肿瘤铁死亡调控机制的新进展

张正阳， 王昕， 王康， 朱海涛

(江苏大学附属医院影像科， 江苏 镇江 212001)

细胞死亡是细胞生命过程的终结，该过程对机体的生存和发展意义重大。诱导肿瘤细胞死亡是临床癌症治疗的主要策略。凋亡和坏死是最常见的两种细胞死亡形式，但随着研究深入，近来发现一种以铁依赖性的脂质活性氧堆积为特点的细胞死亡方式——铁死亡。铁死亡目前已经成为肿瘤领域的研究热点之一，其在形态学、分子生物学和代谢特征等方面显著区别于其他类型的细胞死亡形式。同时，铁死亡的激活可以抑制肿瘤细胞增殖，有望成为肿瘤治疗的新方式。本文针对铁死亡主要的调控机制及其近来在肿瘤治疗中的研究进展进行综述。

1 铁死亡及调节因素

铁死亡(ferroptosis)一词于2012年首次提出，用于描述由小分子化合物erastin诱导的细胞非凋亡非坏死的死亡新模式。Erastin通过抑制胱氨酸向细胞内转运，进而导致谷胱甘肽耗尽和谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4, GPX4)的失活，最终诱导细胞发生铁死亡[1]。细胞内GPX4的主要生理作用是将脂质过氧化物转化为无毒的脂质醇，从而抑制脂质过氧化物对细胞的毒副作用。而GPX4活性抑制剂(erastin或RSL3)等通过抑制GPX4活性可以导致细胞内脂质过氧化产物大量堆积，最终引起细胞铁死亡[2-3]。因此，脂质过氧化反应是调节细胞发生铁死亡的核心因素。

1.1 铁代谢调控铁死亡

铁离子是脂质过氧化物累积和细胞发生铁死亡的必要因素之一[4]。细胞内铁离子摄入与释放、储存和转运都是影响细胞铁死亡的重要因素[5]。研究报道，铁死亡发生的必要条件之一是转铁球蛋白及其受体将铁离子从细胞外转运至细胞内[6]。沉默大鼠铁离子代谢的关键调节因子——铁反应元件结合蛋白2可以有效降低细胞对铁死亡的敏感性[1]。自噬亦可以通过影响铁离子代谢，进而调节细胞对铁死亡诱导剂的敏感性[7]。储铁蛋白介导的选择性自噬，简称为铁自噬，其通过调控细胞内的铁离子转运来增强细胞对铁死亡的敏感性。特定的受体核受体活化辅助因子4(nuclear receptor coactivator 4, NCOA4)识别储铁蛋白后，将储存的铁离子转运至自噬小体中降解，进而将铁离子释放入细胞质变为游离铁[8-9]。近期研究也发现，核因子E2相关因子2(nuclear factor erythroid2-related factor2, NRF2)、热休克蛋白B1等基因可通过调节细胞的铁离子代谢，进而影响细胞对铁死亡诱导剂的敏感性[10-11]。由此可见，铁离子代谢和铁自噬可能是诱导细胞发生铁死亡的潜在调控点。

1.2 脂质代谢调控铁死亡

研究表明，铁死亡是一类含多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids，PUFAs)的磷脂过度氧化所引起的细胞死亡，该类磷脂在细胞膜中大量存在[12]。长链脂酰辅酶A合成酶4和溶血卵磷脂酰基转移酶3是调控磷脂膜中多不饱和脂肪酸合成与重塑的关键酶，其抑制或缺乏可以增强细胞对铁死亡的抵抗。多不饱和脂肪酸的丰度决定了细胞中发生脂质过氧化的程度和铁死亡发生的难易程度[13-14]。

铁死亡的核心过程是细胞内出现脂质过氧化产物堆积，细胞内的脂质过氧化分为两种，即非酶促的脂质过氧化和酶促的脂质过氧化。非酶促的脂质过氧化又称为脂质的自氧化，是一种自由基介导的链式反应。细胞内芬顿反应生成羟基自由基[16]，不断将多不饱和脂肪酸氧化成脂质过氧化氢。而酶促的脂质过氧化是指在脂氧合酶的催化下，游离的多不饱和脂肪酸生成各种脂质过氧化氢的过程[17]。随后脂质过氧化氢在Fe2+的催化下生成烷氧基自由基，参与下一个脂质过氧化链式反应[18]。持续的氧化反应以及多不饱和脂肪酸的耗竭改变了细胞膜的流动性结构，膜的通透性增加，最终导致细胞死亡。

Fe2+参与自由基的形成，同时也是脂质过氧化反应中重要的催化剂[19]。在某些细胞系中，用药物抑制或者RNA干扰脂氧合酶，可以有效抑制铁死亡[20]。近来，有报道称维生素E可以抑制脂氧合酶的活性[13]，这为维生素E可以挽救铁死亡的效应提供依据。此外，由于脂质过氧化会生成毒性的醛类物质，如4-羟基-2-壬烯醛或丙二醛，这些醛类物质会导致一些参与正常生理功能的蛋白失活，从而促进了铁死亡的过程[21]。Shimada等[22]通过研究FIN56诱导铁死亡的过程，确定甲羟戊酸途径参与调节铁死亡。甲羟戊酸途径的直接代谢产物——焦磷酸异戊烯酯，对胆固醇生物合成、硒代半胱氨酸转移酶的异戊烯基化和辅酶Q10的产生至关重要[23]。硒代半胱氨酸转移酶参与GPX4合成，促进脂质过氧化氢向脂质醇转变[20]。同时，细胞内半胱氨酸可以通过合成谷胱甘肽来作为GPX4催化反应的还原剂，消除脂质过氧化对膜的破坏[24]。研究发现，铁死亡抑制蛋白1的肉蔻酰化修饰导致辅酶Q的还原型辅酶Ⅰ(NADH)依赖性减少，辅酶Q作为一种自由基捕获的抗氧化剂，抑制脂质过氧化物增殖[25]。

1.3 氨基酸代谢调控铁死亡

越来越多的研究证实，氨基酸代谢异常与细胞铁死亡密切相关[26]。谷胱甘肽是细胞最重要的抗脂质氧化分子，而其合成需要半胱氨酸作为原材料。因此，细胞内半胱氨酸的丰度决定细胞对抗脂质氧化的程度。细胞内半胱氨酸的来源主要通过两个途径：一是胱氨酸/谷氨酸逆向转运系统(system Xc-，Xc-系统)；二是转硫途径。Xc-系统是位于细胞膜的一种转运体，由溶质载体家族7成员11(solute carrier family 7 member 11, SLC7A11)和溶质载体家族3成员2(solute carrier family 3 member2, SLC3A2)两个亚基组成，将谷氨酸转运出细胞的同时将胱氨酸转运入细胞[27]。细胞也可以通过转硫途径将甲硫氨酸合成半胱氨酸，当细胞内Xc-系统受到抑制时，细胞仍然能够通过转硫途径合成半胱氨酸。因此，以抑制Xc-系统为靶点的铁死亡诱导剂并不能完全、有效地杀伤细胞。Hayano等[28]研究发现，通过干扰RNA抑制半胱氨酸-tRNA合成酶的表达可以增强转硫途径，进而增加细胞对铁死亡诱导剂的抵抗。谷氨酸和谷氨酰胺是铁死亡的重要调节因子[29]。细胞膜上的Xc-系统是维持细胞内谷氨酸和胱氨酸稳态的主要体系。正常条件下，Xc-系统在泵出一分子谷氨酸的同时，泵入一分子的胱氨酸。而Xc-系统的活性同时受细胞外谷氨酸水平的反馈调节[30]。研究表明，细胞外谷氨酸浓度过高会导致Xc-系统失活并引起铁死亡，由此解释了谷氨酸浓度过高对中枢神经系统细胞毒性作用的机制[6]。Massie等[31]研究发现，敲除小鼠Xc-系统可以保护其免受谷氨酸积累而引起的神经毒性损伤。因此，细胞外谷氨酸积累可以认为是生理条件下诱导铁死亡的因素之一。

2 铁死亡与肿瘤

大量研究表明，铁死亡可以杀死肿瘤细胞，抑制肿瘤生长[32]。虽然目前仅限于细胞及动物实验，但是已经有一些小分子铁死亡诱导剂表现出良好的肿瘤治疗效果。

2.1 铁死亡与胰腺导管细胞癌

胰腺导管细胞癌是消化道常见的恶性肿瘤，5年生存率仅9%，号称“癌中之王”[33-34]。吉西他滨是胰腺癌的一线化疗药，但治疗效果仍不理想。研究表明，热休克蛋白5(heat shock protein family A5, HSPA5)与胰腺癌患者的吉西他滨治疗预后密切相关[33, 35]。HSPA5-GPX4通路激活可导致胰腺癌细胞对吉西他滨耐药，而抑制HSPA5或GPX4的基因表达则可以逆转，该过程中铁死亡发挥重要作用[35]。青蒿琥酯是青蒿素衍生物的一种，是治疗疟疾的一线药物[36]。前期研究及相关报道表明，青蒿素及其衍生物可以特异性诱导Kras突变的胰腺癌细胞发生铁死亡，而对正常细胞毒性作用很小[37]。青蒿素及其衍生物促进胰腺癌细胞铁死亡的主要机制是依赖增加细胞内活性氧的产生[37]。

2.2 铁死亡与肝细胞癌

肝细胞癌的最主要治疗手段是手术，但是患者术后复发和转移发生率较高[38]。索拉非尼是治疗肝细胞癌的常用化疗药物之一。研究表明，索拉非尼可以诱导肝癌细胞内脂质氧化水平增高，进而导致细胞死亡，铁死亡的特异性抑制剂ferrostatin-1可以阻止该效应，而凋亡和坏死的抑制剂则不能起到挽救作用[11]，因此可认为索拉非尼诱导肝癌细胞死亡的途径与铁死亡相关。研究发现，联合低密度脂蛋白和天然ω-3多不饱和脂肪酸二十二碳六烯酸的纳米复合物(LDL-DHA)，可以通过引起铁死亡有效杀伤肝癌细胞[39]。研究发现，联合erastin、索拉非尼和氟哌啶醇，可以诱导肝癌细胞内铁离子浓度增高，铁离子通过芬顿效应产生过量的活性氧，导致脂质氧化水平升高，进而诱导肝癌细胞发生铁死亡[40]。

2.3 铁死亡与胶质瘤

胶质瘤是最常见的中枢神经系统肿瘤。研究表明，胶质瘤细胞核因子E2相关因子2通路的过度激活，引起胱氨酸/谷氨酸转运体的活化，从而使胶质瘤细胞的铁死亡受到抑制[41]。Wang等[42]研究发现，土槿皮乙酸可以激活胶质瘤细胞中NADPH氧化酶4，同时抑制细胞膜上的Xc-系统活性，促进胶质瘤细胞的铁死亡。转录激活因子4通过促进胱氨酸/谷氨酸转运体相关蛋白的表达，降低胶质母细胞瘤对铁死亡诱导剂的敏感性[27]。沉默胶质母细胞瘤胱氨酸/谷氨酸转运体相关蛋白的表达，可以增强胶质瘤细胞对替莫唑胺的敏感性。铁死亡特异性诱导剂erastin通过抑制胱氨酸/谷氨酸转运体活性，引起细胞内还原型谷胱甘肽合成不足，进而增敏替莫唑胺对胶质瘤细胞的杀伤作用[27]。

2.4 铁死亡与血液系统肿瘤

急性淋巴细胞白血病是一种起源于淋巴细胞的B系或T系细胞在骨髓内异常增生的恶性肿瘤性疾病，异常增生的原始细胞在骨髓聚集并抑制正常造血功能，同时也可侵及骨髓外的组织，如脑膜、淋巴结、性腺以及肝脏等[43]。研究发现，铁死亡诱导剂RSL3可以直接抑制急性淋巴细胞白血病细胞GPX4酶活性，导致细胞内脂质氧化成分无法被还原为无毒的醇类，引起细胞铁死亡[44]。

弥漫性大B细胞淋巴瘤(DLBCL)是霍奇金淋巴瘤中最常见的类型。DLBCL细胞转硫途径的缺陷致其对铁死亡诱导剂极度敏感[45]。Erastin等铁死亡诱导剂抑制DLBCL细胞Xc-系统活性时，由于自身转硫途径的缺乏，合成还原型谷胱甘肽的胱氨酸无法进入细胞，导致脂质过氧化物无法得到及时有效的还原，进而诱导DLBCL细胞的铁死亡[45]。Sato等[45]研究发现，柳氮磺嘧啶抑制Xc-系统活性能够有效抑制淋巴瘤细胞的生长。基于SLC7A11缺陷小鼠的模型研究发现，SLC7A11缺失对小鼠的正常生长发育没有明显影响，但是可以明显促进铁死亡诱导剂的治疗效果，因此SLC7A11或许可作为治疗DLBCL的有效靶点。

3 结语

铁死亡是近年来发现的一种新型死亡形式，其发生涉及多种分子的表达及信号通路，其中铁、脂质和氨基酸代谢是其最核心的调控机制。而肿瘤细胞中游离铁丰富、活性氧水平高的特征，为临床利用铁死亡方式治疗肿瘤提供了理论依据。此外，靶向铁死亡通路的小分子药物尚处在基础研究阶段，其在人体内的具体作用机制还有待进一步研究。