非经典维生素K循环可有效抑制铁死亡

撰文 | Qi

铁死亡是一种以铁依赖性脂质过氧化为标志的非凋亡性细胞死亡形式，在器官损伤、退行性疾病和耐药性癌症的易感性中起关键作用。尽管在理解与铁死亡相关的分子过程方面取得了实质性进展，但决定细胞对铁死亡敏感性的其他细胞外在和细胞内在过程仍然未知。

2022年8月3日，来自Marcus Conrad团队在Nature杂志上发表了一篇题为A non-canonical vitamin K cycle is a potent ferroptosis suppressor的文章，他们证明维生素K的完全还原形式除了作为γ-谷氨酰羧化酶的辅助因子参与凝血相关的常规功能外，还具有很强的抗铁死亡功能。铁死亡抑制蛋白1（Ferroptosis suppressor protein 1,FSP1）是一种 NAD(P)H-泛醌还原酶，是继谷胱甘肽过氧化物酶之后控制铁死亡的第二个支柱，可有效地将维生素K还原为其对苯二酚，一种有效的自由基捕获抗氧化剂和(磷)脂过氧化的抑制剂。FSP1依赖的非经典维生素K循环可以保护细胞免受有害的脂质过氧化和铁死亡。

细胞已经进化出许多高效的氧化还原系统来抵消不受控的脂质过氧化，例如硒依赖性谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）【1】，细胞还利用维生素E，自然界中首屈一指的亲脂性自由基捕获抗氧化剂（RTA）以避免严重的脂质过氧化和铁死亡【2】，同时还被证明可以保护内皮细胞和造血干细胞等免受关键铁死亡调节因子 GPX4的组织特异性破坏引起的有害后果。

为了研究除了这些有效机制外的其他系统，作者利用他莫昔芬（TAM）诱导的Gpx4缺失细胞（称为Pfa1细胞），除了维生素E的活性形式之外，只有维生素 K 的三种形式，叶绿醌、甲萘醌-4（MK4）和甲萘醌可以将细胞从Gpx4缺失诱导的铁死亡中拯救出来。三者还能同时挽救由诱导剂引发的铁死亡细胞，但不能保护其他类型的细胞死亡（甲萘醌对细胞焦亡提供保护是例外）。随后，作者使用TAM诱导的肝细胞特异性Gpx4敲除小鼠测试维生素K（尤其是三者中最有效的MK4）是否也可以在体内预防铁死亡。小鼠在维生素E缺乏饮食饲养15小时后由于广泛的肝坏死便很快死亡，值得注意的是，如果用超营养水平的MK4治疗则能延长存活时间，并有力逆转相关的病理变化和肝脏中的脂质过氧化。

由于维生素K和泛醌具有相同的结构特性，作者检测了FSP1是否可以充当维生素K还原酶，产生VKH2以抑制脂质过氧化。将三种维生素K的任意一种与重组人FSP1（rhFSP1）和NADH共孵育时，NADH被消耗，MK4组会产生MK4-氢醌，证明FSP1催化维生素K的还原。尽管叶绿醌、MK4和甲萘醌本身不是脂质过氧化的抑制剂，但在rhFSP1和NADH存在下，这三种维生素K形式有效地抑制了脂质过氧化。NADH本身不抑制脂质过氧化，但NADH的供应明显延长了FSP1的三种维生素K形式的抑制期持续时间，表明NADH起到化学计量还原剂的作用，且氧化速率取决于NADH、维生素K和FSP1的浓度，支持FSP1催化的维生素K还原产生的VKH2是活性RTA的观点。与上述观察结果一致的是，MK4在FSP1-KO细胞中或者在FSP1抑制剂iFSP14处理后显示出抗铁死亡作用减弱，而FSP1的过表达或撤销药理抑制则能恢复这一功能。然而，在FSP1-KO的细胞中，如果添加高剂量的叶绿醌和MK4仍然可以防止铁死亡，说明还存在其他机制来还原维生素K，尽管效率较低。

华法林是全球使用最广泛的抗凝药物之一，高剂量维生素K是华法林中毒的有效解毒剂，因为足够的维生素K输入可以通过替代维生素K还原途径为GGCX提供VKH2。由于FSP1能够还原维生素K，作者进一步测试了FSP1是否是在经典GGCX-VKOR介导的循环中【3】，负责华法林抗性替代维生素K还原途径的酶。当用MK4处理人肝HepG2细胞时，它立即通过氢醌代谢为MK4环氧化物，然后再次转化为MK4。然而，在FSP1缺陷细胞中尤其是当细胞用华法林处理时，MK4环氧化物的转化效率显着降低。随后，作者在存在或不存在MK4治疗的情况下华法林过量的Fsp1+/–和Fsp1–/–小鼠检查了FSP1在该途径中的功能，当给予高剂量华法林时，用MK4治疗的Fsp1–/–小鼠显示MK4向MK4环氧化物的转化要少得多，并且仍然显示出极长的凝血酶原时间。这些发现证实了FSP1是经典维生素K循环中耐华法林的维生素K还原酶。

图1. 左图：FSP1作为抗华法林维生素K还原途径发挥作用，克服经典循环中的华法林中毒。右图：描述了维生素K通过FSP1介导的还原和脂质自由基捕获活性的抗铁死亡功能，从而构成了非典型的维生素K氧化还原循环。

总之，这项工作证明生素K通过其还原形式VKH2赋予强大的抗铁死亡活性。先前公认的铁死亡抑制因子FSP1是维生素K还原酶，一方面维持对华法林不敏感的非经典维生素K循环，另一方面还作为克服华法林中毒的解毒酶。由于铁死亡是从原核生物、植物到哺乳动物等多种物种中进化上保守的细胞死亡机制，维生素K可能作为最古老的天然存在的抗铁死亡醌类型。

针对这项工作，来自莫菲特癌症中心的Nathan P. Ward和Gina M. DeNicola也在同期杂志上发表了观点文章Long-sought mediator of vitamin K recycling，他们认为根据Mishima等人的研究，在治疗血栓形成和其他凝血障碍时，应将FSP1考虑在内，表现出低FSP1活性的人群可能需要更多的维生素K来对抗华法林中毒。因此，未来研究个体FSP1功能、膳食维生素K摄入量和华法林敏感性之间的相互作用是非常必要的。此外，当组织失去血液供应并随后恢复时，铁死亡会造成相当大的伤害，即缺血-再灌注损伤（IRI），因此使用维生素K补充剂作为一种有效手段来预防高缺血风险人群的IRI可能具有令人兴奋的潜力。

编后记：

值得一提的是，今年6月，Cellular and Molecular Life Sciences（CMLS）杂志已经报道了维生素K抑制铁死亡的作用。平心而论，CMLS和Nature的内容相比，数据质量系统性当然是不可比拟的，但是核心结论并无二致，可是从发表杂志来看简直天上人间。CMLS的要点有三：维生素K是铁死亡抑制剂；FSP1可以调控维生素K抑制铁死亡；在缺血再灌注模型中验证了维生素K的保护作用。Nature的工作显然十分系统，并且用了Gpx4缺失小鼠模型和FSP1缺失小鼠模型，有很多体内的遗传数据，并且用了临床上非常经典的药物法华林作为切入点，证实了FSP1是经典维生素K循环中耐华法林的维生素K还原酶。总结一句，类似的工作要发表所谓的顶尖杂志，至少卖相是一定要好的。

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05022-3

https://doi.org/10.1038/d41586-022-02001-6

https://link.springer.com/article/10.1007/s00018-022-04416-w

制版人：十一

参考文献

1. Doll, S. et al. FSP1 is a glutathione-independent ferroptosis suppressor.Nature575, 693–698 (2019).

2. Conrad, M. & Pratt, D. A. The chemical basis of ferroptosis.Nat. Chem. Biol.15, 1137–1147 (2019).

3. Shearer, M. J. & Okano, T. Key pathways and regulators of vitamin K function and intermediary metabolism.Annu. Rev. Nutr.38, 127–151 (2018).

转载须知

【原创文章】BioArt原创文章，欢迎个人转发分享，未经允许禁止转载，所刊登的所有作品的著作权均为BioArt所拥有。BioArt保留所有法定权利，违者必究。