铁死亡（ferroptosis）是近年来新发现的一种细胞程序性死亡方式，它与许多疾病的发病机制相关。铁死亡发生主要因为以下三个要素：1）脂质过氧化，2）内源铁超载，3）GPX4活性缺失，但是铁死亡具体的终结机制还是一个未解之谜。
Hülya Bayır等人最近在JACS发表文章，将sn2-15-HpETE-PE鉴定为诱导铁死亡过程的关键脂质。通常情况下，15-LO只能催化氧化游离的花生四烯酸，而他们发现支架蛋白PEBP1可以和15-LO形成复合物，改变其对底物的选择性，从而能氧化sn2-ETE-PE生成sn2-15-HpETE-PE。通过铁死亡诱导剂诱导Pfa1和肾脏组织，他们用质谱鉴定到了大量的氧化磷脂。再用铁死亡抑制剂Fer-1处理，他们发现只有sn1-18: 0 / sn2-HpETE-PE和sn1-18: 1 / sn2-HpETE-PE两种过氧化物种减少。这说明这两种物种对铁死亡过程敏感，是关键的过氧化磷脂。
为了表征15-LO对sn2-ETE-PE氧化的选择性，他们比较了Pfa1细胞中可被氧化磷脂的数量和总量，结果表明15-LO确实具有很高的选择性，这引起了他们的兴趣。
接下来他们使用简化的LC-MS/MS方法，比较了人重组15-LO2对含有sn1-18: 0 / sn2-ETE-PL的脂质体中主要PL类的氧化。不同PL表现的氧化速率不同，其中磷脂酰丝氨酸（PS）最慢，磷脂酸（PA）最快（图1A）。经过计算分析，氧化速率和PL头部的电荷、PL与15-LO2活性位点的结合亲和力都没有关系。主要限制因素是链长度和不饱和度，这会影响脂质与活性位点口袋的结合。因此，含有二十二碳六烯酸（DHA）的PL最不可能进入口袋，而sn2-ETE-PE落入对接的最佳范围。考虑到ETE-PL的细胞丰度和实验确定的PL氧化速率（图1A），计算了细胞中的理论PL氧化速率，证明了15-LO2介导的PE与其他PL的氧化的可能性更大。
图1
鉴于极性头不影响与15-LO的相互作用，他们探讨了膜中sn2-ETE-PL的不同结构排列是否对15-LO有影响。圆锥形脂质（PE和PA）形成六方相，而球形脂质如PC形成双层。结果证实了分别形成六方相II（HII）和六方相-I（HI）的锥形和倒锥形脂质比球形双层形成脂质具有更高的氧化速率（图1B，图1C）。
敲除磷脂生物合成的主要酶调节剂——酰基辅酶A合成酶长链家族成员-4（ACLS4），可以使细胞对铁死亡具有抗性。通过磷脂组学分析显示，ACLS4 KO细胞含有较低百分比的含PUFA的PL和更低的非双层脂质（PE和PI）。这也暗示了PE的过氧化产物是引发铁死亡的关键脂质。
假设15-LO / PEBP1复合物对于ferroptosis是必需的，他们探讨了支架蛋白在sn2-ETE-PL氧化中的作用。PEBP1使PE的氧化增加~2倍，而PC和PI的氧化保持不变，PA氧化降低~30％。与其他类型的磷脂相比，PE被最大程度地氧化，并且sn2-ETE-PE氧化比最接近的氧化竞争物ETE-PI的效力高5倍（图2A）。
图2
通过实验结果可以看出来，PEBP1/15-LO对于ETE-PE有极为专一的选择性和活性，所以他们想了解这一机理。他们首先假设PEBP1是15-LO的变构修饰物，使用各向异性网络模型（ANM）进行计算分析，结果表明PEBP1与15-LO2的相互作用改变了结合腔以促进sn2-ETE-PE的插入。虽然sn2-ETE-PE有效地停靠在15-LO2 / PEBP1复合物的活性位点，但sn2-ETE-PI和sn2-ETE-PC没有停靠在活性位点袋中。 PEBP1的协同结合引起柔性螺旋向酶内部的运动（图2B），从而减少了活性位点入口，因此限制了具有大头组（PC和PI）的PL的可及性（图2C）。对于游离ETE，15-LO的氧化主要限于碳15，而对于sn2-ETE-PE主要在C12被15-LO2氧化。在PEBP1存在下，15-LO2对sn2-ETE-PE的区域特异性恢复到C15。
最后他们做了突变实验，设计了五个具有改变的氨基酸的PEBP1突变体。四个突变体抑制15-LO对于PE的氧化能力，而一个突变体增强了其活性。同时，突变之后的PEBP1确实能降低RSL3诱导的细胞死亡。
——小结——
根据实验和计算表明，15-LO/PEBP1（i）对六方相的ETE-PE物种具有更高的选择性和反应活性，（ii）变构诱导PEBP1可以改变15-LO的底物偏好，和（iii）sn2-ETE-PE物种相对于其他sn2-ETE-PLs更具优势，在铁死亡过程中最为重要。
参考文献：
Anthonymuthu, Tamil S., et al. "Empowerment of 15-lipoxygenase catalytic competence in selective oxidation of membrane ETE-PE to ferroptotic death signals, HpETE-PE." Journal of the American Chemical Society. (2018). DOI: 10.1021/jacs.8b09913
作者：陆阳彬
编辑：王世伟
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