腫瘤鐵死亡調控機制的新進展

張正陽， 王昕， 王康， 朱海濤

(江蘇大學附屬醫院影像科， 江蘇 鎮江 212001)

細胞死亡是細胞生命過程的終結，該過程對機體的生存和發展意義重大。誘導腫瘤細胞死亡是臨床癌癥治療的主要策略。凋亡和壞死是最常見的兩種細胞死亡形式，但隨著研究深入，近來發現一種以鐵依賴性的脂質活性氧堆積為特點的細胞死亡方式——鐵死亡。鐵死亡目前已經成為腫瘤領域的研究熱點之一，其在形態學、分子生物學和代謝特征等方面顯著區別于其他類型的細胞死亡形式。同時，鐵死亡的激活可以抑制腫瘤細胞增殖，有望成為腫瘤治療的新方式。本文針對鐵死亡主要的調控機制及其近來在腫瘤治療中的研究進展進行綜述。

1 鐵死亡及調節因素

鐵死亡(ferroptosis)一詞于2012年首次提出，用于描述由小分子化合物erastin誘導的細胞非凋亡非壞死的死亡新模式。Erastin通過抑制胱氨酸向細胞內轉運，進而導致谷胱甘肽耗盡和谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4, GPX4)的失活，最終誘導細胞發生鐵死亡[1]。細胞內GPX4的主要生理作用是將脂質過氧化物轉化為無毒的脂質醇，從而抑制脂質過氧化物對細胞的毒副作用。而GPX4活性抑制劑(erastin或RSL3)等通過抑制GPX4活性可以導致細胞內脂質過氧化產物大量堆積，最終引起細胞鐵死亡[2-3]。因此，脂質過氧化反應是調節細胞發生鐵死亡的核心因素。

1.1 鐵代謝調控鐵死亡

鐵離子是脂質過氧化物累積和細胞發生鐵死亡的必要因素之一[4]。細胞內鐵離子攝入與釋放、儲存和轉運都是影響細胞鐵死亡的重要因素[5]。研究報道，鐵死亡發生的必要條件之一是轉鐵球蛋白及其受體將鐵離子從細胞外轉運至細胞內[6]。沉默大鼠鐵離子代謝的關鍵調節因子——鐵反應元件結合蛋白2可以有效降低細胞對鐵死亡的敏感性[1]。自噬亦可以通過影響鐵離子代謝，進而調節細胞對鐵死亡誘導劑的敏感性[7]。儲鐵蛋白介導的選擇性自噬，簡稱為鐵自噬，其通過調控細胞內的鐵離子轉運來增強細胞對鐵死亡的敏感性。特定的受體核受體活化輔助因子4(nuclear receptor coactivator 4, NCOA4)識別儲鐵蛋白后，將儲存的鐵離子轉運至自噬小體中降解，進而將鐵離子釋放入細胞質變為游離鐵[8-9]。近期研究也發現，核因子E2相關因子2(nuclear factor erythroid2-related factor2, NRF2)、熱休克蛋白B1等基因可通過調節細胞的鐵離子代謝，進而影響細胞對鐵死亡誘導劑的敏感性[10-11]。由此可見，鐵離子代謝和鐵自噬可能是誘導細胞發生鐵死亡的潛在調控點。

1.2 脂質代謝調控鐵死亡

研究表明，鐵死亡是一類含多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids，PUFAs)的磷脂過度氧化所引起的細胞死亡，該類磷脂在細胞膜中大量存在[12]。長鏈脂酰輔酶A合成酶4和溶血卵磷脂酰基轉移酶3是調控磷脂膜中多不飽和脂肪酸合成與重塑的關鍵酶，其抑制或缺乏可以增強細胞對鐵死亡的抵抗。多不飽和脂肪酸的豐度決定了細胞中發生脂質過氧化的程度和鐵死亡發生的難易程度[13-14]。

鐵死亡的核心過程是細胞內出現脂質過氧化產物堆積，細胞內的脂質過氧化分為兩種，即非酶促的脂質過氧化和酶促的脂質過氧化。非酶促的脂質過氧化又稱為脂質的自氧化，是一種自由基介導的鏈式反應。細胞內芬頓反應生成羥基自由基[16]，不斷將多不飽和脂肪酸氧化成脂質過氧化氫。而酶促的脂質過氧化是指在脂氧合酶的催化下，游離的多不飽和脂肪酸生成各種脂質過氧化氫的過程[17]。隨后脂質過氧化氫在Fe2+的催化下生成烷氧基自由基，參與下一個脂質過氧化鏈式反應[18]。持續的氧化反應以及多不飽和脂肪酸的耗竭改變了細胞膜的流動性結構，膜的通透性增加，最終導致細胞死亡。

Fe2+參與自由基的形成，同時也是脂質過氧化反應中重要的催化劑[19]。在某些細胞系中，用藥物抑制或者RNA干擾脂氧合酶，可以有效抑制鐵死亡[20]。近來，有報道稱維生素E可以抑制脂氧合酶的活性[13]，這為維生素E可以挽救鐵死亡的效應提供依據。此外，由于脂質過氧化會生成毒性的醛類物質，如4-羥基-2-壬烯醛或丙二醛，這些醛類物質會導致一些參與正常生理功能的蛋白失活，從而促進了鐵死亡的過程[21]。Shimada等[22]通過研究FIN56誘導鐵死亡的過程，確定甲羥戊酸途徑參與調節鐵死亡。甲羥戊酸途徑的直接代謝產物——焦磷酸異戊烯酯，對膽固醇生物合成、硒代半胱氨酸轉移酶的異戊烯基化和輔酶Q10的產生至關重要[23]。硒代半胱氨酸轉移酶參與GPX4合成，促進脂質過氧化氫向脂質醇轉變[20]。同時，細胞內半胱氨酸可以通過合成谷胱甘肽來作為GPX4催化反應的還原劑，消除脂質過氧化對膜的破壞[24]。研究發現，鐵死亡抑制蛋白1的肉蔻酰化修飾導致輔酶Q的還原型輔酶Ⅰ(NADH)依賴性減少，輔酶Q作為一種自由基捕獲的抗氧化劑，抑制脂質過氧化物增殖[25]。

1.3 氨基酸代謝調控鐵死亡

越來越多的研究證實，氨基酸代謝異常與細胞鐵死亡密切相關[26]。谷胱甘肽是細胞最重要的抗脂質氧化分子，而其合成需要半胱氨酸作為原材料。因此，細胞內半胱氨酸的豐度決定細胞對抗脂質氧化的程度。細胞內半胱氨酸的來源主要通過兩個途徑：一是胱氨酸/谷氨酸逆向轉運系統(system Xc-，Xc-系統)；二是轉硫途徑。Xc-系統是位于細胞膜的一種轉運體，由溶質載體家族7成員11(solute carrier family 7 member 11, SLC7A11)和溶質載體家族3成員2(solute carrier family 3 member2, SLC3A2)兩個亞基組成，將谷氨酸轉運出細胞的同時將胱氨酸轉運入細胞[27]。細胞也可以通過轉硫途徑將甲硫氨酸合成半胱氨酸，當細胞內Xc-系統受到抑制時，細胞仍然能夠通過轉硫途徑合成半胱氨酸。因此，以抑制Xc-系統為靶點的鐵死亡誘導劑并不能完全、有效地殺傷細胞。Hayano等[28]研究發現，通過干擾RNA抑制半胱氨酸-tRNA合成酶的表達可以增強轉硫途徑，進而增加細胞對鐵死亡誘導劑的抵抗。谷氨酸和谷氨酰胺是鐵死亡的重要調節因子[29]。細胞膜上的Xc-系統是維持細胞內谷氨酸和胱氨酸穩態的主要體系。正常條件下，Xc-系統在泵出一分子谷氨酸的同時，泵入一分子的胱氨酸。而Xc-系統的活性同時受細胞外谷氨酸水平的反饋調節[30]。研究表明，細胞外谷氨酸濃度過高會導致Xc-系統失活并引起鐵死亡，由此解釋了谷氨酸濃度過高對中樞神經系統細胞毒性作用的機制[6]。Massie等[31]研究發現，敲除小鼠Xc-系統可以保護其免受谷氨酸積累而引起的神經毒性損傷。因此，細胞外谷氨酸積累可以認為是生理條件下誘導鐵死亡的因素之一。

2 鐵死亡與腫瘤

大量研究表明，鐵死亡可以殺死腫瘤細胞，抑制腫瘤生長[32]。雖然目前僅限于細胞及動物實驗，但是已經有一些小分子鐵死亡誘導劑表現出良好的腫瘤治療效果。

2.1 鐵死亡與胰腺導管細胞癌

胰腺導管細胞癌是消化道常見的惡性腫瘤，5年生存率僅9%，號稱“癌中之王”[33-34]。吉西他濱是胰腺癌的一線化療藥，但治療效果仍不理想。研究表明，熱休克蛋白5(heat shock protein family A5, HSPA5)與胰腺癌患者的吉西他濱治療預后密切相關[33, 35]。HSPA5-GPX4通路激活可導致胰腺癌細胞對吉西他濱耐藥，而抑制HSPA5或GPX4的基因表達則可以逆轉，該過程中鐵死亡發揮重要作用[35]。青蒿琥酯是青蒿素衍生物的一種，是治療瘧疾的一線藥物[36]。前期研究及相關報道表明，青蒿素及其衍生物可以特異性誘導Kras突變的胰腺癌細胞發生鐵死亡，而對正常細胞毒性作用很小[37]。青蒿素及其衍生物促進胰腺癌細胞鐵死亡的主要機制是依賴增加細胞內活性氧的產生[37]。

2.2 鐵死亡與肝細胞癌

肝細胞癌的最主要治療手段是手術，但是患者術后復發和轉移發生率較高[38]。索拉非尼是治療肝細胞癌的常用化療藥物之一。研究表明，索拉非尼可以誘導肝癌細胞內脂質氧化水平增高，進而導致細胞死亡，鐵死亡的特異性抑制劑ferrostatin-1可以阻止該效應，而凋亡和壞死的抑制劑則不能起到挽救作用[11]，因此可認為索拉非尼誘導肝癌細胞死亡的途徑與鐵死亡相關。研究發現，聯合低密度脂蛋白和天然ω-3多不飽和脂肪酸二十二碳六烯酸的納米復合物(LDL-DHA)，可以通過引起鐵死亡有效殺傷肝癌細胞[39]。研究發現，聯合erastin、索拉非尼和氟哌啶醇，可以誘導肝癌細胞內鐵離子濃度增高，鐵離子通過芬頓效應產生過量的活性氧，導致脂質氧化水平升高，進而誘導肝癌細胞發生鐵死亡[40]。

2.3 鐵死亡與膠質瘤

膠質瘤是最常見的中樞神經系統腫瘤。研究表明，膠質瘤細胞核因子E2相關因子2通路的過度激活，引起胱氨酸/谷氨酸轉運體的活化，從而使膠質瘤細胞的鐵死亡受到抑制[41]。Wang等[42]研究發現，土槿皮乙酸可以激活膠質瘤細胞中NADPH氧化酶4，同時抑制細胞膜上的Xc-系統活性，促進膠質瘤細胞的鐵死亡。轉錄激活因子4通過促進胱氨酸/谷氨酸轉運體相關蛋白的表達，降低膠質母細胞瘤對鐵死亡誘導劑的敏感性[27]。沉默膠質母細胞瘤胱氨酸/谷氨酸轉運體相關蛋白的表達，可以增強膠質瘤細胞對替莫唑胺的敏感性。鐵死亡特異性誘導劑erastin通過抑制胱氨酸/谷氨酸轉運體活性，引起細胞內還原型谷胱甘肽合成不足，進而增敏替莫唑胺對膠質瘤細胞的殺傷作用[27]。

2.4 鐵死亡與血液系統腫瘤

急性淋巴細胞白血病是一種起源于淋巴細胞的B系或T系細胞在骨髓內異常增生的惡性腫瘤性疾病，異常增生的原始細胞在骨髓聚集并抑制正常造血功能，同時也可侵及骨髓外的組織，如腦膜、淋巴結、性腺以及肝臟等[43]。研究發現，鐵死亡誘導劑RSL3可以直接抑制急性淋巴細胞白血病細胞GPX4酶活性，導致細胞內脂質氧化成分無法被還原為無毒的醇類，引起細胞鐵死亡[44]。

彌漫性大B細胞淋巴瘤(DLBCL)是霍奇金淋巴瘤中最常見的類型。DLBCL細胞轉硫途徑的缺陷致其對鐵死亡誘導劑極度敏感[45]。Erastin等鐵死亡誘導劑抑制DLBCL細胞Xc-系統活性時，由于自身轉硫途徑的缺乏，合成還原型谷胱甘肽的胱氨酸無法進入細胞，導致脂質過氧化物無法得到及時有效的還原，進而誘導DLBCL細胞的鐵死亡[45]。Sato等[45]研究發現，柳氮磺嘧啶抑制Xc-系統活性能夠有效抑制淋巴瘤細胞的生長。基于SLC7A11缺陷小鼠的模型研究發現，SLC7A11缺失對小鼠的正常生長發育沒有明顯影響，但是可以明顯促進鐵死亡誘導劑的治療效果，因此SLC7A11或許可作為治療DLBCL的有效靶點。

3 結語

鐵死亡是近年來發現的一種新型死亡形式，其發生涉及多種分子的表達及信號通路，其中鐵、脂質和氨基酸代謝是其最核心的調控機制。而腫瘤細胞中游離鐵豐富、活性氧水平高的特征，為臨床利用鐵死亡方式治療腫瘤提供了理論依據。此外，靶向鐵死亡通路的小分子藥物尚處在基礎研究階段，其在人體內的具體作用機制還有待進一步研究。