鐵死亡與生殖系統疾病研究進展

劉麗學，范春梅，侯石磊，武艾寧，托 婭＊

（1.內蒙古醫科大學附屬醫院生殖醫學中心，內蒙古 呼和浩特 010050；2.內蒙古醫科大學 臨床醫學院）

1 鐵死亡相關概念

2012年，Dixon等[1]首次發現鐵死亡（ferroptosis），鐵死亡是一種新的自噬依賴性細胞死亡形式[2]，它被認為是對抗廣泛脂質過氧化的防御機制。脂質過氧化是一個復雜的過程，可能破壞細胞膜的完整性，最終導致細胞毒性損傷。鐵死亡受鐵、活性氧和多不飽和脂肪酸的控制，是一種與鐵密切相關的細胞死亡形式。鐵死亡在分子、形態、發生上與既往認為的自噬和細胞凋亡等其他細胞死亡形式不同。許多研究發現，鐵死亡參與多種疾病的發生發展，例如神經系統退行性疾病、慢性心血管疾病、腫瘤、泌尿系統腎疾病、空腸疾病等[3～5]，最新研究熱點在于呼吸系統疾病[5]。但在生殖系統[6]的研究較少，也不全面。也有人認為鐵死亡與炎癥有關系，鐵死亡參與了對乙酰氨基酚誘導的細胞死亡，介導炎癥發生，能被淋巴系統免疫所抑制，從而使細胞死亡，說明鐵死亡與炎癥之間有一定關系[7，8]。與此同時，現已鑒定出鐵減少癥的一些小分子抑制劑，包括自由基捕獲抗氧化劑（ferrostatin-1，Fer-1）和liproxstatin-1，可以阻斷腦、腎和其他組織中的病理性細胞死亡事件。在Li等研究中，鐵死亡抑制劑可以抑制放射引起的放射性肺炎而導致的肺纖維化，說明鐵死亡的發生與鐵離子有密切關系[9]。

2 鐵代謝與鐵死亡

鐵如何促進細胞內鐵死亡尚不清楚。盡管不能正式排除鐵的氧化還原獨立作用，但鐵螯合劑阻止鐵死亡最明顯的方式是阻止鐵將電子提供給氧形成脂質活性氧（reactive oxygen species，ROS）。不同類別的鐵螯合劑有不同的作用方式，親脂性鐵螯合劑可以穿過質膜并螯合細胞內游離的“氧化還原活性”鐵池[10]，這可以通過阻止鐵池催化，分別引發或傳播氧化性多不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty acid，PUFA）片段的可溶性或脂質自由基的形成來阻止鐵死亡[11]。親脂性鐵螯合劑可替代地或并行地直接滅活促進膜脂質氧化的含鐵酶。在這方面，脂氧合酶（lipoxygenase，LOX）家族是介導鐵依賴性L-ROS形成的重要組成部分。鐵依賴性LOX酶催化PUFA（如AA）的位點特異性氧化，并由親脂性鐵螯合劑使其直接失活。小分子LOX抑制劑可阻止由于谷胱甘肽（glutathione，GSH）耗盡或谷胱甘肽過氧化物酶4（glutathione peroxidase4，GPX4）缺失引起的細胞死亡；其他鐵依賴性酶，包括鐵和2-氧戊二酸依賴性雙加氧酶脯氨酰4-羥化酶同工型1（prolyl hydroxylase，PHD1），也可能是鐵螯合劑作用的相關靶標，以預防GSH耗竭誘導的細胞死亡。

3 鐵死亡發生機制

調節性細胞死亡（regulated cell death，RCD）調節機體發育和維持體內外平衡。RCD可以通過凋亡或幾種非凋亡之一進行細胞死亡途徑，包括鐵離子介導的鐵死亡過程。鐵死亡是由GPX4失活引起的GSH依賴性抗氧化劑防御，Fe2+濃度超載，GPX4的失活，L-ROS積累，造成細胞膜脂質過氧化，從而造成細胞的死亡[12]。分子抗氧化劑，例如Fer-1，相關研究表明脂質ROS介導的損害對于鐵死亡至關重要。因此，探討鐵死亡參與的細胞死亡機制有重要意義。

3.1 造成GPX4失活的主要原因有以下兩種

3.1.1 鐵死亡與脂質過氧化的關系 抑制胱氨酸谷氨酸轉運受體System XC-是以Na+依賴性方式起作用的胱氨酸-谷氨酸交換轉運蛋白。它是一種二硫鍵連接的異二聚體，包含重鏈亞基（CD98hc，SLC3A2）和輕鏈亞基（xCT，SLC7A11）。System XC-導入細胞外的胱氨酸，然后將其轉化為用于GSH合成的半胱氨酸，而將細胞內的谷氨酸從細胞中轉移出來。通過利用GSH作為輔助因子，GPX4作為細胞抗磷脂過氧化物的重要抗氧化劑。因此，System XC-抑制將導致GSH耗竭并間接滅活GPX4，導致有毒ROS積累并繼而引起鐵死亡。對System XC-的抑制會導致SLC7AI1的代償性轉錄上調[13]，而在高效的鐵死亡誘導劑Erastin和柳氮磺胺吡啶誘導的鐵死亡中，確實發現了SLC7A11的上調胱氨酸/谷氨酸逆轉運蛋白，會引起上述反應。Erastin是一種鐵死亡誘導劑，通過抑制System XC-[14]，阻礙胱氨酸吸收的方式，降低了谷胱甘肽的含量，從而導致鐵死亡。通過抑制谷氨酸-半胱氨酸連接酶（glutamate-cysteine ligase，GCL）直接抑制GSH的合成也可以誘發鐵死亡。

3.1.2 鐵死亡誘導劑直接抑制GPX4的酶促活性除了GSH介導的途徑外，還有一種獨特的機制可以引發鐵死亡，其涉及鐵的氧化和FINO2對GPX4活性的抑制，從而間接導致GSH的消耗，其中GPX4是鐵死亡中的關鍵因素。FINO2含有內過氧化物的1，2-二氧戊環，可以在癌細胞中選擇性地引發鐵死亡。RSL3是GPX4的抑制劑，其可以共價結合GPX4的親核活性位點“硒代半胱氨酸”，這取決于其親電子性的氯乙酰胺，并隨后損害GPX4的活性。FINO2也可以通過GPX4失活來引發鐵死亡。FINO2需要內過氧化物和附近的親水頭來誘導鐵死亡。但是，GPX4和FINO2之間的確切關系不清楚。GPX4的耗盡會增加磷脂氫過氧化物，并促進脂氧合酶介導的脂質過氧化，最終導致鐵死亡[15]。RSL3與Erastin都是鐵死亡誘導劑，兩者均能引起脂質活性氧的上升。

3.2 microRNA和lncRNA調節鐵死亡

microRNA和長非編碼RNA（lncRNA）逐漸被認為是調節鐵死亡的關鍵介質。此外，miR-7-5p下調線粒體鐵蛋白并降低Fe2+，從而影響鐵死亡[16]。胞質lncRNA、P53RRA可通過抑癌基因P53的核定位信號。P53RRA與Ras基因的RNA識別結合基序（RRM）域，GTPase激活蛋白結合蛋白1（G3BP1），導致G3BP1與P53結合，在核中引起更多的P53保留，在細胞質中隔離P53。P53RRA增加了細胞內鐵和脂質的濃度。胞漿P53RRA-G3BP1是一種誘導肺腺癌的鐵死亡的新機制，最終將谷氨酰胺（glutamine，Gln）轉化為α-酮戊二酸（α-Ketoglutaric acid，α-KG），它可以促進ROS的積累，從而刺激鐵死亡。

3.3 P53基因

P53是抑癌基因，抑制機體內的細胞癌變，有關鐵死亡可以從最近的腫瘤抑制物P53進行研究。乙酰化缺陷突變的P533KR失去了誘導細胞衰老、凋亡、阻滯細胞周期的能力，這是P53在腫瘤抑制中的主要功能。P533KR具有抑制能力歸因于其促進鐵死亡的作用，P53乙酰化突變后能夠抑制System XC-活性，下調SLC7A11的表達，通過System XC-系統導致細胞死亡[17]。

然而，當前亦出現了另一種論點，即在某些情況下，P53的表達可能促進、限制或阻止鐵死亡的發生[18，19]。P53中的這些不同的作用，在鐵死亡過程通過不同的機制執行，包括對代謝基因的轉錄、翻譯后調控或依靠P53-P21軸[19]。但已證實P53-P21軸對鐵死亡的發生具有延緩作用。通過P53在特定細胞中雙向調控鐵死亡。但是，目前還不清楚P53靶基因在操縱基因中的作用。

4 鐵死亡與卵巢癌

卵巢癌細胞對鐵死亡的感應性很高，具有鐵過剩的特點，是鐵死亡易感性的特征。其腫瘤起始細胞（tumor-initiatingcell，TICs）中鐵水平過高，轉鐵蛋白受體1（transferrin receptor 1，TfR1）過度表達，鐵泵蛋白（ferroportin，FPN）水平過低。青蒿琥酯（artesunate，ART）是一種良好的抗瘧疾藥物，也具有抗腫瘤活性。ART可以在ROS依賴的條件下誘導鐵死亡是卵巢癌的治療方法之一。研究表明[20]，用ART治療的卵巢癌，細胞產生ROS與鐵依賴性細胞死亡，而且鐵死亡抑制劑Ferrostatin-1可以阻止這一過程。Ferrostatin-1可以逆轉ART誘導的細胞鐵死亡，但轉鐵蛋白預處理可通過提高細胞鐵水平增強卵巢癌細胞的鐵死亡[21]，在由ART誘導鐵死亡過程中發揮重要作用。

5 鐵死亡與子宮內膜異位癥

鐵缺乏是許多生殖系統疾病的已知危險因素。矛盾的是，在鐵過量的條件下也更常見這類疾病。子宮內膜異位癥是一種常見的婦科疾病，它是一種慢性、炎癥、激素依賴性疾病。盡管已有許多相關研究及探討，但其發病機理尚未完全闡明。目前最廣泛接受的理論是經血逆流，認為該病發生于子宮內膜組織逆向通過輸卵管向盆腹腔脫落。高水平的鐵可誘發炎癥，氧化應力和細胞膜中的脂質過氧化作用可能導致廣泛的程序性細胞死亡[22]。我們認為促鐵信號與甲羥戊酸之間的相互作用途徑可能為子宮內膜異位細胞提供存活下來的環境，然后植入并在腹腔內增殖。通過鐵死亡研究可以更好地了解這些分子和細胞機制，有助于我們了解子宮內膜異位癥的發病機理并提供新穎的診斷和治療方法。

6 鐵死亡與先兆子癇

鐵死亡在妊娠相關疾病中也有研究，SW Ng等[23]認為一些直接測量鐵狀態的研究表明，高鐵狀態與早產（pre-term birth，PTB）和出生低體質量（low birth weight LBW）風險增加之間存在顯著相關性。鐵攝入過多和/或高鐵狀態可能對懷孕有害，引發與發育有關的生殖系統疾病，例如先兆子癇（preeclampsia，PE）。這是由于細胞內鐵過量導致鐵死亡，這種程序化細胞死亡的過程，通過鐵依賴性脂質過氧化作用介導的細胞膜介導可引發PE。研究表明，鐵死亡在無菌炎性疾病如缺氧/再灌注損傷中起重要作用。妊娠8～10周，一些孕婦會在生理性缺氧/再灌注事件引起的氧和鐵增多的情況下引起急性反應。氧氣和鐵的這種增多導致膜脂類過氧化和鐵死亡，主要發生在滋養層細胞中，導致絨毛外細胞滋養細胞（extra villous cytotrophoblast，EVCT）的淺血管內侵犯和母體螺旋動脈的次佳重構，進而形成先兆子癇的病理特征，這使我們更好地了解鐵死亡在妊娠相關疾病中的作用。探討鐵死亡將為PE等疾病的診斷和治療干預提供新的機會。

7 小結與展望

有關調節鐵死亡的精細機制的研究發展很快，盡管許多結果似乎相互矛盾。鐵死亡是否可以增強細胞免疫原性，從而使宿主引發免疫反應性壞死性細胞死亡，鐵死亡誘導劑是否會有效殺死細胞，正常細胞是否會受到影響。相關問題很多。總體而言，未解決的問題主要包括鐵死亡與細胞死亡之間的關系，以及是否可以激活或抑制鐵死亡以用于實現臨床治療目的。鐵死亡的研究方興未艾，在生殖系統有很大的待探索空間，在疾病控制及治療有巨大的實用意義，這些都等待著我們進一步探索。