G3BP1协调溶酶体自噬活性，以防止椎间盘退变过程中压缩诱导的细胞铁死亡
椎间盘退行性变（idd）是一个慢性炎性状态，其特征是椎间盘（ivd）内的髓核（np）活细胞丧失和细胞外基质（ecm）破坏。目前，如何提高np细胞活力，降低死亡率成为idd治疗发展的紧迫问题。
溶酶体是维持细胞稳态的重要降解细胞器。针对溶酶体损伤，溶酶体自噬作为重要的内源性保护机制，在防止不可逆细胞损伤方面发挥作用。溶酶体自噬是指通过选择性自噬对受损溶酶体有效清除的过程。溶酶体活性维持正确的细胞功能，其失调与多种疾病有关，包括癌症、神经退行性疾病或与衰老相关的疾病。溶酶体损伤参与多种形式的细胞死亡过程，如细胞凋亡、坏死、焦亡及铁死亡等。铁死亡是指铁依赖性脂质过氧化和活性氧（ros）诱导的调节性细胞死亡。溶酶体通过改变铁摄取和铁排出的水平来调控铁死亡。当涉及到受损的溶酶体和溶酶体自噬活性时，调节机制仍然未知。先前的研究表明np细胞中存在铁死亡，并初步探讨了其在idd中的作用。然而，铁死亡相关椎间盘退变的潜在机制很复杂，需要进一步研究。
ras-gtp酶激活蛋白sh3结构域结合蛋白1（g3bp1）是众suo周知的应激颗粒成分，在调节细胞衰老、免疫反应和细胞凋亡方面发挥作用。最近的研究表明，g3bp1可以调节雷帕霉素（mtor）信号通路机制靶点的激活，起到溶酶体系链的作用。这些发现支持g3bp1可以影响溶酶体的功能，可能包括溶酶体的数量和活性。因此，有理由怀疑g3bp1在应力条件下调节溶酶体自噬活性和溶酶体修复。此外，在idd进展过程中，g3bp1与mtor信号通路之间的关系仍需在np细胞中验证。
最近，在华中科技大学同济医学院附属协和医院骨科团队的一项研究中，推测g3bp1通过在idd过程中调节细胞铁死亡介导溶酶体自噬和溶酶体活性，并进一步研究了g3bp1和mtor信号在体内椎间盘退变模型中的作用。该研究加深了对np细胞g3bp1、溶酶体自噬和铁死亡之间关系的认识，为idd治疗提供了新的靶点。
首先，实验测量了g3bp1和galectin-3（溶酶体损伤的标志物）在人np组织中的表达水平。结果表明，在退变np组织中g3bp1表达水平低，galectin-3表达水平高，而且g3bp1和galectin-3 水平均与np组织的退行性分级相关。这表明，在idd的进展过程中，g3bp1的水平逐渐降低，溶酶体损伤增加。
压缩力是idd的常见致病因素。因此实验利用体外静态压缩力装置（1.0 mpa）来模拟np细胞周围的外部环境。llome（l-亮氨酸甲酯的二肽缩合物）能够在溶酶体中积累，并用于诱导溶酶体损伤。结果观察到，galectin-3的蛋白质水平在压缩组和llome组中均增加（图1 a），而且压缩力处理诱导galectin-3阳性溶酶体在np细胞中的积累（图1 b）。它揭示了np细胞在压缩压力下溶酶体损伤的增加。另一方面，发现压缩处理增加了np细胞的死亡率（图1 c）。
为了进一步研究是否发生铁死亡，将np细胞与dcfh-da探针一起孵育。结果发现，在加压处理后，细胞ros水平升高（图1 d），gpx4和ftl的蛋白质水平均降低（一些蛋白质，如谷胱甘肽过氧化物酶4（gpx4）和铁蛋白轻链（ftl）参与调节细胞铁死亡）（图1 e）。结果表明，在压缩压力下溶酶体损伤伴有细胞铁死亡。同时，加压组细胞游离铁浓度升高（图1 f）。游离铁可能从严重受损的溶酶体中释放出来。脂质ros水平表示脂质过氧化的程度，这是铁死亡的标志。结果表明，压缩和llome处理均诱导脂质ros水平升高（图1 g、h）。这些结果表明，压缩处理诱导溶酶体损伤，进而加重np细胞的铁死亡。
图1 加压处理诱导溶酶体损伤和np细胞铁死亡。
trim16 是一种 e3 泛素连接酶，在溶酶体自噬起始中发挥作用，并募集接头蛋白 vcp/p97来诱导溶酶体自噬。接下来，实验观察到trim16和p97的水平在加压期间发生了变化。长时间的压力处理似乎损害了溶酶活性以及g3bp1的水平。为了进一步揭示g3bp1在溶酶体自噬中的作用，sirnas被用来敲低g3bp1的表达。结果表明，g3bp1敲低降低了trim16的表达并诱导了p97的积累。同时，溶酶体自噬活性降低与ros水平升高有关。g3bp1敲低组的细胞游离铁和脂质过氧化水平升高。这表明g3bp1功能障碍加重细胞铁死亡。实验发现g3bp1功能障碍诱导galectin-3的积累和溶酶体损伤，这对于在压缩压力下加剧铁死亡至关重要。
g3bp1被认为是组装应激颗粒（sgs）的中心开关。因此打算确定g3bp1是否参与压缩压力下的sg的形成。亚砷suan盐可诱导应激颗粒组装。结果表明，压缩组g3bp1相关sg的形成不如亚砷suan盐组明显。这表明，g3bp1更可能作为溶酶体活性的调节剂，同时在压缩压力下也可能充当sg成分。
哺乳动物雷帕霉素靶标蛋白（mtor）信号控制溶酶体代谢途径。因此怀疑g3bp1通过mtor信号调节溶酶体活性。结果表明，在压缩压力下磷酸化的mtor水平降低，表明mtor信号受到抑制（图2 a）。np细胞用mtor信号激活剂mhy1485或特异性mtor抑制剂雷帕霉素处理。结果发现溶酶体自噬活性同时被mtor激活剂抑制，并被mtor抑制剂激活（图2 b）。此外，mhy1485处理还诱导np细胞中ros水平升高（图2 c）。mtor激活组细胞游离铁浓度和脂质ros水平升高，在mtor抑制组降低（图2 d-f）。细胞死亡率在mhy1485组显著升高，在雷帕霉素组降低（图2 g）。这表明，mtor信号传导的激活加重了细胞铁死亡，这与g3bp1敲低的效果相似。此外，mhy1485处理促进溶酶体损伤，而雷帕霉素改善了溶酶体损伤（图2 h、i）。这些结果表明，g3bp1通过mtor信号调节溶酶体自噬和细胞铁死亡。
然后，为了进一步研究g3bp1在mtor信号中的作用，研究人员打算揭示g3bp1与mtor复合体的结合。实验观察g3bp1与mtor亚基tsc2的结合。tsc2的敲低诱导磷酸化mtor水平升高，显著抑制溶酶体自噬的活化，降低铁死亡相关保护蛋白的水平，还诱导galectin-3表达升高，表明溶酶体损伤加重。这些结果表明，g3bp1/tsc2 复合体使 mtor 信号失活，以调节溶酶体自噬和np细胞的铁死亡。
图2 g3bp1通过mtor信号调节溶酶体自噬和铁死亡结果。
最后，为了评估g3bp1对idd的影响，建立了椎间盘退变模型，将靶向g3bp1的sirnas注射到大鼠椎间盘中，并评估椎间盘的退变程度。结果表明，g3bp1的敲低促进了idd在体内的进展。
为了进一步了解idd进展过程中的g3bp1/mtor信号，在椎间盘退变模型中使用了靶向mtor信号的药物。结果表明，mhy1485提高了椎间盘的mri分级，与idd组相同（图3 a、b）。mhy1485组椎间盘高度较对照组显著降低（图3 c、d）。然而，雷帕霉素可以部分改善idd进展过程中水分含量和椎间盘高度的损失。与idd组相比，雷帕霉素组mri分级较低，椎间盘高度指数（dhi）较高。此外，mhy1485组和idd组np区被纤维组织取代（图3 e）。与mhy1485和idd组相比，雷帕霉素组的退变分级较低，表明椎间盘的退变特征不太明显（图3 f）。这些结果表明，mtor 信号失活会延缓体内 idd 的进展，g3bp1/mtor信号参与体内idd的进展，可能为idd治疗提供潜在的靶点。
图3 mtor信号传的调控影响体内idd的进展。
图4 揭示g3bp1在压缩诱导的溶酶体损伤和细胞铁死亡中的保护作用的示意图模型。
g3bp1 协调 tsc/mtor 复合体以启动溶酶体自噬以去除损伤的溶酶体。在压缩压力下，g3bp1功能障碍促进溶酶体自噬的失活。受损溶酶体的积累诱导游离铁和脂质过氧化水平升高，导致细胞铁死亡。
总之，该研究调查了溶酶体自噬、溶酶体损伤和细胞铁死亡之间的关系。g3bp1作为核心链接协调溶酶体自噬活性以清除损伤的溶酶体，从而抑制细胞游离铁的过载。在压缩压力下，g3bp1似乎主要存在于溶酶体中，通过tsc2 / mtor信号调节溶酶体功能，而不是形成应激颗粒。这些发现说明了g3bp1和mtor信号在np细胞铁死亡中的作用，并可能为idd提供潜在的治疗靶点。
参考文献：li s, liao z, yin h, liu o, hua w, wu x, zhang y, gao y, yang c. g3bp1 coordinates lysophagy activity to protect against compression-induced cell ferroptosis during intervertebral disc degeneration. cell prolif. 2023 mar;56(3):e13368. doi: 10.1111/cpr.13368. epub 2022 nov 30. pmid: 36450665; pmcid: pmc9977669.
原文链接：pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36450665/
小编旨在分享、学习、交流生物科学等领域的研究进展。如有侵权或引文不当请联系小编修正。如有任何的想法以及建议，欢迎联系小编。感谢各位的浏览以及关注！
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首先，实验测量了g3bp1和galectin-3（溶酶体损伤的标志物）在人np组织中的表达水平。结果表明，在退变np组织中g3bp1表达水平低，galectin-3表达水平高，而且g3bp1和galectin-3 水平均与np组织的退行性分级相关。这表明，在idd的进展过程中，g3bp1的水平逐渐降低，溶酶体损伤增加。
压缩力是idd的常见致病因素。因此实验利用体外静态压缩力装置（1.0 mpa）来模拟np细胞周围的外部环境。llome（l-亮氨酸甲酯的二肽缩合物）能够在溶酶体中积累，并用于诱导溶酶体损伤。结果观察到，galectin-3的蛋白质水平在压缩组和llome组中均增加（图1 a），而且压缩力处理诱导galectin-3阳性溶酶体在np细胞中的积累（图1 b）。它揭示了np细胞在压缩压力下溶酶体损伤的增加。另一方面，发现压缩处理增加了np细胞的死亡率（图1 c）。
为了进一步研究是否发生铁死亡，将np细胞与dcfh-da探针一起孵育。结果发现，在加压处理后，细胞ros水平升高（图1 d），gpx4和ftl的蛋白质水平均降低（一些蛋白质，如谷胱甘肽过氧化物酶4（gpx4）和铁蛋白轻链（ftl）参与调节细胞铁死亡）（图1 e）。结果表明，在压缩压力下溶酶体损伤伴有细胞铁死亡。同时，加压组细胞游离铁浓度升高（图1 f）。游离铁可能从严重受损的溶酶体中释放出来。脂质ros水平表示脂质过氧化的程度，这是铁死亡的标志。结果表明，压缩和llome处理均诱导脂质ros水平升高（图1 g、h）。这些结果表明，压缩处理诱导溶酶体损伤，进而加重np细胞的铁死亡。
图1 加压处理诱导溶酶体损伤和np细胞铁死亡。
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g3bp1被认为是组装应激颗粒（sgs）的中心开关。因此打算确定g3bp1是否参与压缩压力下的sg的形成。亚砷suan盐可诱导应激颗粒组装。结果表明，压缩组g3bp1相关sg的形成不如亚砷suan盐组明显。这表明，g3bp1更可能作为溶酶体活性的调节剂，同时在压缩压力下也可能充当sg成分。
哺乳动物雷帕霉素靶标蛋白（mtor）信号控制溶酶体代谢途径。因此怀疑g3bp1通过mtor信号调节溶酶体活性。结果表明，在压缩压力下磷酸化的mtor水平降低，表明mtor信号受到抑制（图2 a）。np细胞用mtor信号激活剂mhy1485或特异性mtor抑制剂雷帕霉素处理。结果发现溶酶体自噬活性同时被mtor激活剂抑制，并被mtor抑制剂激活（图2 b）。此外，mhy1485处理还诱导np细胞中ros水平升高（图2 c）。mtor激活组细胞游离铁浓度和脂质ros水平升高，在mtor抑制组降低（图2 d-f）。细胞死亡率在mhy1485组显著升高，在雷帕霉素组降低（图2 g）。这表明，mtor信号传导的激活加重了细胞铁死亡，这与g3bp1敲低的效果相似。此外，mhy1485处理促进溶酶体损伤，而雷帕霉素改善了溶酶体损伤（图2 h、i）。这些结果表明，g3bp1通过mtor信号调节溶酶体自噬和细胞铁死亡。
然后，为了进一步研究g3bp1在mtor信号中的作用，研究人员打算揭示g3bp1与mtor复合体的结合。实验观察g3bp1与mtor亚基tsc2的结合。tsc2的敲低诱导磷酸化mtor水平升高，显著抑制溶酶体自噬的活化，降低铁死亡相关保护蛋白的水平，还诱导galectin-3表达升高，表明溶酶体损伤加重。这些结果表明，g3bp1/tsc2 复合体使 mtor 信号失活，以调节溶酶体自噬和np细胞的铁死亡。
图2 g3bp1通过mtor信号调节溶酶体自噬和铁死亡结果。
最后，为了评估g3bp1对idd的影响，建立了椎间盘退变模型，将靶向g3bp1的sirnas注射到大鼠椎间盘中，并评估椎间盘的退变程度。结果表明，g3bp1的敲低促进了idd在体内的进展。
为了进一步了解idd进展过程中的g3bp1/mtor信号，在椎间盘退变模型中使用了靶向mtor信号的药物。结果表明，mhy1485提高了椎间盘的mri分级，与idd组相同（图3 a、b）。mhy1485组椎间盘高度较对照组显著降低（图3 c、d）。然而，雷帕霉素可以部分改善idd进展过程中水分含量和椎间盘高度的损失。与idd组相比，雷帕霉素组mri分级较低，椎间盘高度指数（dhi）较高。此外，mhy1485组和idd组np区被纤维组织取代（图3 e）。与mhy1485和idd组相比，雷帕霉素组的退变分级较低，表明椎间盘的退变特征不太明显（图3 f）。这些结果表明，mtor 信号失活会延缓体内 idd 的进展，g3bp1/mtor信号参与体内idd的进展，可能为idd治疗提供潜在的靶点。
图3 mtor信号传的调控影响体内idd的进展。
图4 揭示g3bp1在压缩诱导的溶酶体损伤和细胞铁死亡中的保护作用的示意图模型。
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总之，该研究调查了溶酶体自噬、溶酶体损伤和细胞铁死亡之间的关系。g3bp1作为核心链接协调溶酶体自噬活性以清除损伤的溶酶体，从而抑制细胞游离铁的过载。在压缩压力下，g3bp1似乎主要存在于溶酶体中，通过tsc2 / mtor信号调节溶酶体功能，而不是形成应激颗粒。这些发现说明了g3bp1和mtor信号在np细胞铁死亡中的作用，并可能为idd提供潜在的治疗靶点。
参考文献：li s, liao z, yin h, liu o, hua w, wu x, zhang y, gao y, yang c. g3bp1 coordinates lysophagy activity to protect against compression-induced cell ferroptosis during intervertebral disc degeneration. cell prolif. 2023 mar;56(3):e13368. doi: 10.1111/cpr.13368. epub 2022 nov 30. pmid: 36450665; pmcid: pmc9977669.
原文链接：pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36450665/
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