NCOA4依赖的铁蛋白吞噬作用：硒缺乏诱导的铁死亡（ferroptosis）和猪静脉炎的关键机制，该机制通过AMPK-mTOR通路实现

硒缺乏通过激活NCOA4介导的铁自噬和SFXN1介导的线粒体铁转运，引发脂质过氧化、线粒体功能障碍和铁依赖性细胞死亡（ferroptosis），促进静脉炎症损伤。AMPK-mTOR通路调控铁自噬过程，ferrostatin-1可抑制硒缺乏诱导的静脉炎症，为心血管疾病治疗提供新靶点。

邱雅宁|谢瑞瑞|毕国东|王倩|储家红|徐世文|李书

中国黑龙江省哈尔滨市东北农业大学兽医学院，邮编150030

摘要

硒（Se）是维持心血管健康所必需的微量元素。尽管硒缺乏与多种血管疾病有关，但其在静脉内皮损伤中的确切作用仍不清楚。因此，我们在活体（vivo）中建立了硒缺乏的猪模型，并使用体外（in vitro）的血管内皮细胞（SUVECs）来研究硒缺乏诱导的静脉炎症损伤的潜在机制。结果表明，硒缺乏激活了猪静脉中的铁蛋白吞噬作用，伴随着脂质过氧化和线粒体功能障碍，最终导致铁死亡（ferroptosis）和促炎细胞因子的释放。体外实验表明，通过药物抑制自噬或敲除核受体共激活因子4（NCOA4）可以降低细胞内铁水平并减轻铁死亡。此外，硒缺乏还上调了猪静脉中铁调素-1（SFXN1）的表达。我们进一步发现，NCOA4敲除或使用铁螯合剂去铁胺（DFO）处理显著降低了硒缺乏诱导的SFXN1表达，表明NCOA4介导的铁蛋白吞噬作用对硒缺乏引起的铁死亡至关重要。更重要的是，SFXN1敲除可以缓解线粒体铁过载，减少线粒体活性氧（mtROS）和脂质过氧化，并抑制铁死亡。值得注意的是，铁死亡抑制剂Ferrostatin-1（Fer-1）有效缓解了硒缺乏引起的猪静脉炎，从而将铁死亡与血管炎症联系起来。此外，AMPK-mTOR通路在调节硒缺乏诱导的铁蛋白吞噬作用及随后的铁死亡过程中起着关键作用。总体而言，这些发现揭示了硒缺乏诱导静脉内皮损伤的新机制，并确定了铁蛋白吞噬作用和SFXN1介导的线粒体铁转运作为与硒缺乏相关的心血管病理的潜在治疗靶点。

引言

硒是一种必需的微量元素，通过结合到硒蛋白（如谷胱甘肽过氧化物酶（GPxs）和硫氧还蛋白还原酶）中，维持氧化还原平衡和细胞的抗氧化防御[1]。硒摄入不足会破坏氧化还原平衡，导致活性氧（ROS）积累和抗氧化防御能力下降[2]，尤其是对心血管系统的影响[3]。事实上，硒缺乏与缺血/再灌注（I/R）损伤密切相关，在这种损伤中，过量的ROS生成和GPx活性减弱会加剧血管内皮的氧化损伤，损害线粒体功能，并加重心肌细胞死亡[4]。此外，在鸡胚胎模型中，硒缺乏已被证明会诱导血管内皮细胞中的氧化应激和内质网（ER）应激依赖性凋亡信号通路，最终导致血管结构紊乱和血管通透性增加[5][6][7]。硒缺乏还会直接损害内皮屏障功能。Pan等人证明，硒缺乏会破坏肉鸡静脉内皮细胞的紧密连接[8]。越来越多的证据表明，硒缺乏与血管炎症损伤密切相关[9]。硒缺乏会降低鸡动脉中的硒蛋白表达和抗氧化防御能力，从而增加促炎细胞因子的产生[10,11]。此外，硒缺乏通过过量的ROS产生加剧鸡静脉中的内皮损伤和炎症反应[12]。尽管在鸟类模型中取得了这些进展，但尚不清楚硒缺乏是否会在大型动物（尤其是猪）的静脉组织中引起类似的炎症损伤。此外，以往的研究主要集中在硒缺乏引起的心肌或血管组织中的氧化应激和凋亡，而硒缺乏是否通过铁依赖性细胞死亡机制破坏血管稳态则很少被探讨。值得注意的是，铁死亡将氧化还原失衡与铁代谢紊乱联系起来，提供了不同于经典氧化应激介导的损伤机制。

铁死亡是一种依赖铁的细胞死亡方式，其特征是脂质过氧化过度[13]，已被证明与多种心血管疾病的发展和进展密切相关[14,15]。在血管系统中，氧化的低密度脂蛋白（ox-LDL）可以诱导血管内皮细胞发生铁死亡，从而破坏血管内皮的完整性和功能[16]。这使得血液中的脂质更容易沉积在血管壁内，促进动脉粥样硬化斑块的形成[17]。Bai等人进一步证实，在高脂饮食诱导的动脉粥样硬化模型中，铁死亡抑制剂Fer-1能有效缓解血管内皮损伤并改善血管功能[18]。新兴证据表明，内皮细胞中的铁死亡与血管炎症密切相关。抑制铁死亡可以减轻脂多糖（LPS）诱导的血管内皮细胞炎症反应[19]，而在心血管疾病中，铁死亡细胞死亡会促进氧化应激和炎症，其抑制可以减轻血管损伤[20]。一致地，内皮细胞中的铁死亡已被证明可以激活NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3（NLRP3）炎性小体，进一步放大血管炎症[21]。越来越多的研究表明，代谢稳态和营养状态广泛影响铁死亡的调节。过氧化物酶体脂质代谢已被证明可以调节代谢性疾病中的铁死亡易感性，将核心脂质代谢途径与铁死亡过程联系起来[22]。饮食成分和微量营养素通过调节铁稳态、抗氧化防御和脂质过氧化成为铁死亡的关键调节因子[23]。然而，营养因素（如硒缺乏）如何调节这一过程仍有待阐明。

NCOA4作为一种选择性的货物受体，是铁蛋白吞噬作用的关键调节因子。从机制上看，NCOA4介导的铁蛋白吞噬作用在通过促进铁蛋白运输和铁释放来维持细胞内铁稳态方面发挥着越来越重要的作用[24][25][26]。腺苷5′-单磷酸激活的蛋白（AMPK）-雷帕霉素（mTOR）信号轴最近被确定为NCOA4介导的铁蛋白吞噬作用的关键上游调节因子。能量压力或营养剥夺会激活AMPK，抑制mTOR活性，从而增强铁蛋白吞噬通量和细胞内铁的动员[27]。然而，NCOA4活性的失调与多种病理过程有关[28,29]。NCOA4促进铁蛋白的降解，释放出可利用的铁，从而在血管内皮细胞中触发铁死亡，并驱动主动脉炎症和动脉粥样硬化的进展[30]。此外，某些病理刺激（如高剂量电离辐射）可以通过激活p38/NCOA4-铁死亡轴进一步加速血管损伤和斑块形成[31]。铁蛋白吞噬作用引起的细胞质铁过载与线粒体铁过载之间也存在密切联系。这种铁的积累可能是铁死亡的关键机制之一。铁离子不仅通过Fenton反应催化ROS的生成，还通过新发现的线粒体铁转运蛋白SFXN1被运输到线粒体中[32,33]。SFXN1主要定位于线粒体内膜，负责将细胞质中的Fe²⁺转运到线粒体基质中。NCOA4介导的铁蛋白吞噬作用已被证明会上调SFXN1的表达，导致线粒体铁过载，并随后引发一系列线粒体结构和功能障碍[34,35]。研究表明，通过遗传修饰或可渗透的螯合剂靶向减少线粒体铁可以减轻心肌损伤并改善心脏功能[36]。具体来说，Li等人证明，细胞质铁过载会激活线粒体膜定位蛋白SFXN1，进而引发线粒体铁过载并导致心肌损伤中的铁死亡[32]。然而，在硒缺乏条件下，SFXN1是否将铁蛋白吞噬作用产生的细胞质铁与线粒体功能障碍和铁死亡联系起来尚不清楚。

鉴于猪的心血管解剖结构、脂质代谢和微量营养需求与人类相似，该模型为硒缺乏相关的血管损伤提供了临床相关的见解，这些在啮齿动物模型中可能无法完全体现。因此，本研究旨在阐明硒缺乏在猪中诱导静脉损伤的具体机制，特别关注NCOA4介导的铁蛋白吞噬作用和SFXN1相关的线粒体铁过载的调节作用。我们的发现从铁代谢和铁死亡的角度提供了硒缺乏诱导血管功能障碍的新机制见解。

部分摘要

动物模型的建立和样本收集

本研究使用的所有动物均获得了东北农业大学机构动物护理和使用委员会的批准（批准编号NEAUEC20210214）。选择了18只21天大的三倍杂交仔猪，初始体重为7.2 ± 0.5公斤（平均值±标准差）。在正式实验之前，所有仔猪都经历了一周的适应期，以适应环境条件（温度：24-26°C，相对湿度：55-65%，12小时光照/黑暗周期）和基础

硒缺乏在猪静脉中触发铁死亡并促进血管炎症

为了研究硒缺乏与猪静脉损伤之间的关联，我们首先测量了血浆中的硒水平。结果显示，硒缺乏组的血浆硒水平显著低于对照组（图1A，P < 0.001），证实了猪硒缺乏模型的成功建立。进一步使用苏木精和伊红（H&E）染色检查了猪静脉的病理变化（图1B）。与正常静脉形态相比

讨论

在本研究中，利用硒缺乏的猪模型，我们证明了硒缺乏激活了NCOA4依赖的铁蛋白吞噬作用，上调了SFXN1的表达，并导致猪静脉中的铁死亡细胞死亡。在体外实验中，AMPK-mTOR信号通路促进了铁蛋白吞噬作用的激活；NCOA4的敲低减少了铁蛋白吞噬作用和铁死亡，而SFXN1的敲低减少了线粒体铁的积累并抑制了铁死亡。重要的是，通过药物抑制铁死亡可以

资助

本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：U22A20524、32372967）和黑龙江省自然科学基金（ZD2023C002）的支持。

数据可用性

支持本文结论的原始数据将由作者无保留地向任何合格的研究人员提供。

CRediT作者贡献声明

邱雅宁：撰写——初稿，数据管理，概念构思。谢瑞瑞：软件操作，正式分析。毕国东：数据管理，正式分析，验证，撰写——审阅与编辑。王倩：实验研究，正式分析，数据管理。储家红：方法学设计，正式分析，概念构思。徐世文：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，资金筹集。李书：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，资金筹集

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢东北农业大学兽医学院黑龙江省教育厅共同动物疾病预防与治疗重点实验室提供的研究条件。