ELF1通过IFITM3-PTPRO轴促进依赖ACSL4的髓核细胞铁衰老，从而加剧椎间盘退变

《Life Sciences》：ELF1 exacerbates intervertebral disc degeneration by promoting ACSL4-dependent ferro-aging of nucleus pulposus cells through the IFITM3-PTPRO axis

　　

**摘要**

**目标**
椎间盘退变（IVDD）是腰痛的主要原因，其特征为髓核细胞（NPC）衰老和细胞外基质降解。铁老化，一种与慢性铁依赖性脂质过氧化相关的衰老程序，最近被提出作为连接代谢失调与组织衰老的潜在机制。然而，铁老化是否参与 IVDD 以及如何调控仍不清楚。本研究旨在调查铁老化在 IVDD 中的作用并确定其上游调控网络。

**材料与方法**
采用单细胞 RNA 测序分析、人髓核组织验证、穿刺诱导和年龄相关 IVDD 动物模型以及多种 NPC 衰老模型来研究 IFITM3 相关的铁老化。进行了功能缺失和功能获得方法、RNA 测序、免疫共沉淀、双荧光素酶报告基因检测和染色质免疫共沉淀检测，以研究涉及 ELF1、IFITM3、PTPRO 和 ACSL4 的调控网络。

**主要发现**
IFITM3 在退变的 NPC 中表达增加，并与铁死亡相关通路、炎症反应和细胞外基质重塑有关。IFITM3 通过增强铁积累、ACSL4 表达、脂质过氧化、氧化应激和细胞衰老来促进 NPC 铁老化。机制上，PTPRO 被鉴定为 IFITM3 相关的调控节点，有助于 ACSL4 蛋白稳定和脂质过氧化，而 ELF1 转录激活 IFITM3。基因抑制 Ifitm3、Ptpro 或 Elf1 减轻了铁老化表型并延缓了 IVDD 的进展。

**意义**
本研究识别了铁老化作为以前未被识别的参与 IVDD 的机制，并确定了涉及 ELF1、IFITM3、PTPRO 和 ACSL4 的调控网络作为延缓椎间盘退变的潜在治疗框架。

**引言**
腰痛（LBP）是全球最常见的肌肉骨骼症状之一，代表了一个重大的公共卫生问题，与残疾调整生命年增加、劳动参与受限、生活质量下降以及日益增长的社会经济负担有关。椎间盘退变（IVDD）是 LBP 的主要贡献者。全球范围内，超过 5.6 亿人受 LBP 影响，涵盖不同年龄组 [1]，[2]，[3]。髓核细胞（NPC）的衰老是椎间盘退变进展过程中的一个关键细胞事件。NPC 衰老通常以衰老相关 β-半乳糖苷酶（SA-β-gal）阳性细胞比例增加、细胞周期抑制剂（如 p16 和 p21）表达升高以及细胞周期停滞为特征，并伴随获得衰老相关分泌表型（SASP）[4]，[5]。衰老的髓核细胞可以通过持续分泌炎症和基质降解因子，进一步放大局部的炎症和基质降解微环境。因此，阐明驱动髓核细胞衰老的关键机制对于理解椎间盘退变的进展至关重要 [6]，[7]，[8]。由细胞因子介导的炎症反应，特别是肿瘤坏死因子 -α（TNF-α）和白细胞介素 -1β（IL-1β），被认为通过促进椎间盘微环境中的细胞外基质降解、细胞功能障碍和慢性炎症放大，是 IVDD 进展的关键贡献因素 [9]。

近年来，失调的铁代谢和由此产生的铁依赖性脂质过氧化已被认为是促进细胞衰老和年龄相关病理变化的重要机制 [10]，[11]，[12]。铁稳态紊乱可以通过增强氧化应激、脂质过氧化和铁死亡易感性，导致各种疾病的发病和进展 [13]，[14]，[15]。经典铁死亡是一种以铁依赖性脂质过氧化为特征的受调控细胞死亡形式。其典型的分子事件包括铁积累、脂酰辅酶 A 合酶长链家族成员 4（ACSL4）介导的含多不饱和脂肪酸磷脂的重塑、脂质过氧化产物（如 4-羟基壬烯醛（4-HNE）和丙二醛（MDA））水平增加，以及谷胱甘肽过氧化物酶 4（GPX4）介导的脂质过氧化物清除受损 [16]，[17]。最近的研究提出了新兴的铁老化概念，描述了一种与慢性铁依赖性脂质过氧化相关的衰老过程，将铁死亡相关的代谢失调与细胞衰老联系起来。虽然铁老化与经典铁死亡共享共同的分子特征，包括铁积累、脂质过氧化、ACSL4 介导的磷脂重塑和抗氧化防御受损，但它代表了一个不同的生物过程，具有不同的细胞结果。经典铁死亡是一种由过度的铁依赖性脂质过氧化驱动的急性受调控细胞死亡形式，其特征是膜完整性迅速破坏、GPX4 失活和细胞活力不可逆丧失。相比之下，铁老化反映了一种慢性且亚致死性的铁死亡应激状态，其中持久的铁失衡和脂质氧化损伤逐渐积累，而不会立即引发细胞死亡，而是促进细胞衰老、代谢功能障碍和组织稳态的进行性丧失。在此过程中，铁死亡相关分子，如 ACSL4、4-HNE 和 MDA，可能作为连接铁代谢障碍与衰老相关表型变化的关键介质。因此，铁死亡和铁老化不应被视为相同的过程；相反，铁死亡代表一种急性终端细胞命运，而铁老化代表一种与铁死亡相关的慢性衰老程序，可能有助于与年龄相关的组织退变 [13]，[18]，[19]。

椎间盘退变与年龄密切相关，退变的椎间盘长期暴露于独特的微环境，其特征是营养供应有限、缺氧、炎症和氧化应激。越来越多的证据表明，该微环境中的代谢应激和氧化损伤导致髓核细胞功能障碍和退变，突出了针对病理性微环境改变进行靶向治疗的潜在价值 [20]，[21]，[22]，[23]。先前的研究表明，退变的髓核组织中存在问题铁死亡相关的分子事件，包括铁积累、脂质过氧化增强、ACSL4 上调和 GPX4 功能受损。此外，乳酸代谢和表观遗传乳酸化可以通过上调 ACSL4 表达和增强 ACSL4 乳酸化来激活髓核细胞中的铁死亡，并促进椎间盘退变 [24]。基于铁老化概念以及在退变的髓核组织中观察到的持续性铁死亡样分子改变，退变的髓核细胞可能具有发生铁老化的生物学基础。然而，退变的髓核细胞中是否发生铁老化，以及上游代谢、炎症或表观遗传调控网络如何驱动椎间盘退变的进展，仍不清楚。

干扰素诱导跨膜蛋白 3（IFITM3）是干扰素诱导跨膜蛋白家族的一员，最初因其参与宿主抗病毒免疫和膜相关防御反应而为人所知 [25]，[26]。近年来，IFITM3 的功能作用逐渐从经典的抗病毒分子扩展到包括多种病理过程，如炎症反应、肿瘤进展、神经退行性疾病和细胞命运调控 [27]，[28]，[29]，[30]。先前的研究表明，IFITM3 不仅作为干扰素响应分子限制病毒进入，还通过影响膜微域信号转导和炎症细胞因子反应来调控 PI3K/AKT、Wnt/β-catenin 和 JAK/STAT 等通路，从而参与细胞增殖、迁移、炎症微环境形成和组织损伤 [31]，[32]，[33]，[34]。这些发现表明，IFITM3 可能不仅仅作为常规的抗病毒效应分子发挥作用，而可能作为具有膜相关信号整合特性的调控节点，潜在地参与慢性炎症和退行性病理变化。然而，IFITM3 是否参与椎间盘退变，特别是它是否通过调控 ACSL4 依赖性铁老化促进髓核细胞衰老，仍未知晓。

在我们的初步单细胞转录组分析中，IFITM3 在严重退变样本的髓核细胞中表达较高，且 IFITM3 相关的差异表达基因主要富集在铁死亡、炎症反应和细胞外基质重塑相关通路中。在人髓核组织、椎间盘退变动物模型和多种髓核细胞衰老体外模型中的进一步验证显示，IFITM3 表达增加伴随 p16 和 p21 上调、ACSL4 表达增加、GPX4 表达减少、Fe2+ 积累和 4-HNE 水平增强。这些发现表明，IFITM3 可能作为连接退变微环境、铁死亡样脂质过氧化和髓核细胞衰老的潜在调控分子。然而，IFITM3 是否直接参与退变髓核细胞中的 ACSL4 依赖性铁老化，以及其上下游调控网络如何促进椎间盘退变的进展，仍有待系统阐明。基于这些观察，本研究提出以下假设：在炎症刺激、氧化应激和年龄相关退变微环境条件下，E74 样 ETS 转录因子 1（ELF1）转录激活 IFITM3；IFITM3 表达增加在功能上与 PTPRO 信号和 ACSL4 依赖性脂质过氧化相关，从而有助于髓核细胞中的铁老化和细胞外基质降解，最终促进椎间盘退变的进展。本研究旨在调查 ELF1、IFITM3、PTPRO 和 ACSL4 在调控髓核细胞铁老化和椎间盘退变中的功能关系。

**章节片段**

**材料与方法**
详细的方法和材料请参阅补充信息。

**在退变髓核细胞中识别 IFITM3 为铁老化相关分子**
为了鉴定与髓核细胞退变和铁老化相关的潜在分子，我们首先分析了公开可用的单细胞 RNA 测序数据集 GSE244889。使用 t 分布随机邻域嵌入（t-SNE）和均匀流形近似和投影（UMAP）进行非监督聚类和降维分析，鉴定了人椎间盘组织中的多个主要细胞群，包括 NPC、巨噬细胞、单核细胞，

**讨论**
髓核细胞衰老是促发和进展椎间盘退变（IVDD）的关键细胞事件 [37]。在 IVDD 进展过程中，NPC 表现出衰老相关特征，包括 p16/p21 上调、SA-β-gal 活性增加、细胞周期停滞、SASP 释放和细胞外基质代谢失衡，伴随基质合成减少和分解代谢增强 [38]，[39]。尽管多种病理因素，

**CRediT 作者贡献声明**
陆嘉豪：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，方法，调查，数据整理，概念化。黄珊珊：写作 – 初稿，可视化，资源。徐浩伟：软件，项目管理，调查。张书宝：验证，项目管理，形式分析。昌圣洁：写作 – 初稿，验证，软件。吴飞扬：可视化，方法。刘小微：验证，资源，项目管理，

**出版同意**
不适用。

**伦理声明**
已征得所有参与者或其法定代表人参与本研究并发表文章的书面知情同意。已遵守参与者的隐私权。

本研究包括器官或组织捐赠者。本研究包括人类生物材料，并已获得捐赠者、其直系亲属或法定代表人的同意，用于本研究及发表文章。本研究中使用的样本并非来源于被处决的

**资助**
本工作由浦东新区科技发展基金下属事业单位民生科研专项（PKJ2024-Y35）、上海市浦东新区卫健委卫生人才培养项目（2026PDWSYCBJ-15）、上海东方医院专科发展项目（2024-DFTS-009）和上海市浦东新区老年病医院重点学科发展项目（2025LNYYxk-A03）资助。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**
作者感谢研究小组成员提供的有益讨论和技术协助。

**陆嘉豪 | 黄珊珊 | 徐浩伟 | 张书宝 | 昌圣洁 | 吴飞扬 | 刘小微 | 王杉进**