GPX4膜锚定结构揭示铁死亡在神经退行性疾病中的关键作用

《Cell》：A fin-loop-like structure in GPX4 underlies neuroprotection from ferroptosis

本研究针对GPX4基因R152H突变导致神经退行性疾病的机制难题，通过结构生物学和疾病模型揭示GPX4通过"鳍状环"结构域锚定细胞膜发挥神经保护功能。研究发现该突变虽不影响酶活性但破坏膜定位能力，导致铁死亡驱动神经退化，患者来源神经元和条件性基因敲除小鼠均呈现阿尔茨海默病样分子特征，为靶向铁死亡治疗神经退行性疾病提供理论依据。

　　

在神经退行性疾病研究领域，科学家们长期面临一个核心谜题：究竟是什么分子机制最终导致神经元不可逆的死亡？虽然阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性疾病有着不同的病理特征，但它们都伴随着进行性神经元丧失。近年来，一种新型细胞死亡方式——铁死亡（ferroptosis）引起了学界广泛关注。这种铁依赖性的脂质过氧化死亡方式，与传统的细胞凋亡有着本质区别，而谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）已被证实是铁死亡的关键调控因子。

然而，一个关键科学问题尚未解决：GPX4究竟如何精准定位到细胞膜上，及时消除脂质过氧化物来保护神经元？这个问题对于理解遗传性神经退行性疾病——Sedaghatian型脊椎干骺端发育不良（SSMD）尤为重要，该疾病由GPX4基因突变引起，患者出现严重神经退行性症状和骨骼异常。

在这项发表于《Cell》杂志的研究中，Lorenz等人通过对GPX4罕见突变（R152H）的深入剖析，揭示了GPX4通过一个独特的"鳍状环"（fin-loop）结构域锚定细胞膜的核心机制。这一发现不仅解释了GPX4相关神经退行性疾病的发病原理，更为靶向铁死亡治疗神经退行性疾病开辟了新途径。

研究人员运用了多项关键技术方法：通过X射线晶体学和核磁共振（NMR）解析GPX4及其突变体的三维结构；利用患者来源诱导多能干细胞（iPSC）分化为皮质神经元和大脑类器官建立疾病模型；构建条件性基因敲除小鼠模拟疾病进程；采用质谱为基础的脂质组学和蛋白质组学分析分子变化。

GPX4 R152H突变引发铁死亡

研究团队首先分析了携带GPX4 R152H纯合突变的SSMD患者临床特征。这些患者除了典型的骨骼异常外，还表现出进行性小脑萎缩和皮质萎缩，提示神经元退化是进行性的而非发育缺陷。为验证该突变是否直接导致铁死亡，研究人员将患者来源的成纤维细胞重编程为iPSC，并进一步分化为皮质神经元。结果发现，只有纯合突变神经元在去除铁死亡抑制剂后迅速死亡，且死亡可被脂氧斯坦-1（Lip-1）特异性挽救，证实了铁死亡是主要细胞死亡方式。

R152H突变导致疏水性鳍状环结构坍塌

令人惊讶的是，生化分析显示R152H突变并不影响GPX4的蛋白表达水平和酶活性。通过高分辨率结构生物学手段，研究人员发现奥秘隐藏在GPX4的三维结构中：R152位于一个此前未被重视的"鳍状环"结构域基部，该环状结构富含疏水性氨基酸，如同一个膜锚定装置。R152H突变破坏了精氨酸与Asn132和Ala133之间的氢键网络，导致鳍状环结构坍塌，虽然酶活性中心保持完整，但GPX4丧失了膜定位能力。

疏水性鳍状环介导GPX4膜结合

为验证鳍状环的功能，研究团队设计了多种GPX4突变体。将鳍状环顶端的疏水性氨基酸I129和L130替换为丝氨酸后，虽然保持了环状结构，但因疏水性降低而丧失膜结合能力。相反，将R152替换为赖氨酸（R152K）则能部分恢复鳍状环稳定性，说明该位点对结构稳定性的关键作用。膜结合实验进一步证实，野生型GPX4通过鳍状环与膜脂质双层相互作用，而R152H突变体则丧失了这一能力。

GPX4对皮质和小脑神经元完整性至关重要

利用条件性基因敲除小鼠模型，研究人员发现特异性敲除皮质神经元中的Gpx4基因导致进行性皮质萎缩、运动功能障碍和神经炎症反应。小脑浦肯野细胞特异性敲除则引起共济失调和神经元丧失。血浆神经丝轻链（NfL）作为神经退行性生物标志物显著升高，而Lip-1治疗可有效缓解神经元死亡，证实铁死亡是神经元丧失的主要驱动力。

神经蛋白质组学分析将GPX4缺陷与痴呆样分子特征联系起来

最令人瞩目的发现来自时间分辨蛋白质组学分析。Gpx4缺陷大脑的分子特征与阿尔茨海默病等神经退行性疾病高度重叠，包括载脂蛋白E（APOE）和簇集素（CLU）的上调，以及神经炎症相关通路的激活。这种分子相似性在模拟患者突变的Gpx4^R152H/flCamk2aCreER^T2+/tg小鼠中也得到重现，虽然程度较轻，但证实了铁死亡与常见神经退行性疾病之间的分子联系。

这项研究通过多学科方法揭示了GPX4膜锚定的结构基础，确立了铁死亡作为神经退行性病变的核心驱动因素。研究证明，GPX4通过其鳍状环结构域精确靶向细胞膜，这一机制的破坏足以引发神经元铁死亡和神经退行性变化。更重要的是，该工作建立了遗传性铁死亡障碍与常见神经退行性疾病之间的分子桥梁，为开发针对铁死亡的神经保护疗法提供了坚实理论基础。这些发现不仅深化了对细胞死亡机制的理解，也为神经退行性疾病的治疗策略开辟了新视角。