文献分享：锰暴露通过 cGAS-STING/ROS 调控细胞凋亡与铁死亡

一、研究背景

锰（Mn）是人类和哺乳动物必需的微量元素，广泛参与体内多种生理过程，包括骨骼形成、能量代谢、神经递质合成及免疫功能调节，对维持机体正常生理运转具有不可替代的作用。然而，随着工业化进程的快速推进，锰矿开采、冶金冶炼、电池生产等行业的规模化发展，导致环境中锰的暴露水平逐年升高，职业暴露与环境暴露引发的锰中毒事件频发，其环境毒性风险已成为全球关注的公共卫生热点问题。其中，锰暴露所致的神经毒性尤为突出，长期过量暴露会导致神经系统结构和功能损伤，引发类帕金森病、认知障碍、情绪异常等一系列神经退行性病变，严重威胁人类健康，目前针对锰神经毒性的防控和治疗仍缺乏有效的靶点和手段，其潜在分子机制亟待深入解析。

已有研究表明，锰具有丰富的免疫调节功能，能够调控先天免疫和适应性免疫反应，而cGAS-STING通路作为先天免疫体系中的核心通路，在识别胞质DNA、启动抗病毒免疫反应、调控炎症因子释放及细胞命运决定中发挥关键作用。近年来，越来越多的研究发现，cGAS-STING通路的异常激活与多种神经退行性疾病、氧化应激损伤及细胞凋亡密切相关，但截至目前，关于cGAS-STING通路在锰暴露诱导神经毒性中的具体作用、调控规律，以及其与氧化应激、细胞凋亡、铁死亡等损伤机制之间的关联，尚未明确阐明，这也成为当前锰神经毒性研究领域的重要空白。

为此，Zhang等人在《Redox Biology》发表了题为《Mn exposure mediates ROS generation and further induces apoptosis and ferroptosis through activation of the cGAS–STING pathway》的研究论文，针对上述研究缺口，采用体内外实验相结合的方式，以BV2小胶质细胞和小鼠为研究模型，系统探究锰暴露对cGAS-STING通路的调控作用，以及该通路与ROS、细胞凋亡、铁死亡之间的内在关联，深入揭示锰暴露诱导神经毒性的潜在分子机制，为锰神经毒性相关疾病的防控、靶点筛选及临床干预提供了新的研究视角和坚实的理论依据。

二、研究方法

本研究采用BV2小胶质细胞与小鼠脑组织整合模型进行交叉验证，首先用不同浓度的MnCl?·4H?O处理BV2小胶质细胞构建细胞毒性模型，同时通过锰暴露处理小鼠构建体内模型。之后采用Western blot检测cGAS、STING等相关蛋白的表达水平，DCFH-DA荧光探针结合流式细胞术和荧光酶标仪检测细胞内ROS水平，生化试剂盒检测GSH-Px、SOD活性及MDA、Fe2?含量，JC-1染色结合流式细胞术检测线粒体膜电位，Annexin V-FITC/PI双染色检测细胞凋亡率，透射电镜观察小鼠海马体线粒体超微结构，免疫荧光检测脑组织中ACSL4的表达，RNA-seq筛选差异表达基因，同时构建cGAS?/?和STING?/? BV2细胞系，以及采用ROS抑制剂共处理，探究cGAS-STING通路、ROS与细胞凋亡、铁死亡之间的调控关系。所有实验均重复3-5次，采用SPSS 26.0软件进行统计分析，Graphpad Prism 9软件绘制图表，P<0.05为差异具有统计学意义。

三、重点结果分析

体外核心基础：锰暴露激活cGAS-STING通路并引发细胞氧化应激

作为整个研究体外实验的起点，研究者首先以BV2小胶质细胞为研究对象，探究锰暴露对细胞内关键通路及氧化状态的影响，为后续机制解析筑牢基础。研究者用不同浓度的氯化锰处理细胞后，通过蛋白印迹检测发现，随着处理浓度的梯度升高，细胞内cGAS、STING及TBK1三种关键蛋白的表达水平也呈浓度依赖性显著上升，且所有差异均达到统计学显著标准，这一结果清晰证实，锰暴露能够特异性激活小胶质细胞中的cGAS-STING通路，且这种激活效应与锰暴露剂量密切相关。在此基础上，进一步通过荧光探针结合流式细胞术检测细胞内活性氧水平，同时检测抗氧化酶活性及脂质过氧化标志物含量，结果发现，锰处理后细胞内活性氧荧光强度显著增强，抗氧化系统中的GSH-Px和SOD活性明显下降，而脂质过氧化产物MDA的含量则持续升高，这意味着锰在激活cGAS-STING通路的同时，会同步引发细胞的氧化应激反应，二者相互关联、协同作用，共同构成锰诱导细胞损伤的初始环节。

体内实验验证：锰暴露的神经毒性及通路激活效应在动物体内的重现

为了验证体外实验结果的可靠性，同时明确锰暴露在体内的神经毒性效应，研究者构建了锰暴露小鼠模型，以小鼠海马体为核心研究部位，开展体内验证实验。通过透射电镜观察发现，经锰处理后的小鼠海马体细胞出现明显的结构损伤，细胞膜发生皱缩，线粒体作为细胞能量代谢的核心，出现基质肿胀、空泡化、嵴缩短等典型损伤特征，直观展现了锰暴露对神经组织的直接损伤作用。进一步通过蛋白印迹检测小鼠脑组织中的通路相关蛋白，结果与体外实验高度一致，随着锰暴露浓度的升高，脑组织中TBK1和IRF3的表达水平显著上升，证实cGAS-STING通路在体内同样会被锰暴露激活。除此之外，研究者还检测了脑组织中氧化应激、凋亡及铁死亡相关指标，发现锰暴露会导致脑组织中抗氧化酶活性下降、脂质过氧化产物积累，同时促凋亡蛋白和铁死亡促进蛋白表达升高，抑制性蛋白表达降低，铁离子含量也显著增加，这一系列结果与体外实验形成完美呼应，充分证实锰暴露在体内可通过激活cGAS-STING通路，诱导氧化应激、细胞凋亡和铁死亡，进一步夯实了研究结论的科学性和可靠性。

核心机制解析：ROS在通路与细胞损伤之间的介导作用

明确了锰暴露可激活cGAS-STING通路并诱导细胞凋亡、铁死亡后，研究者进一步探究三者之间的核心调控关系，重点验证ROS是否发挥介导作用。研究者采用ROS抑制剂NAC与锰共处理BV2小胶质细胞，首先通过检测确认，NAC预处理能够有效降低锰诱导的细胞内ROS水平，证明NAC可成功阻断锰介导的ROS生成。在此基础上，对细胞凋亡情况进行检测，发现NAC预处理后，锰处理组的细胞凋亡率显著下降，同时抗凋亡蛋白Bcl-2的表达水平升高，促凋亡蛋白细胞色素C的表达水平降低，这一结果表明，抑制ROS生成能够有效减轻锰诱导的细胞凋亡。随后，研究者进一步检测铁死亡相关指标，发现NAC预处理同样能够降低锰处理组细胞内的铁离子含量，减少铁死亡促进蛋白ACSL4的表达，同时升高铁死亡抑制蛋白GPX4、SLC7A11的表达，证实抑制ROS也能缓解锰诱导的细胞铁死亡。综合以上实验结果，研究者明确了整个机制的核心逻辑：cGAS-STING通路被锰激活后，会介导ROS大量生成，而ROS作为关键介导分子，进一步诱导细胞发生凋亡和铁死亡，成为连接通路激活与细胞损伤的核心纽带。

机制总结：锰暴露诱导神经毒性的完整调控网络

基于上述所有体外和体内实验结果，研究者绘制了锰暴露诱导神经毒性的完整机制示意图，将所有关键调控环节整合为一个连贯的调控网络，清晰呈现了锰诱导神经毒性的全过程。整个调控过程以锰暴露为起始信号，首先刺激细胞内cGAS合成第二信使cGAMP，cGAMP进一步结合并激活STING蛋白，激活后的STING会推动下游TBK1和IRF3的磷酸化，进而促进I型干扰素的表达。与此同时，被激活的cGAS-STING通路会引发明显的氧化应激反应，具体表现为ROS和MDA等氧化产物的大量生成，以及GSH-Px、SOD等抗氧化酶活性的下降。而ROS作为核心介导分子，会进一步启动两条损伤通路：一方面通过调控Bax、Bcl-2等凋亡相关蛋白的表达，诱导线粒体释放细胞色素C，最终引发细胞凋亡；另一方面通过破坏细胞内铁稳态，调控GPX4、SLC7A11、ACSL4等铁死亡关键蛋白的表达，进而诱导细胞发生铁死亡。这一完整的调控网络，将cGAS-STING通路、ROS、凋亡和铁死亡有机串联，清晰阐明了锰暴露诱导神经毒性的核心机制，也浓缩了整个研究的核心结论。

四、结论

本研究通过体内外实验证实，Mn暴露可激活cGAS-STING通路，介导ROS生成，进而诱导BV2小胶质细胞和小鼠脑组织细胞发生凋亡和铁死亡，这是Mn神经毒性的关键机制。研究不仅填补了cGAS-STING通路在Mn神经毒性中作用的研究空白，还明确了ROS在cGAS-STING通路与凋亡、铁死亡之间的介导作用，为Mn神经毒性相关疾病的防控提供了新的靶点和思路。未来可进一步深入探究cGAS-STING通路与ROS相互作用的具体分子机制，同时通过抑制剂或基因敲除小鼠模型进行体内验证，并结合人群样本数据，为Mn神经毒性的临床干预提供更坚实的理论和实验支持。

参考文献

Zhang Z, Yang J, Zhou Q, Zhong S, Luo J, Chai X, Liu J, Zhang X, Chang X, Wang H. The role and mechanism of the cGAS-STING pathway-mediated ROS in apoptosis and ferroptosis induced by manganese exposure. Redox Biol. 2025 Sep;85:103761. doi: 10.1016/j.redox.2025.103761. Epub 2025 Jul 8. PMID: 40652697; PMCID: PMC12274772.

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