镓诱导铁死亡的协同机制

镓元素位于元素周期表的第四周期第IIIA族，是第一个被理论预测，后被实验发现的金属元素。在生命医药领域，镓是仅次于铂的金属，研究历史悠久，其化合物广泛应用于抗菌、抗炎、抗肿瘤以及骨代谢疾病的治疗，硝酸镓更是被应用于临床肿瘤引发的高血钙症的治疗。此外，放射性同位素⁶⁷Ga具有肿瘤富集的特点，成为了非霍奇金淋巴瘤分期检测的临床“金标准”。另一种⁶⁸Ga同位素标记的药物，作为正电子发射计算机断层扫描（PET）试剂，广泛应用于肿瘤成像。在抗癌研究方面，由于镓离子(Ga³⁺)和铁离子(Fe³⁺)在电荷和离子半径等性质上的高度相似性，被认为是氧化还原惰性的“铁替代”，在生物体内能够干扰Fe³⁺的代谢和稳态，并作为Fe³⁺的竞争性抑制剂，破坏含铁酶（如核酸还原酶）的活性，导致细胞死亡。长期以来，这种“铁替代”假说成为镓药物设计的生物化学基础，并促进了镓抗癌药物快速发展（Eur. J. Inorg. Chem., 2022, e202100953, DOI: 10.1002/ejic.202100953）。

随着研究的不断深入，镓诱导的抗肿瘤活性可能比简单地靶向铁结合位点更复杂。除了与铁离子直接替换，也可能间接影响铁稳态。尤其是与有机配体结合时，尽管增强了其生物利用度和生物相容性，但是如何干扰铁代谢或细胞氧化还原稳态还有待进一步发现。先前的研究发现镓以盐或复合物的形式可以释放线粒体ROS，导致金属硫蛋白和血红素加氧酶-1（HMOX-1）的表达上调。由于这些与“铁死亡”相关的氧化还原稳态失调的现象出现在“铁死亡”名词提出之前，研究人员并未直接将这些生物现象与“铁死亡”关联。近年来，有多家团队先后报道了镓配合物诱导铁死亡的案例，然而镓在铁死亡中扮演的角色仍需进一步的阐明。因此，深入研究镓和铁稳态及与其他细胞过程之间的关系对镓药物的设计和开发至关重要。

北京大学张俊龙课题组与合作者报道了首例可靶向蛋白质二硫化物异构酶（PDI）的Gasalen配合物（Ga-1）（Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 20147-20153）。PDI处于内质网（ER）中，通过巯基二硫化物交换对ER氧化还原稳态变化作出响应，是多种肿瘤细胞的标志蛋白。在本工作中，该课题组发现Ga-1可以充当“质子（或氢氧根）”传输体，破坏膜的完整性，并引发细胞铁离子过载，导致脂质过氧化物的累积，从而诱导细胞损伤和铁死亡。更重要的是，由于铁死亡的发生受到还原性谷胱甘肽（GSH）系统的抑制，他们发现Ga-1通过抑制PDI活性来抑制GSH系统。不同于传统的“铁替代”假说，这种双管齐下的协同诱导或加剧细胞铁死亡机制对阐明Ga-1的作用方式提供了重要线索，也为发展新型镓抗癌药物的分子设计提供了新思路。相关论文发表于Angew. Chem. Int. Ed.。

图1. Ga-1通过协同机制诱导细胞铁死亡

1、Ga-1通过改变膜结构诱导铁释放

由于配体salen是平面型四齿螯合配体，使得六配位的镓存在两个未被占据的配位点。又因为Ga³⁺具有较强路易斯酸性，Ga-1通过配位作用与细胞膜结构磷脂上带负电荷的磷酸基团和羟基结合，改变膜内外的质子梯度，并破坏膜结构。而将Ga-1的中心金属置换成Zn(II)或Fe(III)后，由于路易斯酸性降低，失去了破坏膜结构的能力，并且失去在细胞中诱导铁死亡的能力。因此，Ga-1诱导铁死亡与其膜结构破坏息息相关 (图2A, B)。

从诱导铁死亡的机制上来说，Ga-1能够锚定在线粒体膜上，并破坏内膜的结构，从而破坏线粒体功能，并使得线粒体电子传递链复合物上的含铁辅酶（如铁卟啉）的释放。与此同时，Ga-1诱导了应激蛋白卟啉氧化酶-1（HMOX-1）表达量的上升。过表达的HMOX-1能够降解铁卟啉释放出自由铁离子，导致线粒体铁过载，从而诱导细胞脂质过氧化 (图2C-E)。

图2. Ga-1改变线粒体膜的通透性，并诱导铁释放

2、Ga-1通过抑制PDI而破坏GSH系统

另一方面，Ga-1通过抑制蛋白二硫键异构酶，从而破坏谷胱甘肽系统。在之前的研究中，通过蛋白质组学和pull down等实验方法，确定了Ga-1在细胞中的靶标：蛋白二硫键异构酶（PDI）。在本工作中，观察到了Ga-1诱导了谷胱甘肽系统中负责胱氨酸摄取的SLC7A11和负责脂质过氧化物清除的GPX4的下调，从而破坏细胞抗氧化能力。而这两种蛋白的下调与Ga-1对PDI的抑制息息相关，即Ga-1通过抑制PDI破坏硫稳态，而下调细胞中还原性谷胱甘肽含量，加剧脂质过氧化物的累积 (图3)。

图3. Ga-1通过抑制蛋白二硫键异构酶破坏还原性谷胱甘肽系统

脂质过氧化物的底物是多不饱和脂肪酸。为了增强癌细胞对铁死亡的敏感度，作者开发了多不饱和脂肪酸和Ga-1联合治疗的方案。两者在细胞和活体层面都显示出很好的联合抗肿瘤效果。

本工作提供了镓配合物诱导铁死亡的案例，并阐明了金属镓的配位能力在诱导铁死亡中的重要作用，为金属药物的研究开阔了思路。而配合物作为一个整体，也通过抑制蛋白二硫键异构酶，破坏还原性谷胱甘肽系统，协同诱导铁死亡，使得抗肿瘤效果显著。该工作得到了国家自然科学基金委 (21571007, 21621061, 21778002, 和21861162008) 和化学与精细化工广东省实验室的资助。

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Gallium Triggers Ferroptosis through a Synergistic Mechanism

Xin-Xin Peng, Hang Zhang, Ruijing Zhang, Ze-Hao Li, Zi-Shu Yang, Jing Zhang, Song Gao, Jun-Long Zhang

Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202307838

作者简介

彭信心，北京大学化学与分子工程学院博士研究生。2019年毕业于南京大学并取得理学学士学位。博士期间研究方向集中于金属药物的开发和抗肿瘤机制的研究。以第一作者身份在Angew. Chem.、Eur. J. Inorg. Chem.等期刊上发表论文四篇。

张俊龙，北京大学化学与分子工程学院教授。2005在香港大学化学系取得哲学博士学位（无机化学）。2005-2008年在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校从事博士后工作。2008年开始就职于北京大学。研究领域集中在小分子金属药物开发和药物作用机制研究，小分子近红外稀土探针的开发与应用，细胞氧代谢的调控，金属仿生催化等。在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.等国际知名期刊上发表论文百余篇。曾先后获得美国化学会“Emerging Investigators in Bioinorganic Chemistry”、“中国稀土学会青年科学家奖”、日本化学会“The Distinguished Lectureship Award”、 欧洲化学出版协会“ChemPubSoc Europe Early Career Award”、 亚洲生物无机化学会（AsBIC）“James Hoeschele Award”等奖项和称号。

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