锰暴露通过cGAS-STING通路介导ROS生成诱导细胞凋亡与铁死亡的作用机制研究

针对锰(Mn)暴露导致神经认知缺陷的机制不明问题，兰州大学团队揭示了cGAS-STING通路通过介导活性氧(ROS)生成，进而诱发细胞凋亡（Bax/Bcl-2失衡、Cytochrome C释放）和铁死亡（GPX4/SLC7A11下调、ACSL4上调）的关键机制。该研究为锰神经毒性的干预提供了cGAS-STING通路和ROS双重靶点，发表于《Redox Biology》。

　　

锰作为人体必需微量元素，在工业应用中广泛存在，但环境锰暴露与帕金森样症状、认知障碍等神经退行性疾病密切相关。尽管已知锰能穿透血脑屏障蓄积于神经系统，其诱发神经元损伤的具体分子机制仍不明确。近年研究发现，铁死亡（一种铁依赖性脂质过氧化驱动的程序性细胞死亡）与阿尔茨海默病等神经病变相关，而锰暴露是否通过该途径导致神经毒性尚待阐明。同时，先天性免疫关键通路cGAS-STING（环鸟苷酸-腺苷酸合成酶-干扰素基因刺激因子通路）在锰离子(Mn²⁺)作用下可被异常激活，但其与锰神经毒性的关联仍是空白。

兰州大学公共卫生学院的研究团队在《Redox Biology》发表论文，通过体内外实验证实：锰暴露通过激活cGAS-STING通路介导ROS爆发，进而协同诱发细胞凋亡和铁死亡，这成为锰神经毒性的核心机制。研究采用锰处理BV2小胶质细胞构建体外模型，结合C57BL/6J小鼠锰暴露实验，运用RNA测序(RNA-seq)、流式细胞术、透射电镜等技术，发现锰处理导致cGAS-STING通路关键蛋白（cGAS/STING/TBK1）表达上调，伴随ROS和丙二醛(MDA)水平升高，抗氧化酶GSH-Px/SOD活性降低。进一步通过构建cGAS/STING基因敲除细胞系，证实该通路缺失可逆转锰诱导的氧化损伤、凋亡（Bax/Bcl-2比值下降）和铁死亡（GPX4/SLC7A11恢复、ACSL4下调）。

关键技术包括：1）建立锰暴露的BV2细胞和小鼠模型；2）RNA-seq筛选差异表达基因；3）流式检测ROS、线粒体膜电位(JC-1)和凋亡率(Annexin V-FITC/PI)；4）透射电镜观察线粒体超微结构；5）Western blot分析cGAS-STING通路蛋白及凋亡/铁死亡标志物。

主要结果：

1. 锰激活cGAS-STING通路并诱发氧化应激：锰处理使BV2细胞中cGAS、STING、TBK1蛋白表达剂量依赖性增加，同时ROS和MDA水平升高2-3倍，GSH-Px/SOD活性降低40%-60%。小鼠海马组织呈现类似变化。

2. 锰诱导细胞凋亡：RNA-seq显示凋亡相关基因显著差异表达。锰处理组Bax蛋白表达增加2.1倍，Bcl-2下降65%，线粒体Cytochrome C释放增加，凋亡率升高至对照组的3倍。

3. 锰触发铁死亡：铁代谢紊乱表现为细胞内Fe²⁺含量增加80%，铁死亡关键抑制因子GPX4和SLC7A11表达降低50%-70%，而促铁死亡蛋白ACSL4上调2.5倍。铁死亡诱导剂Erastin可协同增强该效应。

4. cGAS-STING通路缺失缓解毒性：敲除cGAS或STING基因后，锰处理的BV2细胞中ROS生成减少60%，凋亡率和Fe²⁺含量恢复正常，GPX4/DHODH表达回升。

5. ROS清除剂NAC的保护作用：NAC预处理使锰诱导的ROS降低55%，Bcl-2表达恢复至对照水平，ACSL4下调40%，证实ROS是下游关键效应分子。

该研究首次阐明cGAS-STING-ROS轴在锰神经毒性中的枢纽作用：锰通过直接激活cGAS增强STING信号，驱动ROS爆发，进而通过Bax/Bcl-2失衡诱导线粒体凋亡，同时通过破坏GPX4/SLC7A11和ACSL4调控网络引发铁死亡。这不仅为理解锰致神经退行性病变提供了新视角（如帕金森病中常见cGAS-STING通路异常激活），更提示靶向该通路或ROS可能是防治锰中毒的新策略。研究采用的基因敲除与药理学抑制相结合的验证方法，为金属毒理学研究提供了范式。未来可进一步探索cGAS-STING抑制剂在锰中毒动物模型中的治疗效果，或开展人群流行病学调查验证该机制的临床相关性。