达的时程变化

铁死亡发生机制包括铁稳态失调、谷胱甘肽(GSH)耗竭和脂质过氧化。异常的铁稳态与铁死亡有关,可以导致中枢神经系统病理状态。在脑外伤患者中可观察到铁水平的改变,这表明铁稳态破坏可能是脑外伤一个重要的病理生理过程。

调节铁的摄取、运输和储存在维持细胞铁稳态中发挥作用。铁的摄取受到转铁蛋白受体-1(Tfr1)的调节,铁的输出受到一种独特的铁输出蛋白(Fpn)的调节。铁蛋白(Ferritin)作为主要的铁储存蛋白,其血清水平升高与重症 TBI 患者入院时昏迷指数(GCS)评分降低和重症监护室(ICU)病死率升高有关。铁蛋白也可作为一个重要的死后生物标志物,用于推断脑外伤后的损伤时间及脑外伤死者的存活时间水平。

铁蛋白由重链(Fth)和轻链(Ftl)两种亚基构成球壳空腔结构,是细胞内最主要的储铁蛋白。胞质中未被利用或排出细胞的铁离子被储存在铁蛋白中,从而维持细胞内铁稳态,减少Fenton反应导致的氧化应激,达到保护细胞的目的。

尽管在实验动物和人类大脑皮质中均已证实TBI后铁超载和Fth表达上调,但Fth在脑内的具体作用机制尚未明确。以往的研究发现直接敲除Fth基因可引起胚胎致死性。考虑到脑组织中Fth主要在神经元中高表达,为探讨Fth在TBI后铁死亡发生的作用机制,本研究采用表达 Cre 重组酶的小鼠与 Fth-floxed小鼠杂交,得到具有条件敲除Fth基因的成熟神经元的小鼠来探讨铁死亡在脑外伤中的作用机制。本研究团队利用Cre/LoxP技术构建了编码铁蛋白重链(Ferritin H, Fth)基因的神经元特异性敲除小鼠(Fth-KO)。

成熟神经元特异性敲除Fth后,小鼠脑皮质在生理条件下铁代谢发生轻度紊乱,具体表现为:

Fth-KO小鼠皮质 Tfr1表达显着降低,而Fpn 表达显着上调;

Fth-KO小鼠皮层 Fe2+升高不显着,而Fe3+和皮层总铁水平升高显着;

普鲁士蓝染色显示Fth-KO组的阳性细胞数未见显着上调。

上述结果表明,在生理条件下,Fth-KO小鼠皮质铁代谢稳态被打破,进而说明神经元铁蛋白的铁储存功能在维持脑铁稳态中发挥了重要作用。

为进一步探讨神经元Fth 在脑外伤中的作用,研究者们检测了脑外伤后铁代谢、铁死亡相关指标在对照组与Fth-KO组中的差异,发现Fth-KO小鼠在铁超载、铁转出、脂质过氧化、神经退行性等方面出现明显的改变。这提示与野生型小鼠相比,Fth-KO可加重脑外伤引起的铁死亡(图2)。

此时,如果对Fth-KO小鼠给予褪黑素治疗,上述在野生型小鼠中所表现出来的褪黑素抗铁死亡作用将基本上被消除,提示褪黑素可能通过抑制神经元Fth介导的铁死亡来发挥神经保护作用(图3)。

图2 Fth-KO可加重脑外伤引起的铁死亡

图3:本研究示意图

由于脑外伤具有高发生率、死亡率与致残率的显着特点,已成为世界范围性的严重健康问题。鉴于铁死亡可能在脑外伤病理生理过程中发挥着重要作用,寻找新的阻断细胞死亡的方式可能有助于降低脑外伤的风险,增加康复的可能。

研究结果揭示了Fth在脑外伤引起铁死亡中的作用机制,证明了褪黑素是一种可行的铁死亡抑制剂,为认识褪黑素的多种生物学功能提供了新的思路,其介导的抗铁死亡作用机制有望成为脑损伤治疗的新靶点。

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