Ферроптоз в репродуктивной системе (обзор литературы)

Читать метаданные

В обзоре рассмотрена возможность развития ферроптоза в клетках мужской репродуктивной системы и роль этого биологического процесса в нарушении фертильности. Ферроптоз — это форма регулируемой клеточной смерти (regulated cell deaths RCD), характеризующаяся железозависимым накоплением перекисей липидов. Ферроптоз морфологически и биохимически отличается от известных типов гибели клеток. Ферроптоз играет жизненно важную роль в лечении опухолей, почечной недостаточности и ишемической реперфузионной травмы (IRI). Ингибирование глутатионпероксидазы 4 (GPX4), дефицит цистеина и перекисное окисление арахидоновой кислоты (AA) вызывают ферроптоз в клетках. Хелаторы железа, липофильные антиоксиданты и специфические ингибиторы подавляют ферроптоз. Исследования показали важную роль ферроптоза в физиологических и патологических процессах организма человека, но его механизм изучен недостаточно. Механизмы ферроптоза условно можно разделить на два вида: процессы, способствующие образованию перекисей липидов, и процессы, подавляющие восстановление перекисей липидов. Плазматическая мембрана сперматозоидов млекопитающих содержит полиненасыщенные жирные кислоты в высоких концентрациях, что делает ее восприимчивой к процессу перекисного окисления липидов, приводящему к необратимому повреждению клеток и к бесплодию.

Ключевые слова:

ферроптоз

перекисное окисление липидов

сперматозоиды

фертильность

Авторы:

Николаев А.А.

ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» Минобрнауки России

Кузнецова М.Г.

ФГБОУ ВО «Астраханский государственный медицинский университет» Минздрава России

Дата поступления:

13.09.2021

Дата принятия в печать:

23.06.2022

Список литературы:

Dixon SJ, Lemberg KM, Lamprecht MR, Skouta R, Zaitsev EM, Gleason CE, Patel DN, Bauer AJ, Cantley AM, Yang WS, Morrison B 3rd, Stockwell BR. Ferroptosis: an iron-dependent form of nonapoptotic cell death. Cell. 2012;149(10):1060-1072. https://doi.org/10.1016/j.cell.2012.03.042
Yang WS, SriRamaratnam R, Welsch ME, Shimada K, Skouta R, Viswanathan VS, Cheah JH, Clemons PA, Shamji AF, Clish CB, Brown LM, Girotti AW, Cornish VW, Schreiber SL, Stockwell BR. Regulation of ferroptotic cancer cell death by GPX4. Cell. 2014; 156:(2):317-331. https://doi.org/10.1016/j.cell.2013.12.010
Dolma S, Lessnick SL, Hahn WC, Stockwell BR. Identification of genotype-selective antitumor agents using synthetic lethal chemical screening in engineered human tumor cells. Cancer Cell. 2003;3(2); 285-296. https://doi.org/10.1016/s1535-6108(03)00050-3
Yang WS, Stockwell BR. Synthetic lethal screening identifies compounds activating iron-dependent, nonapoptotic cell death in oncogenic-RAS-harboring cancer cells. Chemistry and Biology. 2008; 15(3):234-245. https://doi.org/10.1016/j.chembiol.2008.02.010
Xie Y, Hou W, Song X, Yu Y, Huang J, Sun X, Kang R, Tang D. Ferroptosis: Process and function. Cell Death and Differentiation. 2016;23(4):369-379. https://doi.org/10.1038/cdd.2015.158
Yagoda N, von Rechenberg M, Zaganjor E, Bauer AJ, Yang WS, Fridman DJ, Wolpaw AJ, Smukste I, Peltier JM, Boniface JJ, Smith R, Lessnick SL, Sahasrabudhe S, Stockwell BR. RAS-RAF-MEK-dependent oxidative cell death involving voltage-dependent anion channels. Nature. 2007;447(5):864-868. https://doi.org/10.1038/nature05859
Kagan VE, Mao G, Qu F, Angeli JP, Doll S, Croix CS, Dar HH, Liu B, Tyurin VA, Ritov VB, Kapralov AA, Amoscato AA, Jiang J, Anthonymuthu T, Mohammadyani D, Yang Q, Proneth B, Klein-Seetharaman J, Watkins S, Bahar I, Greenberger J, Mallampalli RK, Stockwell BR, Tyurina YY, Conrad M, Bayır H. Oxidized arachidonic and adrenic PEs navigate cells to ferroptosis. Nature Chemical Biology. 2017;13(1):81-90. https://doi.org/10.1038/nchembio.2238
Yang WS, Kim KJ, Gaschler MM, Patel M, Shchepinov MS, Stockwell BR. Peroxidation of polyunsaturated fatty acids by lipoxygenases drives ferroptosis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2016;113(34):4966-4975. https://doi.org/10.1073/pnas.1603244113
Friedmann Angeli JP, Schneider M, Proneth B, Tyurina YY, Tyurin VA, Hammond VJ, Herbach N, Aichler M, Walch A, Eggenhofer E, Basavarajappa D, Rådmark O, Kobayashi S, Seibt T, Beck H, Neff F, Esposito I, Wanke R, Förster H, Yefremova O, Heinrichmeyer M, Bornkamm GW, Geissler EK, Thomas SB, Stockwell BR, O’Donnell VB, Kagan VE, Schick JA, Conrad M. Inactivation of the ferroptosis regulator Gpx4 triggers acute renal failure in mice. Nature Cell Biology. 2014;16(9):1180-1191 https://doi.org/10.1038/ncb3064
Linkermann A, Skouta R, Himmerkus N, Mulay SR, Dewitz C, De Zen F, Prokai A, Zuchtriegel G, Krombach F, Welz PS, Weinlich R, Vanden Berghe T, Vandenabeele P, Pasparakis M, Bleich M, Weinberg JM, Reichel CA, Bräsen JH, Kunzendorf U, Anders HJ, Stockwell BR, Green DR, Krautwald S. Synchronized renal tubular cell death involves ferroptosis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2014;111(10):16836-16841. https://doi.org/10.1073/pnas.1415518111
Yu Y, Xie Y, Cao L, Yang L, Yang M, Lotze MT, Zeh HJ, Kang R, Tang D. The ferroptosis inducer erastin enhances sensitivity of acute myeloid leukemia cells to chemotherapeutic agents. Molecular and Cellular Oncology. 2015;2(4):e1054549. https://doi.org/10.1080/23723556.2015.1054549
Zille M, Karuppagounder SS, Chen Y, Gough PJ, Bertin J, Finger J, Milner TA, Jonas EA, Ratan RR. Neuronal death after hemorrhagic stroke In vitro and In vivo shares features of ferroptosis and necroptosis. Stroke. 2017;48(4):1033-1043. https://doi.org/10.1161/strokeaha.116.015609
Gao M, Yi J, Zhu J, Minikes AM, Monian P, Thompson CB, Jiang X. Role of mitochondria in ferroptosis. Molecular Cell. 2019; 73(2): 354-363. https://doi.org/10.1016/j.molcel.2018.10.042
Li C, Zhang Y, Liu J, Kang R, Klionsky DJ, Tang D. Mitochondrial DNA stress triggers autophagy-dependent ferroptotic death. Autophagy. 2021;17(4):948-960. https://doi.org/10.1080/15548627.2020.1739447
Toyokuni S, Ito F, Yamashita K, Okazaki Y, Akatsuka S. Iron and thiol redox signaling in cancer: an exquisite balance to escape ferroptosis. Free Radical Biology and Medicine. 2017;108(2):610-626. https://doi.org/10.1016/j.freeradbiomed.2017.04.024
Zilka O, Shah R, Li B, Friedmann Angeli JP, Griesser M, Conrad M, Pratt DA. On the mechanism of cytoprotection by ferrostatin-1 and liproxstatin-1 and the role of lipid peroxidation in ferroptotic cell death. ACS Central Science. 2017;3(1):232-243. https://doi.org/10.1021/acscentsci.7b00028
Brigelius-Flohé R, Maiorino M. Glutathione peroxidases. Biochimica et Biophysica Acta. 2013;1830(5):3289-3303. https://doi.org/10.1016/j.bbagen.2012.11.020
Kinowaki Y, Kurata M, Ishibashi S, Ikeda M, Tatsuzawa A, Yamamoto M, Miura O, Kitagawa M, Yamamoto K. Glutathione peroxidase 4 overexpression inhibits ROS-induced cell death in diffuse large B-cell lymphoma. Laboratory Investigation. 2018;98(5): 609-619. https://doi.org/10.1038/s41374-017-0008-1
Ingold I, Berndt C, Schmitt S, Doll S, Poschmann G, Buday K, Roveri A, Peng X, Porto Freitas F, Seibt T, Mehr L, Aichler M, Walch A, Lamp D, Jastroch M, Miyamoto S, Wurst W, Ursini F, Arnér ESJ, Fradejas-Villar N, Schweizer U, Zischka H, Friedmann Angeli JP, Conrad M. Selenium utilization by GPX4 Is required to prevent hydroperoxide-induced ferroptosis. Cell. 2018;172(3):409-422.e21. https://doi.org/10.1016/j.cell.2017.11.048
Shah R, Shchepinov MS, Pratt DA. Resolving the role of lipoxygenases in the initiation and execution of ferroptosis. ACS Central Science. 2018;4(3):387-396. https://doi.org/10.1021/acscentsci.7b00589
Shintoku R, Takigawa Y, Yamada K, Kubota C, Yoshimoto Y, Takeuchi T, Koshiishi I, Torii S. Lipoxygenase-mediated generation of lipid peroxides enhances ferroptosis induced by erastin and RSL3. Cancer Science. 2017;108(11):2187-2194. https://doi.org/10.1111/cas.13380
Soupene E, Fyrst H, Kuypers FA. Mammalian acyl-CoA: lysophosphatidylcholine acyltransferase enzymes. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2008;105(1): 88-93. https://doi.org/10.1073/pnas.0709737104
Kuhn H, Saam J, Eibach S, Holzhütter HG, Ivanov I, Walther M. Structural biology of mammalian lipoxygenases: enzymatic consequences of targeted alterations of the protein structure. Biochemical and Biophysical Research Communications. 2005;338(1):93-101. https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2005.08.238
Massey KA, Nicolaou A. Lipidomics of polyunsaturated-fatty-acidderived oxygenated metabolites. Biochemical Society Transactions. 2011;39(3):1240-1246. https://doi.org/10.1042/bst0391240
Feng H, Schorpp K, Jin J, Yozwiak CE, Hoffstrom BG, Decker AM, Rajbhandari P, Stokes ME, Bender HG, Csuka JM, Upadhyayula PS, Canoll P, Uchida K, Soni RK, Hadian K, Stockwell BR. Transferrin Receptor Is a Specific Ferroptosis Marker. Cell Reports. 2020;30(10):3411-3423.e7. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2020.02.049
Habib HM, Ibrahim S, Zaim A, Ibrahim WH. The role of iron in the pathogenesis of COVID-19 and possible treatment with lactoferrin and other iron chelators. Biomedicine and Pharmacotherapy. 2021;136:111228. https://doi.org/10.1016/j.biopha.2021.111228
Allouche-Fitoussi D, Breitbart H. The Role of Zinc in Male Fertility. International Journal of Molecular Sciences. 2020;21(10): 7796-7817. https://doi.org/10.3390/ijms21207796
Zhao X, Liu Z, Gao J, Li H, Wang X, Li Y, Sun F. Inhibition of ferroptosis attenuates busulfan-induced oligospermia in mice. Toxicology. 2020;440(7):152-189. https://doi.org/10.1016/j.tox.2020.152489
Ou Z, Wen Q, Deng Y, Yu Y, Chen Z, Sun L. Cigarette smoking is associated with high level of ferroptosis in seminal plasma and affects semen quality. Reproductive Biology and Endocrinology. 2020; 8(1):100-110. https://doi.org/10.1186/s12958-020-00615-x
Bromfield EG, Walters JLH, Cafe SL, Bernstein IR, Stanger SJ, Anderson AL, Aitken RJ, McLaughlin EA, Dun MD, Gadella BM, Nixon B. Differential cell death decisions in the testis: evidence for an exclusive window of ferroptosis in round spermatids. Molecular Human Reproduction. 2019;25(5):241-256. https://doi.org/10.1093/molehr/gaz015
Li L, Hao Y, Zhao Y, Wang H, Zhao X, Jiang Y, Gao F. Ferroptosis is associated with oxygen-glucose deprivation/reoxygenation-induced Sertoli cell death. International Journal of Molecular Medicine. 2018;41(5):3051-3062. https://doi.org/:10.3892/ijmm.2018.3469
Pipolo S, Puglisi R, Mularoni V, Esposito V, Fuso A, Lucarelli M, Fiorenza MT, Mangia F, Boitani C. Involvement of sperm acetylated histones and the nuclear isoform of Glutathione peroxidase 4 in fertilization. Journal of Cellular Physiology. 2018;233(4):3093-3104. https://doi.org/10.1002/jcp.26146
Wang Q, Zhan S, Liu Y, Han F, Shi L, Han C, Mu W, Cheng J, Huang ZW. Low-Se Diet Can Affect Sperm Quality and Testicular Glutathione Peroxidase-4 activity in Rats. Biological Trace Element Research. 2021;199(10):3752-3758. https://doi.org/10.1007/s12011-020-02515-y
Ingold I, Aichler M, Yefremova E, Roveri A, Buday K, Doll S, Tasdemir A, Hoffard N, Wurst W, Walch A, Ursini F, Friedmann Angeli JP, Conrad M. Expression of a Catalytically Inactive Mutant Form of Glutathione Peroxidase 4 (Gpx4) Confers a Dominant-negative Effect in Male Fertility. The Journal of Biological Chemistry. 2015;290(23):14668-14678. https://doi.org/10.1074/jbc.M115.656363

Закрыть метаданные

Введение

Гибель клеток является основой большинства патологических процессов, а также незаменимым элементом регуляции роста и развития нормальных тканей. До недавнего времени сохранялось мнение о том, что существует две формы гибели клеток: регулируемая гибель клеток (RCD) и некроз. Апоптоз считали синонимом RCD, но в последние годы открыто несколько типов неапоптотических RCD. Термин ферроптоз введен в употребление в 2012 г. [1] для описания формы гибели клеток, вызванной низкомолекулярным эрастином, который ингибирует импорт цистина, что приводит к истощению глутатиона и инактивации фосфолипидпероксидазы глутатионпероксидазы 4 (GPX4) [2]. GPX4 превращает потенциально токсичные гидропероксиды липидов (LOOH) в нетоксичные.

Фактически, еще до введения термина ферроптоз эта форма гибели клеток уже наблюдалась in vitro: две группы исследователей обнаружили, что два низкомолекулярных соединения, эрастин и RSL3 (низкомолекулярный ингибитор GPX4), избирательно вызывали гибель опухолевых клеток, мутантных по гену RAS [3, 4]. Этот процесс может быть предотвращен хелаторами железа и опосредован наличием клеточного железа. Ферроптоз отличается от апоптоза, аутофагии и некроза на биохимическом, морфологическом и генетическом уровнях [5]. Именно поэтому данный процесс получил самостоятельное название [1, 3, 4, 6]. Исследователи постепенно уточняют механизм ферроптоза, продемонстрировав, что в этом процессе участвуют аминокислоты, липиды и реакция окисления—восстановления [1, 2, 7—9]. Железозависимое накопление перекисей липидов и повышение уровня перекисей липидов, вызванное ингибированием GPX4, являются двумя основными путями, ведущими к ферроптозу. Таким образом, подавление перекисного окисления липидов необходимо в клетках млекопитающих для предотвращения начала ферроптоза, который может возникать по умолчанию в условиях, когда GPX4 инактивирована.

Ферроптоз играет жизненно важную роль в организме человека и участвует в инициации и развитии множества заболеваний, например, в онкогенезе, ишемическом повреждении, почечной недостаточности, заболеваниях нервной системы и гематологических заболеваниях [2, 9—11]. Считается, что ферроптоз может быть физиологическим, а не патологическим или органоспецифическим процессом, и часто выявляется в организме млекопитающих. Ферроптоз имеет несколько общих черт с другими формами клеточной гибели [10, 12]. Большинство исследователей сходятся во мнении, что в клетках, подвергающихся ферроптозу, обычно обнаруживаются морфологические изменения, подобные некрозу [12]. Эти особенности включают нарушение целостности плазматической мембраны, набухание цитоплазмы (онкоз) и цитоплазматических органелл, умеренную конденсацию хроматина. На ультраструктурном уровне в ферроптозных клетках обычно обнаруживаются аномалии митохондрий, такие как конденсация или набухание, повышенная плотность мембраны, уменьшение или отсутствие крист, а также разрыв внешней мембраны [1, 6, 9]. Несмотря на значительные изменения морфологии митохондрий, роль этих органелл в ферроптозе остается спорной. Митохондрии являются центром метаболизма и важным источником активных форм кислорода (АФК) в большинстве клеток млекопитающих. В противоречие с ранним исследованием, показывающим, что продукция АФК, опосредованная митохондриями, не является необходимой для ферроптоза [1], более свежие данные свидетельствуют, что митохондриально-опосредованная продукция АФК, стресс ДНК и метаболическое перепрограммирование необходимы для перекисного окисления липидов и индукции ферроптоза [13, 14].

Механизм ферроптоза

Пероксиды железа и липидов являются двумя основными участниками ферроптоза [1, 6—8]. Накопление перекисей липидов, в основном фосфатидилэтаноламин-OOH (ФЕ-OOH), в конечном итоге приводит к ферроптозу [7], в то время как железо служит катализатором или компонентом ключевого регулятора ферроптоза [15]. Таким образом, хелаторы железа (например, дефероксамин) и некоторые липофильные антиоксиданты (например, α-токоферол) могут предотвратить ферроптоз [16]. Кроме того, АФК, которые образуются в результате реакции Фентона, катализируемой железом, способствуют инициации ферроптоза [15].

Накопление перекиси липидов

В физиологических условиях перекиси липидов (например, ФЕ-OOH) восстанавливаются до соответствующих высших спиртов (например, ФЕ-OH) редуктазой для защиты клеток от окислительного стресса [2, 17]. Эти процессы, вызывающие накопление перекиси липидов, условно можно разделить на две группы: процессы, которые способствуют образованию перекисей липидов, и процессы, которые ингибируют восстановление перекиси липидов.

Процессы, которые ингибируют восстановление перекисей липидов

GPX4 восстанавливает токсичные перекиси жирных кислот до нетоксичных высших спиртов в присутствии кофактора GPX4 глутатиона (GSH) [2, 17]. GPX4 защищает клетки от ферроптоза путем устранения внутриклеточных пероксидов жиров. Ингибирование GPX4 запускает ферроптоз [2, 8, 18]. Содержащая 8 нуклеофильных аминокислот GPX4 может вступать в реакцию с электрофилами в клетке [8]. Селен необходим GPX4 для поддержания его резистентной к ферроптозу активности, а замена селеноцистеина цистеином сенсибилизирует клетки к ферроптозу [8, 19]. Инактивация или отсутствие GPX4 вызывает накопление перекисей липидов, что рассматривается как сигнал ферроптотической гибели клеток. Таким образом, ингибирование GPX4 является критическим этапом ферроптоза.

Процессы, способствующие образованию перекисей липидов

Липиды играют решающую роль в энергообеспечении и составе внутриклеточной мембранной системы. Оксигенация фосфолипидов (ФЛ) (например, фосфатидилхолин, кардиолипин) способствует ферроптозу в клетках [7, 8, 20]. Известно, что перекиси липидов образуются в клетках тремя основными путями, для осуществления каждого из которых необходимо железо:

1) липидные АФК, образующиеся в результате реакции Фентона неферментативным путем. Ионы железа (II) окисляются пероксидом водорода до ионов железа (III):

Fe²⁺+H₂O₂→ Fe³⁺+OH+OH⁻;

2) перекиси липидов, образующиеся при оксигенации и этерификации полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК) [7, 8, 21];

3) перекиси липидов, образующиеся при аутоксидации липидов способом, катализируемым железом [22]. Реакция Фентона является неорганической химической реакцией и широко встречается в природе.

Эти пути, безусловно, участвуют в ферроптозе, но неизвестно, является ли какой-то из них основным или они параллельны. Еще больше свидетельств в пользу вывода о том, что перекисное окисление ПНЖК является основным регулятором ферроптоза.

Автоокисление липидов, катализируемое железом

Липоксигеназы — это железосодержащие негеминовые диоксигеназы, которые катализируют введение кислорода в ПНЖК в бис-аллильном положении в бислойных ФЛ-структурах [7, 23]. Некоторые ферменты могут окислять жирные кислоты в клетках [24], но только ингибиторы арахидонат-5-липоксигеназы (LOX-5) могут предотвратить ферроптоз [7]. Похоже, что ферроптоз является LOX-зависимым процессом, но R. Shah и соавт. обнаружили, что не все ингибиторы LOX предотвращают ферроптоз. Все соединения, способные ингибировать ферроптоз, идентифицированы как антиоксиданты, захватывающие радикалы (РТС), функция которых заключается в защите клеток от автоокисления — автокаталитической классической свободнорадикальной цепной реакции, способной генерировать гидроперекиси липидов в присутствии железа [20]. В этой работе показано, что автоокисление липидов может быть конечным процессом ферроптоза, а не контролируемым LOXs перекисным окислением липидов. Автоокисление липидов, во-первых, участвует в ферроптозе, во-вторых, может быть конечным процессом ферроптоза, а не контролируемым липооксигеназами перекисным окислением липидов, в-третьих, приводит к конечному процессу гибели клеток, в то время как перекисное окисление липидов просто способствует инициации автоокисления липидов. Кроме того, ненасыщенность ПНЖК делает молекулу более чувствительной к автоокислению [20]. Это объясняет, почему ПНЖК являются основными субстратами, которые окисляются при ферроптозе.

Окисление ПНЖК вредно для клеток при истощении GSH; однако этот летальный эффект незначителен при нормальном уровне внутриклеточного GSH [8]. Получается, что истощение, инактивация или потеря GSH может вносить больший вклад в ферроптоз, чем окисление ПНЖК; то есть процессы, ингибирующие восстановление перекисей липидов, вносят больший вклад в инициацию ферроптоза, чем процессы, способствующие образованию перекисей липидов. Таким образом, мы приходим к выводу, что ферроптоз — это окислительная гибель клеток, вызванная уменьшением восстановительных реакций.

Следует также отметить, что ферроптоз может происходить двумя основными путями: это внешний или транспортно-зависимый путь (например, снижение поглощения цистеина или глутамина и увеличение поглощения железа), а также внутренний или ферментативный регулируемый путь (например, ингибирование GPX4).

Обобщенные данные показывают, что ферроптоз отличается от других форм клеточной смерти, но эти различные формы клеточной смерти не являются независимыми. Различные формы гибели клеток, вероятно, связываются друг с другом, образуя сеть, опосредующую доступность клеток. Исследования этой сети, безусловно, помогут лучше понять трудноизлечимые заболевания, такие как опухоли, нейродегенеративные заболевания и мужское бесплодие.

В последнем случае есть несколько факторов, которые нацеливают исследователей на изучение роли ферроптоза в развитии этой патологии. Во-первых, плазматическая мембрана сперматозоидов млекопитающих образована высокими концентрациями ПНЖК, что делает ее восприимчивой к процессу перекисного окисления липидов, приводящему к необратимому повреждению клеток, и может стать причиной бесплодия. Во-вторых, известно [25], что доставка железа в клетки осуществляется с помощью трансферрина и рецепторов к нему, а также лактотрансферрина [26], а сперматозоиды покрыты слоем скаферрина (аналог лактотрансферрина), и нарушение в этой системе может вызвать ферроптоз. В-третьих, доказана [27] важная роль цинка в формировании мужской фертильности и в функции сперматозоидов. Можно предположить, что цинк может играть роль, как и железо, в ферроптозе, так как способен продуцировать АФК по реакции Фентона.

Бусульфан обычно используется для химиотерапии рака, тем не менее он вызывает мужское бесплодие через повреждение половых клеток. Авторы исследования [28] сделали попытку выяснить основной механизм этого явления. Продемонстрировано, что ферроптоз участвует в развитии вызванной бусульфаном олигоспермии у мышей. Мышам делали тестикулярную инъекцию бусульфана с обеих сторон в дозе 4 мг на 1 кг массы тела для установления модели олигоспермии. Спустя 4 недели у мышей, получавших бусульфан, наблюдались пониженная концентрация и подвижность сперматозоидов наряду с особенностями типичного ферроптоза в яичке, такими как повышенное содержание малонового диальдегида (MDA), экспрессия мРНК простагландин-эндопероксидсинтазы (PTGS2), снижение содержания NADPH. Ингибирование ферроптоза ферростатином-1 (Fer-1) или дефероксамином (DFO) частично облегчает индуцированную бусульфаном олигоспермию у мышей. Кроме того, обнаружено, что обработка бусульфаном вызывала ферроптоз сперматогенных клеток путем подавления экспрессии фактора 2-го типа, связанного с ядерным фактором-E2 (Nrf2) и GPX4, и снижения выделения железа за счет снижения экспрессии ферропортина 1-го типа (FPN1). Fer-1 или DFO, очевидно, ингибировали вызванный бусульфаном ферроптоз путем увеличения экспрессии Nrf2, GPX4 и FPN1. Кроме того, после активации Nrf2 сульфорафаном концентрация и подвижность сперматозоидов у мышей, получавших бусульфан, увеличилась, что сопровождалось усилением экспрессии GPX4 и FPN1. Эти данные предполагают, что индуцированный бусульфаном ферроптоз может быть опосредован посредством ингибирования сигнального пути Nrf2-GPX4 (FPN1), и подчеркивают, что нацеливание на ферроптоз служит потенциальной стратегией для предотвращения индуцированного бусульфаном повреждения и мужского бесплодия.

Наиболее частой причиной мужского бесплодия является нарушение функции сперматозоидов, на которое могут влиять генетические нарушения, инфекции половых путей, медицинские вмешательства, загрязнение окружающей среды. Курение сигарет также признано риском для мужского здоровья. Однако молекулярные механизмы этого влияния не ясны. Группа исследователей из Гуанчжоу оценила основные параметры спермы у некурящих и заядлых курильщиков. Уровни GSH, реактивных форм кислорода (ROS), железа и GSH-зависимого белка GPX4 наблюдались в семенной плазме человека и в культуре клеток, подвергшихся воздействию конденсата сигаретного дыма (CSC) [29].

Сигаретный дым содержит высокие концентрации оксида азота, пероксинитрита и свободных радикалов, которые потенциально могут вызывать выработку АФК в организме человека. В это исследование включены образцы спермы 70 заядлых курильщиков и 75 некурящих, получавших лечение от бесплодия. Оценены основные параметры спермы у некурящих и заядлых курильщиков. Уровни GSH, АФК, железа и уровня белка GSH-зависимой GPX4. Исследования проводились в семенной плазме человека и в культуре клеток GC-2Spd, подвергшихся воздействию CSC. Показано, что у заядлых курильщиков были значительно более высокие отклонения (жизнеспособность сперматозоидов и прогрессивная подвижность сперматозоидов), чем у некурящих. По сравнению с некурящими уровень GSH у заядлых курильщиков снижен (p<0,05). А уровень АФК и железа значительно повышен (p<0,05). В культуре клеток GC-2Spd уровень GSH снизился после воздействия CSC в течение 24 часов, в то время как уровни АФК и железа повысились (p<0,05). Эти изменения не происходили при совместном культивировании с Fer-1 (p<0,05). Уровень GPX4 снижался после обработки CSC в течение 24 ч и возвращался к норме после совместного культивирования с Fer-1 (p<0,05). Авторы делают вывод, что курение приводит к высокому уровню ферроптоза в семенной плазме и влияет на качество спермы.

Окислительный стресс является основной причиной многих заболеваний, в том числе мужского бесплодия. Последние данные о соматических клетках связывают окислительный стресс с индукцией нового способа гибели клеток, называемого ферроптозом. Ферроптоз инициируется инактивацией фермента репарации липидов GPX4 и усугубляется активностью арахидонат-15-липоксигеназы (ALOX15), фермента липоксигеназы, который способствует деградации липидов. Авторы следующего исследования показали, что половые клетки самцов мыши проявляют признаки ферроптоза, включая независимое от каспаз снижение жизнеспособности после воздействия условий окислительного стресса, индуцированного электрофильным 4-гидроксиноненалом или активаторами ферроптоза (эрастин и RSL3), а также реципрокную повышающую регуляцию ALOX15 и понижающую регуляцию экспрессии GPX4. Более того, стадия развития круглых сперматид может быть сенсибилизирована к ферроптозу за счет действия длинноцепочечного члена семейства ацил-КоА-синтетазы (ACSL4), который изменяет липидный состав мембран способом, благоприятным для перекисного окисления липидов [30]. Эта работа дает импульс для изучения вклада ферроптоза в гибель клеток зародышевой линии в периоды острого стресса на моделях in vivo.

С положениями процитированной работы согласуется работа [31], целью которой было изучить механизм индуцированной ишемическим стрессом гибели клеток Сертоли. Этот патофизиологический прием имитирует перекрут яичек. Авторы проводили исследование на культуре TM4 клеток Сертоли мыши. Продемонстрировано, что кислородно-глюкозная депривация и реоксигенация вызывают ишемию и гибель клеток в культуре TM4. Гибель клеток удалось предотвратить ингибитором АФК N-ацетилцистеином, а также ингибиторами перекисного окисления липидов липроксстатином 1-го типа и хелатором железа дефероксамином. Ингибиторы апоптоза, некроза или аутофагии не вызывали ожидаемого эффекта. Уровни железа и АФК повысились при ишемии, митохондрии уменьшились в размере и увеличилась плотность их мембраны, что также указывает на ферроптоз. Кроме того, образование АФК предполагает накопление железа и истощение GSH. Экспрессия белка ферропортина (Fpn) и мРНК снижалась в клетках TM4. Примечательно, что сверхэкспрессия Fpn ингибирует ферроптоз, образование АФК и накопление железа. Кроме того, GPX4 инактивирована истощением GSH после ишемии, тогда как активация GPX4 блокировала индуцированный ишемией ферроптоз за счет снижения уровня АФК. Результаты этого исследования показали, что ферроптоз является распространенным типом гибели клеток, вызванной повреждением клеток Сертоли, и обеспечивает новый взгляд на применение цитопротекции при потере клеток, вызванной ишемией яичек.

Группа исследователей из университета Рима [32] показала, что ядерная форма глутатионпероксидазы 4 (nGPx4) имеет своеобразное распределение в головке сперматозоида, локализовавшись в ядерном матриксе и акросоме, и что сперматозоиды, лишенные nGPx4, более склонны к деконденсации in vitro. Недостаток nGPx4 отрицательно влияет на фертильность самцов, вызывая заметное снижение общего числа детенышей и беременностей, значительное сокращение пронуклеусов (PN) эмбрионов в анализах оплодотворения in vitro и задержку оплодотворения яйцеклеток in vivo примерно на 2 ч. Авторы пришли к выводу, что мужские ацетилированные гистоны и акросомный nGPx4 непосредственно участвуют в оплодотворении. Это исследование напрямую не упоминает о ферроптозе сперматозоидов, но снижение активности GPX4 — один из основных его признаков.

Снижению активности GPX4 посвящено и другое исследование [33], показавшее, что дефицит селена, поступающего с пищей, может снизить экспрессию GPx4 и селенопротеина 1-го типа в семенниках, что в дальнейшем влияет на подвижность сперматозоидов и, вероятно, вызывает их деформацию. Аналогичное исследование [34] проведено на мышах с мутацией селеноцистеина активного сайта Gpx4, проявляющейся в нулевой активности GPX4. Морфологически сперма, выделенная из гетерозиготных мышей Gpx4_U46S, имела множество структурных аномалий, особенно в средней части сперматозоидов, из-за неправильного окисления и полимеризации капсульных белков сперматозоидов и аномалий развития митохондриальной капсулы, окружающей и стабилизирующей митохондрии сперматозоидов. Эти результаты напоминают сперму, выделенную у грызунов, лишенных селена, или у мышей, у которых специфически отсутствует митохондриальный Gpx4, и авторы признают негативное влияние ферроптоза на мужскую фертильность.

Заключение

Таким образом, в литературе накопилось достаточно данных, свидетельствующих о негативной роли нового вида регулируемой клеточной смерти в нарушении мужской фертильности, и открываются перспективы лечения этой патологии ингибиторами ферроптоза.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.