FOXO3通过多层面调控铁死亡揭示细胞周期与氧化应激的交叉对话

《Cell Death Discovery》：Activation of a FOXO3-induced cell cycle arrest regulates ferroptosis

本研究针对细胞在增殖与非增殖状态下死亡机制差异的科学问题，开展了FOXO3转录因子调控铁死亡(ferroptosis)机制的主题研究。研究人员发现FOXO3激活通过p27诱导的G1期细胞周期阻滞、降低H2O2水平、减少转铁蛋白受体TFR1表达以及调控ACSL4和PEX5等关键蛋白，多层面地抑制铁死亡。这项发表于《Cell Death Discovery》的研究揭示了PI3K/AKT/FOXO信号轴在协调细胞状态与死亡敏感性中的核心作用，为理解细胞稳态维持提供了新视角。

　　

在细胞生物学领域，细胞如何在不同状态下选择生存或死亡始终是核心谜题。正常细胞需要精密调控的死亡程序来维持组织稳态，而癌细胞则经常利用这些机制的缺陷获得生存优势。铁死亡(ferroptosis)作为一种新发现的铁依赖性非凋亡性细胞死亡形式，因其在肿瘤抑制和治疗中的潜在价值而备受关注。这种死亡方式由脂质过氧化物累积驱动，与传统的凋亡和坏死存在显著差异。

PI3K/AKT信号通路是细胞生存与增殖的核心调控者，但其下游效应分子FOXO转录因子在铁死亡中的作用尚不明确。FOXO家族成员在进化上高度保守，从线虫的DAF-16到哺乳动物的FOXO1/3/4/6，均参与应激抵抗和寿命调控。有趣的是，PI3K/AKT促进增殖并抑制凋亡，而FOXO则诱导细胞周期停滞并保护细胞免受氧化应激。这种看似矛盾的功能如何协调细胞状态与死亡敏感性，成为本研究探索的重点。

荷兰乌得勒支大学医学中心Burgering团队在《Cell Death Discovery》上发表的研究，系统阐述了FOXO3通过多层面机制调控铁死亡的新发现。研究人员选择hTERT-RPE-1人视网膜色素上皮细胞系这一非转化模型，避免了癌细胞中常见的信号通路异常对结果的干扰。

研究团队运用了多项关键技术：通过构建可诱导表达持续激活型FOXO3.A3的细胞模型，结合铁死亡诱导剂(RSL3、erastin)处理，评估细胞死亡敏感性；利用C11-BODIPY^581/591探针和丙二醛(MDA)检测脂质过氧化水平；采用HyPer7基因编码传感器监测细胞内H_{22动态变化；通过流式细胞术分析细胞周期和铁离子(FerroOrange染色)；借助蛋白质印迹(Western blot)和实时荧光定量PCR评估关键蛋白表达；使用液相色谱-质谱联用(LC-MS)分析谷胱甘肽(GSH)水平。}

FOXO3激活保护细胞抵抗铁死亡

研究人员首先证实hTERT-RPE-1细胞对GPX4抑制剂RSL3和系统xc^-抑制剂erastin诱导的铁死亡敏感，且可被ferrostatin-1和liproxstatin-1挽救。通过构建可诱导表达FOXO3.A3的细胞模型，发现FOXO3激活显著降低RSL3和erastin诱导的细胞死亡，同时减少C11-BODIPY^581/591氧化和MDA水平，表明FOXO3激活通过抑制脂质过氧化保护细胞抵抗铁死亡。

FOXO3诱导的G1期阻滞调控铁死亡

FOXO3激活诱导p27^kip1依赖性G1期细胞周期阻滞。在p27^kip1敲除细胞中，FOXO3介导的铁死亡保护作用受损，表明p27^kip1介导的G1期阻滞参与FOXO3诱导的铁死亡保护。高细胞密度引起的接触抑制同样保护细胞抵抗铁死亡，但FOXO3的保护作用不依赖于细胞密度，且p27^kip1敲除细胞在高密度条件下仍显示铁死亡保护，提示G1期阻滞本身而非p27^kip1是保护作用的关键。

FOXO3调控脂质代谢促进铁死亡保护

与密度阻滞不同，FOXO3激活下调长链脂酰辅酶A连接酶4(ACSL4)和过氧化物酶体靶向信号1受体(PEX5)表达，这两种蛋白均与脂质代谢和铁死亡敏感性相关。研究人员比较了多种诱导G1期阻滞的方法对铁死亡的影响：血清剥夺和热灭活血清处理提供强保护，胸苷阻滞(晚期G1/早期S期)提供中等保护，而CDK4/6抑制剂palbociclib虽诱导G1期阻滞却不影响铁死亡敏感性。值得注意的是，palbociclib处理增加脂滴形成，而FOXO3激活不影响脂滴形成，表明在hTERT-RPE-1细胞中，脂滴形成与铁死亡保护无直接关联。

FOXO3调控铁死亡与氧化还原控制相关

铁死亡由羟基自由基驱动的脂质过氧化引发，而H_{22通过芬顿反应(Fenton reaction)产生羟基自由基。研究发现erastin处理(而非RSL3)通过降低谷胱甘肽(GSH)水平，增加细胞对H22挑战的敏感性。FOXO3激活提高细胞GSH水平，降低HyPer7传感器对H22的氧化响应，表明增强的还原能力有助于铁死亡保护。所有诱导细胞周期阻滞的处理均不同程度降低HyPer7氧化，提示细胞周期阻滞本身提高细胞还原能力。}

FOXO3控制铁代谢

FOXO3激活下调转铁蛋白受体1(TFR1)、铁蛋白重链(ferritin)和铁转运蛋白(ferroportin)表达，降低细胞内Fe²⁺水平。胸苷阻滞同样降低铁水平，而palbociclib处理不影响铁代谢。使用TFR1抑制剂ferristatin II证实降低铁摄取可保护细胞抵抗铁死亡，表明FOXO3通过协同调控还原能力和铁代谢最大化减少羟基自由基生成。

研究结论表明，FOXO3激活通过多层机制调控铁死亡敏感性：协调增加还原能力与减少铁摄取，最大限度抑制芬顿反应；调控ACSL4和PEX5等脂质代谢相关蛋白。与近期研究不同，在hTERT-RPE-1细胞中，G1期阻滞本身不足以提供铁死亡保护，需要伴随铁代谢调控。这项工作扩展了FOXO3在细胞保护中的作用范围，揭示了细胞状态转换与死亡敏感性调控的精密联系。

这项研究的重要意义在于阐明了PI3K/AKT/FOXO信号轴在协调增殖状态与死亡敏感性中的核心作用。在增殖状态下，PI3K/AKT信号促进生存；而在静止状态下，FOXO激活提供替代性保护机制。这种双重调控确保细胞生存策略与生理状态相匹配，为理解发育、衰老和肿瘤发生中细胞稳态维持提供了新视角。特别是FOXO3对铁代谢的调控，为铁过载相关疾病和癌症治疗提供了潜在靶点。