铅暴露通过激活MAPK/ERK信号通路诱导ALS细胞模型铁死亡及其机制研究

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Lead exposure induces ferroptosis in ALS cell models by activating the MAPK/ERK signaling pathway

本研究聚焦环境重金属暴露与神经退行性疾病的关系，为解决铅(Pb)暴露在肌萎缩侧索硬化(ALS)发病机制中的作用不清这一关键问题，研究人员开展了铅暴露诱导ALS细胞模型铁死亡(ferroptosis)的机制研究。结果发现铅暴露通过激活MAPK/ERK信号通路，导致hSOD1G93A细胞发生铁死亡，表现为ROS和MDA积累、铁含量增加、GSH水平降低等特征。该研究首次阐明了铅暴露通过MAPK/ERK通路诱导铁死亡的新机制，为理解环境因素在ALS发病中的作用提供了实验证据，为铅相关ALS的防治提供了新靶点。

　　

在我们生活的环境中，重金属污染一直是一个不容忽视的公共卫生问题。其中，铅作为一种常见的环境污染物，可以通过空气、水和食物链进入人体，对多个器官系统造成损害。更令人担忧的是，越来越多的流行病学证据表明，铅暴露可能与一种致命的神经退行性疾病——肌萎缩侧索硬化（ALS）的发病风险增加有关。

ALS，俗称"渐冻症"，是一种主要影响运动神经元的进行性神经退行性疾病。患者会出现进行性肌肉无力和萎缩，大多数人在症状出现后3-5年内因呼吸衰竭而死亡。这种疾病分为家族性（fALS）和散发性（sALS）两种类型，其中散发性约占90%。尽管科学家们已经发现了一些与ALS相关的基因突变，但超过85%的散发性ALS病例的病因仍然不明。目前认为，ALS是遗传因素和环境因素复杂相互作用的结果，而环境重金属暴露，特别是铅暴露，被认为是重要的环境风险因素之一。

虽然流行病学研究提示铅暴露与ALS存在关联，但其中的具体分子机制一直不清楚，缺乏直接的实验证据。同时，近年来科学家们发现了一种新型的程序性细胞死亡方式——铁死亡（ferroptosis），这种死亡方式以铁依赖性和脂质过氧化为主要特征，与ALS的病理过程密切相关。更有趣的是，已有研究表明铅暴露可以诱导铁死亡，但铁死亡在铅相关ALS发病机制中的潜在作用尚未被探索。

在这项发表于《Ecotoxicology and Environmental Safety》的研究中，山西医科大学的研究团队创新性地将环境铅暴露、ALS病理和铁死亡这三个关键要素联系起来，旨在揭示铅暴露参与ALS发病的新机制。

研究人员主要运用了细胞培养与模型建立、细胞活力检测、生化指标测定、转录组学分析、Western blot蛋白分析以及透射电子显微镜等技术方法。他们使用NSC34运动神经元样细胞，通过稳定转染突变型hSOD1^G93A基因建立ALS细胞模型，并设置了相应的对照组。

3.1. 铅暴露对NSC34、hSOD1^WT和hSOD1^G93A细胞活力的影响

研究人员首先成功构建了ALS细胞模型，并通过qRT-PCR验证了hSOD1^G93A基因的表达。细胞活力实验显示，随着铅处理剂量（0-50 μM）的增加，三种细胞的活力均逐渐下降，其中hSOD1^G93A细胞在相同铅剂量下表现出更高的敏感性。在25 μM铅浓度下，hSOD1^G93A细胞的活力降至75.63%，显著低于NSC34（84.07%）和hSOD1^WT（83.33%）细胞。这些结果表明hSOD1^G93A细胞在一定剂量范围内对铅毒性更为敏感。

3.2. 铅诱导ALS细胞模型发生铁死亡

为了验证铅暴露是否诱导ALS细胞模型发生铁死亡，研究人员检测了一系列铁死亡相关指标。结果显示，铅暴露导致hSOD1^G93A细胞中MDA水平和脂质过氧化程度显著增加，铁含量上升，而GSH水平下降。在蛋白水平上，铅处理显著降低了SLC7A11和GPX4的蛋白表达，同时上调了ACSL4的蛋白水平。透射电镜观察进一步发现，铅暴露的hSOD1^G93A细胞出现了铁死亡的典型超微结构改变，包括明显的线粒体空泡化和嵴结构破坏。这些结果系统地证明了铅暴露诱导了ALS细胞模型中的铁死亡。

3.3. 转录组数据揭示铅、ALS与MAPK/ERK信号通路的关联

转录组分析结果显示，hSOD1^G93A组与hSOD1^G93A+50 μM铅组之间共有353个差异表达基因。KEGG通路富集分析发现，MAPK信号通路在hSOD1^G93A组与hSOD1^G93A+50 μM铅组的比较中显著富集。值得注意的是，RASGRF1等MAPK通路关键基因在铅暴露后的ALS细胞模型中表达发生显著改变，而RASGRF1可直接激活Ras，这是MAPK/ERK通路的上游起始开关。

3.4. 铅暴露激活ALS细胞模型中的MAPK/ERK信号通路

为进一步验证MAPK/ERK通路在铅诱导的铁死亡中的作用，研究人员检测了ERK1/2在Thr202/Tyr204位点的磷酸化水平。Western blot结果显示，铅暴露显著提高了hSOD1^G93A细胞中p-ERK1/2的水平，而NSC34、hSOD1^WT和未处理hSOD1^G93A组之间无显著差异。这表明铅暴露可能通过激活MAPK/ERK信号通路诱导ALS细胞模型中的铁死亡。

3.5. 抑制MAPK/ERK缓解铅诱导的ALS细胞模型铁死亡

为确认MAPK/ERK通路在铅诱导铁死亡中的关键作用，研究人员使用特异性MAPK/ERK通路抑制剂PD98059进行干预。结果显示，PD98059预处理显著降低了铅暴露ALS细胞模型中p-ERK1/2的蛋白水平，同时提高了细胞活力。此外，PD98059处理还显著降低了铁含量和脂质过氧化水平，提高了GSH水平，上调了SLC7A11和GPX4蛋白表达，下调了ACSL4蛋白表达。透射电镜也显示PD98059处理后线粒体嵴结构更加有序清晰。这些结果表明抑制MAPK/ERK通路可缓解铅诱导的铁死亡，对ALS细胞模型发挥保护作用。

这项研究得出的结论是，环境铅暴露通过激活MAPK/ERK信号通路诱导ALS细胞模型发生铁死亡。这一发现不仅为理解环境因素在ALS发病机制中的作用提供了新的分子视角，也表明铁死亡可能是连接铅暴露与ALS神经退行性变的关键桥梁。

研究的重要意义在于，它首次在基于hSOD1^G93A基因突变的细胞模型中建立了铅暴露、MAPK/ERK信号通路、铁死亡和ALS之间的关联。这一发现为不断增长的证据提供了支持，表明环境因素，特别是铅暴露，显著影响ALS的发病机制。此外，这一发现为研究ALS病理提供了新的分子靶点，也为其他神经退行性疾病的研究开辟了潜在方向。

更重要的是，该研究表明通过靶向MAPK/ERK信号通路来预防铁死亡，可能为解决铅相关ALS发病机制问题提供一种有前景的干预策略。尽管这项研究存在一些局限性，如主要基于hSOD1^G93A突变模型和体外实验，但其发现为理解环境因素如何通过特定分子机制参与神经退行性疾病发病提供了重要见解，为未来开发针对环境相关神经退行性疾病的预防和治疗策略奠定了理论基础。