鐵死亡及其與細胞適應性調節的關系研究進展

黃江姍，晏馥霞

(中國醫學科學院阜外醫院麻醉科，北京 100037)

細胞死亡是一個基本的生物過程，活細胞有多重死亡形式。其中，被動死亡包括細胞壞死等，主動死亡包括細胞凋亡等。2012年，一種新型的細胞死亡形式——鐵死亡被定義[1]。鐵死亡是一種鐵依賴的受調控的細胞死亡形式，以脂質過氧化反應為特征。鐵死亡過程涉及細胞代謝功能失調，胞質和胞膜同時產生的自由基致使細胞發生脂質過氧化損傷。鐵死亡在形態、生化和遺傳上均與凋亡、壞死和自噬等細胞死亡形式存在區別[1]。鐵死亡的獨特形態學特征是線粒體體積縮小、膜密度增高、外膜破裂和嵴變少或消失，細胞增大，質膜破裂，胞核正常，但染色質缺乏聚集[2-4]；生化特征是谷胱甘肽(glutathione，GSH)耗竭，GSH過氧化物酶(GSH peroxidase，GPX)4活性降低，脂質過氧化物不能通過基本的代謝途徑(GPX4催化的GSH還原酶反應)代謝，亞鐵離子(Fe2+)水平增高，氧化脂質導致自由基大量堆積；此外，在調控鐵穩態和脂質過氧化代謝方面，細胞的基因水平也發生了相應變化[5]。

研究表明，不同疾病過程中均存在鐵死亡，調控鐵死亡可能成為相關疾病的新型治療方式[6]。在腫瘤治療中，誘導腫瘤細胞鐵死亡可以達到抑制腫瘤的目的；在神經退行性疾病治療中，抑制神經細胞鐵死亡可以延緩疾病進展；在器官缺血再灌注損傷治療中，抑制鐵死亡可減輕器官的缺血再灌注損傷[7-8]。現就鐵死亡及其與細胞適應性調節的關系研究進展予以綜述。

1 鐵死亡的發生

鐵是維持生命的重要微量元素，參與細胞氧轉運、ATP和DNA合成。在人體，血液中游離的Fe3+結合轉鐵蛋白形成的復合物可通過結合細胞膜上的轉鐵蛋白受體，將Fe3+轉運入細胞內并形成內涵體。Fe3+在內涵體中被前列腺跨膜上皮抗原3還原為Fe2+，隨后Fe2+通過二價金屬離子轉運體1進入細胞質。細胞中的Fe2+被儲存在胞質的鐵蛋白中，而多余的Fe2+則被氧化成Fe3+并泵出細胞[9]。有研究指出，培養基中加入轉鐵蛋白可導致細胞內鐵超載，使小鼠胚胎成纖維細胞廣泛死亡[10]。去鐵胺是一種鐵螯合劑，可與游離鐵結合阻斷鐵死亡；而不穩定的Fe2+水平升高會使細胞對鐵死亡敏感[11]。可見，鐵穩態失調是細胞發生鐵死亡的基礎。

脂質過氧化在鐵死亡的發生中起核心作用。在各種脂質中，多不飽和脂肪酸是細胞發生脂質過氧化反應誘導鐵死亡的關鍵底物。在病理條件下，細胞鐵代謝紊亂導致鐵超載，細胞內過量的Fe2+可通過Fenton反應直接催化脂質自由基生成[12]，細胞膜、質膜等由于含有多不飽和脂肪酸易與脂質自由基發生過氧化反應[13]，從而引發細胞鐵死亡。最終，細胞質膜上形成納米級直徑的孔隙，從而介導細胞發生破裂。在細胞破裂之前，鐵死亡誘導信號以獨特的波狀擴散方式在細胞間傳播，此過程依賴于鐵和脂質過氧化作用的持續存在[14]。

2 鐵死亡的調控

目前認為，鐵死亡主要受到體內兩個抗氧化系統的嚴格調控：GPX4系統和鐵死亡抑制蛋白1(ferroptosis suppressor protein 1，FSP1)系統[14]。GPX是一種人體內廣泛存在的重要過氧化物分解酶。正常情況下，GPX可通過氧化GSH降低細胞內過氧化氫和過氧化物的含量，保護細胞膜的結構及功能，使其不受過氧化物的干擾和損害。GSH還原酶反應途徑代謝受GPX4催化。GPX4是鐵死亡的重要調節因子，可將有毒的脂質過氧化物轉化為無毒的脂質醇，抑制鐵死亡的發生。同時，GPX4的活性受GSH影響。胱氨酸/谷氨酸反向轉運體(cystine/glutamate antiporter，system Xc-)是一種存在于細胞膜上的Na+依賴的氨基酸反向轉運體，可攝取細胞外的胱氨酸，排出細胞內的谷氨酸，對GSH的合成至關重要[15]。當GSH耗竭時，GSH依賴的GPX4活性下降，脂質過氧化物不能通過GPX4催化的GSH還原酶反應途徑代謝，導致鐵死亡發生[16]。

同時，活化轉錄因子3、溶質載體家族7成員11(solute carrier family 7 member 11，SLC7A11)、抑癌基因p53、半胱氨酰-tRNA合成酶(cysteinyl-tRNA synthetase，CARS)也參與GSH的合成代謝，對細胞鐵死亡有調控作用。活化轉錄因子3可以抑制system Xc-，耗盡細胞內GSH，從而促進Erastin(一種鐵死亡激活劑)誘導的鐵死亡；SLC7A11編碼的輕鏈是system Xc-特有的亞基，因此SLC7A11的表達水平與system Xc-的活性呈正相關[17]。p53通過抑制SLC7A11降低system Xc-的活性，隨后細胞攝取胱氨酸過程受阻，細胞鐵死亡發生。值得注意的是，只有乙酰化致突變的p53可以調節SLC7A11，進而調節細胞鐵死亡[18]；CARS是GSH合成的限速劑，參與半胱氨酸代謝。在抑制CARS后，細胞內半胱氨酸增加，GSH增加，從而使GPX4活性得以維持。且抑制CARS還可通過活化轉硫途徑阻止脂質自由基的產生，但CARS不改變體內的鐵穩態[19]。

FSP1是一種最近新發現的鐵死亡抑制劑。輔酶Q10是一種脂溶性的抗氧化劑，其還原形式可以抵抗介導脂質過氧化過程的自由基，保護細胞免受自由基的損害。輔酶Q2是催化輔酶Q10生物合成的酶。研究發現，在正常人纖維肉瘤HT1080細胞中，FSP1過表達可有效抑制鐵死亡，而在敲除輔酶Q2的HT1080細胞中其無上述作用。另外，FSP1單獨使用以及FSP1與還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸聯合使用均不能有效抑制脂質過氧化反應；而輔酶Q10可以劑量依賴方式延緩自氧化[20]。且FSP1的作用不受GPX4抑制劑的影響[21]。故認為，還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸/FSP1/輔酶Q10抗氧化系統可獨立于GPX4系統抑制細胞脂質過氧化和鐵死亡。研究鐵死亡的抗氧化代謝途徑可能為探索鐵死亡在各種疾病中的病理作用提供新的見解。

3 鐵死亡與細胞適應性調節

細胞適應性調節是細胞針對各種刺激因子和環境的改變以及細胞生存的需求而進行的自動調節，包括能量應激和細胞器應激調節等，它們參與人類疾病的不同過程。適度的應激調節幫助細胞恢復功能適應環境，而過度的應激調節則會加重損傷，導致細胞死亡。鐵死亡是一種受調控的新型細胞死亡形式，與多種細胞適應性反應存在相互關聯，并受其調控。

3.1能量應激 正常的細胞需要足夠的營養和能量的維持，營養和能量的消耗會引起細胞能量應激。細胞能量應激的特征是細胞內ATP的消耗和AMP水平的升高[22]。在細胞發生能量應激時，肝激酶B1(liver kinase B1,LKB1)-AMP活化的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)通路激活并通過調節細胞能量代謝維持細胞的正常功能。細胞內的能量感受器——AMPK能夠準確識別細胞能量水平，調整細胞內的能量平衡。AMPK由催化亞基α和調節亞基β、γ組成。當細胞受到饑餓、低氧等刺激時，細胞內能量被消耗，AMP/ATP比例升高。此時，AMP與AMPK的γ亞基結合，使AMPK發生變構而活化。活化后的AMPK既能減少脂肪酸、膽固醇、糖原和蛋白質等合成代謝，也能加快葡萄糖攝入、糖酵解等分解代謝，以補充細胞能量[2]。LKB1由LKB1基因編碼產生，可以調節細胞能量代謝、抑制生長增殖和維持細胞極性，在多種細胞過程中發揮作用。LKB1能夠直接與AMPK及其亞家族的12種激酶發生反應，通過磷酸化激酶激活區域(T環)的蘇氨酸(Thr)而使其活化[23]。LKB1可磷酸化AMPK α亞基的Thr-172位點，并被AMP與AMPK γ亞基結合后發生的變構所強化[24]。細胞發生能量應激后，LKB1與AMP協同激活AMPK。

能量應激介導的AMPK通路可以通過抑制鐵死亡減輕腎缺血再灌注損傷，其調控過程與AMPK介導的乙酰輔酶A羧化酶(催化乙酰輔酶A合成丙二酰輔酶A的酶)磷酸化以及多不飽和脂肪酸合成的調控相關[25]。另有研究認為，LKB1-AMPK通路可通過抑制脂肪酸合成進而抑制鐵死亡[26]。但目前能量應激與鐵死亡之間的關系尚不完全明確。葡萄糖是細胞存活和維持氧化還原動態平衡的重要營養物質，葡萄糖的缺乏導致自由基產生增加[27]。而細胞發生鐵死亡由自由基介導的脂質損傷引起，因此在理論上，葡萄糖缺乏可促發鐵死亡。但研究證實，葡萄糖缺乏引起的能量應激卻起到抑制鐵死亡和脂質過氧化反應的作用[25-26]。

AMPK對腫瘤存在雙重作用，既可以通過抑制生物合成(如蛋白質或脂肪酸的生物合成)抑制腫瘤，也可以通過調節新陳代謝幫助腫瘤細胞應對應激環境[28]。腫瘤的發展受到藥物誘導的鐵死亡的抑制[29]，能量應激介導的AMPK對鐵死亡的調節可能在腫瘤生物學中起重要作用。未來，AMPK途徑調節鐵死亡的過程與腫瘤生物學過程之間的關聯可能是腫瘤疾病防治研究的新方向。

3.2溶酶體應激 目前，納米顆粒作為藥物傳遞系統大大擴展了藥物載體的范圍。有研究認為，納米顆粒作為活性物質可通過納米-生物相互作用誘發生物效應[30]。羧基聚苯乙烯納米顆粒(carboxylpolystyrene nanoparticles，CPS)具有高度穩定性和良好的生物相容性，被廣泛用作生物大分子的載體。CPS可以通過大胞飲作用進入細胞，然后含有CPS的大胞飲小體與溶酶體融合，以依賴空泡型質子泵和水通道蛋白的方式擴張成溶酶體樣大空泡，這些大空泡是溶酶體應激的信號，表明CPS能夠啟動細胞溶酶體應激[31]。溶酶體是一種細胞器，蛋白質和多糖在溶酶體內通過自噬機制降解和循環。受損的生物聚合物和細胞器被自噬小體吞噬，隨后與溶酶體融合，產生氨基酸和單糖[32]。溶酶體應激是溶酶體對刺激物(病原體、藥物、分子等)的適應，并利用選擇性自噬和轉錄反應機制，嘗試恢復溶酶體功能。溶酶體應激誘導哺乳動物雷帕霉素靶蛋白失活，導致轉錄因子EB核易位，隨后溶酶體相關基因表達增加，促進了溶酶體的生物合成和功能恢復[33]。轉錄因子EB依賴的溶酶體蛋白和超氧化物歧化酶表達增加，最終導致自由基減少，鐵死亡受到抑制。有研究發現，敲除轉錄因子EB可增強Erastin引發的鐵死亡，消除CPS對自由基和鐵死亡的影響[31]，提示CPS可啟動溶酶體應激，并以轉錄因子EB依賴的方式減少自由基并抑制鐵死亡。此外，溶酶體中的另一條途徑——分子伴侶介導的自噬(一種細胞溶酶體介導的降解機制)也參與鐵死亡的執行。但只有溶酶體途徑抑制劑能夠抑制谷氨酸或Erastin誘導的GPX4降解，提示GPX4的降解可能發生在溶酶體中[34]。由此可見，分子伴侶介導的自噬可促進GPX4的降解，并最終參與鐵死亡。

神經退行性疾病的發病機制可能與鐵死亡相關。應激環境下，功能障礙的溶酶體與多種神經退行性疾病有關，包括阿爾茨海默病和帕金森病等[35-37]。在阿爾茨海默病和帕金森病等神經退行性疾病患者中可觀察到鐵死亡特征，且給予小分子鐵死亡抑制劑后，患者的臨床癥狀和神經損傷可顯著減輕[38-40]。因此，誘導適度的溶酶體應激，可能在恢復溶酶體功能的同時抑制細胞鐵死亡，這有望成為未來神經系統退行性疾病的治療方向。

3.3內質網應激 內質網是在內質網伴侶蛋白的輔助下合成和折疊分泌蛋白、膜蛋白的細胞器，隨后正確折疊的蛋白質到達高爾基體進行下一步加工，而未折疊或錯誤折疊的蛋白質則被內質網相關降解因子降解。當錯誤折疊蛋白的水平超過內質網降解容量時，內質網應激被觸發，錯誤折疊或未折疊蛋白在內質網管腔中積累[41-42]。未折疊蛋白反應因此被激活，并導致內質網折疊蛋白的翻譯停止和基因表達增加[43]。未折疊蛋白反應使內質網伴侶蛋白和內質網相關降解因子表達增加，并通過增加分泌蛋白或膜蛋白的合成來恢復功能[44]。

目前，內質網應激與鐵死亡之間的關系尚不明確。有證據顯示，馬錢子堿通過激活內質網應激誘導活化轉錄因子3上調，上調的活化轉錄因子3使過氧化氫產生增加和鐵超載，從而導致膠質瘤細胞鐵死亡[45]。在糖尿病患者心肌缺血再灌注損傷模型中，抑制內質網應激可以減輕其鐵死亡損傷[46]。另有研究顯示，遺傳和化學抑制鋅轉運蛋白7(一種新發現的鐵死亡遺傳決定因子)可觸發內質網應激，保護細胞免受鐵死亡[47]。鋅轉運蛋白7可能通過維持內質網內穩態在鐵死亡中發揮作用。

內質網應激還可能是帕金森病的治療靶點。腦星形膠質細胞源性神經營養因子通過與未折疊蛋白反應傳感器肌醇需求酶1α直接結合，在多巴胺神經元和帕金森病動物模型中發揮促存活作用。靶向未折疊蛋白反應在各種臨床前帕金森病動物模型中起神經保護和神經修復作用[48]。因此，明確內質網應激與鐵死亡的關聯可能為帕金森病的治療提供新依據。

此外，鐵死亡通常還與其他細胞死亡類型有共同途徑。研究表明，鐵死亡誘導劑介導的內質網應激在細胞鐵死亡與細胞凋亡之間的串擾中起重要作用[49]。Erastin和青蒿琥酯等鐵死亡誘導劑可以誘導內質網應激[50]，并通過內質網應激介導的真核細胞起始因子2α/轉錄激活因子4/C/EBP同源蛋白途徑上調p53上調凋亡調控因子的表達。C/EBP同源蛋白信號通路介導的p53上調凋亡調控因子的表達參與了鐵死亡與細胞凋亡[49]，表明內質網應激介導的C/EBP同源蛋白信號通路可能是鐵死亡和細胞凋亡的共同途徑。另有研究顯示，鐵死亡誘導劑Erastin可能上調p53上調凋亡調控因子以及抗凋亡B細胞淋巴瘤-2家族蛋白(如抗凋亡蛋白髓樣細胞白血病-1蛋白)，以維持它們之間的平衡；然而，Erastin聯合腫瘤壞死因子相關凋亡誘導配體治療會引發p53上調凋亡調控因子和B細胞淋巴瘤/白血病-2家族蛋白之間的失衡，從而促進細胞凋亡[51]。但這種可能性需要進一步探究。

3.4高爾基體應激 內質網合成并折疊蛋白，分泌蛋白和膜蛋白在高爾基體中接受各種修飾，包括糖基化和硫酸化，修飾后的蛋白被囊泡有選擇性地運輸到細胞的特定位置或分泌到細胞外。大量蛋白質的分泌導致高爾基體糖基化和囊泡運輸等功能負荷時會引發高爾基體應激反應。在高爾基體應激反應中，糖化酶和囊泡運輸成分的表達增加可補償細胞器能力不足[44]。

一項新的研究發現，布雷菲爾德菌素A等高爾基體應激源可以誘導自由基產生，并導致細胞發生鐵死亡，而鐵死亡抑制劑可以逆轉布雷菲爾德菌素A對高爾基體蛋白質分泌的抑制作用，保護高爾基體的形態和功能。需要注意的是，亞致死劑量的鐵死亡誘導劑Erastin能夠抑制而不是促進布雷菲爾德菌素A誘導的脂質過氧化反應，并部分恢復高爾基體的平衡[52]。作為抑制鐵死亡的機制，轉硫途徑可能在氧化應激后供應半胱氨酸，以發揮代償作用[19]。高爾基體可能通過控制細胞氧化還原反應防治細胞鐵死亡。

4 小 結

近年來，鐵死亡受到研究者的廣泛關注，對其調控機制的認識也不斷加深。鐵死亡存在于腫瘤、神經退行性疾病、器官缺血再灌注損傷等疾病的發生發展過程中，因此調控鐵死亡可能是治療上述疾病的新方向。目前，關于鐵死亡與其他生物過程的研究多集中于自噬、氧化應激等方面，對于鐵死亡與細胞器應激等細胞適應性反應的研究仍較少，尤其是能量應激相關研究。未來對鐵死亡相關的能量應激和細胞器應激之間的關系及其相關疾病、生物過程的深入研究，將為全面認識鐵死亡提供有價值的參考，并對鐵死亡相關聯疾病的防治有深遠意義。