非经典维生素K循环可有效抑制铁死亡

铁死亡是一种以铁依赖性脂质过氧化为标志的非凋亡性细胞死亡形式，在器官损伤、退行性疾病和耐药性癌症的易感性中起关键作用。尽管在理解与铁死亡相关的分子过程方面取得了实质性进展，但决定细胞对铁死亡敏感性的其他细胞外在和细胞内在过程仍然未知。

细胞已经进化出许多高效的氧化还原系统来抵消不受控制的脂质过氧化，例如硒依赖性谷胱甘肽过氧化物酶-4（GPX4），FSP1-泛醌途径和生物蝶呤-二氢叶酸还原酶系统。此外，细胞和组织利用维生素E（包括生育酚和生育三烯酚），自然界中首屈一指的亲脂性自由基捕获抗氧化剂，以避免严重的脂质过氧化和铁死亡。维生素E还被证明可以可以保护内皮细胞和造血干细胞等免受关键铁死亡调节因子 GPX4的组织特异性破坏引起的有害后果。

Nature杂志上发表了一篇题为 A non-canonical vitamin K cycle is a potent ferroptosis suppressor 的文章，该文章表明维生素K的完全还原形式除了作为γ-谷氨酰羧化酶的辅助因子参与凝血相关的常规功能外，还具有很强的抗铁死亡功能。

维生素K是一种有效的抗铁死亡化合物

为了探寻除了上述内在和外在机制之外，是否还有其他系统可以有效预防铁死亡，我们系统地研究了三苯氧胺（TAM）诱导Gpx4缺失的小鼠胚胎成纤维（Pfa1）细胞中一些天然维生素化合物抗铁死亡作用。除了维生素E的活性形式之外（α-生育酚，α-TOH），只有维生素 K 的三种形式，叶绿醌（PK）、甲萘醌-4 （MK4）和甲萘醌（Menad）可以抑制Gpx4缺失诱导的铁死亡。PK主要从绿叶蔬菜中获得，可以在体内转化为MK4，而Menad是一种合成变体。维生素K的抗铁死亡活性不仅限于小鼠成纤维细胞，还可以防止缺乏GPX4表达的人类癌细胞系A375和786-O中的铁死亡。PK、MK4和Menad三者还能同时挽救由铁死亡诱导剂RSL3引发的铁死亡细胞，但不能保护其他类型的细胞死亡。由于脂质过氧化是铁死亡的标志，通过进行基于高分辨率液相色谱-质谱（LC-MS）的表血脂组学分析，用BODYY 581/591 C11和Liperfluo染色细胞并确定丙二醛浓度来评估脂质过氧化水平。这些研究表明，所有三种形式的维生素K都有效地抑制了脂质过氧化，并通过独立于任何铁螯合作用的机制，明显阻止了RSL3诱导的氧化脂质物的形成，其中最突出的是长链氧化磷脂酰乙醇胺和磷脂酰乙醇胺缩醛磷脂。这些数据表明，维生素K族化合物可作为有效的抗铁死亡。

维生素K保护组织免受铁死亡

随后，作者使用TAM诱导的肝细胞特异性Gpx4敲除小鼠测试维生素K（尤其是三者中最有效的MK4）是否也可以在体内预防铁死亡。小鼠在维生素E缺乏饮食饲养15小时后由于广泛的肝坏死便很快死亡，值得注意的是，如果用超营养水平的MK4治疗则能延长存活时间，并有力逆转相关的病理变化和肝脏中的脂质过氧化。

在小鼠肝脏缺血-再灌注损伤模型中用MK4预处理改善肝损伤，减少脂质过氧化，减少肝细胞死亡和减少炎症细胞浸润。在肾缺血-再灌注损伤模型中，MK4的预处理还赋予了对组织损伤的保护，这反映在末端脱氧核苷酸转移酶dUTP切口标记（TUNEL）阳性肾小管细胞的数量减少，肾小管损伤标志物肾损伤分子-1（KIM-1）的表达减少和肾功能的改善。因此，我们得出结论，在铁死亡的相关体内模型中，维生素K具有有效的抗铁死亡作用。

FSP1维持VKH2作为自由基捕获抗氧化剂的作用

维生素K是一种氧化还原活性的萘醌，在维生素K循环中转化为相应的对苯二酚（VKH2），VKH2 是强效抗氧化剂。其催化维生素K依赖性蛋白质的羧化，包括凝血因子。

由于维生素K和泛醌具有相同的结构特性，作者检测了FSP1是否可以充当维生素K还原酶，产生对苯二酚（VKH2）以抑制脂质过氧化。将三种维生素K的任意一种与重组人FSP1（rhFSP1）和NADH共孵育时，NADH被消耗，MK4组会产生MK4-氢醌，证明FSP1催化维生素K的还原。

尽管叶绿醌、MK4和甲萘醌本身不是脂质过氧化的抑制剂，但在rhFSP1和NADH存在下，这三种维生素K形式有效地抑制了脂质过氧化。NADH本身不抑制脂质过氧化，但NADH的供应明显延长了FSP1的三种维生素K形式的抑制期持续时间，表明NADH起到化学计量还原剂的作用，且氧化速率取决于NADH、维生素K和FSP1的浓度，支持FSP1催化的维生素K还原产生的VKH2是活性RTA的观点。

维生素K通过FSP1阻断铁死亡

与上述观察结果一致的是，MK4在FSP1-KO细胞中或者在FSP1抑制剂iFSP14处理后显示出抗铁死亡作用减弱，而FSP1的过表达或撤销药理抑制则能恢复这一功能。然而，在FSP1-KO的细胞中，如果添加高剂量的叶绿醌和MK4仍然可以防止铁死亡，说明还存在其他机制来还原维生素K，尽管效率较低。

FSP1避免华法林中毒

华法林是全球使用最广泛的抗凝药物之一，高剂量维生素K是华法林中毒的有效解毒剂。因为足够的维生素K输入可以通过替代维生素K还原途径为GGCX提供VKH2。由于FSP1能够还原维生素K，作者进一步测试了FSP1是否是在经典GGCX-VKOR介导的循环中，负责华法林抗性替代维生素K还原途径的酶。当用MK4处理人肝HepG2细胞时，它立即通过氢醌代谢为MK4环氧化物，然后再次转化为MK4。然而，在FSP1缺陷细胞中尤其是当细胞用华法林处理时，MK4环氧化物的转化效率显着降低。随后，作者在存在或不存在MK4治疗的情况下华法林过量的Fsp1+/–和Fsp1–/–小鼠检查了FSP1在该途径中的功能，当给予高剂量华法林时，用MK4治疗的Fsp1–/–小鼠显示MK4向MK4环氧化物的转化要少得多，并且仍然显示出极长的凝血酶原时间。这些发现证实了FSP1是经典维生素K循环中耐华法林的维生素K还原酶。