针对NCOA4介导的铁蛋白吞噬作用，通过恢复氧化还原平衡并抑制铁死亡来改善砷中毒症状

《Journal of Environmental Sciences》：Targeting Ncoa4-mediated ferritinophagy ameliorates arsenism by restoring redox homeostasis and suppressing ferroptosis

　　

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  砷会在斑马鱼胚胎（ZF4）细胞中诱导时间依赖性的铁死亡（ferroptosis）。
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  Ncoa4介导的铁蛋白吞噬作用（ferritinophagy）在砷诱导的铁死亡过程中起着关键作用。
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  早期接触砷会抑制Ncoa4的表达并积累FTH1，从而延缓铁死亡过程。
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  后期接触砷会激活Ncoa4，促进铁蛋白降解和铁的释放。
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  褪黑素（melatonin）通过Nrf2依赖的抗氧化途径缓解砷诱导的铁死亡。

引言

砷（As）作为一种在全球范围内广泛分布的污染物，一直受到特别关注。由于地质来源以及人为污染，砷影响了全球超过2亿人。仅受砷污染的饮用水就影响了50多个国家的数亿人（Genchi等人，2022年）。世界卫生组织将饮用水中的砷含量标准限制在10 ppb以下（Frisbie和Mitchell，2022年），美国环境保护署则将淡水中砷的总浓度允许限值设定为急性暴露340 ppb、慢性暴露150 ppb。人为活动增加了砷的迁移距离，主要污染热点位于南亚、西非和中美洲以及拉丁美洲（Sevak和Pushkar，2024年）。然而，在许多发展中国家，包括西孟加拉（Mishra等人，2022年）和中国（Liu等人，2025年），仍有数百万人的饮用水中砷含量超过50–100 ppb。在孟加拉国，这一情况每年都在恶化：约有200万人长期饮用受砷污染的地下水，导致每年约43,000人死亡（Smedley和Kinniburgh，2002年）。砷的主要暴露途径包括饮用水、海产品和农产品，这些都会引发严重的健康问题，如癌症。通过对2003–2023年Scopus数据库中的1839篇文章进行的文献计量分析（使用VOSviewer），证实砷污染主要由人为活动引起，并与这些健康危害相关（Sevak和Pushkar，2024年）。鉴于受影响人口众多，提供必要的基础设施以去除日常饮用水中的砷并非易事，这进一步凸显了砷污染的严重性和全球性（Genchi等人，2022年）。根据这些数据，砷被列为美国ATSDR危险物质优先名单上的第一位化学物质。

流行病学研究表明，无论是短期还是长期接触砷，都可能对人类和动物的多个器官系统造成多种健康问题。砷不仅会引发单个细胞的恶性事件（尤其是肺癌、膀胱癌和皮肤癌），还会导致非恶性健康问题，如心血管疾病、糖尿病、发育障碍、生殖障碍和神经系统疾病（Waheed等人，2025年）。砷的毒性主要通过与活性氧（ROS）的作用、基因毒性以及线粒体损伤有关（Cantoni等人，2022年）。活性氧作为重要的信号分子，在正常生理过程中起着重要作用，但过量时则会引发病理变化。除了参与氧化还原调节外，活性氧还深度整合到细胞周期、增殖和细胞死亡等信号通路中（Wang等人，2020a, 2020b；Yiming等人，2021；Zhao等人，2021）。此前，细胞死亡被分为坏死和自噬两种类型，已有证据表明这两种类型会在砷暴露的情况下发生（Gong等人，2015年）。最近，研究人员发现了新的细胞死亡形式——坏死性凋亡（necroptosis）、铁死亡（ferroptosis）和焦亡（pyroptosis），砷中毒期间的具体机制仍需进一步阐明。有研究表明，如果砷引起DNA氧化损伤，细胞生长可能会在p53的调控下停止（Riley等人，2008年）。还有一些研究描述了在砷压力下细胞周期转变时间的延长（Kumar等人，2023年；Liu等人，2022年）。此外，p53还可以与抗氧化基因Nrf2协同作用以清除活性氧（Yang等人，2020年）。尽管已经提出了一些细胞机制，但由于砷化合物性质的不确定性，所有这些结论仍存在争议。

在多种毒理学模型中，斑马鱼（Danio rerio）因其基因组结构明确且与人类高度同源而备受关注（Lima等人，2026年）。最近的研究表明，在斑马鱼体内和体外，多种外源物质可以诱导细胞死亡，如自噬和铁死亡（Park等人，2020年；Sun等人，2020年；Yang等人，2018年），尽管具体机制尚不明确。因此，我们选择了源自斑马鱼胚胎的ZF4细胞作为体外模型，以揭示砷中毒的分子机制。首先，我们发现了三价砷（亚砷酸盐，As³⁺）损伤下Ncoa4（核受体共激活因子4）介导的铁蛋白吞噬作用的作用。随后，我们进一步研究了褪黑素（Met）的防护效果及其作用机制。

章节片段

化学物质

三氧化二砷（As?O?，纯度≥98%）由Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd.（中国上海）提供，并通过溶解在NaOH中制备成0.5 mmol/L的亚砷酸钠（NaAsO₂, As³⁺）储备溶液，随后储存在27°C下。

细胞培养

ZF4细胞来自中国武汉的中国斑马鱼资源中心（CZRC）。细胞在标准的培养条件下（28°C，5% CO?）用DMEM/F-12培养基（Gibco，Thermo Fisher Scientific，美国）培养，同时补充10%的胎牛血清。

全球砷污染与ZF4细胞的转录组变化

共使用了109条地理参考记录来绘制全球水中砷污染的分布图。这些记录涵盖了亚洲、非洲、欧洲、北美洲和大洋洲。水中砷的浓度范围从1.8到10,000 μg/L，表明全球范围内砷的含量存在显著差异。高浓度区域分布不均。

讨论

砷是最普遍的环境污染物之一，对人类和动物健康构成重大威胁（Genchi等人，2022年）。我们对暴露于砷的ZF4细胞进行了转录组分析，发现了一系列基因变化，其中涉及铁死亡相关的通路。Ncoa4作为选择性的铁蛋白吞噬货物受体，在细胞应激下调节铁蛋白吞噬和铁死亡（Yang等人，2025年；Xu等人，2025年）。

结论

总体而言，我们的研究结果揭示了ZF4细胞在亚砷酸盐暴露下的两种独立机制。首先，亚砷酸盐通过Ncoa4介导的铁蛋白吞噬作用诱导时间依赖性的铁死亡过程，导致铁蛋白降解、铁释放、脂质过氧化以及最终细胞死亡；其次，褪黑素能有效减轻亚砷酸盐诱导的铁死亡，表现为细胞活力提高、活性氧和MDA水平下降，以及GPx4活性和铁死亡相关基因表达的恢复。

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能会影响本文的研究结果。

Liu等人。

Hongjing Zhao:撰稿——初稿编写、数据可视化、实验设计、概念构建。Jiayin Yue:撰稿——审阅与编辑、数据分析。Yushan Song:数据可视化、实验设计、数据分析。Zizheng Wang:软件开发、方法论设计、数据分析。Mingwei Xing:项目监督、资源管理、资金筹措、数据分析。Yu Wang:项目监督、资源管理、资金获取、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能会影响本文的研究结果。

本工作得到了“新时代长江杰出硕士和博士学位项目”（编号LJYXL2022–028）、国家自然科学基金（编号32402952）以及中央高校基本科研业务费（编号2572023CT20）的支持。

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