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STE | 浙江大学周舟和陆远强教授团队发现镉暴露诱导胰腺 β 铁死亡和免疫反应分子机制
前言
镉（Cd）是一种分布广泛的内分泌干扰物，与糖尿病的发病机制密切相关。胰腺 β 细胞丢失和功能障碍是糖尿病发病机制的核心，因此研究镉对胰腺 β 细胞的毒性及其分子机制是一个重要的科学问题。然而，近年来关于镉如何诱导胰腺 β 细胞死亡和功能障碍的研究较少。
近日，浙江大学医学院周舟教授、浙江大学医学院附属第一医院陆远强教授为共同通讯作者，在 Science of The Total Environment (IF:10.753) 期刊在线发表了题为“Cadmium induces ferroptosis mediated inflammation by activating Gpx4/Ager/p65 axis in pancreatic β-cells”的研究论文，报告了镉暴露激活胰腺 β 细胞铁死亡的机制及其免疫调节作用，为缓解胰腺 β 细胞功能障碍提供了一个潜在的调节毒性靶点。
研究结果
1、镉暴露导致 MIN6 细胞的细胞活力下降和胰岛素分泌功能障碍
将胰腺 β 细胞 MIN6 暴露于不同剂量的 CdCl2，结果显示镉暴露剂量依赖性与时间依赖性抑制 MIN6 细胞活力和胰岛素分泌（图 1A-D）。
图1 | 镉暴露抑制 MIN6 细胞活力和胰岛素分泌
2、转录组测序显示镉暴露触发 MIN6 细胞铁死亡
为进一步研究镉暴露影响 MIN6 细胞活力和胰岛素分泌的机制，对镉暴露的 MIN6 细胞进行转录组测序。与对照组相比，有 511 个基因存在表达差异（图 2A-D）。对差异表达基因进行 GO 富集分析，结果显示镉暴露导致 MIN6 细胞存在免疫应激和免疫系统过程失调（图 2E）；KEGG 富集分析和 GSEA 分析显示，与铁死亡相关的代谢通路显著激活（图 2F-G）。
图2 | 转录组测序显示镉暴露激发 MIN6 细胞铁死亡
3、镉暴露阻断了 Slc7a11-GSH-Gpx4 抗氧化轴并激活了 MIN6 细胞铁死亡
已有研究表明 Slc7a11 和 Gpx4 缺失会引起脂质过氧化，进而导致铁死亡的发生。与对照相比，镉暴露条件下 Gpx4 mRNA 和蛋白质表达水平显著下降（图 3A-C），GSH 含量显著下降（图 3D），线粒体形态异常（图 3E）。
同时利用铁死亡抑制剂 Fer-1 共处理 MIN6 细胞，结果显示，Fer-1 可以显著抑制镉暴露诱导的活性氧累积（图 3F-H）、显著降低脂质活性氧水平（图 3I-J）、镉暴露诱导的铁积累被清除（图 3K-L）。
总之，镉暴露损害了 Slc7a11-GSH-Gpx4 轴抗氧化性，促进了过氧化作用，加剧了铁的积累，破坏了线粒体超微结构，并诱导线粒体膜电位的丧失，从而激活细胞铁死亡。并且，铁死亡抑制剂可以有效逆转这些失调。
图3 | 圆锥角膜和健康角膜中角膜基质细胞的转录改变和异质性分析
4、镉暴露激活 Ager 介导的 MIN6 细胞炎症途径
已有研究表明铁死亡会参与多种失调的免疫反应，包括 Agr 介导的炎症信号通路（图 4A）。RT-PCR 结果显示 MIN6 细胞镉暴露会激活 Ager-Prkcg-p65 信号通路（图 4B）。同时促炎细胞因子 TNF-α、IL-1β、IL-6 表达上升，抗炎细胞因子 IL-10 表达下降（图 4C-D）。这些发现表明，镉暴露激活了 MIN6 细胞中的 Ager-Prkcb-p65 炎症途径。
图4 | 镉暴露激活 Ager 介导的 MIN6 细胞炎症途径
5、Fer-1 可以抑制镉暴露诱导的炎症反应
利用铁死亡抑制剂 Fer-1 共处理 MIN6 细胞，结果显示可以拮抗镉暴露诱导的 Ager、Prkcb 和 p65 的激活（图 5A），逆转了镉暴露下 TNF-α、IL-1β、IL-6 表达的上升和 IL-10 的表达下降（图 5A-C）。
图5 | Fer-1 可以抑制镉暴露诱导的炎症反应
6、镉暴露在体内诱导小鼠胰岛铁死亡并导致全身炎症
以含 100mg/L CdCl2 的饮用水喂饲小鼠，6 周后小鼠血糖水平显著升高（图 6A），血清胰岛素显著降低（图 6B），胰腺中有明显的铁积累（图 6C），并且小鼠胰岛素分泌和 Gpx4 表达下降（图 6D-E）。RT-PCR 结果显示，小鼠胰腺中 Ager、Prkcb、p65 等基因表达升高且 Slc7a11、Gpx4 表达下降（图 6F）。血清和胰腺中 TNF-α、IL-1β、IL-6 表达的上升，IL-10 表达降低（图 6H-O），表明镉暴露导致小鼠出现慢性炎症反应，可能导致糖尿病的发生。
图6 | 镉暴露诱导小鼠胰岛铁累积，降低 Gpx4 表达和炎症
研究结论
本研究发现，在体外和体内，镉暴露诱导胰腺 β 细胞胰岛素分泌减少。KEGG 和 GESA 分析表明，在镉暴露下 MIN6 细胞中的铁死亡被激活。进一步研究发现，镉导致 MIN6 细胞中 GSH 耗竭、Gpx4 减少、脂质过氧化、超微结构损伤和线粒体膜电位丧失。此外，镉触发的铁死亡参与了Ager 介导的炎症，促炎细胞因子 TNF-α、IL-1β 和 IL-6 增加，而抗炎细胞因子 IL-10 减少。Fer-1 的联合治疗可以有效缓解这些炎症过程。本研究还验证了镉在体内诱导全身和胰腺炎症反应。此外，在小鼠胰岛中观察到铁累积和 Gpx4 减少。
本研究为预防 Cd 诱导的胰腺 β 细胞功能障碍和改善糖尿病前期预防的慢性炎症状态提供了一个新的靶点。
浙江大学公共卫生学院博士洪慧慧为论文第一作者。欧易生物在本研究中承担了转录组测序及分析工作。
原文链接：
10.1016/j.scitotenv.2022.157819
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排版人：小久
原创声明：本文由欧易生物(OEBIOTECH)学术团队报道，本文著作权归文章作者所有。欢迎个人转发及分享，未经作者的允许禁止转载。
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