铁死亡及其在结直肠癌中的作用和机制

周惠敏，赵午莉，张业繁，邵荣光

不同于细胞凋亡、细胞坏死、细胞焦亡和自噬等死亡方式，铁死亡（ferroptosis）是由铁依赖的脂质活性氧（lipid reactive oxygen species，L-ROS）介导的调节性细胞死亡（regulated cell death，RCD）途径。其发生机制主要为 Fe2+将电子转移给细胞内的氧原子，氧原子产生 ROS，使得细胞膜或细胞器膜上的长链不饱和脂肪酸中的磷脂分子被过氧化，生成脂质过氧化物（lipide peroxide，LPO），进而使生物膜变薄和曲率增加，导致细胞膜破裂而细胞死亡[1]。铁死亡的主要特征表现为细胞内游离 Fe2+介导的 Fenton 反应、细胞膜的脂质过氧化反应以及抗脂质氧化分子被抑制等。铁死亡参与了多种疾病的发生发展过程，如缺血性器官损伤、抗病毒免疫、神经系统疾病和肿瘤等[2]。同时，铁死亡在各种结直肠疾病的发生与发展中也发挥有重要作用，包括肠道缺血/再灌注损伤、炎性肠病以及结直肠癌等[3]。

结直肠癌是一种常见的恶性肿瘤，发病率和死亡率都很高，是全球最为紧迫的健康问题之一。目前对结直肠癌的治疗方案包括手术、放疗、化疗、免疫治疗和生物靶向治疗等[4]。尽管治疗方法多种多样，但一些患者可能出现不耐受或治疗效果低下等情况。相对机体正常细胞而言，肿瘤细胞比正常细胞更依赖铁来促进其高增殖率，这种现象被称为铁成瘾。同时有研究报道，对于肿瘤中的耐药细胞，通过铁死亡方式可以诱导其死亡，从而达到治疗目的[5]。基于此状况，铁死亡作为一种新型的细胞死亡途径，展现出巨大的肿瘤治疗潜力。本文对铁死亡的调控机制及其在结直肠肿瘤治疗中的作用进行简单总结，以期对未来的结直肠癌治疗提供理论帮助。

1 铁死亡概述

1.1 铁死亡的发现

2003年，Dolma 等[6]首次报道发现一种新型化合物erastin，其可以引起细胞发生不可逆的非凋亡途径死亡，这是第一个被发现的铁死亡诱导剂。之后，Dixon 等[7]在2012年研究发现，erastin 可以触发氧化性且铁依赖性的细胞死亡方式，不同于已知的死亡调节途径，这种死亡方式表现出独特的遗传特征，主要与 RPL8、IREB2、ATP5G3 等相关，并将这种细胞死亡途径命名为铁死亡。

1.2 铁死亡的特点

铁死亡发生后，在形态学上的变化以线粒体为主，主要包括体积减小、膜密度增加、外膜破裂、嵴收缩或消失、膜电位降低等，其生化特征主要表现为脂质 ROS 蓄积、脂质过氧化氢和 Fe2+浓度增高、还原型辅酶 II（NADPH）氧化水平提高、谷胱甘肽过氧化物酶 4（glutathione peroxidase 4，GPX4）和胱氨酸/谷氨酸反向转运体（System Xc-）受到抑制等[8-9]。

2 铁死亡的调节途径

2.1 铁代谢

过量的铁蓄积是铁死亡发生的基础。血液循环中的铁和转铁蛋白（transferrin，Tf）相互结合并以 Fe3+的形式存在，经细胞膜上的转铁蛋白受体 1（transferrin receptor 1，TfR1）进入细胞后，在氧化铁还原酶前列腺六跨膜上皮抗原 3（six-transmembrane epithelial antigen of the prostate 3，STEAP3）作用下，脱氧转化为 Fe2+形式。之后，再由二价金属离子转运体（divalent metal transporter 1，DMT1）介导转运到细胞质中的不稳定铁池（labile iron pool，LIP）里[10]。LIP 中增多的 Fe2+可以引发 Fenton 反应，即 Fe2+与过氧化氢反应，生成 Fe3+和羟基自由基，产生大量的ROS[11]。ROS 是一组含有部分还原氧的分子，包括过氧化物、超氧化物、单线态氧和自由基，细胞内剧烈增多的 ROS会使细胞更易于发生铁死亡[12-13]。

2.2 System Xc-

System Xc- 是位于质膜上的反向转运蛋白，由轻链亚基 SLC7A11（xCT）和重链亚基 SLC3A2（CD98hc 或4F2hc）经共价二硫键连接组成。其中，SLC7A11 负责氨基酸转运，对胱氨酸和谷氨酸具有高度特异性，而 SLC3A2 作为伴侣蛋白，有助于增强 SLC7A11 蛋白的稳定性，参与调节 SLC7A11 向质膜的运输过程[14-15]。System Xc- 以 1:1的比例将谷氨酸从细胞内泵出，同时将细胞外的胱氨酸转移到细胞内。进入细胞的胱氨酸迅速转化为半胱氨酸，用于合成谷胱甘肽（GSH）[16]。GSH 是细胞内重要的抗氧化因子，当 System Xc- 功能被抑制或失活时，细胞内氧化还原平衡失调，容易发生脂质过氧化和铁死亡。

2.3 GSH/GPX4 轴

抗氧化剂 GSH 是一种由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽。进入细胞内的胱氨酸在高度还原环境中被分解为半胱氨酸，又在谷氨酸-半胱氨酸连接酶（glutamate-cysteine ligase，GCL）和谷胱甘肽合成酶（glutathione synthetase，GSS）的催化下转化为 GSH[17-18]。谷胱甘肽过氧化物酶 4（GPX4）是一类细胞内抗氧化酶，可以催化 GSH 转化为其氧化形式 GSSG，将有危害的脂质过氧化物（L-OOH）转化为无毒的脂质醇（L-OH），从而抑制脂质过氧化，以防止铁死亡的发生[19]。在谷胱甘肽还原酶（glutathione reductase，GSR）的帮助下，GSSG 可利用 NADPH 还原为 GSH，进入下一轮循环[12]。

2.4 脂质过氧化

脂质过氧化是自由基等氧化剂从多不饱和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids，PUFAs）上的双烯丙基位置中夺取一个不稳定氢原子的过程，其导致脂质过氧自由基和氢过氧化物的积累[11]。与单不饱和脂肪酸相比，多不饱和脂肪酸对脂质过氧化更为敏感。

长链酯酰辅酶 A 合成酶 4（acyl-CoA synthetase long-chain family member 4，ACSL4）属于酰基辅酶 A（acyl-CoA）合成蛋白家族，可以以 ATP 依赖的方式催化长链脂肪酸转化为脂酰辅酶，在铁依赖性氧化应激过程中起着至关重要的作用[20]。ACSL4 偏向于结合长链多不饱和脂肪酸，利用乙酰辅酶A（coenzyme A，CoA）可以将花生四烯酸（arachidonic acid，AA）和肾上腺酸（adrenic acid，AdA）特异性酯化为 AA-CoA 和 AdA-CoA。随后在溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶 3（lysophosphatidylcholine acyltransferase 3，LPCAT3）的催化下，AA/AdA-CoA 和细胞膜上的磷脂酰乙醇胺（phosphatidylethanolamine，PE）结合形成 AA/AdA-PE，在双加氧酶 ALOX 的调控下，AA/AdA-PE 被过氧化为 AA/AdA-PE-OOH。磷脂过氧化物的积累会使细胞膜结构的完整性遭到破坏，促进铁死亡的发生[21-23]。

在结构上，广泛的脂质过氧化使生物膜变薄和曲率增加，氧化剂加速流入致使氧化加剧，最终导致膜穿孔和膜破裂以及细胞内容物释放[24]。在分子代谢上，脂质过氧化物被进一步分解成活性物质，这些物质可以消耗核酸和蛋白质，或加速破坏膜结构的完整性，导致细胞发生铁死亡[25]。

3 铁死亡和结直肠癌的作用关系

因为要过度生长，肿瘤细胞对铁离子的需求更强，也更易于受到由铁催化的死亡方式的影响[26]。越来越多的证据表明，铁死亡会导致肿瘤细胞的生长受到抑制，可以被开发为一种天然的、有前景的抗癌疗法。现已发现，SLC7A11 和GPX4 的表达在结直肠癌细胞中会有所提高，其活性及功能是众多抗肿瘤药物激活铁死亡以抑制肿瘤发展的关键[27]。除了以 System Xc- 和 GPX4 为靶点外，不断发现有新的化合物及蛋白可以激活铁死亡，参与调控结直肠癌细胞的分子变化及生理活性，下面将分别进行介绍。

3.1 抑制 System Xc- 引发结直肠癌细胞发生铁死亡

第一个被发现的铁死亡诱导剂 erastin 可以通过直接抑制 System Xc- 而激活铁死亡[28]。除此之外，柳氮磺胺吡啶、索拉非尼、青蒿素及其衍生物，都可以抑制 System Xc-的活性[29]。Zhang 等[30]研究表明，苯并吡喃衍生物 IMCA可以激活 AMPK/mTOR 通路，诱导 SLC7A11 表达下调，导致 ROS 蓄积而引发结直肠癌细胞发生铁死亡。

在肿瘤细胞中，铁死亡被认为是抑癌基因 p53 下游的一种内源性抗癌机制。现已发现 p53 通过下调 SLC7A11的表达来抑制 System Xc- 的功能，使胱氨酸摄取减少而使细胞对铁死亡更加敏感[31]。Ye 等[32]研究发现，CYGB/p53/YAP1 的激活参与调控 ACSL4 及 SLC7A11的表达和 ROS 的生成过程，可以有效促进脂质过氧化及铁死亡的发生，抑制结直肠肿瘤细胞的生长。与此同时，Xie等[33]研究发现，p53 也会刺激 SLC7A11 表达，抑制结直肠肿瘤细胞的铁死亡发生。当 p53 受到抑制时，细胞内脂质过氧化水平提高，由 erastin 诱导的 GSH 下调更明显，最终导致铁死亡。

3.2 抑制 GPX4 活性诱导结直肠癌细胞发生铁死亡

GPX4 不仅在结直肠癌细胞中表达量增多，还参与调控肿瘤耐药性，与患者预后呈负相关[34-35]。RSL3 是一种铁死亡激活剂，可以通过抑制 GPX4 的表达、提高转铁蛋白的表达、促进细胞内 ROS 的积累等途径触发结直肠癌细胞发生铁死亡[36]。丙泊酚是一种临床上常用的静脉麻醉剂，可以抑制结直肠肿瘤细胞内 GPX4 的表达，同时提高 Fe2+和ROS 水平，从而激发铁死亡，抑制肿瘤细胞的生长和增殖[37]。阿帕替尼是一种口服小分子药物，可以有效改善转移性结直肠癌患者的预后。Tian 等[38]发现阿帕替尼能够通过靶向 ELOVL6/ACSL4 信号传导途径，提高 ROS 和MDA 水平，下调 GSH 含量并抑制 GPX4 活性，引发结直肠肿瘤细胞发生铁死亡。

有证据表明，miRNAs 也通过调控 GPX4 参与到结直肠肿瘤细胞的发生发展过程中。Yang 等[39]发现，miR-539通过靶向肿瘤坏死因子-α-诱导蛋白 8（tumor necrosis factor-α-induced protein 8，TNFAIP8/TIPE）激活 SAPK/JNK信号通路，降低 GPX4 的表达，诱导铁死亡发生，抑制结直肠肿瘤细胞的生长。在结直肠肿瘤细胞中高表达的富含丝氨酸/精氨酸剪切因子 9（serine-arginine-rich splicing factor 9，SRSF9）是一类剪接因子，参与调控修饰 mRNA。同时，SRSF9 也是 erastin 诱导的铁死亡的重要调节因子。Wang 等[40]发现，SRSF9 可以与 GPX4 的 mRNA 结合，增强结直肠肿瘤细胞对铁死亡的抵抗性。抑制 SRSF9 的表达后，GSH 水平显著降低，MDA 水平大幅提高，细胞对erastin 更加敏感。

在结直肠肿瘤细胞中，GPX4 的表达上调或激活不仅可以诱导细胞对铁死亡产生抵抗，更能抑制药物的治疗作用，导致肿瘤细胞对化疗药物产生耐药性。Nrf2 是铁死亡的重要抑制剂，具有抑制细胞的铁摄取、限制 ROS 产生和上调SLC7A11 能力[41]。Yang等[42]发现，GSK3β/Nrf2 的激活可以上调 GPX4 的表达，诱导结直肠肿瘤细胞对奥沙利铂产生抵抗性，而促进铁死亡发生则可以有效增强结直肠肿瘤细胞对奥沙利铂的敏感性。也有研究发现，铁可以在诱导 ROS产生的同时激活 Nrf2 通路，使 SLC7A11 和 GPX4 表达上调，保护细胞免受脂质过氧化和铁死亡，促进结直肠肿瘤细胞的生长[43]。关于 Nrf2 如何通过铁死亡调节结直肠肿瘤细胞的活性，还需要进一步的研究。

3.3 其他途径及作用

除了上述提到的有明确靶向的蛋白或基因外，还有一些化合物及蛋白作用广泛，不仅参与调节铁死亡的发生，还会影响结直肠癌细胞的生理特征。Lipocalin 2 是一种铁载体结合蛋白，Chaudhary 等[44]发现，在结直肠肿瘤细胞中高表达的 lipocalin 2 可以诱导细胞对 5-氟尿嘧啶产生抗性，这与lipocalin 2 可以降低细胞内铁浓度、激活 GPX4 和 System Xc-、抑制 ROS 生成而抑制铁死亡相关。Sharma 等[45]发现，天然植物穿心莲能够激活结直肠肿瘤细胞发生铁死亡，由此增强细胞对 5-氟尿嘧啶的敏感性。二氯乙酸是一种小分子代谢调节剂，可以通过铁死亡依赖的方式减弱结直肠癌干细胞的干性特征[46]。天然植物提取物 tagitinin C 是一种倍半萜内酯，可以诱导 ROS 并激活内质网应激反应，再通过 PERK-Nrf2-HO-1 信号通路诱导结直肠癌细胞发生铁死亡[47]。

4 展望

铁死亡是一种新颖独特的调节性细胞死亡形式，与ROS 积累、脂质过氧化和铁稳态的代谢破坏等有关。目前研究认为，逃避细胞凋亡和抗凋亡能力增强是肿瘤难治的主要原因。作为一种完全独立于凋亡的细胞死亡模式，铁死亡可能为癌症治疗提供一种新的治疗方案。近年来，已经确定了许多用于诱导和抑制铁死亡的作用靶点，但其中哪些可以运用于动物模型和患者并具有良好的治疗效果尚不清楚。在未来的结直肠癌治疗研究中，激活铁死亡发生可能作为一种新的策略，为更多的结直肠癌患者带来治愈的机会。