鐵死亡在腫瘤中的研究進展*

汪 洋，宋紫燁，徐夢菲，何 燦 綜述，蔡紅兵 審校

(武漢大學中南醫院婦瘤科/湖北省腫瘤醫學研究中心/腫瘤生物學行為湖北省重點實驗室，武漢 430071)

細胞死亡是指細胞生命過程不可逆的終止，且該過程對機體生存、發展有重要意義。常見的死亡形式有多種，包括壞死和凋亡。以往學界認為只有凋亡才屬于程序性死亡形式，但隨著研究的深入，發現存在更多的程序性死亡形式，包括半胱氨酸蛋白酶1(caspase-1)依賴的細胞凋亡，受體相互作用蛋白激酶1(receptor-interacting protein kinase 1，RIPK1)依賴的壞死性凋亡等[1-3]。近年來又發現了一種新的程序性死亡形式即鐵死亡，它是一種鐵依賴的脂質活性氧(ROS)累積所致的細胞死亡過程，目前認為鐵死亡與多種疾病的發生、發展相關，其中與腫瘤之間的關系密切[4-5]，但其相關機制還有待進一步闡明，因此鐵死亡成為近年來腫瘤領域的研究熱點之一。

1 鐵死亡的影響因素

鐵死亡由STOCKWELL等學者于2012年提出，其在形態、生化和基因調控方面不同于凋亡、壞死和自噬等死亡形式，特征性的形態學表現為線粒體比正常細胞小，且膜密度增加，外膜破裂，但細胞核的形態不發生改變[4]。鐵死亡中脂質ROS的生成依賴于細胞內鐵，而脂質ROS的清除主要由谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPX4)完成。當胞內鐵含量增加時，脂質ROS生成增加，若此時GPX4合成減少，則使脂質ROS的產生和清除失平衡，導致細胞鐵死亡，故可認為鐵、脂質ROS和GPX4是鐵死亡的3個重要影響因素[4,6]。以下從腫瘤領域出發對上述3個重要因素進行介紹。

1.1腫瘤細胞內鐵含量增加 鐵是人體維持正常生理活動所必需的元素。研究發現鐵與多種腫瘤細胞的生物學行為密切相關，如卵巢癌細胞中鐵可促進基質金屬蛋白酶(MMP)和白細胞介素-6(IL-6)的合成，二者均可促進腫瘤細胞侵襲、轉移，并且IL-6可促進腫瘤新生血管的形成及化學治療抵抗，此外，Wnt/β-catenin信號通路的激活也依賴于細胞內亞鐵的存在[7-10]。

研究報道腫瘤細胞中的鐵含量增加[8]，其機制主要包括：(1)鐵調節蛋白(iron regulatory protein，IRP)通過結合鐵蛋白和鐵轉運蛋白mRNA 5′ UTR上的鐵反應元件(iron-response elements，IREs)，阻斷二者的翻譯，從而抑制細胞內鐵的儲存和流出；它也可以結合轉鐵蛋白受體1(transferrin receptor 1，TFR1) mRNA 3′ UTR 上的IREs，穩定 mRNA，增加TFR1的翻譯，從而增加鐵的流入，使細胞內鐵含量增加[8]。(2)缺氧誘導因子1(hypoxia inducible factor 1，HIF1)對腫瘤細胞適應低氧環境非常重要。HIF1可誘導TFR1的表達，使細胞攝鐵增加[11-12]。HIF1也可誘導血紅素加氧酶1的表達，即可通過降解血紅素來釋放鐵離子，使細胞內鐵循環利用增加[12]。(3)RAS基因是腫瘤中常常突變的致癌基因，它既可通過上調TFR1增加鐵的攝入，也可通過下調鐵蛋白重鏈1和鐵蛋白輕鏈減少鐵的儲存[13]，以此增加細胞內鐵池含量。(4)此外，腫瘤微環境中的M2型巨噬細胞的鐵蛋白含量降低，但鐵轉運蛋白的表達較高，使鐵輸出增加，從而為腫瘤細胞提供鐵，促進腫瘤細胞生長[14]。

通過上述機制，增加了腫瘤細胞中鐵含量，細胞內鐵含量增加雖可促進腫瘤生長，但同時也可增加腫瘤細胞發生鐵死亡的風險。

1.2脂質ROS生成 研究表明，鐵死亡過程可被脂氧合酶(lipoxygenase，LOX)抑制劑和還原型輔酶Ⅱ(NADPH)氧化酶(NADPH oxidase，NOX)抑制劑抑制，說明這兩類酶參與鐵死亡過程[4,15]。腫瘤細胞中LOX表達增加，而NOX屬于專門生成ROS的酶家族[16-17]。目前發現包含花生四烯酸(arachidonic，AA)或腎上腺酸(adrenic acid，AdA)的磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamines，PE)是鐵死亡中脂質氧化的首選底物，而且過氧氫-PE(hydroperoxy-phosphatidylethanolamines，OOH-PE)目前被認為是發生鐵死亡的信號[18-19]。

正常情況下，15-LOX一般以多不飽和脂肪酸為底物，但在鐵死亡中，它可與磷脂酰乙醇胺結合蛋白1(PEBP1)結合形成復合物，然后以多不飽和PE為底物，從而產生OOH-PE。因為PEBP1可與游離的AA結合，減少游離AA成為15-LOX底物的可能，而且該復合物還可直接與已經結合到細胞膜上的磷脂的多不飽和脂肪酸尾發生反應[18]。酰基輔酶合成酶長鏈家族成員4(acyl-CoA synthetase long-chain family member 4，ACSL4)的缺乏可導致AA-PE或AdA-PE含量減少，這表明ACSL4可通過改變細胞內脂質組分來增加細胞對鐵死亡的易感性[19]。目前發現氧化的AA-PE和AdA-PE片段可存在于內質網中[20]，但其具體的作用目前還不得而知。鐵死亡中脂質ROS的產生依賴于細胞內鐵，因為使用鐵清除劑可以阻斷ROS的生成，但其介導生成ROS的機制還未明了，目前有報道稱，ROS的產生可來自鐵介導的Fenton 反應[4,20]，但需要進一步探索。

1.3調節GPX4合成 通過對上述內容的描述，認識到導致鐵死亡的兩大重要因素在腫瘤細胞中的含量都增加。目前研究發現，GPX4是腫瘤細胞逃避鐵死亡的一個關鍵酶，是唯一可清除OOH-磷脂類的酶，它可將有毒的OOH-PE轉變為無毒的羥基代謝物，從而阻止腫瘤細胞發生鐵死亡[18]。

GPX4是一種硒代半胱氨酸酶，其合成過程需要胱氨酸-谷氨酸逆轉錄體(system c-)，它將合成原料胱氨酸轉運到細胞內，再經谷胱甘肽-半胱氨酸連接酶合成GPX4。system c-由SLC3A2和SLC7A11兩部分組成，可攝入胱氨酸而排出谷氨酸，其中SLC7A11是一個12次跨膜蛋白，SLC3A2(CD98)是它的結合蛋白[21]。在多種腫瘤中SLC7A11高表達，增加胱氨酸的攝入，以此來增加細胞內GPX4的合成，即可減少細胞內氧化應激，避免發生鐵死亡，從而促進腫瘤生長[22]。那么腫瘤細胞如何調節GPX4合成，分析如下。

腫瘤是機體內源性和外源性因素共同參與所致的一類疾病，并被認為是多種基因突變累積的結果，如癌基因、抑癌基因和DNA修復基因等[23]。研究表明，上述基因可參與細胞鐵死亡過程。P53作為抑癌基因，它可通過增強亞精胺/精胺N1-乙酰轉移酶1(SAT1)的表達來增加ROS的生成，也可通過結合ALC7A11啟動子上的位點來抑制ALC7A11的表達從而減少GPX4的合成，共同促進腫瘤細胞鐵死亡；但它也可直接抑制二肽基肽酶4(dipeptidyl peptidase 4，DPP4)活性，削弱其與NOX1的結合，減少ROS的生成或通過誘導細胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑1A(CDKN1A)/p21、谷氨酰胺酶2(glutaminase 2，GLS2)的表達來增加谷胱甘肽的合成，促進對脂質過氧化物的清除從而抑制鐵死亡[24-25]。在腫瘤中P53往往發生突變，研究發現，當P53發生乙酰化缺陷的突變時，它仍充分保留抑制ALC7A11表達的能力[25]，但突變后的P53對其他靶點的作用目前還不清楚。轉錄因子P63屬于P53家族，它具有抑癌和致癌兩種亞型，ΔNp63α是P63的致癌亞型，可促進谷胱甘肽的合成，增強腫瘤細胞抗氧化能力，且此效應不受P53的影響[26]，而作為抑癌基因亞型的TAp63，既可通過調節GLS2來發揮抗氧化功能，也可增加ROS的產生發揮促氧化功能[27]。另外，核因子相關因子2(NF-E2-related factor 2，NRF2)/Kelch-like ECH相關蛋白1(Kelch-like ECH-associated protein 1，Keap1)系統是機體的一個氧化還原敏感的轉錄系統。正常情況下，即細胞不存在氧化應激時，NRF2與Keap1結合，并不斷被泛素酶降解；但當細胞存在氧化應激或者Keap1泛素化連接酶突變時，Keap1構象發生改變，NRF2不被降解而轉移到核內與抗氧化反應元件(antioxidant responsive element，ARE)結合，促進抗氧化相關基因的轉錄與翻譯，其中包含了增加system c-的表達，從而增加細胞內GPX4的含量，降低細胞內ROS水平[28-29]。RAS作為致癌基因，可通過RAS-RAF-MEK-ERK-JUN-NRF2通路增加NRF2的轉錄及其與ARE的結合活性，從而提高NRF2的抗氧化能力[30]。但有研究發現，mTORC2作為多種腫瘤的生長因子受體信號通路，可以使ALC7A11上的第26位絲氨酸磷酸化，使其失活，減少胱氨酸的攝入，隨之減少GPX4的合成[31]。由此可見，腫瘤細胞調節鐵死亡的過程錯綜復雜，還有待進一步研究。

2 鐵死亡與腫瘤的關系

隨著研究的深入，目前發現鐵死亡參與機體多種疾病的發生、發展，如帕金森、哮喘和腫瘤等[5,18,32]，本文主要概括鐵死亡與腫瘤之間的關系。研究表明，鐵死亡可抑制腫瘤生長，但僅限于細胞實驗和動物實驗[33]。目前已經有一些藥物表現出有致腫瘤細胞鐵死亡的能力。

2.1肝癌 索拉菲尼是一種針對晚期肝癌的藥物，可誘導肝癌細胞發生氧化應激，從而促進腫瘤細胞發生鐵死亡[34]；氟哌啶醇為σ1受體(sigma 1 receptor，S1R)的拮抗劑，而S1R在肝臟中的含量豐富，且與氧化應激有關，給予氟哌啶醇可增加肝癌細胞系對erastin和索拉菲尼誘導鐵死亡的敏感性，通過增加細胞內亞鐵含量和脂質ROS的產生，以及促進GSH的消耗[35]；低密度脂蛋白二十二碳六烯酸納米分子可通過鐵死亡途徑來殺傷肝癌細胞[36]。

2.2膠質瘤 土荊皮乙酸B(pseudolaric acid B，PAB)在動物和細胞實驗中表現出有抑制膠質瘤細胞生長的功能，因為它可增加細胞內亞鐵的含量，并且細胞內鐵可調節NOX4的表達，從而增加細胞內過氧化氫和脂質ROS的生成；PAB還可通過活化P53，從而抑制SLC7A11的功能，減少細胞內GPX4的含量，導致脂質ROS在細胞中累積，最終使膠質瘤細胞發生鐵死亡[37]。

2.3其他腫瘤 青蒿素是一種抗瘧疾的藥物，但也有抗腫瘤的作用，它可促進ROS產生，用青蒿素處理卵巢癌細胞系可致細胞死亡，但該過程可被鐵死亡特異性抑制劑ferrostatin-1所抑制，表明青蒿素的抗癌特性部分是通過誘導腫瘤細胞鐵死亡而發揮作用的[33]。有研究用青蒿素衍生物處理60種癌癥細胞系時發現，青蒿素衍生物可改變鐵相關基因，導致細胞鐵死亡[38]。二氫青蒿素(dihydroartemisinin，DHA)是青蒿素的衍生物和活性代謝物，用它處理頭頸部鱗狀細胞癌細胞系可通過增加細胞內脂質ROS的產生及減少GPX4的含量,誘導腫瘤細胞鐵死亡[39]。

3 小 結

鐵死亡是近年來發現的一種新的細胞死亡形式，而與鐵死亡關系密切的3個重要因素，即細胞內鐵、脂質ROS和GPX4，都與腫瘤的發生、發展相關，因此可以推斷出腫瘤與鐵死亡之間的關系緊密[15,40-41]。但目前關于鐵死亡過程的研究還存在許多問題有待被解決，如細胞內鐵依賴何種途徑生成脂質ROS，除了GPX4清除脂質ROS，是否還存在清除能力更強大的酶等。此外，隨著有關鐵死亡與腫瘤關系的研究開展越來越多，認識到腫瘤細胞調節鐵死亡的過程相當復雜，僅從常見的原癌和抑癌基因著手分析，便可看出其在不同的腫瘤細胞中作用機制并不一致。為了更加全面地了解腫瘤細胞調節鐵死亡這一龐大的網絡體系，需要對鐵死亡做更多更加深入的研究以揭示其相關機制，為靶向鐵死亡治療腫瘤提供更充足的證據。