铁死亡发生机制及其与临床疾病的关系研究进展

邓蕊，柴克霞

青海大学，西宁810016

细胞死亡主要有凋亡、自噬、坏死、焦亡、胀亡、坏死性凋亡等方式，在哺乳动物的生长发育和体内平衡等各个方面都至关重要，与其他生物过程有着密切的联系。2012年，Dixon首次提出了铁死亡的概念，用来描述小分子erastin诱导的细胞死亡形式，这种物质会抑制胱氨酸的摄取，导致谷胱甘肽(GSH)的消耗和谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)的失活。铁死亡最重要的特征是对铁与活性氧(ROS)的依赖性，其形态学、生物化学和遗传学特征与细胞凋亡、坏死、坏死性凋亡、自噬等其他调节性细胞死亡类型有很大的不同。近年来大量研究表明，癌症、肾衰竭等疾病的发生发展都与铁死亡密切相关。本文综述了关于铁死亡发生机制及其在临床疾病发生发展中的作用，以期为相关疾病的诊治提供新方向。

1 铁死亡的发生机制

铁死亡的发生和执行过程是氨基酸、脂质、铁和ROS代谢共同诱导的，但是，铁死亡的敏感性也受到其他途径和过程的调节。

1.1 铁代谢 铁的摄入、排出、储存和转化均会影响铁死亡的敏感性。正常情况下，细胞内铁通过铁转运系统维持着精确的平衡：细胞外铁可通过转铁蛋白(TF)及其载体转铁蛋白受体(TFR)被摄入，摄入的铁以铁蛋白复合物(主要是铁蛋白)的形式储存和运输，细胞内铁可以由膜铁转运蛋白(FPN)输出。铁摄入增加或铁输出减少，均可增强癌细胞对氧化损伤和铁死亡的敏感性。细胞内不稳定铁(Fe2+)水平是脂质过氧化和诱导铁死亡的关键因素，TF介导的铁摄取或铁自噬可提高其水平。铁自噬是铁蛋白的选择性自噬，其通过控制可利用的铁来提高铁死亡的敏感性。核受体共激活因子4(NCOA4)是一种铁自噬特异性的运输受体，可将铁蛋白运输到自噬体进行溶酶体降解和释放游离铁。研究显示，NCOA4的下调可降低人纤维肉瘤细胞HT-1080和人胰腺癌细胞PANC1对铁死亡的敏感性[1]。因此，细胞系统摄取和利用铁对诱导铁死亡是必不可少的。

1.2 脂质代谢 含有易于提取二烯丙基氢的多不饱和脂肪酸(PUFAs)易发生脂质过氧化，是执行铁死亡的必需物质。PUFAs的丰度和定位决定了细胞发生脂质过氧化的程度，从而决定了细胞执行铁死亡的程度[2]。游离多不饱和脂肪酸是合成脂质信号传导介质的底物，但是其必须被酯化成膜磷脂并经氧化才能变成铁死亡信号。脂质组学研究表明，含有花生四烯酸(C20∶4)或其延伸产物肾上腺酸(C22∶4)的磷脂酰乙醇胺(PEs)是关键的磷脂，PEs经氧化后诱导细胞发生铁死亡[3]。多不饱和脂肪酸辅酶A衍生物的形成及其嵌入磷脂中是产生铁死亡信号的必要条件，而调节酶参与膜磷脂中多不饱和脂肪酸的生物合成可触发或阻止铁死亡。例如：酰基辅酶A合成酶长链家族成员4(ACSL4)和溶血卵磷脂转酰酶3(LPCAT3)两种酶参与了细胞膜中多不饱和脂肪酸PEs的生物合成和重构，这些基因产物的缺失减少了脂质过氧化的底物，增加了细胞对铁死亡的抵抗力；相反，补充花生四烯酸或其他多不饱和脂肪酸的细胞增加了对铁死亡的敏感性；而多不饱和脂肪酸PEs的氢过氧衍生物添加到GPX4失活的细胞中也会导致铁死亡[2,4]。脂氧合酶(LOXs)是一类非血红素含铁蛋白，可以介导铁死亡的过氧化反应；而多不饱和脂肪酸PEs可以在LOXs的催化下进一步发挥氧化作用，最终诱导细胞发生铁死亡[2]。

1.3 氨基酸代谢 胱氨酸/谷氨酸反转运体(Xc-)是二硫键连接的异二聚体，由调节亚基溶质载体家族3成员2(SLC3A2)和催化亚基溶质载体家族7成员11(SLC7A11)组成。系统Xc-以1∶1的比例促进胱氨酸和谷氨酸在质膜上的交换，胱氨酸一旦进入细胞，即被还原为半胱氨酸。GSH是哺乳动物细胞内主要的抗氧化剂，由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸在谷氨酸-半胱氨酸连接酶(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响GSH的生物合成。GSH耗竭可以触发铁死亡,其可以通过抑制GSH的生物合成或阻断细胞从外环境摄入胱氨酸来实现[5]。一些细胞利用转硫磺化途径从蛋氨酸中生物合成半胱氨酸，从而减少了通过系统Xc-摄入胱氨酸的需求，因此，这些细胞对系统Xc-抑制剂诱导的铁死亡具有抵抗性。谷氨酸和谷氨酰胺也是铁死亡的重要调节因子，细胞外高浓度的谷氨酸可以抑制系统Xc-的功能并诱导铁死亡发生，这或许可以解释当谷氨酸在神经系统中积累到高浓度时的毒性作用[6]。高浓度的谷氨酰胺自然存在于人体组织和血浆中，其降解为三羧酸(TCA)循环提供燃料，并为基本的生物合成过程提供基础物质。在谷氨酰胺缺乏或谷氨酰胺分解被抑制时，胱氨酸缺乏和阻断胱氨酸的摄入不能诱导ROS的积累、脂质过氧化和铁死亡。这一结果可能是由于谷氨酰胺的分解产物α-酮戊二酸(αKG)是发生铁死亡所必需的物质，但并不是所有的谷氨酰胺分解途径都会导致铁死亡。谷氨酰胺分解的第一步是谷氨酰胺酶GLS1和GLS2催化谷氨酰胺转化为谷氨酸，虽然这些酶在结构和酶学方面相似，但只有GLS2是发生铁死亡所必需的物质[7]。GLS2基因是抑癌基因p53的转录靶点，GLS2的上调会导致p53依赖性的铁死亡；而在某些情况下，p53可以通过一种与转录无关的方式阻断二肽基肽酶4(DPP4)的活性来限制铁死亡[8]。已有研究表明，铁死亡是组织损伤相关的细胞死亡机制，谷氨酰胺分解靶向治疗可能对铁死亡所致的器官损伤有效；在实验模型中，对谷氨酰胺分解的抑制已表明可以减轻缺血再灌注引起的心脏、肾脏损伤和脑出血[9]。

1.4 ROS代谢 ROS是一组含有部分还原氧的分子，包括过氧化物(H2O2、ROOH)、超氧化物(O2-)、单态氧(1O2)和自由基(HO·、HO2·、R·、RO·、NO·、NO2·)，它们通过破坏DNA/RNA、蛋白质和脂质等生物分子导致癌细胞死亡。参与铁死亡的ROS可能有多种产生来源，除铁介导的芬顿反应产生ROS外，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)作用于NADPH氧化酶(NOXs)和GSH的耗竭同样对ROS的产生起着重要作用[10]。氧化产物尤其是磷脂氢过氧化物的积累，被认为是铁死亡的一个标志。氧化性产物、脂质过氧化物通过两种机制对癌细胞产生毒性作用：在分子水平上，脂质过氧化物进一步分解为反应性物质，消耗核酸和蛋白质，促使细胞发生铁死亡；在结构上，脂质发生广泛的过氧化反应造成生物膜变薄、曲率增大，从而进一步发生氧化反应并最终导致膜失稳和胶束形成。GPX4作为铁死亡的中下游调节因子，以两分子GSH作为电子供体，将有毒的磷脂氢过氧化物还原为无毒的磷脂醇，而氧化后的谷胱甘肽(GSSG)则是副产品。通过药理学(RSL3、altretamine)或基因学(Cre重组酶法)方法干预GPX4可诱导铁死亡，而GPX4也可以通过GSH损耗等间接的方法失活[6,11]。除GPX4外，NRF2、热休克蛋白(HSPs)等抗氧化蛋白也可抑制脂质过氧化，但是NRF2的过度激活可能通过血红素氧合酶1(HMOX1)介导的不稳定铁催化ROS代谢来诱导铁死亡[12]。

1.5 其他代谢途径 通过甲羟戊酸途径产生的辅酶Q10(CoQ10)在细胞膜中发挥抗氧化作用，其可成为内源性的铁死亡抑制剂[13]。NADPH和硒的相对含量也会影响铁死亡的敏感性。NADPH是清除脂质过氧化物所必需的细胞内还原剂，其水平是许多癌细胞系对铁死亡敏感性的生物标志物。然而，磷酸戊糖途径(PPP)是一种与糖酵解平行的代谢途径，可产生NADPH和戊糖；6-氨基烟酸胺对PPP的药理性抑制或敲除两种PPP的关键酶(葡萄糖-6磷酸脱氢酶和磷酸甘油酸脱氢酶)，可在一定程度上阻止由erastin引起的人肺癌细胞发生铁死亡[14]。GPX4的生物合成需要硒，其含有活性位点硒代半胱氨酸。因此，补充硒可抑制铁死亡发生，而缺硒可促进铁死亡的敏感性，这可能是通过调节GPX4的相对含量和活性实现的。此外，p62-Keap1-NRF2、ATG5-ATG7-NCOA4、p53-SAT1-ALOX15代谢途径均可有效调控细胞内铁离子和ROS的生成，并在铁死亡发生中发挥调控作用[15]。

2 铁死亡与疾病的关系

近年来，越来越多的研究发现铁死亡与多种疾病如退行性疾病、肿瘤性疾病、肾功能损害等有着密切的关系。抑制铁死亡可用于预防或治疗退行性疾病，而诱导铁死亡可用于标准治疗无效恶性肿瘤的治疗。而对铁死亡正性和负性调节的治疗意义，仍有许多未知。

2.1 与退行性疾病的关系 Ferrostatins(Fer-1)和Liproxstatins作为铁死亡抑制剂，在小鼠模型中可保护其肝脏、肾脏、大脑和心脏免受缺血性损伤[6]。这些抑制剂在帕金森病(PD)、亨廷顿舞蹈症(HD)和阿尔茨海默病(AD)等大脑退行性疾病模型中也有保护作用，在其他形式的神经退行性疾病以及创伤性和出血性脑损伤中亦有保护作用。研究显示，衰老及退行性疾病患者的脑细胞铁水平均有上升，这提示铁死亡的发生可能与年龄相关；遗传学证据显示铁死亡的发生与大脑退化相关，在成年小鼠中，诱导GPX4缺失会导致星形胶质细胞增生时海马神经元的丢失，这种缺失在AD中也可见到[16,17]。此外，PD的随机对照试验显示，多巴胺可增强GPX4的稳定性，而铁螯合剂去铁酮可有效治疗PD[18]。考虑到铁死亡对退行性疾病的影响，优化现有的抑制剂并积极寻找新的抑制剂阻止铁死亡可能成为治疗此类疾病的潜在方法。

2.2 与肿瘤性疾病的关系 通过抑制系统Xc-对胱氨酸摄取的药物柳氮磺吡啶可抑制肿瘤生长，并且在某些情况下可诱导铁死亡[19]。与GSH结合的试剂APR-246对GSH的生物合成有着抑制作用，也会破坏肿瘤细胞的生长，并导致类似于铁死亡形式的细胞死亡[20]。erastin和RSL3最初是在表型筛选中发现的化合物，它们对基因工程肿瘤细胞具有选择性致死作用，抑制HSF1-HSPB1通路活性可促进erastin诱导人宫颈癌细胞、骨肉瘤细胞和前列腺癌细胞发生铁死亡[21]。弥漫性大B细胞淋巴瘤和肾细胞癌也被发现可能被铁死亡诱导剂有效靶向治疗[22]。Sorafenib可诱导铁死亡，同时可抑制肝癌细胞的生长。青蒿素是一种抗疟化合物，可诱导铁死亡依赖性的胰管腺癌细胞死亡[23]。由此可见，铁死亡在抑制不同类型癌细胞生长中具有重要作用。

2.3 与肾损伤的关系 羟基喹啉和硫酸亚铁铵对新鲜分离的小鼠肾脏近端小管的作用模拟了横纹肌溶解诱导的急性肾脏损伤，利用该模型，Fer-1可防止肾近端小管细胞死亡，提示横纹肌溶解诱导的急性肾损伤中铁死亡的必要性；此外，Fer-1还可防止肾小管的同步死亡和草酸盐晶体诱导的急性肾损伤[24]。SRS16-86是第三代铁死亡抑制剂，具有较高的血浆和代谢稳定性,在肾缺血再灌注损伤的体内模型中，SRS16-86保护了肾脏功能，延长了缺血再灌注损伤小鼠的生存时间[25]。Liproxstatin-1是一种有效的铁死亡抑制剂，当将Liproxstatin-1应用于GPX4蛋白诱导缺失的小鼠时，与对照组相比，延迟了GPX4缺失引起的急性肾衰竭并延长了小鼠的生存期[26]。这些结果验证了肾组织对细胞发生铁死亡的敏感性，提示了铁死亡抑制剂在改善肾损伤中的价值。

综上所述，对铁死亡机制的探索为一些疾病的研究开辟了新的领域，其在疾病发生、发展及治疗中的临床意义逐渐被探索出来。目前，对铁死亡的研究仍处于相对初级阶段，继续探索铁死亡的发生机制及其在多种疾病中的作用、寻找有效且具有高度靶向性的治疗方法有着重要的理论意义和实用价值，这也是铁死亡未来的研究方向。