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为探究铁死亡（ferroptosis）中线粒体碎片化的调控机制及作用，研究人员开展了以 Drp1 为核心的研究。结果发现 Drp1 激活可加速铁死亡进程，促进线粒体碎片化。这为靶向线粒体动力学治疗相关疾病提供了理论依据。
在细胞的世界里，铁死亡这种特殊的细胞死亡方式正逐渐成为科研人员关注的焦点。铁死亡是一种由铁依赖的脂质过氧化积累引发的、不依赖半胱天冬酶（caspase）的调节性坏死形式，与多种氧化应激相关疾病，如缺血再灌注损伤、退行性疾病、急性肾衰竭、创伤性脑损伤以及癌症等密切相关。虽然近年来对铁死亡的研究取得了不少进展，但线粒体在铁死亡过程中的具体作用及相关分子机制却一直迷雾重重。线粒体不仅是细胞的能量工厂，还在细胞死亡过程中扮演着重要角色。在铁死亡发生时，线粒体形态会发生明显变化，其中线粒体碎片化尤为突出，可这种变化是如何被调控的，以及它在铁死亡细胞死亡进程中究竟起到什么作用，始终是未解之谜。为了揭开这些谜团，来自德国科隆大学（University of Cologne）等机构的研究人员展开了深入研究，相关成果发表在《Cell Death and Disease》杂志上。
研究人员运用了多种关键技术方法来开展研究。在细胞模型构建方面，使用了多种细胞系，如小鼠胚胎成纤维细胞（MEFs）、人非小细胞肺癌细胞系（H441、A549）等。实验技术上，通过活细胞共聚焦显微镜观察线粒体形态和功能变化；采用 RNA 干扰（RNAi）技术，如 siRNA 介导的基因沉默，来调控相关基因表达；运用免疫印迹（Western blotting）检测蛋白表达和磷酸化水平；借助免疫沉淀（immunoprecipitation）和 GTP 酶活性检测，探究蛋白活性变化；还利用了线粒体分离技术获取线粒体进行相关分析。
研究结果如下：
- 铁死亡诱导线粒体碎片化和去极化，但不引发线粒体外膜通透化：研究人员利用脂质过氧化传感器 BODIPY C11 581/591、线粒体标记物 Mitotracker deep red 和线粒体膜电位指示剂四甲基罗丹明乙酯高氯酸盐（TMRE），通过活细胞共聚焦显微镜观察发现，用 GPX4 小分子抑制剂 RSL3 诱导铁死亡后，NIH3T3 细胞中脂质活性氧（ROS）增加，线粒体网络碎片化加剧，线粒体膜电位丧失，同时细胞出现形态改变，如变圆、质膜出现肿胀泡等铁死亡特征。在 HT - 1080 细胞中进一步研究发现，脂质过氧化先于线粒体膜电位丧失和细胞死亡发生，且这些过程都依赖脂质过氧化，可被亲脂性自由基捕获剂和铁死亡特异性抑制剂 ferrostatin - 1（Fer - 1）抑制。此外，研究人员还发现，铁死亡过程中虽然线粒体膜电位丧失，但并未出现线粒体外膜通透化（MOMP），即细胞色素 c 和 Smac/DIABLO 未释放到细胞质中，这与细胞凋亡过程中的情况不同。同时，线粒体靶向的泛醇类似物 Mitoquinol（mitoQ）可阻止脂质过氧化和细胞死亡，表明线粒体来源的 ROS 与铁死亡执行相关。
- Drp1 加速铁死亡细胞死亡：哺乳动物中，线粒体分裂和碎片化由 Drp1 介导。研究人员通过多种实验方法，如在小鼠胚胎成纤维细胞（MEFs）中敲除 Drp1 基因、利用 siRNA 介导的基因沉默技术降低 Drp1 表达、使用 Drp1 抑制剂 Mdivi - 1 处理细胞等，发现 Drp1 缺失或功能抑制会延迟铁死亡细胞死亡的动力学过程，尤其是在早期时间点更为明显。同时，Drp1 沉默还会降低细胞脂质过氧化水平。此外，过表达促进线粒体融合的蛋白 Mitofusin 2（Mfn2）在 Drp1 敲除的 MEFs 中可进一步保护细胞免受铁死亡影响，而在野生型 MEFs 中未观察到明显效果；Mfn2 敲除的 MEFs 对 RSL3 诱导的铁死亡更敏感，Drp1 沉默可部分恢复其敏感性。这些结果表明，Drp1 促进铁死亡的作用与其调节线粒体动力学的功能密切相关。
- 铁死亡诱导时 Drp1 激活并转运至线粒体：Drp1 是一种胞质蛋白，其激活和转运至线粒体外膜（OMM）是诱导线粒体分裂的关键步骤。研究人员发现，用 erastin 处理细胞后，Drp1 的丝氨酸 616（S616）位点发生时间依赖性磷酸化，这表明胞质中的 Drp1 在铁死亡诱导时被激活。免疫沉淀和 GTP 酶活性检测实验显示，erastin 处理后 Drp1 的 GTP 酶活性随时间增加，且这种增加可被 Drp1 抑制剂 Mdivi - 1 逆转。共聚焦显微镜观察和线粒体蛋白免疫印迹分析进一步证实，铁死亡诱导后，Drp1 会显著转运至线粒体并在其上积累。
- Drp1 向线粒体的募集是促进铁死亡所必需的：Drp1 向线粒体的募集依赖其磷酸化和线粒体适配蛋白。研究人员利用 siRNA 介导的基因沉默技术敲低线粒体适配蛋白 MiD49 或 MiD51 后发现，部分沉默这些蛋白足以拯救细胞免受铁死亡影响。此外，线粒体磷酸甘油酸变位酶 / 蛋白磷酸酶（PGAM5）在铁死亡过程中也发挥着重要作用。PGAM5 可使 Drp1 的 S637 位点去磷酸化，从而激活 Drp1。研究发现，PGAM5 敲除的细胞对 erastin 和半胱氨酸剥夺诱导的铁死亡更具抗性，重新表达野生型 PGAM5 可恢复细胞对铁死亡的敏感性，而表达催化失活的 PGAM5（H105A）则无此效果。进一步研究还发现，Drp1 缺失会影响脂质过氧化在细胞内的传播，导致线粒体和质膜的脂质过氧化积累受损。
研究结论和讨论部分指出，该研究揭示了铁死亡过程中线粒体碎片化与脂质氧化的动态关系，明确了 Drp1 在铁死亡中的关键作用。Drp1 激活后转运至线粒体，通过调节线粒体动力学促进铁死亡细胞死亡，其作用机制涉及与 PGAM5 等蛋白的相互作用以及对脂质过氧化的调控。这一研究成果为深入理解铁死亡的分子机制提供了重要依据，也为靶向线粒体动力学治疗与铁死亡相关的疾病开辟了新的思路。例如，在缺血再灌注损伤、神经退行性疾病以及癌症治疗等方面，有望通过调节 Drp1 的活性或线粒体动力学来干预铁死亡进程，从而为这些疾病的治疗提供新的策略和潜在靶点。
