鐵死亡發生機制及其與臨床疾病的關系研究進展

鄧蕊，柴克霞

青海大學，西寧810016

細胞死亡主要有凋亡、自噬、壞死、焦亡、脹亡、壞死性凋亡等方式，在哺乳動物的生長發育和體內平衡等各個方面都至關重要，與其他生物過程有著密切的聯系。2012年，Dixon首次提出了鐵死亡的概念，用來描述小分子erastin誘導的細胞死亡形式，這種物質會抑制胱氨酸的攝取，導致谷胱甘肽(GSH)的消耗和谷胱甘肽過氧化物酶4(GPX4)的失活。鐵死亡最重要的特征是對鐵與活性氧(ROS)的依賴性，其形態學、生物化學和遺傳學特征與細胞凋亡、壞死、壞死性凋亡、自噬等其他調節性細胞死亡類型有很大的不同。近年來大量研究表明，癌癥、腎衰竭等疾病的發生發展都與鐵死亡密切相關。本文綜述了關于鐵死亡發生機制及其在臨床疾病發生發展中的作用，以期為相關疾病的診治提供新方向。

1 鐵死亡的發生機制

鐵死亡的發生和執行過程是氨基酸、脂質、鐵和ROS代謝共同誘導的，但是，鐵死亡的敏感性也受到其他途徑和過程的調節。

1.1 鐵代謝 鐵的攝入、排出、儲存和轉化均會影響鐵死亡的敏感性。正常情況下，細胞內鐵通過鐵轉運系統維持著精確的平衡：細胞外鐵可通過轉鐵蛋白(TF)及其載體轉鐵蛋白受體(TFR)被攝入，攝入的鐵以鐵蛋白復合物(主要是鐵蛋白)的形式儲存和運輸，細胞內鐵可以由膜鐵轉運蛋白(FPN)輸出。鐵攝入增加或鐵輸出減少，均可增強癌細胞對氧化損傷和鐵死亡的敏感性。細胞內不穩定鐵(Fe2+)水平是脂質過氧化和誘導鐵死亡的關鍵因素，TF介導的鐵攝取或鐵自噬可提高其水平。鐵自噬是鐵蛋白的選擇性自噬，其通過控制可利用的鐵來提高鐵死亡的敏感性。核受體共激活因子4(NCOA4)是一種鐵自噬特異性的運輸受體，可將鐵蛋白運輸到自噬體進行溶酶體降解和釋放游離鐵。研究顯示，NCOA4的下調可降低人纖維肉瘤細胞HT-1080和人胰腺癌細胞PANC1對鐵死亡的敏感性[1]。因此，細胞系統攝取和利用鐵對誘導鐵死亡是必不可少的。

1.2 脂質代謝 含有易于提取二烯丙基氫的多不飽和脂肪酸(PUFAs)易發生脂質過氧化，是執行鐵死亡的必需物質。PUFAs的豐度和定位決定了細胞發生脂質過氧化的程度，從而決定了細胞執行鐵死亡的程度[2]。游離多不飽和脂肪酸是合成脂質信號傳導介質的底物，但是其必須被酯化成膜磷脂并經氧化才能變成鐵死亡信號。脂質組學研究表明，含有花生四烯酸(C20∶4)或其延伸產物腎上腺酸(C22∶4)的磷脂酰乙醇胺(PEs)是關鍵的磷脂，PEs經氧化后誘導細胞發生鐵死亡[3]。多不飽和脂肪酸輔酶A衍生物的形成及其嵌入磷脂中是產生鐵死亡信號的必要條件，而調節酶參與膜磷脂中多不飽和脂肪酸的生物合成可觸發或阻止鐵死亡。例如：酰基輔酶A合成酶長鏈家族成員4(ACSL4)和溶血卵磷脂轉酰酶3(LPCAT3)兩種酶參與了細胞膜中多不飽和脂肪酸PEs的生物合成和重構，這些基因產物的缺失減少了脂質過氧化的底物，增加了細胞對鐵死亡的抵抗力；相反，補充花生四烯酸或其他多不飽和脂肪酸的細胞增加了對鐵死亡的敏感性；而多不飽和脂肪酸PEs的氫過氧衍生物添加到GPX4失活的細胞中也會導致鐵死亡[2,4]。脂氧合酶(LOXs)是一類非血紅素含鐵蛋白，可以介導鐵死亡的過氧化反應；而多不飽和脂肪酸PEs可以在LOXs的催化下進一步發揮氧化作用，最終誘導細胞發生鐵死亡[2]。

1.3 氨基酸代謝 胱氨酸/谷氨酸反轉運體(Xc-)是二硫鍵連接的異二聚體，由調節亞基溶質載體家族3成員2(SLC3A2)和催化亞基溶質載體家族7成員11(SLC7A11)組成。系統Xc-以1∶1的比例促進胱氨酸和谷氨酸在質膜上的交換，胱氨酸一旦進入細胞，即被還原為半胱氨酸。GSH是哺乳動物細胞內主要的抗氧化劑，由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸在谷氨酸-半胱氨酸連接酶(GCL)和谷胱甘肽合成酶(GSS)的催化下生成。因此，胱氨酸和半胱氨酸的可利用性影響GSH的生物合成。GSH耗竭可以觸發鐵死亡,其可以通過抑制GSH的生物合成或阻斷細胞從外環境攝入胱氨酸來實現[5]。一些細胞利用轉硫磺化途徑從蛋氨酸中生物合成半胱氨酸，從而減少了通過系統Xc-攝入胱氨酸的需求，因此，這些細胞對系統Xc-抑制劑誘導的鐵死亡具有抵抗性。谷氨酸和谷氨酰胺也是鐵死亡的重要調節因子，細胞外高濃度的谷氨酸可以抑制系統Xc-的功能并誘導鐵死亡發生，這或許可以解釋當谷氨酸在神經系統中積累到高濃度時的毒性作用[6]。高濃度的谷氨酰胺自然存在于人體組織和血漿中，其降解為三羧酸(TCA)循環提供燃料，并為基本的生物合成過程提供基礎物質。在谷氨酰胺缺乏或谷氨酰胺分解被抑制時，胱氨酸缺乏和阻斷胱氨酸的攝入不能誘導ROS的積累、脂質過氧化和鐵死亡。這一結果可能是由于谷氨酰胺的分解產物α-酮戊二酸(αKG)是發生鐵死亡所必需的物質，但并不是所有的谷氨酰胺分解途徑都會導致鐵死亡。谷氨酰胺分解的第一步是谷氨酰胺酶GLS1和GLS2催化谷氨酰胺轉化為谷氨酸，雖然這些酶在結構和酶學方面相似，但只有GLS2是發生鐵死亡所必需的物質[7]。GLS2基因是抑癌基因p53的轉錄靶點，GLS2的上調會導致p53依賴性的鐵死亡；而在某些情況下，p53可以通過一種與轉錄無關的方式阻斷二肽基肽酶4(DPP4)的活性來限制鐵死亡[8]。已有研究表明，鐵死亡是組織損傷相關的細胞死亡機制，谷氨酰胺分解靶向治療可能對鐵死亡所致的器官損傷有效；在實驗模型中，對谷氨酰胺分解的抑制已表明可以減輕缺血再灌注引起的心臟、腎臟損傷和腦出血[9]。

1.4 ROS代謝 ROS是一組含有部分還原氧的分子，包括過氧化物(H2O2、ROOH)、超氧化物(O2-)、單態氧(1O2)和自由基(HO·、HO2·、R·、RO·、NO·、NO2·)，它們通過破壞DNA/RNA、蛋白質和脂質等生物分子導致癌細胞死亡。參與鐵死亡的ROS可能有多種產生來源，除鐵介導的芬頓反應產生ROS外，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)作用于NADPH氧化酶(NOXs)和GSH的耗竭同樣對ROS的產生起著重要作用[10]。氧化產物尤其是磷脂氫過氧化物的積累，被認為是鐵死亡的一個標志。氧化性產物、脂質過氧化物通過兩種機制對癌細胞產生毒性作用：在分子水平上，脂質過氧化物進一步分解為反應性物質，消耗核酸和蛋白質，促使細胞發生鐵死亡；在結構上，脂質發生廣泛的過氧化反應造成生物膜變薄、曲率增大，從而進一步發生氧化反應并最終導致膜失穩和膠束形成。GPX4作為鐵死亡的中下游調節因子，以兩分子GSH作為電子供體，將有毒的磷脂氫過氧化物還原為無毒的磷脂醇，而氧化后的谷胱甘肽(GSSG)則是副產品。通過藥理學(RSL3、altretamine)或基因學(Cre重組酶法)方法干預GPX4可誘導鐵死亡，而GPX4也可以通過GSH損耗等間接的方法失活[6,11]。除GPX4外，NRF2、熱休克蛋白(HSPs)等抗氧化蛋白也可抑制脂質過氧化，但是NRF2的過度激活可能通過血紅素氧合酶1(HMOX1)介導的不穩定鐵催化ROS代謝來誘導鐵死亡[12]。

1.5 其他代謝途徑 通過甲羥戊酸途徑產生的輔酶Q10(CoQ10)在細胞膜中發揮抗氧化作用，其可成為內源性的鐵死亡抑制劑[13]。NADPH和硒的相對含量也會影響鐵死亡的敏感性。NADPH是清除脂質過氧化物所必需的細胞內還原劑，其水平是許多癌細胞系對鐵死亡敏感性的生物標志物。然而，磷酸戊糖途徑(PPP)是一種與糖酵解平行的代謝途徑，可產生NADPH和戊糖；6-氨基煙酸胺對PPP的藥理性抑制或敲除兩種PPP的關鍵酶(葡萄糖-6磷酸脫氫酶和磷酸甘油酸脫氫酶)，可在一定程度上阻止由erastin引起的人肺癌細胞發生鐵死亡[14]。GPX4的生物合成需要硒，其含有活性位點硒代半胱氨酸。因此，補充硒可抑制鐵死亡發生，而缺硒可促進鐵死亡的敏感性，這可能是通過調節GPX4的相對含量和活性實現的。此外，p62-Keap1-NRF2、ATG5-ATG7-NCOA4、p53-SAT1-ALOX15代謝途徑均可有效調控細胞內鐵離子和ROS的生成，并在鐵死亡發生中發揮調控作用[15]。

2 鐵死亡與疾病的關系

近年來，越來越多的研究發現鐵死亡與多種疾病如退行性疾病、腫瘤性疾病、腎功能損害等有著密切的關系。抑制鐵死亡可用于預防或治療退行性疾病，而誘導鐵死亡可用于標準治療無效惡性腫瘤的治療。而對鐵死亡正性和負性調節的治療意義，仍有許多未知。

2.1 與退行性疾病的關系 Ferrostatins(Fer-1)和Liproxstatins作為鐵死亡抑制劑，在小鼠模型中可保護其肝臟、腎臟、大腦和心臟免受缺血性損傷[6]。這些抑制劑在帕金森病(PD)、亨廷頓舞蹈癥(HD)和阿爾茨海默病(AD)等大腦退行性疾病模型中也有保護作用，在其他形式的神經退行性疾病以及創傷性和出血性腦損傷中亦有保護作用。研究顯示，衰老及退行性疾病患者的腦細胞鐵水平均有上升，這提示鐵死亡的發生可能與年齡相關；遺傳學證據顯示鐵死亡的發生與大腦退化相關，在成年小鼠中，誘導GPX4缺失會導致星形膠質細胞增生時海馬神經元的丟失，這種缺失在AD中也可見到[16,17]。此外，PD的隨機對照試驗顯示，多巴胺可增強GPX4的穩定性，而鐵螯合劑去鐵酮可有效治療PD[18]。考慮到鐵死亡對退行性疾病的影響，優化現有的抑制劑并積極尋找新的抑制劑阻止鐵死亡可能成為治療此類疾病的潛在方法。

2.2 與腫瘤性疾病的關系 通過抑制系統Xc-對胱氨酸攝取的藥物柳氮磺吡啶可抑制腫瘤生長，并且在某些情況下可誘導鐵死亡[19]。與GSH結合的試劑APR-246對GSH的生物合成有著抑制作用，也會破壞腫瘤細胞的生長，并導致類似于鐵死亡形式的細胞死亡[20]。erastin和RSL3最初是在表型篩選中發現的化合物，它們對基因工程腫瘤細胞具有選擇性致死作用，抑制HSF1-HSPB1通路活性可促進erastin誘導人宮頸癌細胞、骨肉瘤細胞和前列腺癌細胞發生鐵死亡[21]。彌漫性大B細胞淋巴瘤和腎細胞癌也被發現可能被鐵死亡誘導劑有效靶向治療[22]。Sorafenib可誘導鐵死亡，同時可抑制肝癌細胞的生長。青蒿素是一種抗瘧化合物，可誘導鐵死亡依賴性的胰管腺癌細胞死亡[23]。由此可見，鐵死亡在抑制不同類型癌細胞生長中具有重要作用。

2.3 與腎損傷的關系 羥基喹啉和硫酸亞鐵銨對新鮮分離的小鼠腎臟近端小管的作用模擬了橫紋肌溶解誘導的急性腎臟損傷，利用該模型，Fer-1可防止腎近端小管細胞死亡，提示橫紋肌溶解誘導的急性腎損傷中鐵死亡的必要性；此外，Fer-1還可防止腎小管的同步死亡和草酸鹽晶體誘導的急性腎損傷[24]。SRS16-86是第三代鐵死亡抑制劑，具有較高的血漿和代謝穩定性,在腎缺血再灌注損傷的體內模型中，SRS16-86保護了腎臟功能，延長了缺血再灌注損傷小鼠的生存時間[25]。Liproxstatin-1是一種有效的鐵死亡抑制劑，當將Liproxstatin-1應用于GPX4蛋白誘導缺失的小鼠時，與對照組相比，延遲了GPX4缺失引起的急性腎衰竭并延長了小鼠的生存期[26]。這些結果驗證了腎組織對細胞發生鐵死亡的敏感性，提示了鐵死亡抑制劑在改善腎損傷中的價值。

綜上所述，對鐵死亡機制的探索為一些疾病的研究開辟了新的領域，其在疾病發生、發展及治療中的臨床意義逐漸被探索出來。目前，對鐵死亡的研究仍處于相對初級階段，繼續探索鐵死亡的發生機制及其在多種疾病中的作用、尋找有效且具有高度靶向性的治療方法有著重要的理論意義和實用價值，這也是鐵死亡未來的研究方向。