鐵死亡的熱度自不必多言, 近期,中研院分生所陳升宏課題組在 Nature 發(fā)表了研究,發(fā)現(xiàn)鐵死亡觸發(fā)波可導(dǎo)致大規(guī)模細(xì)胞死亡……
01
背景知識(shí):觸發(fā)波與 FHN 模型
動(dòng)感光波,biu biu biu?NO!是觸發(fā)波!!
多細(xì)胞生物有時(shí)需要在遠(yuǎn)距離上快速協(xié)調(diào)行為?瓤,說(shuō)人話……For Example! 經(jīng)歷戰(zhàn)斗或逃跑反應(yīng)的人類會(huì)在數(shù)秒內(nèi)心率加快、瞳孔擴(kuò)張、外周血管收縮。但這種情況是無(wú)法通過(guò)擴(kuò)散、微管運(yùn)輸、流動(dòng)等通信方式實(shí)現(xiàn)的。
So,觸發(fā)波,一種反復(fù)出現(xiàn)的生物現(xiàn)象,在傳播過(guò)程中不會(huì)減慢或失去振幅,可快速可靠地遠(yuǎn)距離傳輸信息。
觸發(fā)波:舉個(gè)栗子!
首先,最古老的生物觸發(fā)波——動(dòng)作電位。
動(dòng)作電位起源于軸突小丘 (圖 1a) 并以不減的速度和幅度沿軸突傳播 (圖 1b)。動(dòng)作電位產(chǎn)生和傳播的關(guān)鍵蛋白質(zhì)是電壓敏感的鈉通道 (圖 1c)。
其電路是一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的正反饋和負(fù)反饋回路系統(tǒng)。反饋回路在蛋白質(zhì)構(gòu)象變化和離子流的水平上運(yùn)行,這兩個(gè)過(guò)程都是非?焖俚倪^(guò)程,這使得動(dòng)作電位的峰值可以在不到 1 毫秒的時(shí)間內(nèi)達(dá)到[1]。
圖 1. 生物觸發(fā)波的示例[1]。
(a–c)動(dòng)作電位。(a) 動(dòng)作電位在軸突小丘處產(chǎn)生,并沿軸突向遠(yuǎn)端傳播。(b) 通過(guò)一系列細(xì)胞外電極測(cè)量沿軸突傳播的動(dòng)作電位記錄。動(dòng)作電位期間 Na+ 向內(nèi)流動(dòng)記錄為細(xì)胞外電極記錄的電位負(fù)偏轉(zhuǎn)。(c) 產(chǎn)生動(dòng)作電位的電路示意圖。(d–f) 受精卵中的鈣波。(d) 鈣波在精子入口處產(chǎn)生并擴(kuò)散到整個(gè)卵子中。(e) 通過(guò)鈣綠加載后的比率成像測(cè)量乳狀帶蟲(chóng) Cerebratulus lacteus 母細(xì)胞中鈣濃度隨時(shí)間的變化。(f) 產(chǎn)生鈣波的電路示意圖。(g-i)非洲爪蟾卵中的有絲分裂波。(g)受精和受精后鈣波約 1 小時(shí)后,Cdk1 激活波從著絲粒附近擴(kuò)散到細(xì)胞皮層。(h)非洲爪蟾卵提取物中的有絲分裂波。薄薄的聚四氟乙烯管中裝滿了循環(huán)的非洲爪蟾卵提取物以及精子染色質(zhì)和核定位信號(hào)--綠色熒光蛋白標(biāo)記。核膜破裂波從細(xì)胞質(zhì)中最快的區(qū)域 (靠近這部分管的中間) 向外擴(kuò)散。(i)產(chǎn)生細(xì)胞周期蛋白 B-Cdk1 激活波的電路示意圖。
本篇文獻(xiàn)使用 MCE 產(chǎn)品如下:
鐵死亡誘導(dǎo)劑 | |
鐵死亡誘導(dǎo)劑 | |
NOX1/NOX4 抑制劑 | |
ROS 清除劑 |
鐵死亡以觸發(fā)波的形式傳播
研究者使用了 RPE 細(xì)胞,其對(duì)藍(lán)光照射敏感,并在對(duì)年齡相關(guān)性視網(wǎng)膜變性期間表現(xiàn)出過(guò)度的鐵死亡。作者使用 MCE 鐵死亡誘導(dǎo)劑如 RSL3 (HY-100218A) 或 Staurosporine (HY-15141)處理后,鐵死亡開(kāi)始并在 RPE 細(xì)胞中傳播。
圖 2. 鐵死亡在不同細(xì)胞類型中傳播[2]。
RSL3 (0.15 μM) (a) 或 Staurosporine (0.15 μM) (b) 處理的 RPE-1 細(xì)胞中細(xì)胞死亡的延時(shí)圖像。顯示為明場(chǎng)和核染料熒光圖像與細(xì)胞死亡輪廓(橙色輪廓)疊加。
藍(lán)光照射會(huì)升高細(xì)胞 ROS,并促使經(jīng) Erastin 處理的 RPE 細(xì)胞隨后死亡。作者用藍(lán)光照射 Erastin 處理的細(xì)胞后,鐵死亡從光照區(qū)域開(kāi)始,并以 5.52 ± 0.09 µm/min(平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)差)的恒定速度在 ≥5 mm 的距離內(nèi)傳播。
圖 3. 鐵死亡通過(guò)脂質(zhì)過(guò)氧化前以恒定速度在 RPE-1 細(xì)胞中傳播[2]。
a-b. 鐵死亡從光誘導(dǎo)區(qū)域(紅色圓圈)開(kāi)始,并在 18 小時(shí)內(nèi)傳播至 5 毫米內(nèi)經(jīng) Erastin 處理的細(xì)胞。輪廓(白色輪廓)表示特定時(shí)間點(diǎn)細(xì)胞死亡的邊界。a. 核染料熒光圖像(光誘導(dǎo)后 11 小時(shí))與光誘導(dǎo)后 2-18 小時(shí)的輪廓疊加。b. 光誘導(dǎo)后細(xì)胞死亡的延時(shí)圖像,顯示 a 中橙色框的放大視圖。細(xì)胞破裂(明場(chǎng))和核染料熒光增加(青色至白色)表示細(xì)胞死亡。c-d:數(shù)據(jù)來(lái)自 a,c:鐵死亡傳播的延時(shí)圖像陣列。d:鐵死亡傳播的動(dòng)態(tài)圖。
圖 4. 多種 ROS 可以共同促進(jìn)驅(qū)動(dòng)鐵死亡傳播的信號(hào)波前[2]。
a-b. 脂質(zhì)過(guò)氧化 (黃色) 和核染料熒光 (青色) 的合并圖像。使用 C11-BODIPY 581/591 監(jiān)測(cè)脂質(zhì)過(guò)氧化。黃色輪廓表示特定時(shí)間點(diǎn)脂質(zhì)過(guò)氧化的邊界。a. 圖像 (光誘導(dǎo)后 7 小時(shí)) 與光誘導(dǎo)后 1-10 小時(shí)的輪廓疊加 (頂部)。底部,圖像底部區(qū)域量化的細(xì)胞死亡和脂質(zhì)過(guò)氧化的熒光強(qiáng)度。b. a 中盒子的放大視圖。c. 在光誘導(dǎo) 4 小時(shí)后添加 ROS 清除劑如 MCE Trolox (6 µM) 后,Erastin 處理的細(xì)胞中細(xì)胞死亡傳播的動(dòng)態(tài)圖 (白色箭頭)[2]。
傳播機(jī)制
ROS 波前的形成需要兩個(gè)關(guān)鍵要素:(1) 細(xì)胞間 ROS 傳輸?shù)目臻g耦合機(jī)制;(2) 細(xì)胞內(nèi) ROS 擴(kuò)增機(jī)制 (例如,ROS 雙穩(wěn)態(tài))。作者驗(yàn)證了 ROS 或 ROS 誘導(dǎo)分子的擴(kuò)散不依賴于細(xì)胞與細(xì)胞之間的直接接觸。且在波停止的情況下,非起始區(qū)域邊緣的細(xì)胞表現(xiàn)出 ROS 積累 (圖 5),推測(cè)可能是由來(lái)自波起始區(qū)域的鐵死亡細(xì)胞的擴(kuò)散分子引起的。
通過(guò)實(shí)驗(yàn),研究者發(fā)現(xiàn)這些擴(kuò)散分子可能是一類 ROS,且不太可能是 H2O2,更可能是過(guò)氧化脂質(zhì)或其副產(chǎn)物。需要進(jìn)一步研究來(lái)確定這些擴(kuò)散 ROS 分子的身份。
圖 5. ROS 信號(hào)的擴(kuò)散作為鐵死亡觸發(fā)波的耦合機(jī)制[2]。
a. 在波起始區(qū)域 (左) 和非起始區(qū)域 (右) 之間產(chǎn)生間隙。細(xì)胞死亡 (青色) 和 ROS (黃色) 跨間隙傳播的延時(shí)圖像序列。使用 CellROX 染料監(jiān)測(cè) Erastin 處理的細(xì)胞中的 ROS。在特定時(shí)間點(diǎn)沿 2 mm 距離量化 ROS 的平均熒光強(qiáng)度。b. 波穿過(guò)不同間隙寬度 (35-380 微米) 的概率。
圖 6. ROS 反饋回路及化學(xué)干擾示意圖[2]。
芬頓反應(yīng)由細(xì)胞中游離鐵驅(qū)動(dòng)。它將 H2O2 轉(zhuǎn)化為 •OH——一種高活性 ROS,可引發(fā)自催化脂質(zhì)過(guò)氧化。使用鐵螯合劑去鐵胺 (Deferoxamine,DFO) 和鐵補(bǔ)充劑檸檬酸鐵 (Ferric citrate,F(xiàn)C) 擾亂了鐵水平。經(jīng) DFO 處理(80 µM)后,我們觀察到鐵死亡傳播速度降低。相比之下,通過(guò) FC 提供游離鐵可加速鐵死亡傳播 (圖 7)。
圖 7. 化學(xué)干擾劑的核染料熒光圖像及對(duì)鐵死亡觸發(fā)波的影響。
a.核染料熒光圖像 (光誘導(dǎo)后 11 h) 與細(xì)胞死亡輪廓疊加。黃色輪廓表示添加 DFO (80 µM) 的時(shí)間點(diǎn)。b. 核染料熒光圖像 (光誘導(dǎo)后 15 h) 與細(xì)胞死亡輪廓疊加。黃色輪廓表示添加 FC (250 µM) 的時(shí)間點(diǎn)。c-d. 添加鐵后,鐵死亡觸發(fā)波的速度增加。c.a 中實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)圖。d. b 中實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)圖。波速與DFO (e)、FC (f) 濃度的關(guān)系。
圖 8. MCE NOX1/NOX4 抑制劑 GKT137831 (HY-12298) 等對(duì)鐵死亡傳播的影響。
a-c. 添加 GKT137831 (1.25 µM)、LY294002 (100 µM) 或 Dasatinib (0.6 µM) 可減緩鐵死亡觸發(fā)波。d-f,波速與 GKT137831、LY294002 和 Dasatinib 濃度的關(guān)系。
除了化學(xué)干擾外,作者還通過(guò)過(guò)度表達(dá) ERK2 來(lái)基因調(diào)節(jié) NOX 信號(hào)的強(qiáng)度,鐵死亡波在 ERK2 過(guò)度表達(dá)的細(xì)胞中以更高的速度傳播,表明 NOX 介導(dǎo)的反饋回路在波傳播中起主要作用。
圖 9. 鐵死亡應(yīng)激使細(xì)胞啟動(dòng) ROS 雙穩(wěn)態(tài),并促進(jìn)鐵質(zhì)觸發(fā)波的傳播[2]。
a、計(jì)算機(jī)模擬顯示 ROS 穩(wěn)態(tài)與 erastin 濃度的關(guān)系。隨著 erastin 濃度的增加,ROS 穩(wěn)態(tài)從單穩(wěn)態(tài) (低) 分為雙穩(wěn)態(tài) (黃色區(qū)域)。穩(wěn)定的低和高 ROS 穩(wěn)態(tài)和 USS 分別用藍(lán)色、紅色和白色圓圈表示。光誘導(dǎo)引起的 ROS 升高 (藍(lán)色箭頭,從藍(lán)色圓圈升高到黃色圓圈) 使細(xì)胞超過(guò) USS,高于 USS 時(shí) ROS 被放大(紅色箭頭)到高穩(wěn)態(tài)。b、在不同 Erastin 濃度下光誘導(dǎo) 20 分鐘后的 ROS 熒光圖像 (黃色)。c. 增加 Erastin 濃度會(huì)促進(jìn) ROS 波前傳播。光誘導(dǎo) 6 小時(shí)后用不同濃度 Erastin 處理的細(xì)胞群中 ROS 傳播的模擬 (頂部) 和實(shí)驗(yàn) (底部)。
產(chǎn)品推薦 |
Setanaxib 是選擇性的 NADPH 氧化酶 (NOX1/4) 抑制劑,NADPH 的代謝情況與鐵死亡關(guān)系緊密。 |
RSL3 ((1S,3R)-RSL3) 是一種谷胱甘肽過(guò)氧化物酶 4 (GPX4) 的抑制劑 (ferroptosis 激動(dòng)劑)。 |
L-Buthionine-(S,R)-sulfoximine 是一種 G-谷氨酸半胱氨酸合成酶抑制劑,通過(guò)消耗 GSH 誘導(dǎo)細(xì)胞中的氧化應(yīng)激。 |
Ferrozine 是一種分光光度法測(cè)定鐵的試劑,能與二價(jià)鐵反應(yīng)形成穩(wěn)定的品紅絡(luò)合物。該復(fù)合物在 562 nm 處有吸收峰。 |
RhoNox-1 是一種特異性檢測(cè)二價(jià)鐵離子的熒光探針,當(dāng) RhoNox-1 與 Fe2+ 反應(yīng)后,可以生成一種不可逆的紅色熒光產(chǎn)物。 |
LPd peroxida probe 將脂質(zhì)氫過(guò)氧化物還原為脂質(zhì)醇,可以用于對(duì)活細(xì)胞中的脂質(zhì)氫過(guò)氧化物進(jìn)行成像。 |
Phen green SK (PGSK) diacetate 是一種熒光重金屬指示劑,可以對(duì)二價(jià)鐵離子進(jìn)行檢測(cè)。 |
ODIPY 581/591 C11 常用于活細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)過(guò)氧化和抗氧化性能的研究,或與羥基自由基反應(yīng)、檢測(cè)鐵死亡 (ferroptosis)。 |
經(jīng)典的 ROS 檢測(cè)探針,可以很好的反饋細(xì)胞內(nèi) ROS 水平。 |
MitoSOX Red 是一種超氧化物指示劑,進(jìn)入細(xì)胞后被激活,產(chǎn)品明亮的紅色熒光 。 |
參考文獻(xiàn):