铁死亡调控机制及其与其他细胞死亡关系的研究进展

马德亮 姜英健 李洪波 张佃良

[摘要] 铁死亡是近年来新发现的一种调节性细胞死亡方式，其主要特征是铁离子依赖和脂质过氧化，铁诱导的脂质活性氧（ROS）积聚导致细胞发生过氧化反应。它在形态和生化上与已知的其他调节性细胞死亡类型不同。大量的研究已经证明了铁死亡在人类疾病中的重要性，因此对其调控机制及其与其他调节性细胞死亡关系的探究具有重要意义。本文就这两个方面进行综述，以期为铁死亡相关疾病治疗提供新的研究方向。

[关键词] 铁死亡;细胞死亡;铁;脂质过氧化作用;综述

[中图分类号] R329.25  [文献标志码] A  [文章编号] 2096-5532（2020）06-0750-04

doi：10.11712/jms.2096-5532.2020.56.098 [开放科学（资源服务）标识码（OSID）]

[网络出版] http：//kns.cnki.net/kcms/detail/37.1517.r.20200519.1434.009.html;

[ABSTRACT] Ferroptosis is a form of regulated cell death （RCD） newly identified in recent years， which is mainly characte-rized by ferric ion dependence， lipid peroxidation， and cell peroxidation resulting from accumulation of lipid reactive oxygen species induced by iron. It is morphologically and biochemically different from other types of known RCDs. Numerous studies have demonstrated the importance of ferroptosis in human diseases. Therefore， it is of great significance to investigate its regulatory mechanism and its relationship with other RCDs. This article summarizes the two aspects in order to provide a new research direction for the treatment of ferroptosis-related diseases.

[KEY WORDS] ferroptosis; cell death; iron; lipid peroxidation; review

生命體在生长发育以及组织在清除多余或受损的细胞时，细胞死亡是维持机体完整性的重要过程。不同类型的细胞死亡通常有着不同的形态特征以及生化、遗传和功能机制[1]。近几年来，科学界发现了几种新型的调节性细胞死亡（RCD），这些类型的RCD在人类健康和疾病的生理、病理过程中都有密切的联系[2]。铁死亡是由DIXON等[3]于2012年提出的一种新型RCD，是一种由铁依赖的脂质过氧化损伤引起的细胞死亡，其机制研究多注重于铁代谢与氧化损伤两方面。目前认为铁死亡参与了多种疾病，如肿瘤发生、缺血再灌注损伤（IRI）、肾衰竭、神经系统疾病和血液系统疾病的发生和发展[4]。先前研究表明，铁死亡在形态、生化和基因调控方面不同于细胞凋亡、坏死和自噬等死亡形式[3]。本文主要就铁死亡的调控机制及其与其他细胞死亡方式的关系作一综述，以加深对这一细胞死亡方式的理解，并为相关疾病治疗提供新的研究思路。

1 铁死亡的调控机制

铁死亡主要是因细胞内铁离子依赖的活性氧（ROS）过量积累，谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）的清除作用减弱，使ROS生成与降解的稳态失调所致。当细胞自身的抗氧化能力下降，不足以清除过度堆积的脂质ROS时，就会引起细胞发生铁死亡。铁的积累和随后的脂质过氧化在介导铁死亡的发生中起着重要作用[5]。因此，参与铁代谢和脂质过氧化的各种分子和信号都是调节铁死亡的关键。

1.1 铁代谢异常

1.1.1 铁的获取 铁是脂质过氧化物积累和发生铁死亡所必需的。因此，铁的摄取、转运和储存都会对铁死亡产生一定的调节作用。在生物体内铁稳态的维持受到严密的调控。摄入铁的膜蛋白转铁蛋白受体1（TFR1）是铁死亡所必需的，它可将Fe3+转运至细胞核内体中，在核内体中Fe3+进一步被还原成为Fe2+。最终，在二价金属转运蛋白1（DMT1）的介导下，Fe2+从核内体释放到胞质内不稳定铁池中。多余的铁以铁蛋白轻链（FTL）和铁蛋白重链1（FTH1）的形式储存在细胞胞质中[6]。这些铁相关蛋白的异常表达或功能失调将会使细胞内铁离子浓度因代谢失衡而升高。

1.1.2 铁稳态的失衡 细胞外的转铁蛋白与细胞膜上的转铁蛋白受体结合后可将细胞外铁转运至细胞内，致使细胞内发生铁超载，过量的游离铁可以通过芬顿反应与过氧化氢（H2O2）反应，形成羟基自由基和具有高反应性的ROS。这些羟基自由基和ROS可攻击DNA、蛋白质和细胞膜等结构，从而破坏细胞的结构和功能[7]。DAVID等[8]在对铁死亡敏感的RAS突变细胞的研究中发现，铁死亡细胞的TFR1升高，FTL和FTH1降低。这一发现表明，发生铁死亡的RAS突变细胞转铁蛋白增多，而储铁蛋白减少，使得游离铁离子增多，细胞铁超载进而诱导铁死亡发生。在铁超载状态下，铁反应元件结合蛋白2（IREB2）可调控细胞内的二价铁离子。调控铁代谢的主要转录因子IREB2可显著增加储铁蛋白FTL和FTH1的表达，从而抑制erastin诱发的铁死亡[9]。血红素加氧酶-1（HO-1）也是细胞铁离子的重要来源，在erastin诱导的细胞铁死亡中起着关键作用，它会诱导细胞膜脂质过氧化反应从而引起细胞发生铁死亡[10]。因此，细胞内铁稳态失衡，致使细胞内二价铁离子增多时，铁离子介导的毒性ROS物质产生增加，即会诱发铁死亡。

1.2 脂质过氧化

1.2.1 半胱氨酸代谢 胱氨酸/谷氨酸反向转运体（System Xc-）是由轻链亚基（SLC7A11）和重链亚基（SLC3A2）以二硫键连接而成的异二聚体，是细胞重要的抗氧化系统，它可以按1∶1的比例摄取胱氨酸和排出谷氨酸[11]。进入细胞内的胱氨酸被还原成半胱氨酸，参与谷胱甘肽（GSH）的合成。在GPX4的催化作用下，GSH可将有毒性的脂质过氧化物还原为无毒性的脂肪醇，故而GSH在细胞抗氧化防御中起着重要作用[12]。此过程中以GSH为还原剂，GPX4为关键酶，介导脂质过氧化物的还原反应，负性调控铁死亡。然而，GSH合成过程的效率受到底物半胱氨酸浓度的限制，故System Xc-是一关键调控因素。铁死亡诱导剂erastin即通过靶向作用于System Xc-，抑制半胱氨酸的摄入而减少GSH的合成，GSH的耗竭导致毒性过氧化物的积聚、蛋白质和细胞膜的损伤以及随后的细胞铁死亡[3]。

1.2.2 GPX4失活 谷胱甘肽過氧化物酶（GPXs）家族有包括GPX1～GPX8的诸多成员，其中GPX4在铁死亡过程中扮演着关键的角色。GPX4是还原毒性过氧化物的关键酶，通过其酶活性可防止脂质过氧化物的毒性，并保持膜脂双层的稳态[13]。铁死亡诱导剂RSL3和erastin均能引起脂质ROS的积累，但RSL3与erastin不同，在其诱导的细胞铁死亡中，GSH水平并未发生明显变化。后来发现，RSL3的作用靶分子是GPX4，RSL3通过与GPX4的共价结合抑制GPX4的活性，并且导致脂质过氧化物的积累[4]。YANG等[14]发现，GPX4表达下降的细胞对铁死亡更加敏感，而上调GPX4的表达，则表现出对铁死亡的耐受。所以，GPX4也是铁死亡的重要调节蛋白，通过靶向干预该蛋白的表达，可以达到促进或者抑制铁死亡的目的。

1.2.3 多不饱和脂肪酸（PUFAs）合成 PUFAs增加了细胞膜的流动性，这对于原始生命对环境的适应非常重要[15]。PUFAs含有不稳定的碳碳双键，容易发生脂质过氧化，是发生铁死亡所必需的[16]。酰基辅酶A合成酶长链4（ACSL4）和与脂质重塑相关的溶血卵磷脂酰基转移酶3（LPCAT3）是对铁死亡通路中合成PUFAs起至关重要作用的两种酶[17]。当这两个基因被敲除时，PUFAs的合成减少，从而抑制铁死亡的执行[18-19];相反，当花生四烯酸及其他PUFAs足够丰富时，铁死亡诱导剂将会催化生成更多的过氧化脂质，使细胞发生更剧烈的铁死亡反应[16]，这都证明了PUFAs是铁死亡中质膜过氧化的重要靶点。除此以外，脂氧合酶（LOXs）也能促进PUFAs的过氧化，减少LOXs表达也能有效改善由erastin诱导的铁死亡[16，18]。游离PUFAs是发生脂质过氧化反应的底物，因此，PUFAs的含量和定位将影响细胞内发生脂质过氧化的程度，从而决定了铁死亡的剧烈程度[18]。这是铁死亡调节的另一个潜在方向，未来的研究可能会通过调控参与合成PUFAs膜磷脂的调节酶来触发或阻断铁死亡过程。

1.3 其他相关途径

1.3.1 核因子-红细胞-2相关因子-2（Nrf2） 2016年SUN等[20]研究发现，Nrf2可通过p62-Keap1-NRF2通路调节铁死亡。Nrf2的活化促进了铁的储存，减少了细胞对铁的吸收，限制了ROS的产生，因此，Nrf2能够抑制铁死亡的发生[21]。Nrf2可以通过增加与铁和ROS代谢有关的靶基因，如醌氧化还原酶1（NQO1）和HO-1的表达来抑制铁死亡。此外，p62-Keap1-NRF2信号通路的激活也能促进System Xc-的表达，加快胱氨酸/谷氨酸的转运，从而清除积累的脂质过氧化物[22]。

1.3.2 p53 p53是一种抑癌基因，在不同的应激刺激下可被激活。p53作为SLC7A11的转录抑制因子参与了铁死亡过程，抑制了半胱氨酸的摄入，促进了铁死亡的发生[22]。然而，p53在铁死亡诱导中的作用是特异的，其机制为3个赖氨酸残基被精氨酸残基所取代，建立了一个乙酰化缺陷型的p53突变体p533KR[23]。该突变体对SLC7A11的表达有很强的抑制作用，但对其他已知的p53靶基因（细胞周期、凋亡或衰老相关基因）的抑制作用不大。System XC-是由SLC7A11和SLC3A2组成的异二聚体。因此，p53的作用机制是通过下调SLC7A11从而抑制System Xc-摄取胱氨酸，致使胱氨酸依赖的GPXs活性降低，细胞抗氧化能力减弱，脂质ROS含量升高，引起细胞铁死亡。

1.3.3 热休克蛋白（HSPs） HSPs是高度保守的分子伴侣家族，具有抗应激、抗氧化、参与免疫应答和抗原递呈等免疫功能，使细胞对不同类型的细胞死亡具有抵抗力，包括铁死亡[24]。特别是热休克蛋白B1（HSPB1，也称为HSP25或HSP27），其介导的肌动蛋白细胞骨架保护通过减少铁的摄取和随后的氧化损伤来抑制铁死亡[25]。HSPB1途径可以减少铁和ROS的增加，从而抑制人宫颈癌细胞、前列腺癌细胞和骨肉瘤细胞中erastin诱导的铁死亡。热休克蛋白A5（HSPA5，也称为BIP或GRP78）定位于内质网上，可结合并稳定GPX4，这也大大增加了细胞的抗氧化能力[26]。

2 铁死亡与其他细胞死亡

铁死亡在形态特征上不同于细胞凋亡、坏死和自噬。细胞凋亡会发生染色质浓缩，细胞坏死会使得细胞膜和细胞质完整性被破坏，细胞自噬可形成双层膜结构的自噬体。不同于以上类型的细胞死亡方式，铁死亡主要表现为线粒体的变化，包括线粒体萎缩及线粒体嵴消失、线粒体膜密度增加、线粒体外膜破裂等[3]。此外，细胞凋亡、坏死或自噬的抑制剂并不能阻止铁死亡。铁死亡与其他几种类型的细胞死亡有一些相互的联系。

2.1 铁死亡和细胞凋亡

细胞凋亡是一种由基因调控的程序性细胞死亡（PCD），对组织内正常细胞的稳定、机体的免疫和防御反应、胚胎的生长发育、肿瘤的发生发展及中毒引起的细胞损伤等都具有至关重要的作用。越来越多的研究表明，铁死亡和细胞凋亡联系密切，细胞凋亡可在一定条件下转化为铁死亡，铁死亡会促进细胞对凋亡的敏感性。抑癌基因p53除了通过细胞周期停滞和细胞凋亡来清除肿瘤细胞外，还可以在某些条件下诱导肿瘤细胞发生铁死亡[27]。当MON-P53内化时，铁离子可诱导芬顿反应，从而引起ROS的产生。体内和体外实验研究显示，在MON-P53处理的细胞中除有细胞凋亡外还有显著的铁死亡，这不仅可以抑制肿瘤的生长，还使得荷瘤小鼠的寿命延长[28]。因此，铁死亡/凋亡混合途径是一种新的癌症治疗策略。

2.2 铁死亡和自噬

自噬是一种依赖于溶酶体的降解途径，是细胞内稳态的关键调节因子，在包括感染、免疫疾病、代谢疾病和癌症在内的多种疾病中发挥作用[29]。最近的研究发现，自噬的激活可以降解铁蛋白，然后诱发癌细胞铁死亡[30]。铁自噬是由核受体辅激活因子4（NCOA4）介导的自噬过程，NCOA4在细胞内铁低水平时与自噬体内的FTH1结合，将自噬小体转至溶酶体以降解铁蛋白，进而释放游离铁，这对诱导铁死亡至关重要[31]。在成纤维细胞和癌细胞中，铁自噬通过铁蛋白的降解增加了细胞内铁的浓度，从而促进铁死亡[32]。自噬相关Atg5和Atg7基因的敲除通过降低细胞内铁水平和脂质过氧化而限制erastin诱导的铁死亡。NCOA4的敲除，可抑制铁蛋白降解而阻止铁死亡;相反，NCOA4过表达加强铁蛋白降解，促进铁死亡。由NCOA4介导的铁自噬是为铁死亡提供可用的不稳定鐵的过程[33]。这些都揭示了铁死亡与自噬之间的相互作用，自噬的诱导是引发铁死亡所必需的，并且铁死亡是一个自噬细胞死亡过程[34]。然而，自噬介导铁死亡的具体机制还需要进一步探究。

2.3 铁死亡和程序性坏死

程序性坏死是一种具有坏死细胞形态特征和类似凋亡细胞信号机制的细胞死亡方式。铁死亡可与程序性坏死同时存在，在出血性脑卒中导致的死亡神经元中，同时具有铁死亡和程序性坏死的特征。在氯化血红素诱导的细胞死亡中，铁死亡分子标志物和程序性坏死标志物的mRNA水平均增加[35]。MLLER等[36]在2017年发现，铁死亡和程序性坏死是两种相互补充的细胞死亡形式。该研究以ACSL4作为铁死亡的标记物，混合谱系激酶样蛋白（MLKL）作为程序性坏死的标记物，结果显示ACSL4缺乏导致MLKL增加，而MLKL的减少又使得细胞对铁死亡更加敏感，即当一条细胞死亡途径衰减时，另一条途径代偿性增强。TONNUS等[37]做出还原型辅酶Ⅱ（NADPH）在细胞之间自由扩散的假设，为铁死亡与程序性坏死调节提供了可能的解释：程序性坏死导致NADPH的耗竭和NADPH的丧失使细胞对铁死亡敏感;当细胞发生程序性坏死或铁死亡（即细胞内NADPH丰度降低）时，邻近细胞可以更容易发生另一种形式的细胞死亡[37]。这一研究思路，将铁死亡与其他细胞死亡形式更好地联系起来。

3 小结与展望

RCD一直是生物学研究和医学研究的热点。作为一种新型的RCD，当铁积累和脂质过氧化被激活时，细胞内会发生铁死亡，并在多种疾病中发挥着关键的作用。铁死亡不仅可以选择性地杀死细胞，还可造成组织损伤，故而需要进一步探索铁和脂质过氧化的调控机制，从激活和抑制这两个方面达到对不同疾病更精准的靶向治疗。铁死亡与其他RCD不同，但这些不同形式的细胞死亡并不是各自独立的，各种细胞死亡很可能混合存在，形成相互作用的信号通路。对这些通路的深入了解将会为应对难治性疾病带来新的希望。

[参考文献]

[1] GALLUZZI L， VITALE I， ABRAMS J M， et al. Molecular definitions of cell death subroutines： recommendations of the Nomenclature Committee on Cell Death 2012[J]. Cell Death and Differentiation， 2012，19（1）：107-120.

[2] CONRAD M， ANGELI J P， VANDENABEELE P， et al. Regulated necrosis： disease relevance and therapeutic opportunities[J]. Nature Reviews Drug Discovery， 2016，15（5）：348-366.

[3] DIXON S J， LEMBERG K M， LAMPRECHT M R， et al. Ferroptosis： an iron-dependent form of nonapoptotic cell death[J]. Cell， 2012，149（5）：1060-1072.

[4] YANG W S， SRIRAMARATNAM R， WELSCH M E， et al. Regulation of ferroptotic cancer cell death by GPX4[J]. Cell， 2014，156（1/2）：317-331.

[5] XIE Y， HOU W， SONG X， et al. Ferroptosis： process and function[J]. Cell Death and Differentiation， 2016，23（3）：369-379.

[6] TORTI S V， TORTI F M. Iron and cancer： more ore to be mined[J]. Nature Reviews Cancer， 2013，13（5）：342-355.

[7] LI G F， PAN Y Z， SIROIS P， et al. Iron homeostasis in osteoporosis and its clinical implications[J]. Osteoporosis International， 2012，23（10）：2403-2408.

[8] DAVID H M， BLANCHETTE N L， BIBBIN T P， et al. Iron and cancer： recent insights[J]. Annals of the New York Aca-demy of Sciences， 2016，1368（1）：149-161.

[9] ELENA G， STEFANIA R， ILONA R， et al. Iron-induced damage in cardiomyopathy： oxidative-dependent and indepen-dent mechanisms[J]. Oxidative Medicine and Cellular Longevity， 2015， 2015：1-10.

[10] KWON M Y， PARK E， LEE S J， et al. Heme oxygenase-1accelerates erastin-induced ferroptotic cell death[J]. Oncotar-    get， 2015，6（27）：24393-24403.

[11] SATO H， TAMBA M， ISHII T， et al. Cloning and expression of a plasma membrane cystine/glutamate exchange transporter composed of two distinct proteins[J]. Journal of Biological Chemistry， 1999，274（17）：11455-11458.

[12] URSINI F， MAIORINO M， VALENTE M， et al. Purification from pig liver of a protein which protects liposomes and biomembranes from peroxidative degradation and exhibits glutathione peroxidase activity on phosphatidylcholine hydropero-xides[J]. Biochimica et Biophysica Acta （BBA）-Lipids and Lipid Metabolism， 1982，710（2）：197-211.

[13] MAIORINO M， CONRAD M， URSINI F. GPx4， lipid pero-xidation， and cell death： discoveries， rediscoveries， and open issues[J]. Antioxidants & Redox Signaling， 2018，29（1）：61-74.

[14] YANG W S， STOCKWELL B R. Synthetic lethal screening identifies compounds activating iron-dependent， nonapoptotic cell death in oncogenic-RAS-harboring cancer cells[J]. Che-mistry & Biology， 2008，15（3）：234-245.

[15] RICHARD D， KEFI K， BARBE U， et al. Polyunsaturated fatty acids as antioxidants[J]. Pharmacological Research， 2008，57（6）：451-455.

[16] YANG W S， KATHERINE J K， GASCHLER M M， et al. Peroxidation of polyunsaturated fatty acids by lipoxygenases drives ferroptosis[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， 2016，113（34）：E4966-E4975.

[17] SCOTT J D， WINTER G E， MUSAVI L S， et al. Human haploid cell genetics reveals roles for lipid metabolism genes in nonapoptotic cell death[J]. ACS Chemical Biology， 2015，10（7）：1604-1609.

[18] KAGAN V E， MAO G W， QU F， et al. Oxidized arachidonic and adrenic PEs navigate cells to ferroptosis[J]. Nature Che-mical Biology， 2017，13（1）：81-90.

[19] DOLL S， PRONETH B， TYURINA Y Y， et al. ACSL4 dictates ferroptosis sensitivity by shaping cellular lipid composition[J]. Nature Chemical Biology， 2017，13（1）：91-98.

[20] SUN Xiaofang， OU Zhanhui， CHEN Ruochan， et al. Activation of the p62-Keap1-NRF2 pathway protects against ferroptosis in hepatocellular carcinoma cells[J]. Hepatology， 2016，63（1）：173-184.

[21] XU Tao， DING Wei， JI Xiaoyu， et al. Molecular mechanisms of ferroptosis and its role in cancer therapy[J]. Journal of Cellular and Molecular Medicine， 2019，23（8）：4900-4912.

[22] JIANG L， KON N， LI T Y， et al. Ferroptosis as a p53-mediated activity during tumour suppression[J]. Nature， 2015，520（7545）：57-62.

[23] WANG S J， LI D W， OU Y， et al. Acetylation is crucial for p53-mediated ferroptosis and tumor suppression[J]. Cell Reports， 2016，17（2）：366-373.

[24] TANG D l， KANG R， BERGHE T V， et al. The molecular machinery of regulated cell death[J]. Cell Research， 2019，29（5）：347-364.

[25] SUN X， OU Z， XIE M， et al. HSPB1 as a novel regulator of ferroptotic cancer cell death[J]. Oncogene， 2015，34（45）：5617-5625.

[26] ZHU Shan， ZHANG Qiuhong， SUN Xiaofan， et al. HSPA5 regulates ferroptotic cell death in cancer cells[J]. Cancer Research， 2017，77（8）：2064-2077.

[27] MOU Yanhua， WANG Jun， WU Jinchun， et al. Ferroptosis， a new form of cell death： opportunities and challenges in can-cer[J]. Journal of Hematology & Oncology， 2019，12（1）：34.

[28] ZHENG Diwei， LEI Qi， ZHU Jingyi， et al. Switching apoptosis to ferroptosis： metal-organic network for high-efficiency anticancer therapy[J]. Nano Letters， 2017，17（1）：284-291.

[29] LEVINE B， KROEMER G. Autophagy in the pathogenesis of disease[J]. Cell， 2008，132（1）：27-42.

[30] MA S M， DIELSCHNEIDER R F， HENSON E S， et al. Ferroptosis and autophagy induced cell death occur independently after siramesine and lapatinib treatment in breast cancer cells[J]. PLoS One， 2017，12（8）：e0182921.

[31] MANCIAS J D， WANG X X， GYGI S P， et al. Quantitative proteomics identifies NCOA4 as the cargo receptor mediating ferritinophagy[J]. Nature， 2014，509（7498）：105-109.

[32] HOU Wen， XIE Yangchun， SONG Xinxin， et al. Autophagy promotes ferroptosis by degradation of ferritin[J]. Autophagy， 2016，12（8）：1425-1428.

[33] LU Bin， CHEN Xiaobing， YING Meidan， et al. The role of ferroptosis in cancer development and treatment response[J]. Frontiers in Pharmacology， 2018，8：992.

[34] GAO M H， MONIAN P， PAN Q H， et al. Ferroptosis is an autophagic cell death process[J]. Cell Research， 2016，26（9）：1021-1032.

[35] ZILLE M， KARUPPAGOUNDER S S， CHEN Y A， et al. Neuronal death after hemorrhagic stroke in vitro and in vivo shares features of ferroptosis and necroptosis[J]. Stroke， 2017，48（4）：1033-1043.

[36] MLLER T， DEWITZ C， SCHMITZ J， et al. Necroptosis and ferroptosis are alternative cell death pathways that operate in acute kidney failure[J]. Cellular and Molecular Life Sciences， 2017，74（19）：3631-3645.

[37] TONNUS W， LINKERMANN A. “Death is my heir”-ferroptosis connects cancer pharmacogenomics and ischemia-reperfusion injury[J]. Cell Chemical Biology， 2016，23（2）：202-203.

（本文編辑 马伟平）