分享一篇发表在Cell上的文章，题目为“A fin-loop-like structure in GPX4 underlies neuroprotection from ferroptosis”。通讯作者是来自德国Helmholtz Munich研究所的Marcus Conrad教授。主要研究方向为铁死亡的调控机制以及其在人类疾病中的应用。

神经元进行性丧失是各类神经退行性疾病的共同特征，这些疾病以认知衰退、运动障碍，并常导致过早死亡为特点。基于全基因组测序的研究有助于在具有综合征表现的儿童中发现罕见、有害且高外显率的基因变异，为从人类病理直接推断基因功能提供了一条捷径。一个典型的例子涉及谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4），这是一种硒蛋白酶，现已被认为是铁死亡过程的关键调控蛋白。GPX4的致病性变异与Sedaghatian型脊椎干骺端发育不良（SSMD） 相关联，这是一种极为罕见的常染色体隐性遗传病，以严重的神经退行和骨骼异常为特征，而所有临床病例均指向GPX4突变，突显了铁死亡监视在维持神经元完整性中不可或缺的作用。

研究团队重点研究了GPX4 R152H错义突变（可导致早发性神经退行）的致病机制。他们选取了携带纯合R152H突变的患者（RAG01）及其杂合子父亲（RAG02）的皮肤成纤维细胞，将其重编程为诱导多能干细胞，并进一步成功分化为具有特定功能的皮层神经元和模拟大脑发育的类器官。关键的实验证据表明，仅源于纯合突变患者的神经元和类器官在培养环境中撤除铁死亡抑制剂后，会迅速发生细胞死亡，而这种死亡过程能够被同种抑制剂有效挽救。这一结果直接证实，GPX4 R152H突变并非功能无损，而是特异性地破坏了神经元对铁死亡的防御能力，使其变得异常脆弱，从而在细胞水平上再现了疾病的核心病理过程。

研究人员通过亲和纯化技术获得了野生型（WT）和R152H突变型的GPX4蛋白，并利用液相色谱-串联质谱法定量检测其降解磷脂氢过氧化物（PCOOH）的能力。结果显示，突变型蛋白的催化活性与野生型相当。这表明，R152H突变并非通过损害GPX4的化学反应中心来致病。

为了探寻其根本原因，研究团队采用核磁共振和高分辨率X射线晶体学技术解析了蛋白质结构。作者发现R152残基位于GPX4蛋白表面一个突出的疏水环状结构的基部，被命名为“鳍环”。在野生型GPX4中，R152侧链的胍基与Asn132和Ala133的主链原子之间形成稳定的氢键网络，将这个鳍环牢牢固定在伸展的构象。这使得位于环尖端的关键疏水残基I129和L130充分暴露，指向溶剂。然而，在R152H突变体中，精氨酸（R）被组氨酸（H）替代。组氨酸的侧链无法复制同样的氢键模式，导致鳍环基部的稳定作用丧失。结果，鳍环结构发生塌陷，原本向外的疏水尖端向内折叠，整个结构的疏水特性被破坏。后续的一系列实验表明：这个疏水鳍环是GPX4结合并锚定在细胞膜（脂质过氧化的主要场所）的关键结构，突变破坏了这个维持“鳍环”结构稳定的关键氢键网络，使得GPX4无法有效锚定在细胞膜上，从而无法在脂质过氧化发生的“前线”及时清除毒性产物，最终导致铁死亡发生。

此外，为了在活体动物层面验证GPX4功能缺失与神经退行性变的因果关系，并模拟患者R152H突变的病理过程，研究团队构建了两种关键的转基因小鼠模型: 莫昔芬诱导敲除 Gpx4 的小鼠模型和携带 Gpx4R152H 突变等位基因的敲入小鼠模型。这两种动物模型不仅在体内确证了 GPX4功能丧失足以引发铁死亡驱动的神经退行性变，而且通过模拟患者突变，证明了 R152H变异是导致疾病的直接原因，从而将细胞模型、结构机制与活体动物的完整病理过程紧密联系起来，为铁死亡在神经退行性疾病中的核心作用提供了强有力的在体证据。

总之, 本文通过对GPX4R152H突变进行结构和功能分析，揭示了该变体会破坏GPX4的膜锚定功能。患者诱导多能干细胞来源的皮层神经元和前脑类器官显示出对铁死亡的易感性增加，再现了关键病理特征。神经蛋白质组学分析显示，受影响的大脑出现了类似阿尔茨海默病的分子特征。这些发现强调了GPX4正确锚定于膜的必要性，确立了铁死亡作为神经退行性疾病的关键驱动因素，并为将铁死亡作为神经退行性疾病的治疗靶点提供了理论依据。

本文作者：CZH

责任编辑：LYC

DOI：10.1016/j.cell.2025.11.014

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.11.014