铁死亡是一种新被定义的调节性细胞死亡方式，它由铁离子依赖的脂质过氧化积累导致，GPX4是其关键抑制蛋白。铁死亡被证实与多种组织器官疾病密切相关¹，以前的研究主要关注成熟组织细胞以及肿瘤细胞的铁死亡，但干细胞的铁死亡一直未见报道。造血干细胞（Hematopoietic Stem Cell, HSC）是研究历史最久、认识最深入、技术最成熟的一类成体干细胞，其研究对其它干细胞的研究具有重要指导意义。成年个体的造血干细胞在骨髓中产生，通过分裂分化维持机体造血系统的稳定。近日，暨南大学鞠振宇团队和浙江大学王福俤团队联合在《Cell Death & Disease》发表了题为GPX4 and vitamin E cooperatively protect hematopoietic stem and progenitor cells from lipid peroxidation and ferroptosis的研究论文。该研究首次报道了干细胞的铁死亡，发现GPX4和维生素E共同保护造血干祖细胞，抑制脂质过氧化，防止铁死亡发生，维持造血系统稳定。

首先，作者发现GPX4缺失或受抑制的长期造血干细胞（LT-HSC）在体外失去克隆形成能力。进一步研究发现GPX4缺失或受抑制的造血干细胞（以Lin^-c-kit⁺sca-1⁺骨髓细胞为代表）和造血祖细胞（以粒系单核系祖细胞为代表）都容易在体外积累脂质过氧化，最终发生铁死亡。

图1.GPX4缺失或受抑制导致HSPCs在体外发生铁死亡

  有意思的是，在造血系统中特异性敲除Gpx4对小鼠的造血系统稳态（包括骨髓细胞数量、不同种类造血干祖细胞数量、造血干祖细胞细胞周期等）没有显著影响。并且，Gpx4敲除的造血干细胞也能正常修复由5-氟尿嘧啶（5-FU）处理引起的小鼠造血系统损伤（注：5-FU能够杀死正在分裂的造血干祖细胞，诱导静息状态的HSC增殖分化，对造血系统进行修复）。最后，造血干细胞竞争性移植实验表明，Gpx4敲除也不影响其造血系统重建功能。

图2.Gpx4敲除不影响小鼠造血系统稳态以及造血干细胞功能

接着，为了弄清楚导致Gpx4敲除的HSPCs在体内与体外功能和命运差异的原因，作者们开始关注体内与体外环境的差别。首先，体内的HSPCs所处的骨髓微环境含氧量较低²，而在体外培养时却处于高氧环境中。因此作者分别在高氧（21%）和低氧条件（1%）下培养HSPCs，但发现氧气浓度并不影响GPX4缺失的HSPCs发生铁死亡。另外，有报道表明食物中的维生素E可以缓解T细胞和红细胞中脂质过氧化积累引起的表型^3,4，而维生素E的主要成分α-Toc是一种脂溶性还原剂，具有抑制细胞铁死亡的作用⁵。果然，作者们发现α-Toc在体外能够完全挽救GPX4缺失引起的HSPCs脂质过氧化积累和铁死亡，而NAC（N-乙酰-L-半胱氨酸，一种水溶性还原剂）则不起作用。

图3.α-Toc能挽救GPX4缺失的HSPCs铁死亡

  小鼠食物中含有大量的维生素E，它是否也保护了Gpx4敲除小鼠的造血干祖细胞呢？当给小鼠喂食去除维生素E的饲料时，作者发现Gpx4敲除小鼠体重减轻，脾脏变大，骨髓细胞数量以及HSPCs的数量都显著减少。进一步分析发现这些小鼠体内HSPCs大量死亡，并伴随着活性氧和脂质过氧化水平的升高，说明GPX4和维生素E的双缺失使小鼠体内的HSPCs发生了铁死亡。

图4. GPX4和维生素E双缺失导致小鼠HSPCs铁死亡

本研究首次报道了干细胞的铁死亡，发现GPX4和维生素E共同保护着造血干祖细胞，防止其脂质过氧化积累，避免铁死亡发生，从而维持造血系统稳定和造血干细胞功能。这些发现提示造血干细胞在体外扩增时脂质过氧化清除的重要性，也提示利用动物模型研究脂质过氧化以及铁死亡时需考虑食物中维生素E的影响。此外，铁死亡被广泛认为是重要的肿瘤治疗靶点。一方面，是否可以利用维生素E的保护作用靶向铁死亡杀死血液肿瘤细胞而不伤害正常造血干细胞？另一方面，肿瘤细胞是否会利用维生素E对抗靶向铁死亡的肿瘤治疗？这些问题都有待进一步研究阐明。

本研究由暨南大学衰老与再生医学研究院鞠振宇团队领衔，与浙江大学王福俤团队合作完成。暨南大学鞠振宇教授、胡乾特聘副研究员和浙江大学王福俤教授为论文共同通讯作者，暨南大学胡乾特聘副研究员、硕士生张易帆和广州市第一人民医院楼慧玲为共同第一作者。

参考文献：

1     Jiang, X., Stockwell, B. R. & Conrad, M. Ferroptosis: mechanisms, biology and role in disease. Nature reviews. Molecular cell biology, doi:10.1038/s41580-020-00324-8 (2021).

2     Kobayashi, H. et al. Environmental Optimization Enables Maintenance of Quiescent Hematopoietic Stem Cells Ex Vivo. Cell reports28, 145-158 e149, doi:10.1016/j.celrep.2019.06.008 (2019).

3     Matsushita, M. et al. T cell lipid peroxidation induces ferroptosis and prevents immunity to infection. The Journal of experimental medicine212, 555-568, doi:10.1084/jem.20140857 (2015).

4     Canli, O. et al. Glutathione peroxidase 4 prevents necroptosis in mouse erythroid precursors. Blood127, 139-148, doi:10.1182/blood-2015-06-654194 (2016).

5     Friedmann Angeli, J. P. et al. Inactivation of the ferroptosis regulator Gpx4 triggers acute renal failure in mice. Nature cell biology16, 1180-1191, doi:10.1038/ncb3064 (2014).