铁死亡及其调控机制的研究进展
时间：2022-12-07 17:50:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
温 雪，郝长来
（承德医学院附属医院血液科，河北承德 067000）
细胞死亡一词于1842年首次被提及，描述了活细胞中所有基本细胞过程的最终结束。然而，在某些条件下，包括质膜和其他细胞成分的物理和化学损伤，细胞无法控制细胞死亡过程，因此通常被称为“意外/爆炸”或坏死细胞死亡。与这种不受控制的细胞死亡形式相比，大自然已经进化出了多种高度受控的细胞死亡模式—调节细胞死亡(regulated cell death, RCD)，它确保在正常发育和组织稳态过程中，生命与死亡的最终决定被合理安排[1]。近几年发现的一种非凋亡调节细胞死亡—铁死亡，它在形态和生化上都不同于已知的细胞死亡类型[2]。目前，铁死亡已经成为肿瘤领域的研究热点之一。本文针对铁死亡的提出、特征、主要的调控机制及其与其他细胞死亡方式的区别作一综述。
在2003年的一项研究中，Stockwell等[3]通过大规模筛选实验探索了多种化合物对肿瘤细胞的杀伤作用，发现了一种新的化合物erastin，它可以导致ras突变的肿瘤细胞以不同于传统的方式死亡。2012年，erastin诱导的细胞死亡最终被定义为铁依赖的RCD，命名为“铁死亡”[4]。在他们最初的研究中，铁死亡与其他类型的RCD(如凋亡、坏死和自噬细胞死亡)在形态学、生化和遗传水平上有显著的不同[5]。铁死亡是一种依赖于铁和脂肪毒性的非凋亡细胞死亡的独特形式，由非酶(Fenton反应)和酶机制[脂氧合酶(LOXs)]所引发的铁催化的脂质过氧化反应触发[6]。铁死亡描述了一种调控细胞死亡的形式，是由致命的脂质过氧化引起的。铁螯合剂、亲脂性抗氧化剂、脂质过氧化抑制剂和多不饱和脂肪酸(PUFAs)的消耗可以抑制仅由铁死亡引起的细胞死亡，并与脂质过氧化标志物的积累相关[7]。
铁死亡是一种非凋亡的、依赖铁的细胞死亡形式，其特征是致命的脂质活性氧(ROS)的铁依赖性积累[8]，可通过自然刺激和合成药剂在癌细胞中激活。定义铁死亡的三个基本特征是:磷脂过氧化氢过氧化物酶GPX4丧失脂质过氧化物修复能力，氧化还原活性铁的可用性，以及含多不饱和脂肪酸(PUFA)的磷脂的氧化[9]。脂质过氧化物、PTGS2水平升高、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)降低可被认为是铁死亡的生物标志物[2]。铁死亡形态学特征包括：发生铁死亡的细胞具有典型的坏死形态，伴有小的畸形线粒体，嵴减少，膜浓缩，外膜破裂，没有凋亡的标志[6]。
3.1 铁死亡的调节途径
3.1.1 甲羟戊酸途径 甲羟酸（MVA）途径调控硒蛋白的生物合成。GPX4作为GSH过氧化物酶的一员，是一种以硒半胱氨酸为活性中心的硒蛋白，可以减少细胞中脂质过氧化物并帮助细胞存活，GPX4失去活性可促进铁死亡。但是由于硒半胱氨酸的遗传密码是UGA，与终止密码子相同，所以，需要一个特异的转运体将硒半胱氨酸插入GPX4中[10]。硒半胱氨酸-tRNA[tRNA(Sec)]是机制的关键组成部分之一，并控制人类所有25种硒蛋白的生物合成，在成熟过程中,tRNA(Sec)在特定的腺嘌呤位点经历脂质修饰(异戊烯化)，这是Sec有效融入硒蛋白所必需的[11]。然而，硒半胱氨酸tRNA的成熟需要tRNA-异戊烯基转移酶催化异戊烯基焦磷酸(IPP)的异戊烯基团转移到硒半胱氨酸tRNA前体的特定腺嘌呤位点[10]。由于IPP是MVA途径的重要产物，MVA途径抑制剂(如他汀类药物)可抑制硒半胱氨酸tRNA的成熟和GPX4的合成。因此，MVA途径可以通过调节GPX4的丰度和活性来调控铁死亡[7]。
3.1.2 转硫途径 蛋氨酸是一种含硫氨基酸，含硫蛋白质在哺乳动物细胞中非常重要，是人体必需的，只能从食物中获得。通过硫在体内的转移途径，蛋氨酸可以转化为同型半胱氨酸和半胱氨酸的中间产物[10]。半胱氨酸是一种非必需氨基酸，转硫途径可以将蛋氨酸转化为同型半胱氨酸和半胱氨酸的中间产物，因为一些哺乳动物细胞能够通过经转硫途径合成半胱氨酸，除了重新合成半胱氨酸，细胞还可以利用转运体如system xc-和EAATs(兴奋性氨基酸转运体)以氧化二硫化合物的形式吸收细胞外的半胱氨酸，提供蛋白质合成和氧化应激解毒所需的半胱氨酸。然而，哺乳动物细胞通常只依赖其中一种模式作为半胱氨酸的主要来源,当摄取模式被抑制时，转硫途径提供半胱氨酸的代偿来源[12]。体内的半胱氨酸主要用于合成谷胱甘肽、抗氧化肽、硫氧还蛋白(Trx)等,其中谷胱甘肽是维持细胞氧化还原平衡的关键因素。GSH通过GPX4介导细胞内醇类脂质过氧化物和有机过氧化氢产物的还原，从而使GPX4在铁死亡调控中发挥核心作用。最近的研究表明，通过上调转硫途径的基因表达，半胱氨酸- tRNA合成酶(CARS)的缺失可以抑制erastin诱导的铁死亡，但不能抑制RSL3-或BSO诱导的铁死亡。这说明，在细胞中，转硫途径通过调节GPX4而对铁死亡发挥调控作用[10]。
3.1.3 HSF1-HSPB1途径 热休克蛋白(heat-shock proteins,HSPs)被认为是调节和控制细胞骨架结构的分子伴侣，并稳定异常折叠蛋白[10]。热休克蛋白根据其分子大小，可分为6个不同的亚家族:HSP100、HSP90、HSP70、HSP60、小HSP和HSP10。其中HSPB1(小HSPs成员)和HSPA5(HSP70成员，ER主要伴侣)是铁死亡的负调节因子[13]。热休克因子(heat-shock factors, HSFs)是调节HSP合成的转录因子。HSPB1也被称为小鼠HSP25或人类HSP27。最近的研究发现，erastin可以提高HSPB1 mRNA和蛋白的表达，HSF1-HSPB1通路可以负调控erastin诱导的人宫颈癌细胞、骨肉瘤细胞和前列腺癌细胞的铁死亡。抑制HSF1和HSPB1可以增加细胞内铁和ROS的浓度，最终抑制肿瘤细胞的生长，而蛋白激酶C (PKC)调节的HSPB1磷酸化可以通过阻断细胞骨架介导的铁摄取和随后的ROS生成来防止细胞的铁死亡[5,10]。
3.1.4 铁死亡的其他调节途径 另外，其他途径也参与调控细胞的铁死亡。p62-Keap1-NRF2通路通过调节NRF2的表达，调控肝癌细胞对铁死亡的易感性。谷氨酸和转铁蛋白可以通过谷氨酰胺分解途径和细胞表面的转铁蛋白受体调控细胞内铁离子和ROS的形成，并在铁死亡中发挥调控作用[10]。在ATG5-ATG7-NCOA4通路中，NCOA4介导的铁蛋白相关自噬过程可以增加细胞中不稳定铁的含量，从而促进铁死亡的增强[15]。
3.2 铁死亡的正调节因子
3.2.1 p53 P53作为SLC7A11的转录抑制因子参与了铁死亡，影响半胱氨酸的导入并促进铁死亡的起始[16]。在某些癌细胞中，p53的激活被发现是需要的。这个过程依赖于对SLC7A11的直接转录抑制，SLC7A11是system Xc-的关键组成部分[5]。进一步研究发现，P53通过下调SLC7A11的表达，抑制system Xc-摄取胱氨酸，从而影响GPX4的活性，导致抗氧化能力降低、ROS积累和铁死亡下降。P53-P21轴可以负向调控癌细胞内的铁死亡发生[15]。p53在铁死亡中具有双重调控功能，p53在人类结直肠癌(CRC)中抑制铁死亡，而在其他癌症细胞中，p53是铁死亡的正向调控因子[2]。
3.2.2 RAS RAS激活可以通过增加转铁蛋白受体的表达和细胞内铁水平来增强铁死亡的敏感性。MAPK相对活化程度最高的NSCLC细胞系对胱氨酸缺失诱导的铁死亡最敏感，这与最初的观察一致，RAS/MAPK通路的激活使单个细胞系对铁死亡敏感[9]。
3.2.3 血红素氧合酶1 (HO-1) HO-1是一种细胞保护酶，可诱导细胞应激反应。HO1主要催化血红素降解为胆绿素、一氧化碳(CO)和Fe2+，然后助力LIP增强铁死亡[17]。
3.3 铁死亡的负调节因子
3.3.1 GPX4 GPX4是GSH过氧化物酶的一员，可以减少细胞中脂质过氧化物并帮助细胞存活，GPX4失去活性可促进铁死亡[18]。GPX4将还原的谷胱甘肽转化为氧化的谷胱甘肽(GSSG)，同时将脂质过氧化氢转化为相应的醇或将游离的过氧化氢转化为水[5]。过表达GPX4可抵抗ros诱导的肿瘤细胞死亡，沉默GPX4可使肿瘤细胞对ros诱导的细胞死亡敏感[14]。当谷胱甘肽耗尽，直接抑制或间接灭活GPX4时，它是一种特异而健壮的铁死亡的中央调控因子[19]。
3.3.2 System Xc− System Xc−是一种异二聚体胱氨酸/谷氨酸的反转运载体，由两个关键成员组成，包括催化亚基溶质载体家族7成员11 (SLC7A11)和溶质载体家族3成员2 (SLC3A2) 。System Xc−负责通过引入胱氨酸来维持氧化还原内稳态，然后将其还原为半胱氨酸并用于合成主要的抗氧化剂GSH5。System Xc−是铁死亡过程中的上游分子,靶向SLC7A11和阻断胱氨酸摄取的药物可诱导铁死亡。SLC7A11可以与BECN1相互作用，进一步诱导铁死亡[14]。如前所述，p53通过抑制SLC7A11的表达，是某些癌细胞上的一种正调控因子，从而抑制System Xc−活性[5]。
3.3.3 NRF2 NRF2被认为是铁死亡的重要调节因子，其活性受到Keap1的严格调控[17]。NRF2通过增加参与铁和ROS代谢的靶基因的表达，如醌氧化还原酶1(NQO1)和HO1，抑制铁死亡[2]。p62与kelch样的ECH相关蛋白1(Keap1)的NRF2结合位点相互作用，竞争性地抑制Keap1-NRF2相互作用，后者负责在用FINs(如erastin、sorafenib和BSO)处理后的NRF2蛋白质的稳定性[5]。Nrf2在线粒体的生物发生和功能中起关键作用，并进一步调控铁死亡的过程[17]。
一些基因(如p62、CISD1、HSF1和HSPB1)是癌细胞铁死亡的负调控因子。在癌细胞中，通过RNA干扰敲除这些基因可促进铁死亡，增加抗肿瘤活性[20]。
3.4 铁代谢调控铁死亡
铁是一种氧化还原活性金属，可参与自由基的形成和脂质过氧化的传播[17]。细胞内铁处于微妙的调控下，以维持铁稳态。铁调节蛋白(IRP1和IRP2)调节细胞Fe2+浓度，各种蛋白调节铁的输入、储存、释放和输出[21]。铁的吸收、输出、利用和贮存都受到铁死亡的影响。胞内Fe2+的水平上调响应铁死亡激活剂[18]。在哺乳动物细胞中，部分细胞铁分布于线粒体、胞浆、细胞核和溶酶体中，虽然量少，但细胞对铁的浓度很敏感，浓度稍有波动就会引起很大的反应[21]。细胞质铁被保留为铁蛋白，铁蛋白由铁蛋白重链(FtH)和铁蛋白轻链(FtL)组成。铁死亡是通过Fenton反应介导的，Fe2+与过氧化氢反应生成ROS。ROS破坏DNA的稳定性，促进细胞死亡。ROS诱导的铁死亡可能有多种来源。除了铁依赖的ROS积累，NADPH依赖的脂质过氧化和谷胱甘肽消耗也被认为是引起铁死亡的原因[22]。综上所述，铁稳态的失调参与了铁死亡的发生，通过上调铁水平诱导铁死亡可能成为一种新的抗肿瘤策略[14]。
在过去的10年里，人们对细胞的死亡方式有了深刻的了解。随着我们对坏死一词的理解，出现了几种不同的细胞死亡形式[23]。细胞死亡是细胞的最后阶段，它是由外源性或内源性物质的细胞毒性引起的。细胞死亡有多种形式，最初是根据细胞形态来定义和分化的[10]。除了细胞凋亡和自噬外，还发现了其他程序性细胞死亡，如程序性坏死。铁死亡、坏死作用、依赖性细胞死亡和焦亡作用都属于程序性坏死，程序性坏死是由基因编码的细胞机械的特定程序以有序方式摧毁细胞完成的[24]。铁死亡细胞表现出非常明显的生物能量和形态特征，包括细胞内的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)耗尽，但ATP没有耗尽，以及膜完整性的损失，伴随着肿瘤病形态正常细胞核和线粒体减少，显示膜密度增加,线粒体外膜破裂。基于这些特征，铁死亡很容易区别于其他细胞死亡模式，包括凋亡(caspase依赖、染色质凝结、膜“出芽”)和自噬(自噬体的形成)[1]。铁死亡是一种依赖铁的非凋亡的细胞死亡模式，其特征是脂质活性氧(ROS)的积累。在细胞形态和功能上，与坏死、凋亡、自噬明显不同。它没有典型的坏死的形态特征，如肿胀的细胞质和细胞器以及细胞膜的破裂；
也没有传统的细胞凋亡的特点，如染色体收缩、染色质凝结和外周化，以及圆形或卵圆形的细胞质碎片形成。与自噬相反，铁死亡不形成经典的封闭双层膜结构(自噬泡)[10,15]。形态学上，铁死亡细胞线粒体较小，线粒体膜密度较高，线粒体嵴消失，线粒体外膜破裂，这是一个不同于其他细胞死亡方式的过程[2]。不同类型的小分子（如erastin、SAS、RSL3等）均可诱导铁死亡，但不能被诱导细胞凋亡和坏死的物质诱导，提示其机制不同于细胞凋亡和坏死[10]。6个线粒体基因RPL8、IREB2、ATP5G3、CS、TTC35、ACSF2参与铁死亡的遗传调控。研究证实，这6个基因与铁死亡密切相关，但与细胞凋亡、坏死或自噬等其他形式的细胞死亡无关，提示铁死亡的遗传调控机制与凋亡、坏死完全不同[10]。
本文对近些年研究发现的铁死亡调节途径及铁死亡的正负调控因子进行了综述，然而铁死亡的调控机制远比之前认为的更为复杂，虽然最近有许多研究进展和新的发现，但铁死亡的详细调控机制仍不清楚。未来的研究应关注铁死亡相关基因的诊断和预后价值，还需要对其调控机制进行更深入的研究，以期为相关疾病的发病机制及治疗提供更好的依据。我们相信，在不久的将来，铁死亡的调控机制会研究得越来越透彻，铁死亡将成为目前尚无成功治疗方案的肿瘤性疾病的一种新的治疗策略。
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