转硫代谢是静息内皮细胞铁死亡抵抗的关键机制

《Cell Death & Disease》：Transsulfuration metabolism is essential for ferroptosis resistance in quiescent endothelial cells

本研究针对血管生成中不同状态内皮细胞对铁死亡的敏感性差异，揭示了静息内皮细胞通过NRF2调控的转硫代谢通路，在胱氨酸限制条件下维持细胞内半胱氨酸和谷胱甘肽水平，从而抵抗铁死亡的新机制，为靶向肿瘤血管治疗提供了新思路。

　　

在我们的身体里，一个由内皮细胞构成的庞大血管网络负责输送氧气和营养物质，这个网络在胚胎发育、伤口愈合乃至肿瘤生长过程中都会发生显著变化——这个过程被称为血管生成。在血管生成过程中，原本处于静息状态的内皮细胞会被激活，开始快速增殖，形成新的血管。然而，在成年人体内，绝大多数内皮细胞都保持着静息状态，这种状态对于维持血管稳定至关重要。近年来，科学家们发现了一种新型细胞死亡方式——铁死亡，这种铁依赖性的细胞死亡与多种疾病密切相关，但不同状态的内皮细胞如何应对铁死亡的威胁，仍是一个未解之谜。

铁死亡的核心机制与脂质过氧化有关，而半胱氨酸在这一过程中扮演着关键角色。半胱氨酸是合成谷胱甘肽的重要原料，而谷胱甘肽又是谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）清除脂质过氧化物所必需的辅因子。细胞获取半胱氨酸主要有两种途径：一是通过细胞膜上的xCT转运体从细胞外摄取胱氨酸（两个半胱氨酸通过二硫键连接形成的分子），二是通过转硫途径（TSP）利用甲硫氨酸在细胞内自行合成。那么，增殖状态和静息状态的内皮细胞，是否会采用不同的策略来获取半胱氨酸，从而抵抗铁死亡呢？

这项发表在《Cell Death & Disease》上的研究由Roxana Elena Oberkersch、Jacopo Lidonnici等研究人员完成，他们通过一系列精巧的实验设计，揭示了静息内皮细胞通过激活转硫代谢来抵抗铁死亡的独特机制。

研究人员主要运用了细胞培养模型（包括人脐静脉内皮细胞HUVEC、人主动脉内皮细胞HAEC和小鼠胰腺内皮细胞MS1）、基因沉默技术、蛋白质免疫印迹、流式细胞术、靶向代谢组学分析以及小鼠视网膜血管生成模型等关键技术方法。其中，靶向代谢组学分析为了解细胞内代谢变化提供了重要数据，而视网膜血管生成模型则为在体研究提供了直观证据。

研究结果

增殖内皮细胞依赖外源性胱氨酸抵抗铁死亡

研究人员发现，增殖内皮细胞（PECs）在胱氨酸剥夺的培养条件下，细胞活力显著下降，并出现明显的脂质过氧化现象——这是铁死亡的典型特征。通过使用ferrostatin-1、deferoxamine和liproxstatin等铁死亡抑制剂，可以有效挽救细胞死亡。代谢组学分析显示，胱氨酸剥夺导致增殖内皮细胞内谷胱甘肽代谢相关代谢物水平显著下降。进一步实验证实，只有补充谷胱甘肽（GSH）而非其他半胱氨酸衍生物，才能恢复细胞活力并减少脂质过氧化，表明增殖内皮细胞严重依赖外源性胱氨酸来维持GSH水平，从而抵抗铁死亡。

静息内皮细胞以xCT非依赖方式抵抗胱氨酸缺乏诱导的铁死亡

与增殖内皮细胞不同，静息内皮细胞（QECs）在胱氨酸剥夺条件下表现出强大的抵抗能力，细胞活力不受影响，脂质过氧化水平也显著低于增殖内皮细胞。机制研究发现，静息内皮细胞中胱氨酸转运体SLC7A11（xCT的功能亚基）的表达水平较低，且胱氨酸摄取能力减弱。同时，静息内皮细胞中KLF2（Kruppel样因子2）表达上调，而过表达KLF2可降低SLC7A11表达，提示KLF2可能是调节静息内皮细胞胱氨酸依赖性的关键因子。

静息内皮细胞的铁死亡抵抗主要依赖GPX4通路而非FSP1

研究人员比较了两种重要的铁死亡抑制系统：GPX4和FSP1。结果显示，静息内皮细胞中GPX4蛋白水平高于增殖内皮细胞，而FSP1则呈现相反趋势。当使用GPX4抑制剂RSL3处理时，在胱氨酸剥夺条件下的静息内皮细胞变得敏感，表明GSH/GPX4轴在静息内皮细胞抵抗铁死亡中起核心作用。

静息内皮细胞利用转硫途径在胱氨酸限制下存活

代谢分析发现，静息内皮细胞中甲硫氨酸和同型半胱氨酸（Hcy）水平升高，这些是转硫途径合成半胱氨酸的前体物质。尽管总谷胱甘肽水平较低，但静息内皮细胞中还原型与氧化型谷胱甘肽（GSH/GSSG）的比值较高，表明其氧化还原状态更为有利。使用转硫途径抑制剂（TSPi）或基因敲低转硫途径关键酶（CBS和CTH）后，静息内皮细胞在胱氨酸剥夺条件下死亡增加。相反，在增殖内皮细胞中补充同型半胱氨酸或硫化氢（H₂S）可以抵抗胱氨酸剥夺诱导的铁死亡，且这一保护作用可被转硫途径抑制剂阻断。

缺氧使增殖内皮细胞重编程半胱氨酸代谢以抵抗铁死亡

研究发现，慢性严重缺氧（1% O₂）可使增殖内皮细胞获得对胱氨酸剥夺的抵抗能力。缺氧条件下，增殖内皮细胞SLC7A11表达下降，HO-1（血红素氧合酶1）水平降低（可能增强CBS活性），同时FSP1表达减少，这些变化使增殖内皮细胞的代谢特征向静息内皮细胞转变。

NRF2驱动的转硫途径激活促进静息内皮细胞在胱氨酸饥饿下的铁死亡抵抗

在探究潜在调控机制时，研究人员发现静息内皮细胞中NRF2（核因子E2相关因子2）水平显著高于增殖内皮细胞。使用NRF2抑制剂ML385处理，可使静息内皮细胞对胱氨酸剥夺敏感，并抑制转硫途径酶的表达，表明NRF2通过调控转硫途径介导了静息内皮细胞的铁死亡抵抗。

研究结论与意义

本研究系统阐明了增殖和静息内皮细胞在抵抗铁死亡方面的代谢差异：增殖内皮细胞主要依赖外源性胱氨酸摄取来维持GSH合成和GPX4活性；而静息内皮细胞则通过激活NRF2调控的转硫途径，实现半胱氨酸的自给自足，从而在胱氨酸限制条件下存活。此外，缺氧可通过诱导代谢重编程，使增殖内皮细胞获得类似静息内皮细胞的表型。

这一发现不仅深化了我们对内皮细胞代谢可塑性的理解，也为靶向肿瘤血管治疗提供了新思路。肿瘤血管通常处于异常状态，靶向转硫途径可能特异性地破坏肿瘤内皮细胞的铁死亡抵抗能力，而不影响正常静息内皮细胞，从而实现更精准的治疗。同时，研究揭示了NRF2-转硫途径轴在维持血管稳态中的重要作用，为治疗与血管功能障碍相关的疾病（如动脉粥样硬化、糖尿病视网膜病变等）提供了潜在靶点。

研究的局限性在于尚未完全阐明转硫途径在体内病理条件下的具体作用，特别是在肿瘤血管生成前后的功能差异。未来研究需要进一步探索肿瘤微环境中代谢物（包括气体信号分子）的水平变化，以及转硫途径在不同疾病背景下的调控机制，以充分挖掘其治疗潜力。