聚苯乙烯纳米塑料通过促进GC-2spd(ts)细胞中FPN1的泛素化，破坏了铁的稳态

《Toxicology》：Polystyrene nanoplastics disrupt iron homeostasis by promoting FPN1 ubiquitination in GC-2spd(ts) cells

纳米塑料通过调控铁转运蛋白FPN1泛素化降解引发铁依赖性细胞死亡，影响小鼠生殖细胞活力，为评估纳米塑料生殖毒性提供新机制。

　　

崔新如|尚一彤|丁丽阳|张珍|邓宇|何腾蛟|徐波|傅旭峰|杜星|韩航

中国宁夏医科大学基础医学科学院，教育部生育力保存与维护重点实验室，银川

摘要

纳米塑料是一种新兴的环境污染物，在自然生态系统中普遍存在。尽管研究表明纳米塑料可以在小鼠的睾丸中积累并影响精子发生细胞，但其具体的毒理学机制仍不清楚。为了探究聚苯乙烯纳米塑料如何诱导小鼠精子细胞衍生的GC-2spd(ts)细胞发生铁死亡（ferroptosis），并进而导致男性生殖毒性，本研究将小鼠生殖细胞系（GC-1 spg和GC-2spd(ts)）暴露于两种尺寸的PS-NPs（50nm和90nm）。细胞活力检测显示GC-2spd(ts)细胞对PS-NPs的敏感性更高。转录组学和蛋白质组学分析表明，PS-NPs暴露会诱导细胞内活性氧（ROS）的积累，并导致相关通路的显著改变，特别是激活了铁死亡信号通路。进一步的机制研究表明，PS-NPs破坏了细胞内的铁稳态，导致不稳定的Fe²⁺积累、脂质过氧化加剧、抗氧化剂谷胱甘肽耗竭以及线粒体功能障碍。在分子水平上，PS-NPs上调了与铁吸收相关的蛋白质表达，并显著下调了铁输出蛋白ferroportin1（FPN1）的表达。深入研究揭示，PS-NPs并未影响FPN1的转录水平，而是通过增强其泛素化修饰，进而通过蛋白酶体依赖途径促进了FPN1蛋白的降解。这一过程导致细胞铁外流受阻、铁离子积累，最终引发铁死亡。本研究阐明了PS-NPs通过泛素-蛋白酶体途径调节FPN1降解的分子机制，破坏铁代谢稳态，从而诱导生殖细胞发生铁死亡，为评估纳米塑料的男性生殖毒性提供了新的实验证据。

引言

近年来，塑料产品因生产方便、使用便捷和价格实惠而在日常生活中得到广泛应用。然而，塑料废物对生态和人类健康的危害日益凸显（Lamoree等人，2025年）。塑料废物会降解为微塑料（MPs，直径小于5mm）和纳米塑料（NPs，直径从1nm到100nm）（Ali等人，2023年）。在多种海洋生物、海鲜、食物来源、人血、胎盘和心脏组织中均检测到了MPs/NPs（Carvalho等人，2024年；Ragusa等人，2021年；V L Leonard等人，2024年；Vdovchenko和Resmini，2024年）。因此，需要分析MPs/NPs对人类健康的影响。由于纳米塑料体积小，它们具有高度的组织穿透能力和穿越生物屏障的能力，从而影响人体组织和器官的功能（Liu等人，2024年）。因此，纳米塑料相关的潜在风险受到了广泛关注。纳米塑料可引起组织和细胞毒性、氧化应激和炎症反应（Marques-Santos等人，2018年；Tan等人，2024a）。值得注意的是，氧化应激是铁死亡的关键触发因素，而铁死亡是一种与铁稳态密切相关的调控性细胞死亡形式（Jiang等人，2021年；Li等人，2025年）。

在男性生殖毒性的背景下，氧化应激被认为是导致不育的主要原因之一，并已被证明可以启动铁死亡通路。这强调了研究纳米塑料引起的生殖损伤中铁死亡机制的重要性（Agarwal等人，2014年；Wu等人，2024年）。毒理学研究表明，聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs）可引起睾丸毒性并损害精子活力（Fu等人，2023年；Gao等人，2023年）。此外，先前的研究还表明，PS-NPs可以诱导精子细胞发生铁死亡并导致男性生殖毒性（Fu等人，2024年；Zhang等人，2025年）。铁死亡是一种以不稳定铁池（游离Fe²⁺积累和谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）失活为特征的细胞死亡形式，最终引发细胞膜中的脂质过氧化（Dixon等人，2012年）。转铁蛋白（TF）在细胞铁稳态过程中运输细胞外的Fe³⁺并与细胞膜上的转铁蛋白受体（TFR）结合。因此，Fe³⁺被运输到细胞质中，由金属还原酶3（STEAP3）还原为Fe²⁺。Fe²⁺随后通过细胞质中的二价金属离子转运蛋白（DMT1）运输，而游离的Fe²⁺则通过ferroportin 1（FPN1）输出细胞（Luck和Mason，2012年）。FPN1是哺乳动物中唯一的已知铁输出蛋白，通过将游离Fe²⁺输出细胞来维持铁稳态（Drakesmith等人，2015年）。

先前的研究表明，PS-NPs可以诱导精子发生细胞发生铁死亡（Fu等人，2024年）。在本研究中，将两种类型的小鼠精子发生细胞（GC-1 spg和GC-2spd(ts)）暴露于不同尺寸的PS-NPs（50nm和90nm），以评估纳米塑料的影响。结果显示，GC-2spd(ts)细胞对PS-NPs的敏感性高于GC-1 spg细胞。此外，研究还发现PS-NPs可以激活FPN1的泛素化，导致游离Fe²⁺的积累。除了显示PS-NPs对GC-2spd(ts)细胞铁稳态的影响外，该研究还表明PS-NPs具有细胞毒性。

化学物质

两种尺寸的PS-NPs（50nm和90nm）由苏州纳米微科技有限公司（中国苏州，www.nanomicrotech.com）提供。PS-NP颗粒分散在去离子水中（浓度为50mg/mL）。

细胞培养和处理

小鼠精原细胞（GC-1 spg，SCSP-5254）和精子细胞（GC-2spd(ts)，SCSP-5055）来自中国科学院上海细胞库。这两种细胞系在含有10%（v/v）胎牛血清（Gibco，美国）和1%（0.01g/mL）青霉素/链霉素的DMEM培养基中培养。

PS-NPs诱导GC-2spd(ts)细胞发生铁死亡

首先将GC-1 spg（小鼠精原细胞）和GC-2spd(ts)（小鼠精子细胞）暴露于不同浓度的PS-NPs（50nm和90nm，浓度分别为12.5、25、50、100、200和400μg/mL），以研究PS-NPs对生殖细胞的毒性作用并确定最佳浓度。CCK8检测结果显示，50nm和90nm的PS-NPs对这两种细胞均具有显著的抑制作用，尤其是在GC-2spd(ts)细胞中（图1A、B）。因此，后续实验选择了GC-2spd(ts)细胞。

讨论

近年来，PS-NPs对人类生殖健康的潜在不良影响受到了广泛关注。尽管许多研究评估了PS-NPs对哺乳动物男性生殖系统的危害，但其背后的机制仍不清楚（Ma等人，2023年；Xu等人，2023年）。在本研究中，GC-2spd(ts)精子细胞表现出比GC-1 spg精原细胞更强的毒性，表明这种毒性具有阶段特异性。

结论

PS-NPs可以加速FPN1的泛素化，影响GC-2spd(ts)细胞的存活能力。FPN1的降解阻碍了游离Fe²⁺的及时输出，加速了芬顿反应（Fenton reaction），从而导致铁死亡。本研究揭示了PS-NPs诱导精子发生细胞损伤的新机制，为通过靶向调节铁稳态治疗男性生殖障碍提供了新的思路。

伦理批准

本文不涉及任何作者进行的人体或动物实验。

未引用参考文献

(V L Leonard等人，2024)

资助

本研究得到了国家自然科学基金（82204094）和宁夏自然科学基金（2024AAC03208）的支持。

CRediT作者贡献声明

何腾蛟：研究。邓宇：研究。张珍：可视化、数据分析。丁丽阳：监督、研究、数据分析。尚一彤：撰写初稿、方法学设计、研究、数据分析。崔新如：撰写初稿、方法学设计、研究、数据分析。韩航：监督、项目管理、概念构思。杜星：项目管理、资金获取。傅旭峰：资金获取。徐波：研究。

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突或个人关系。

致谢

我们感谢Figdraw平台在图像制作方面的支持。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。