01 文章导读

(1) 领域基础知识

铁死亡是一种铁依赖性的、非凋亡形式的细胞死亡，其特征是活性氧积累和过度的脂质过氧化。经典的铁死亡诱导剂（如erastin和RSL3）靶向由溶质载体家族7成员11（SLC7A11）、谷胱甘肽（GSH）和谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）组成的通路。铁死亡与多种疾病相关，从癌症到缺血再灌注损伤。除了GPX4通路，还存在几种GPX4非依赖性的防御机制，包括铁死亡抑制蛋白1（FSP1）和代谢抗氧化剂如7-脱氢胆固醇。

多胺是一类普遍存在的带正电的代谢物，对细胞稳态至关重要。精胺是一种来源于亚精胺的多胺，参与DNA稳定、RNA加工、蛋白质合成和离子通道调节。它在细胞和组织中的浓度通过合成、降解和转运的协调通路进行调节。

(2) 研究背景

尽管铁死亡在疾病中的作用已被广泛研究，但内源性铁螯合代谢物在铁死亡中的作用尚未完全阐明。多胺代谢的失调与各种恶性、神经退行性和炎症性疾病有关，但其是否通过调节铁稳态来影响铁死亡尚不清楚。中山大学李隽/宋立兵及德州大学西南医学中心唐道林团队联合国际多家机构在Nature发表题为 “Spermine is an endogenous iron chelator that inhibits ferroptosis”的研究论文。

① 首次发现精胺作为内源性 Fe²⁺螯合剂，构成了一种全新的内源性铁死亡防御机制，成功将多胺代谢与铁稳态、脂质过氧化直接关联起来，极大地拓展了铁死亡调控的网络。

② 研究揭示了肝细胞癌（HCC）细胞通过代谢重编程，即上调 ALDH18A1 介导的谷氨酰胺依赖性精胺合成通路，从而逃避铁死亡并促进肿瘤发生的全新机制；确定了ALDH18A1和精胺合成通路作为治疗HCC的潜在新靶点。

③ 研究发现补充精胺能够对肝、肠、肾等多种组织起到保护作用，使其免受缺血再灌注损伤，为治疗铁死亡相关疾病提供了极具潜力的新策略。

谱领生物提供多胺代谢流技术支持

02研究内容及结果

1. 铁死亡对肝癌具有抑制作用

本研究利用两种互补的小鼠模型探究铁死亡在肝细胞癌（HCC）中的功能：一种是构建肝细胞特异性Tsc1与Pten双基因敲除（L-Tsc1−/−Pten−/−）小鼠，这类小鼠会继发代谢相关脂肪性肝炎并发展为肝癌；另一种是采用二乙基亚硝胺联合四氯化碳(DEN/CCl4)处理小鼠，诱导出纤维化相关肝癌。研究在不同时间点收集两组小鼠的肝组织样本，追踪病程与铁死亡的动态变化，结果显示随着肝脏病变逐步加重，增殖细胞核抗原、活性氧信号及总铁含量持续升高；不稳定亚铁离子（Fe2+）、4-羟基壬烯醛（4-HNE）、丙二醛（MDA）等铁死亡与脂质过氧化相关指标在疾病早中期上升，却在肝癌终末期明显回落。免疫组化检测发现，两种模型里凋亡、坏死性凋亡的标志物表达均极低，而各类铁死亡调控因子随肿瘤进展呈现不同的上调模式，铁死亡在疾病早期被激活，在已形成的肿瘤中则受到抑制。后续功能实验进一步证实，铁死亡诱导剂 IKE 能够延缓肝癌发病、降低肿瘤发生率，而Lip-1、UAMC-320等铁死亡抑制剂会加速肝脏肿瘤的发生，明确铁死亡可发挥抑制肝癌的作用。

2. 多胺通路在肝细胞癌中显著上调

为筛选肝癌中与铁死亡相关的代谢变化，研究人员对两种肝癌小鼠模型的癌前肝组织、成型肿瘤组织以及同龄正常肝组织开展了非靶向代谢组学分析，结果发现多胺生物合成的关键中间产物精胺、N1-乙酰亚精胺在两种模型中均显著上调，通路富集分析也明确多胺生物合成是富集程度最高的信号通路；研究进一步对七个人类肝癌公开转录组数据集开展单细胞通量分析，证实人体肝癌样本中鸟氨酸-腐胺-精胺代谢通路通量上升，相关代谢物出现蓄积。后续靶向代谢组学检测在小鼠肝癌组织和人类肝癌临床样本中再次验证：多胺合成相关代谢物在肝癌组织中含量升高，且在肿瘤晚期更为明显。动物实验表明，给小鼠补充精胺、亚精胺或鸟氨酸会加速肝癌发生；而利用二氟甲基鸟氨酸（DFMO）、SAM486A 等药物抑制多胺合成，可延缓肿瘤出现、降低肝癌发病率，同时脂质过氧化标志物4-HNE和MDA水平随之升高。综合多组学数据与功能实验可证实，肝癌组织中多胺生物合成通路持续上调，该通路不仅参与肝癌发生，还能帮助肿瘤细胞逃逸铁死亡。

3. 多胺通量调控铁死亡

多胺包括腐胺、亚精胺和精胺，胞内含量受合成与分解代谢共同调控；既往研究发现多胺分解产物可促进铁死亡，但多胺究竟是直接调控铁死亡，还是通过代谢产物间接发挥作用一直尚不明确。本研究使用肝癌原代细胞（PDLCs）和SNU449细胞开展实验，结果显示生理浓度的多胺对细胞活性无明显影响；单独补充多胺可降低脂质活性氧与磷脂氢过氧化物水平，其中精胺的作用最为突出，但若将多胺与铁死亡诱导剂联用或剥夺细胞半胱氨酸，则会加剧脂质过氧化、增强铁死亡效应，且该效应仅能被铁死亡抑制剂逆转，凋亡、坏死性凋亡、焦亡抑制剂均无作用。同时，铁死亡诱导剂会显著扰乱多胺稳态，导致内源性精胺、亚精胺大幅消耗，腐胺大量蓄积，这一代谢变化在外源性补充多胺和13C标记多胺实验中得到一致验证；铁死亡诱导剂还通过转录重编程上调多胺分解酶、下调合成酶，激活多胺分解代谢。研究进一步通过SAT1/SMOX/PAOX三基因敲除、抑制剂组合MJP两种手段阻断多胺分解，发现二者均可减少过氧化氢与丙烯醛的生成，并明确这两种分解产物会促进铁死亡，且MJP不会影响其他类型细胞死亡通路。后续通过敲除或抑制精胺合酶（SMS）、构建无细胞脂质体模型验证发现，精胺含量下降会提升细胞对铁死亡的敏感性，且在各类多胺中，仅有精胺能够有效抑制脂质过氧化，作用效果与铁死亡抑制剂Fer-1相近。综合所有实验结果可知，多胺代谢通量主要通过精胺介导的脂质过氧化抑制作用，实现对铁死亡的调控。

tip:MJP

是该研究中专门设计并按三种成分首字母缩写命名的多胺分解代谢全面阻断剂鸡尾酒，由PAOX抑制剂MDL72527、SMOX抑制剂JNJ-9350和SAT1抑制剂喷他脒组成，可同时阻断多胺分解的两条核心通路，显著抑制 RSL3/erastin 等铁死亡诱导剂引起的精胺和亚精胺降解，大幅减少过氧化氢和丙烯醛生成，且不影响凋亡、坏死性凋亡、焦亡等其他细胞死亡通路，作为 SAT1/SMOX/PAOX 三基因敲除的互补实验工具。

4. 精胺可降低不稳定的Fe²⁺

研究探索了精胺调控铁死亡的作用机制。利用MJP阻断精胺分解后发现，精胺并不会影响铁死亡经典调控蛋白与细胞核心抗氧化系统，也不属于直接清除自由基的抗氧化剂。结合肝癌晚期不稳定亚铁含量下降的前期发现，后续实验证实，精胺可特异性降低肝癌细胞内不稳定 Fe2+，并减轻铁过载引发的细胞损伤。综上，精胺主要通过下调胞内不稳定亚铁水平来抑制铁死亡。

5. 精胺可螯合细胞内亚铁离子

为解析精胺降低不稳定Fe²⁺的机制，研究首先检测铁调控相关蛋白，发现精胺处理不会改变这类蛋白的表达。荧光实验证实精胺类似物与胞内Fe²⁺高度共定位；得益于分子结构上四个氨基的特征，精胺可区别于亚精胺、腐胺，与Fe²⁺发生特异性结合。等温滴定量热、质谱、拉曼光谱、红外光谱、核磁共振等多项理化分析均证明，精胺能以近1:1的化学计量比与Fe²⁺形成Fe–N配位复合物，该结合过程能量上自发，且精胺无法有效结合Fe³⁺，另外两种多胺也不具备亚铁螯合能力。体外实验进一步表明，精胺可形成氧化还原惰性的Fe²⁺复合物，阻断铁离子氧化循环与活性氧生成，其螯合活性也与滴定结果相互印证。综上，精胺是一种亚铁螯合剂，依靠经典配位作用螯合不稳定Fe²⁺，进而抑制铁依赖的脂质过氧化与铁死亡。

6. ALDH18A1促进多胺的生物合成

为探究肝细胞癌（HCC）中多胺代谢过度激活的机制，本研究验证了多胺水平升高源于从头生物合成而非胞外摄取：体外组织培养实验显示肿瘤与对照组织对¹³C标记多胺的摄取无显著差异，敲除关键多胺转运蛋白也仅能轻微降低细胞内多胺水平。整合转录组与蛋白质组分析发现，两种HCC小鼠模型中经典尿素循环相关酶表达下调，而谷氨酰胺依赖途径的谷氨酰胺酶1（GLS）、醛脱氢酶18家族成员A1（ALDH18A1）等酶表达上调，提示代谢通路从尿素循环向谷氨酰胺分解转变；临床分析进一步证实，ALDH18A1高表达与HCC患者更差的总生存期和更高的复发率相关，且肿瘤组织中精胺水平升高，总多胺水平与ALDH18A1表达呈正相关。体内外15N同位素示踪实验最终明确，HCC中谷氨酰胺和蛋氨酸（而非精氨酸）是多胺的主要前体，敲除ALDH18A1会显著减少谷氨酰胺和蛋氨酸来源的15N掺入鸟氨酸及多胺的过程，从而证实ALDH18A1介导的、由谷氨酰胺分解驱动的多胺生物合成通路能够促进HCC进展。

体外组织培养¹³C同位素示踪实验：将来自L-Tsc1⁻/⁻Pten⁻/⁻小鼠、DEN/CCl₄诱导肝癌小鼠的肿瘤组织样本，以及肝癌原代细胞（PDLC）样本和配对癌旁非肿瘤组织（PDNT），用¹³C-putrescine, spermidine以及spermine进行3小时离体培养。后续分析显示，肿瘤组织与对照组织对13C标记多胺的摄取无显著差异。

体内¹⁵N同位素示踪实验：向肝癌易感L-Tsc1⁻/⁻Pten⁻/⁻小鼠以及DEN/ CCl₄诱导的野生型小鼠体内，分别输注¹⁵N₁-Glutamine, ¹⁵N₄-Arginine以及¹⁵N₁-Methionine，随后分析同位素掺入¹⁵N标记鸟氨酸、腐胺、亚精胺和精胺的情况。

7. ALDH18A1可抑制铁死亡

基因敲除或小分子抑制剂YG1702抑制 ALDH18A1，会减少多胺生成、升高细胞内不稳定Fe²⁺，增强RSL3/erastin诱导的脂质过氧化与铁死亡；外源性补充精胺可通过降低不稳定 Fe²⁺，完全逆转上述表型并修复铁死亡相关线粒体损伤。反之，过表达ALDH18A1能通过谷氨酰胺依赖的精胺合成降低Fe²⁺水平，抵抗铁死亡诱导剂及GPX4、FSP1等经典通路关键基因缺失引发的铁死亡，而外源性补充脯氨酸无此保护作用。

8. ALDH18A1基因的缺失会抑制肿瘤的发生

肝细胞特异性Aldh18a1敲除小鼠基础肝脏结构与功能正常，但在DEN/CCl₄诱导下肝癌发生率显著降低，伴随肝组织精胺水平下降、脂质过氧化标志物MDA升高，而肝细胞特异性过表达Aldh18a1则会增加肿瘤负荷；补充外源性精胺或铁死亡抑制剂Lip-1可完全逆转Aldh18a1缺失的抑瘤效应。肝细胞特异性L-Tsc1⁻/⁻Pten⁻/⁻Aldh18a1⁻/⁻三重敲除小鼠同样表现出精胺降低、MDA升高及肿瘤负荷显著减轻，且该表型也可被精胺或Lip-1逆转。此外，在两种肝癌模型中，敲低ALDH18A1或使用其特异性小分子抑制剂YG1702，均能降低肝脏精胺水平、诱导脂质过氧化并减少肿瘤发生，且该作用同样可被外源性精胺或Lip-1联合给药逆转。

9. 精胺可减轻缺血-再灌注所致的组织损伤

通过建立肝、肠、肾三种小鼠缺血再灌注损伤模型，发现缺血再灌注会导致严重的组织损伤与器官功能障碍，伴随MDA、总铁及不稳定Fe²⁺水平升高，同时诱导多胺分解代谢酶表达上调、合成代谢酶下调，进而造成腐胺积累与亚精胺、精胺显著耗竭，而ALDH18A1表达无明显变化。术前腹腔注射精胺（肝/肠模型术前1小时给药，肾模型术前1小时及再灌注后11.5小时给药），可显著减轻三种器官的缺血再灌注损伤，改善器官功能生化指标、保护组织结构并加速恢复；其机制不仅在于精胺能降低缺血再灌注诱导的不稳定Fe²⁺和MDA积聚，还与精胺可降低组织中一氧化氮水平相关。

03 研究结论

1. 精胺是一种内源性的Fe²⁺螯合剂，它通过直接、高亲和力地结合细胞内不稳定的Fe²⁺，阻止其参与催化脂质过氧化的Fenton反应，从而抑制铁死亡。

2. 在HCC中，ALDH18A1介导的、谷氨酰胺依赖的精胺合成通路被特异性上调，为癌细胞提供了通过螯合铁来逃避铁死亡的能力。

3. 靶向ALDH18A1或精胺合成可诱导铁死亡，从而抑制HCC的发生发展。

4. 补充精胺可通过同一机制抑制铁死亡，保护多种器官免受缺血再灌注损伤。