OPA1调控线粒体ROS及应激反应以调节细胞铁死亡

铁死亡是一种铁依赖的非凋亡性细胞死亡形式，它有别于传统的细胞凋亡和坏死。这种死亡形式主要是由细胞内铁的积累和脂质过氧化引发的。谷胱甘肽过氧化物酶4（GPx4）是防御铁死亡的重要机制之一，它是一种PL氢过氧化物酶，利用谷胱甘肽（GSH）作为辅助因子催化脂质的还原反应。GSH生成依赖于半胱氨酸的供应，半胱氨酸由细胞膜上的转运体导入细胞内。一旦GSH耗尽，GPx4将无法正常发挥作用，细胞就容易发生铁死亡。线粒体是产生活性氧（ROS）的主要场所，高水平的ROS会导致细胞氧化性死亡。因此，抑制线粒体ROS特别是脂质ROS可以减轻铁死亡，这说明线粒体在脂质过氧化中起到关键作用。然而，线粒体如何具体调控铁死亡的机制仍不清楚。

近日，美国阿尔伯特-爱因斯坦医学院的Richard N. Kitsis在《Molecular Cell》发表了一篇关于OPA1蛋白在铁死亡中作用的论文。研究发现，OPA1通过调节线粒体ROS和整合应激反应来影响细胞对铁死亡的敏感性。OPA1是一种线粒体动力蛋白样GTP酶，负责线粒体形态发生、融合和能量动力学。鉴于OPA1在控制线粒体结构和能量方面的作用，研究人员推测OPA1可能通过线粒体依赖机制来调节铁死亡。

为了研究OPA1在铁死亡中的作用，研究人员使用了小鼠胚胎成纤维细胞（MEFs）和人类U2OS骨肉瘤细胞，并在这两种细胞中分别敲除Opa1，利用三种方法（半胱氨酸剥夺、小分子抑制剂诱导和脂质过氧化检测）诱导铁死亡。结果显示，OPA1的缺失显著减少了脂质过氧化和由多种铁死亡诱导剂引起的细胞死亡，这表明OPA1可能是铁死亡的一个正调控因子。此外，研究指出，OPA1的GTPase活性在这一过程中十分重要，缺乏GTPase功能的突变体（K301A）无法拯救Opa1缺失导致的铁死亡抑制。

进一步的研究发现，OPA1促进铁死亡的能力与其促进线粒体融合的能力无关。在缺失Opa1的细胞中，表达具有或不具有促进线粒体融合能力的OPA1异构体，细胞死亡率和脂质过氧化水平没有明显差异。OPA1还调控线粒体嵴的超微结构、电子传递链复合物（ETC）的组装和氧化磷酸化。缺失Opa1导致线粒体嵴结构混乱和ETC I、III、IV和V的组装受损，但不影响复合物II的组装。

有趣的是，OPA1在通过半胱氨酸剥夺和xGT抑制剂（erastin）导致的线粒体ROS和脂质ROS积累中发挥作用，而在通过GPx4抑制剂（RSL3）引发的ROS积累中不起作用。这解释了为什么Opa1缺失的MEFs对erastin诱导的铁死亡比对RSL3更具有抗性。研究进一步发现，OPA1的缺失上调了xCT基因的转录和活性，进而提升了GSH水平。OPA1缺失细胞也表现出更高的GPx4蛋白水平，并在erastin和RSL3处理期间GPx4水平没有快速下降，这与细胞对铁死亡的抗性一致。敲低xCT基因使OPA1缺失细胞对铁死亡的抗性消失，细胞重新对铁死亡敏感。

此外，RNA-seq分析显示，ATF4转录因子是整合应激反应的关键转录激活因子，能够上调一些铁死亡抗性相关基因（如xCT基因）的表达，OPA1的缺失导致ATF4表达上调和整合应激反应的激活。

最后，作者对OPA1对脂质代谢的影响进行了探讨。通过脂质组学分析发现，在OPA1缺失的细胞中，磷脂、溶血磷脂、甘油酯、游离脂肪酸和鞘脂表现出显著变化。特别是某些多不饱和脂肪酸减少，而大多数单不饱和脂肪酸显著富集。多不饱和脂肪酸在铁死亡过程中容易发生过氧化，而单不饱和脂肪酸可以减少细胞膜上脂质过氧化的积累，这表明单不饱和脂肪酸的积累可能在抑制铁死亡中发挥潜在作用。