子科生物報(bào)道:自2012年鐵死亡一詞被提出以來，鐵死亡引起了人們的廣泛關(guān)注。這種獨(dú)特的細(xì)胞死亡程序由依賴鐵的磷脂過氧化驅(qū)動，并受多種細(xì)胞代謝途徑(包括氧化還原穩(wěn)態(tài)、鐵代謝、線粒體活性、氨基酸、脂質(zhì)和糖代謝)和各種與疾病相關(guān)的信號途徑的調(diào)節(jié)。

大多數(shù)器官損傷和退行性疾病都是由鐵死亡引起的。耐藥腫瘤細(xì)胞，特別是間充質(zhì)狀態(tài)的、易轉(zhuǎn)移的腫瘤細(xì)胞，極易發(fā)生鐵死亡。

因此，通過藥理學(xué)調(diào)控誘導(dǎo)和抑制鐵死亡在治療耐藥腫瘤、缺血性器官損傷等與廣泛脂質(zhì)過氧化相關(guān)的退行性疾病方面具有很大的潛力。

2021年，一篇發(fā)表在NATURE REVIEWS | MOLECULAR CELL BIOLOGY上的綜述系統(tǒng)闡述了鐵死亡的分子機(jī)制和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，以及鐵死亡在抑制腫瘤和免疫監(jiān)測中的生理功能、病理作用和靶向治療的潛力;討論了一些重要概念和亟待解決的問題。這些是未來鐵死亡研究的重點(diǎn)。簡要介紹如下:

在引起細(xì)胞氧化應(yīng)激的因素中，脂質(zhì)雙分子層中的脂質(zhì)氧化修飾，特別是脂質(zhì)過氧化，已成為決定細(xì)胞命運(yùn)的重要調(diào)節(jié)因子。廣泛的脂質(zhì)過氧化細(xì)胞死亡的方式稱為鐵死亡。

脂質(zhì)過氧化受到環(huán)境和基因的影響，包括熱、輻射、代謝、氧化還原穩(wěn)態(tài)和細(xì)胞間接觸，以及致癌和腫瘤抑制信號。與引起鐵死亡的因素一樣，越來越多的證據(jù)表明鐵死亡在腫瘤抑制和免疫中發(fā)揮著潛在的生理作用。

同時(shí)，鐵死亡也影響某些真菌的發(fā)育和線蟲的衰老。研究明確了鐵死亡的病理生理關(guān)系，這在治療腫瘤和預(yù)防器官缺血性損傷方面尤為重要。

從1950年到1960年，哈里·伊格爾觀察到了這種類似鐵的死亡現(xiàn)象。缺乏半胱氨酸可導(dǎo)致細(xì)胞死亡，內(nèi)源性合成半胱氨酸可抵抗細(xì)胞死亡。半胱氨酸是減少谷胱甘肽（GSH）生物合成的限速因子。

對于谷胱甘肽的合成，半胱氨酸可以通過中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體或X-c-胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)體（含有SLC7A11和SLC3A2亞單位的跨膜蛋白復(fù)合物，以下簡稱為X-c-系統(tǒng)）被氧化并從環(huán)境中吸收，或通過蛋氨酸和葡萄糖的轉(zhuǎn)硫途徑合成。

現(xiàn)有研究表明，GSH合成或增強(qiáng)的X-c-系統(tǒng)或活性GPX4可使多種細(xì)胞免受氧化應(yīng)激，特別是在沒有硫醇引起的細(xì)胞死亡的情況下，這些早期研究揭示了鐵的死亡機(jī)制。

鐵死亡的機(jī)制

早期研究表明，X-c-系統(tǒng)-GSH-GPX4的鐵死亡途徑受到抑制，而過氧化磷脂(PLOOHs)是一種基于活性氧(ROS)形式的脂質(zhì)，是鐵死亡被抑制的關(guān)鍵。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了依賴GPX4的鐵死亡監(jiān)測途徑，PLOOH的合成機(jī)制，特別是PLOOH前體多不飽和脂肪酸(PUFAs)的合成和激活也受到了廣泛關(guān)注。

這些研究集中在細(xì)胞代謝方面，揭示了鐵死亡與代謝途徑之間的密切聯(lián)系。GPX4是PLOOH的主要中和酶，其主流機(jī)制是erastin/RSL3誘導(dǎo)鐵死亡。

這一機(jī)制說明GPX4-RSL3的失活直接誘導(dǎo)鐵死亡，而erastin抑制胱氨酸的轉(zhuǎn)移使細(xì)胞失去半胱氨酸，而半胱氨酸是GSH的基本細(xì)胞成分，間接誘導(dǎo)鐵死亡。

PLOOHs的積累會對細(xì)胞膜造成快速且不可修復(fù)的損傷，導(dǎo)致細(xì)胞死亡。因此，這些研究將鐵死亡定義為一種細(xì)胞死亡過程，其機(jī)制不同于其他已知的死亡過程。

磷脂過氧化的驅(qū)動因素

無限制的脂質(zhì)過氧化是鐵死亡的特征。1950年的早期研究表明，微量元素硒、維生素E和半胱氨酸可能抑制脂質(zhì)過氧化。

脂質(zhì)過氧化的激活需要從磷脂(PUFA-PLs)中去除一個(gè)雙烯丙基氫原子(位于兩個(gè)碳碳雙鍵之間)，該磷脂含有脂質(zhì)雙分子層中的多不飽和脂肪酸?；?。然后形成以碳為中心的磷脂基團(tuán)(PL?)，再與氧反應(yīng)生成磷脂過氧化氫自由基(PLOO?)，并從另一個(gè)PUFA中除去一個(gè)氫形成PLOOH。

如果GPX4、PLOOH和脂質(zhì)自由基(特別是PLOO?和烷氧基磷脂自由基PLO?)不能轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的醇(PLOH)，這些物質(zhì)將通過在遠(yuǎn)端去除PUFA-PLs而被去除。氫原子反應(yīng)生成PLOOH，與氧分子反應(yīng)生成PLOOHs。

最終，這會產(chǎn)生許多產(chǎn)物，包括脂質(zhì)過氧化物的分解產(chǎn)物(如4-羥基壬烯酸和丙二醛)以及氧化和修飾的蛋白質(zhì)。

這種連鎖反應(yīng)可能最終破壞細(xì)胞膜的完整性，導(dǎo)致細(xì)胞器和/或細(xì)胞膜破裂。神經(jīng)元相關(guān)研究表明，PUFA-PL含量較高的膜易發(fā)生過氧化?，F(xiàn)有研究尚不清楚哪種脂質(zhì)過氧化細(xì)胞膜(如線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、過氧化物酶體、溶酶體和細(xì)胞膜)與鐵死亡有關(guān)。

細(xì)胞對鐵死亡的敏感性取決于脂質(zhì)雙分子層的不飽和程度，但脂質(zhì)過氧化是如何發(fā)生的仍不清楚。脂質(zhì)自由基或羥基自由基(?OH)的產(chǎn)生可以觸發(fā)非酶性脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，這可能是由鐵作為催化劑的芬頓反應(yīng)驅(qū)動的。

某些脂加氧酶(LOXs)是針對PUFAs的非依賴性血紅素雙加氧酶，可以直接氧化生物膜上的PUFAs和含pufa的脂質(zhì)，提示LOXs可能可以誘導(dǎo)鐵死亡。LOXs在鐵死亡中的作用尚不清楚，最新研究表明泛表達(dá)的細(xì)胞色素P450氧化還原酶(POR)也在脂質(zhì)過氧化中發(fā)揮作用。

NADPH通過POR提供電子，下游的電子受體(如細(xì)胞色素P450和CYB5A)接受電子并相應(yīng)降低。這可能是由于PUFAs的脫氫或三價(jià)鐵的還原轉(zhuǎn)化為二價(jià)鐵直接或間接觸發(fā)脂質(zhì)過氧化。

鐵死亡代謝

鐵、脂類、ROS和半胱氨酸在鐵死亡中的作用表明，細(xì)胞死亡方式與細(xì)胞代謝密切相關(guān)。江教授的研究試圖探索新陳代謝是如何決定細(xì)胞命運(yùn)的，以進(jìn)一步揭示鐵死亡和新陳代謝之間的復(fù)雜關(guān)系。

自噬的分解代謝過程是應(yīng)對各種脅迫的重要生存機(jī)制，但自噬是否能促進(jìn)細(xì)胞死亡(即“自噬細(xì)胞死亡”)以及如何促進(jìn)細(xì)胞死亡一直是爭論的焦點(diǎn)。

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)培養(yǎng)基中有完整的血清且缺乏氨基酸(觸發(fā)自噬的狀態(tài))時(shí)，自噬促進(jìn)非凋亡、非壞死的細(xì)胞死亡。

血清中的轉(zhuǎn)鐵蛋白和谷氨酰胺是這種形式的細(xì)胞死亡所必需的，特別是剝奪細(xì)胞培養(yǎng)基中的半胱氨酸可以觸發(fā)細(xì)胞死亡。鐵和半胱氨酸依賴性的保護(hù)作用表明，鐵死亡是在這些條件下細(xì)胞死亡的一種機(jī)制。

在缺乏半胱氨酸引起的鐵死亡中，自噬是通過鐵蛋白(也稱為鐵自噬蛋白)的自噬降解實(shí)現(xiàn)的，這增加了細(xì)胞中不穩(wěn)定的鐵含量，使鐵死亡更加敏感。

由于缺乏半胱氨酸，谷氨酰胺代謝或谷氨酰胺分解是鐵死亡的必要條件，而半胱氨酸將鐵死亡與氧化代謝聯(lián)系起來。

谷氨酰胺是促進(jìn)線粒體三羧酸循環(huán)(TCA)的關(guān)鍵補(bǔ)充代謝產(chǎn)物，TCA增加線粒體的呼吸頻率，促進(jìn)ROS的產(chǎn)生。

因此，線粒體的正常代謝功能與鐵死亡有關(guān)——這一結(jié)論已通過藥理學(xué)、細(xì)胞學(xué)和遺傳學(xué)分析得到證實(shí)。

不依賴GPX4的監(jiān)控通道

最近，一項(xiàng)全基因組篩查揭示了一種不依賴GPX4的鐵死亡監(jiān)測機(jī)制。第一種機(jī)制涉及鐵死亡抑制蛋白1 (FSP1;也被稱為AIFM2)。AIFM1最初被認(rèn)為是FSP1的同源物，可以促進(jìn)細(xì)胞凋亡(如FSP1/AIFM2)。

現(xiàn)在認(rèn)為這與線粒體膜之間蛋白質(zhì)的運(yùn)輸和正確折疊有關(guān)。FSP1缺乏實(shí)質(zhì)性的促凋亡功能，但實(shí)際上可以保護(hù)細(xì)胞免受GPX4基因抑制或缺失引起的鐵死亡。

FSP1是肉豆蔻?；?，與多種細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)(包括細(xì)胞膜、高爾基體和核周結(jié)構(gòu))有關(guān)。豆蔻酰化位點(diǎn)的突變將失去抗鐵死亡功能。

由于NADH的泛素氧化還原酶活性，F(xiàn)SP1通過還原泛素(或其部分氧化產(chǎn)物半對苯二酚)產(chǎn)生泛素來抑制脂質(zhì)過氧化和鐵死亡，從而降低脂質(zhì)過氧化和鐵死亡，從而直接降低脂質(zhì)自由基并終止脂質(zhì)自氧化，或通過再生和氧化維生素E(一種強(qiáng)大的天然抗氧化劑)間接阻止脂質(zhì)自氧化（見上面圖2）。另一項(xiàng)研究表明，GTP環(huán)水解酶1 (GCH1)通過其代謝產(chǎn)物四氫生物terophyllin (BH4)和二氫生物terocancer (BH2)阻止鐵死亡。

BH4對含有兩個(gè)PUFA尾部的磷脂具有抗氧化降解作用，這可能涉及一個(gè)雙重機(jī)制:直接捕獲抗氧化自由基并參與泛素酮的合成(見上面圖2c)。

雖然GCH1在保護(hù)組織和器官免受鐵死亡方面的作用尚不清楚，但基因敲除研究表明，缺乏GCH1基因的小鼠在妊娠中期會發(fā)生心動過緩和胚胎死亡。

除了直接作用于脂質(zhì)雙分子層的過氧化物或通過捕獲抗氧化自由基作用于磷脂的自由基外，可能還有其他機(jī)制可以保護(hù)細(xì)胞免受脂質(zhì)過氧化損傷。

角鯊烯是膽固醇代謝的代謝物。它對膽固醇缺乏的淋巴瘤細(xì)胞系和原發(fā)腫瘤有抗鐵死亡作用。然而，這是一種腫瘤亞型特異性效應(yīng)還是一種常見的保護(hù)機(jī)制尚待驗(yàn)證(圖2c)。

Hippo–YAP信號通路在鐵死亡中的作用

Hippo–YAP信號通路參與多種生物學(xué)功能，包括控制細(xì)胞增殖和器官大小。研究人員已經(jīng)研究了這一途徑在鐵死亡中的作用，并觀察到高密度細(xì)胞往往更能抵抗由缺乏半胱氨酸和GPX4抑制引起的鐵死亡。

在機(jī)制上，上皮細(xì)胞鐵死亡的細(xì)胞密度效應(yīng)是由E-cadherin介導(dǎo)的細(xì)胞-細(xì)胞接觸介導(dǎo)的，通過NF2(又稱Merlin)腫瘤抑制蛋白激活Hippo信號通路。因此，抑制核轉(zhuǎn)位和轉(zhuǎn)錄共同調(diào)節(jié)YAP因子的活性。

YAP以多種鐵死亡調(diào)控因子(ACSL4、轉(zhuǎn)鐵蛋白受體和其他調(diào)控因子)為靶標(biāo)，而鐵死亡的易感性取決于Hippo通路的活性，Hippo的活性隨著Hippo的抑制和YAP的激活而增加(文章圖4)。

在主要表達(dá)TAZ而不是YAP的腎癌細(xì)胞中，發(fā)現(xiàn)YAP類似物TAZ通過調(diào)節(jié)細(xì)胞密度促進(jìn)鐵死亡。E-cadherin–NF2–Hippo–YAP/TAZ通路在決定鐵死亡敏感性中起重要作用。

首先，該通路的多個(gè)成分在腫瘤中經(jīng)常發(fā)生突變，可增強(qiáng)YAP/TAZ的表達(dá)和/或活性，誘導(dǎo)鐵死亡可能成為某些特定腫瘤的潛在治療方法。其次，在不表達(dá)E-cadherin的非上皮細(xì)胞中也觀察到細(xì)胞密度依賴性鐵死亡。

研究人員認(rèn)為，其他鈣粘蛋白或細(xì)胞粘附分子也可能通過類似機(jī)制抑制鐵死亡。第三，Hippo–YAP通路在發(fā)育過程中非常重要。

它與多種信號通路相互作用，鐵死亡與正常細(xì)胞生物學(xué)之間可能存在聯(lián)系。最后，研究人員推測鈣粘蛋白的原始功能可能是保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激和鐵死亡。

AMPK信號通路在鐵死亡中的作用

細(xì)胞代謝應(yīng)激和葡萄糖缺乏增加了ROS的產(chǎn)生，表明葡萄糖缺乏促進(jìn)鐵死亡。然而，一些研究認(rèn)為，缺乏葡萄糖可以抑制鐵死亡。這種保護(hù)依賴于腺苷酸激活蛋白激酶(AMPK)的活性。在缺乏葡萄糖的情況下，AMPK被激活，能量應(yīng)激保護(hù)程序被激活，通過擾亂PUFAs的生物合成來對抗鐵死亡，PUFAs是脂質(zhì)過氧化導(dǎo)致鐵死亡的必要條件(文章圖4)。

腫瘤抑制中的鐵死亡

研究表明，多種腫瘤抑制因子可使細(xì)胞對鐵死亡敏感。仔細(xì)分析p53特異的賴氨酸乙?；稽c(diǎn)，研究人員發(fā)現(xiàn)p53通過抑制X- c – 系統(tǒng)來增強(qiáng)鐵死亡亞基SLC7A11系統(tǒng)的轉(zhuǎn)錄，這可能參與了p53在體內(nèi)和體外的腫瘤抑制功能。

腫瘤易感p53單核苷酸多態(tài)性導(dǎo)致P47S氨基酸替換，抵抗腫瘤細(xì)胞鐵死亡。

目前尚不清楚p53導(dǎo)致鐵死亡活性的喪失是否是這些特定突變的唯一功能性后果。相反，p53也通過調(diào)節(jié)其他轉(zhuǎn)錄靶點(diǎn)來防止鐵死亡。由于p53調(diào)控靶基因參與多種生物學(xué)過程，其在鐵死亡中的確切作用可能與環(huán)境有關(guān)。

與p53相似，腫瘤抑制因子和表觀遺傳調(diào)節(jié)因子BAP1通過下調(diào)SLC7A11的表達(dá)促進(jìn)鐵死亡。與p53不同，p53的鐵死亡促進(jìn)活性已被證實(shí)能抑制機(jī)體腫瘤的發(fā)生，但BAP1的鐵死亡活性是否能產(chǎn)生抑癌功能尚不清楚。

免疫監(jiān)測中的鐵死亡

研究表明，鐵死亡在免疫細(xì)胞誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡中起重要作用。IFN -γ (IFNγ)抑制X- c – 系統(tǒng)，CD8 + T細(xì)胞產(chǎn)生細(xì)胞因子鐵致腫瘤細(xì)胞死亡。

免疫細(xì)胞誘導(dǎo)鐵死亡的機(jī)制是否與其生理功能有關(guān)尚不清楚。IL-4和IL-13在某些細(xì)胞(腎、肺、脾、心)中抑制GPX4的表達(dá)，增加ALOX15的表達(dá)，并產(chǎn)生大量重要的炎癥中間體——花生四烯酸代謝物。

GPX4通過降低脂質(zhì)過氧化作用，抑制LOXs和環(huán)氧合酶的活性，削弱GPX4的活性，可能影響免疫調(diào)節(jié)脂質(zhì)介質(zhì)的分泌，然后通知免疫系統(tǒng)細(xì)胞處于鐵死亡敏感性狀態(tài)，有助于免疫監(jiān)測(發(fā)現(xiàn)損傷或惡性腫瘤)。

誘發(fā)鐵死亡的潛在抗癌療法

目前，基于鐵誘導(dǎo)死亡的癌癥治療方法正在積極探索。人們已經(jīng)嘗試使用基于納米顆粒的非靶向策略來運(yùn)送鐵、過氧化物和其他有毒物質(zhì)來殺死腫瘤細(xì)胞。多種調(diào)控鐵死亡的酶的存在使得靶向治療的發(fā)展成為可能。

其中最重要的靶點(diǎn)是GPX4，它在大多數(shù)癌細(xì)胞系中都有表達(dá)，對癌細(xì)胞的存活至關(guān)重要。GPX4缺乏經(jīng)典的小分子結(jié)合袋和現(xiàn)有的GPX4抑制劑共價(jià)修飾GPX4和其他硒蛋白的硒半胱氨酸殘基，具有特異性和潛在毒性。

這些抑制劑是高度活躍和不穩(wěn)定的，但它們可以被膠囊化前藥物的發(fā)展所克服，這些前藥物在細(xì)胞中代謝，將其轉(zhuǎn)化為活性形式。GPX4對于各種外周組織，如小鼠腎小管細(xì)胞和某些神經(jīng)元亞群是必不可少的。

因此，除非使用靶向腫瘤細(xì)胞的治療方法，否則靶向GPX4可能會有副作用。

GPX4靶向不同，考慮到敲除基因Slc7a11小鼠不會引起重大病理變化，并且SLC3A2和/或Slc7a11基因的表達(dá)與黑色素瘤和膠質(zhì)瘤患者的臨床結(jié)果呈負(fù)相關(guān)，通過抑制X-c系統(tǒng)，限制細(xì)胞半胱氨酸的方法是非常有前景的。

事實(shí)上，在小鼠或通過藥理學(xué)抑制遺傳學(xué)的X-c-來抑制各種腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移已經(jīng)是非常有希望的系統(tǒng)結(jié)果，它既有效又低毒。

與正常的X-c-系統(tǒng)相比，它對腫瘤組織的抑制作用更強(qiáng)因?yàn)樵谘趸瘧?yīng)激期間，它更容易受到活性代謝變化和其他方面的影響，因此更依賴于X-c系統(tǒng)的ROS解毒功能。

專家意見

使用基于抑制X-c-治療的系統(tǒng)，對腫瘤患者的需求分為明確的X-c-表達(dá)系統(tǒng)（例如，SLC7A11過表達(dá)的半胱氨酸依賴性癌細(xì)胞顯示明確的活性氧），以及決定X-c-之前討論的腫瘤抑制，因?yàn)樵撓到y(tǒng)對其他生物標(biāo)記物敏感。

與缺少Slc7a11類似，敲除Fsp1不會導(dǎo)致胚胎死亡或產(chǎn)生明顯的病理變化，表明靶向Fsp1具有廣闊的治療窗口。

FSP1在大多數(shù)癌細(xì)胞系中大量表達(dá)，是860個(gè)與GPX4抑制劑耐藥性相關(guān)的癌細(xì)胞系中排名最高的基因。缺少一個(gè)基因的GPX4癌細(xì)胞可能是一種特異的FSP-iFSP1失活抑制劑，并儲存在鐵和iFSP1-RSL3協(xié)同誘導(dǎo)的癌基因GPX4死亡中。

因此，F(xiàn)SP1抑制劑可用于臨床，特別是用于治療耐藥腫瘤或具有分化特征的腫瘤。

專家評語

作為一種獨(dú)特的細(xì)胞死亡方法，鐵死亡將先前細(xì)胞代謝的不同成分整合成一個(gè)緊密的網(wǎng)絡(luò)，包括鐵、硒、氨基酸、脂質(zhì)和氧化還原反應(yīng)（圖1）。隨著鐵死亡研究的進(jìn)展，我們已經(jīng)開始意識到這個(gè)網(wǎng)絡(luò)在生物過程（生理學(xué)和病理學(xué)）中起著廣泛的作用。

鐵死亡的定義是鐵耗盡和親脂自由基抗氧化劑(如鐵抑制素1、脂蛋白抑制素1、維生素E或泛素)抑制細(xì)胞死亡的過程。

主要有兩種機(jī)制，一種是鐵依賴性致死機(jī)制，并不完全等同于鐵死亡，鐵死亡可能與溶酶體毒性有關(guān)；二是鐵非依賴性氧化應(yīng)激機(jī)制。

研究人員還發(fā)現(xiàn)了另一種可能性：直接檢測脂質(zhì)過氧化（使用質(zhì)譜、熒光染料或1F83等抗體）。最新研究表明，轉(zhuǎn)鐵蛋白受體的動員和上調(diào)是鐵死亡的另一個(gè)潛在標(biāo)志，它可以區(qū)分氧化應(yīng)激和鐵死亡。

其他鐵死亡標(biāo)記在這一領(lǐng)域仍有很高的價(jià)值。該領(lǐng)域的另一個(gè)焦點(diǎn)是，使用實(shí)驗(yàn)方法不適合處理預(yù)期的問題。這是任何新興領(lǐng)域中不可避免的問題。

雖然鐵死亡的調(diào)控機(jī)制已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，但導(dǎo)致細(xì)胞死亡的鐵死亡的確切分子事件仍不清楚。在未來幾年中，鐵死亡的發(fā)病機(jī)制有望得到闡明。

這些研究將深入闡明鐵死亡的生理和病理效應(yīng)。在使用特定生物標(biāo)志物和準(zhǔn)確評估患者背景的指導(dǎo)下，新的基于鐵死亡的療法將被發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用于臨床。