Cell｜GPX4鳍环状结构介导神经元保护

撰文 | 风

神经退行性疾病是一组以认知衰退和运动功能障碍为特点的疾病，其病理特征是神经元的进行性丢失。尽管神经元 死亡是共同终点，但每种神经退行性疾病都有独特的病理标志，同时也是致病驱动因素和干预靶点【1】。在过去几十年中，GWAS研究已经鉴定这些疾病相关的遗传易感因素，为揭示其分子机制和药物筛选提供依据【2】。然而，神经元丢失作为先显著特征，尤其是驱动细胞死亡的上游通路，仍未得到充分认识，这也是治疗方式开发的主要障碍。谷胱甘肽过氧化物酶 4（glutathione peroxidase 4， GPX4 ）是铁死亡的核心调节因子【3】。铁死亡是一种非凋亡性、铁依赖性细胞死亡形式，广泛涉及多种疾病发病机制。研究已经证实GPX4的致病性变异与Sedaghatian 型脊柱干骺端发育不良（Sedaghatian-type spondylometaphyseal dysplasia， SSMD ）相关【4】。SSMD一种极罕见的常染色体隐性遗传病，以严重神经退行性变和骨骼异常为特征。尽管迄今为止仅有少数SSMD报道病例，但均与GPX4突变相关，凸显了铁死亡促进神经退行性疾病的重要作用【5】。然而，其中的细节仍需进一步阐明。

近 日 ， 德国亥姆霍兹中心代谢与细胞死亡研究所 Marcus Conrad 团队 在Cell杂志上在线发表了 题为 A fin-loop-like structure in GPX4 underlies neuroprotection from ferroptosis 的 研究文章 。 该研究通过极罕见3名SSMD患者携带的GPX4蛋白R152H突变鉴定一个鳍环状疏水性结构介导GPX4的质膜结合发挥抗铁死亡作用，同时进一步强调铁死亡调控在维持神经元完整性中不可或缺的作用 。

团队在来自两个不相关家庭的三名SSMD患者中发现共同的GPX4错义突变（c.455G>A; p.R152H），为研究SSMD的铁死亡机制提供机会。影像学检测发现这三名患者表现出特征性骨骼异常和不同程度的小脑萎缩。另外，这种神经退行性病变症状仅在纯合子Gpx4 R152H 携带者中出现，但比双等位基因截断性 Gpx4突变患者症状温和，表明GPX4的R152H突变严重损害但并未完全废除其功能，可能揭示此前未被识别的GPX4调控机制。作者直接分离一名纯合子患者及其杂合子父亲的原代成纤维细胞，发现只有纯合子Gpx4 R152H 患者来源成纤维细胞表现出典型铁死亡特征的快速细胞死亡，且可以被自由基捕获抗氧化剂或铁死亡抑制剂（liproxstatin-1）逆转。将这些成纤维细胞在体外重编程为人类诱导多能干细胞（hiPSCs）后通过神经元祖细胞将 hiPSCs定向分化为大脑皮质神经元。尽管诱导效率无差别，但纯合子来源的神经元出现铁死亡驱动的细胞死亡。随后，作者构建 Gpx4 R152H 小鼠，该小鼠纯合子致死，提示人类存在尚未确定的补偿程序或抑制基因，使纯合子Gpx4 R152H 个体能够存活。为此，作者再次构建 Gpx4 R152H/fl Rosa26CreER T2+/tg 小鼠，他莫昔芬诱导后小鼠出现GPX4敲除类似的肾小管上皮细胞广泛死亡，提示R152H变异无法补偿野生型GPX4的缺失。总之，这些数据 鉴定到GPX4的R152H变异引起的铁死亡。

随后的实验进一步发现R152H变异并不改变细胞GPX4的转录和表达水平，也不影响GPX4的酶活性。光谱和晶体结构分析发现野生型GPX4蛋白在130残基位置突出蛋白质表面形成鳍状环结构，而R152H变异的GPX4蛋白此结构塌陷，蛋白质的其余部分未受影响，提示152位精氨酸对维持GPX4鳍状环的重要作用。考虑到GPX4的整体结构未受影响且酶活性未改变以及鳍状环结构周围的疏水性，作者推测鳍状环结构介导GPX4与膜的正确定位和结合。双分子层与GPX4野生型和突变型滴定的光谱分析结果支持R152H突变引起的鳍状环结构塌陷显著抑制GPX4与双分子层结合。不仅如此，将130残基位置附近的疏水性129号异亮氨酸和131号亮氨酸突变为亲水丝氨酸时，虽然不影响GPX4整体结构包括鳍状环，但也能像R152H突变类似抑制GPX4与双分子层结合，提示疏水性鳍状环介导GPX4与膜的相互作用。值得注意的是，用赖氨酸替换R152（R152K）可以通过水介导的氢键部分恢复鳍状环的稳定性，表明即使在该位点进行适度的结构补偿也足以维持功能并有效预防铁死亡。紧接着，作者在稳定表达野生型和R152H变异的GPX4敲除细胞系中使用差速离心进行亚细胞器分离，免疫印迹证实质膜富集的R152H突变GPX4蛋白显著降低。超分辨率显微镜同样发现R152H突变的GPX4蛋白膜结合能力受损。总之，这些数据表明 R152H突变阻碍GPX4的细胞膜定位，进而损害其抗铁死亡作用。

最后，作者构建大脑前皮质谷氨酸能神经元特异性GPX4敲除和R125H引入小鼠模型（ Camk2aCreER T2+/tg Gpx4 fl/fl 和 Camk2aCreER T2+/tg Gpx4 R152H/fl ），发现小鼠均出现进行性皮质神经退行性病变，但后者表型较为温和呈现亚效性表型。神经丝轻链（NfL）是一种轴突结构蛋白，是血浆和脑脊液（CSF）中神经元损伤的既定标志物。作者检测到GPX4缺失的确引起血浆Nfl水平增加。大脑流式细胞术检测发现GPX4缺失导致CD45 + 免疫细胞浸润显著增高，小胶质细胞也处于活化状态。为了将表型扩展至皮质神经元之外，作者又构建小脑特异性GPX4敲除小鼠模型（ L7Cre +/tg Gpx4 fl/fl ），发现GPX4缺失引起小鼠 异常步态并发展 为 明显的共济失调表型 ，病理分析发现浦肯野细胞明显丢失。另外，蛋白质质谱分析表明神经元GPX4缺失引起大脑阿尔茨海默病通路以及其他神经退行性疾病通路显著富集。总之， GPX4缺乏与痴呆样分子特征相关。

综上所述，这 项 研究 解析三名极罕见常染色体隐性遗传疾病SSMD患者中发现的纯合子GPX4错义变异（p.R152H）的结构和功能，揭示R152H突变通过破坏一个鳍状疏水性环引起GPX4的质膜结合能力缺陷，导致无法有效抑制铁死亡。该研究为理解GPX4如何锚定在膜上阻止脂质过氧化以及铁死亡作为神经退行性疾病的治疗靶点提供理论依据。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.11.014

制版人： 十一

参考文献

1. David M 3rd, Wilson., Mark R, Cookson., Ludo, Van Den Bosch., Henrik, Zetterberg., David M, Holtzman., Ilse, Dewachter.(2023). Hallmarks of neurodegenerative diseases.Cell, 186(4), 693-714. doi:10.1016/j.cell.2022.12.032

2. J C, Lambert., C A, Ibrahim-Verbaas., D, Harold., A C, Naj., R, Sims., C, Bellenguez., A L, DeStafano., et al .(2013). Meta-analysis of 74,046 individuals identifies 11 new susceptibility loci for Alzheimer's disease.Nat Genet, 45(12), 1452-8. doi:10.1038/ng.2802

3. Wan Seok, Yang., Rohitha, SriRamaratnam., Matthew E, Welsch., Kenichi, Shimada., Rachid, Skouta., Vasanthi S, Viswanathan., Jaime H, Cheah., Paul A, Clemons., Alykhan F, Shamji., Clary B, Clish., Lewis M, Brown., Albert W, Girotti., Virginia W, Cornish., Stuart L, Schreiber., Brent R, Stockwell.(2014). Regulation of ferroptotic cancer cell death by GPX4.Cell, 156(0), 317-331. doi:10.1016/j.cell.2013.12.010

4. Amanda C, Smith., Alan J, Mears., Ryan, Bunker., Afsana, Ahmed., Malcolm, MacKenzie., et al .(2014). Mutations in the enzyme glutathione peroxidase 4 cause Sedaghatian-type spondylometaphyseal dysplasia.J Med Genet, 51(7), 470-4. doi:10.1136/jmedgenet-2013-102218

5. Irina, Ingold., Carsten, Berndt., Sabine, Schmitt., Sebastian, Doll., Gereon, Poschmann., Katalin, et al .(2018). Selenium Utilization by GPX4 Is Required to Prevent Hydroperoxide-Induced Ferroptosis.Cell, 172(3), 409-422.e21. doi:10.1016/j.cell.2017.11.048

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