鐵死亡機制及其在胃腸道疾病中的研究進展

蘆為康， 杭黎華， 李帥， 費葉晟， 李玉琳

(江蘇大學附屬昆山醫院麻醉科，江蘇 昆山 215300)

調節性細胞死亡普遍存在于生物體內，對組織穩態或應激后生物平衡的恢復至關重要[1]。鐵死亡是一種鐵依賴性的活性氧和脂質過氧化物積累導致的新型調節性細胞死亡形式，其在形態學、生物化學和遺傳學上不同于其他類型的細胞死亡形式，如凋亡、壞死、焦亡和自噬等[2-3]。鐵依賴性的活性氧和脂質過氧化物蓄積是鐵死亡的核心環節。當細胞內鐵代謝紊亂，過量的鐵離子通過芬頓反應產生大量的活性氧，機體抗氧化系統不能及時清除，活性氧可通過攻擊脂質膜上的多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids,PUFAs)產生大量脂質過氧化物，從而破壞細胞膜的結構，干擾線粒體的功能，最終導致細胞鐵死亡[2]。越來越多的證據表明，鐵死亡與多種疾病的發生發展相關，包括癌癥[4]、神經退行性疾病[3]、心血管疾病[5]和腎損傷[6]等。近來研究發現，鐵死亡參與多種胃腸道疾病的發生發展，包括腸缺血再灌注損傷[7]、炎癥性腸病[8]、胃癌[9]和結直腸癌[10-11]等。本文針對近年來有關鐵死亡的發生機制及其在胃腸道疾病中的研究進展作一綜述。

1 鐵死亡概述

1.1 鐵死亡的定義及特征

自2003年以來，研究發現小分子化合物Erastin、Ras選擇性致死化合物(Ras selective lethal compound,RSL)3和RSL5等可誘導RAS基因突變的腫瘤細胞發生一種全新的死亡形式[12-13]。該細胞死亡形式與當時已知的細胞死亡形式均不相同，且不能被細胞凋亡、壞死和自噬等抑制劑所逆轉，但卻能被鐵螯合劑去鐵胺和抗氧化劑維生素E抑制。研究發現，這種細胞死亡形式與鐵和活性氧密切相關[2]。2012年，Dixon等[2]正式將這種鐵依賴性的活性氧和脂質過氧化物蓄積導致的新型調節性細胞死亡形式命名為鐵死亡。從形態學、生物化學和遺傳學方面而言，鐵死亡與其他形式的細胞死亡(如凋亡、壞死、自噬和焦亡)有本質區別：在形態學方面，鐵死亡主要表現為線粒體萎縮、雙層膜密度增加、線粒體嵴減少或缺失，細胞核大小正常，無染色質凝集[2，14]；在生物化學方面，主要表現為鐵和活性氧積累、胱氨酸/谷氨酸反向轉運體系統Xc-抑制、胱氨酸攝取和谷胱甘肽合成減少、谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)活性下降等[14]；在遺傳學方面，鐵死亡受特定途徑調控，參與多種生物學過程，并表現出獨特的基因表達和分子調控機制[14]。

1.2 鐵死亡的發生機制

鐵死亡的發生機制復雜，目前仍不明確。現有研究表明，鐵死亡的發生發展主要涉及細胞代謝方式的改變，包括鐵離子代謝、脂質代謝和氨基酸代謝等。

1.2.1 鐵離子代謝 維持鐵代謝穩態是細胞生存所必需，因為鐵是各種生化過程中重要的輔助因子，包括紅細胞生成、DNA合成和修復、氧化磷酸化、線粒體功能和各種酶促反應等[15]。血液循環中的Fe3+與轉鐵蛋白結合形成復合物，通過與細胞膜上的轉鐵蛋白受體1(transferrin receptor 1,TFR1)結合進入細胞內，并經鐵還原酶前列腺六次跨膜上皮抗原蛋白3還原為Fe2+，然后在二價金屬離子轉運體的協助下轉運并釋放至細胞質的不穩定鐵池中，而過量的鐵則儲存至鐵蛋白中或借助于膜鐵轉運蛋白1泵出，參與體內鐵循環[2，16]。當鐵代謝紊亂或鐵超載時，游離的Fe2+通過芬頓反應和脂氧合酶途徑產生脂質活性氧，引起鐵死亡。

鐵蛋白是細胞內鐵儲存的一種形式，由鐵蛋白輕鏈和鐵蛋白重鏈1組成。定量蛋白質組學研究發現，核受體共激活因子4(nuclear receptor coactivator 4,NCOA4)可以將鐵蛋白運輸至溶酶體，并以選擇性載物介導的自噬方式降解鐵蛋白，該過程稱為鐵自噬[17]。特異性敲除NCOA4可抑制鐵自噬從而抑制Erastin誘導的鐵死亡，該過程受自噬相關基因ATG5和ATG7調控[18]。同時，抑制鐵代謝的主要轉錄因子——鐵反應元件結合蛋白2可顯著增加鐵蛋白輕鏈和鐵蛋白重鏈1表達，從而抑制鐵死亡[2]。此外，Sun等[19]研究發現，磷酸化的熱休克蛋白B1通過增加鐵蛋白表達，減少TFR1表達，從而減少細胞對鐵的吸收和脂質的生成，進而抑制鐵死亡。由此說明，調節鐵代謝和鐵自噬可能成為調控鐵死亡的新靶點和途徑，但鐵水平是否完全決定鐵死亡對疾病的影響有待進一步研究。

1.2.2 脂質代謝 脂質過氧化及其氧化產物積累是鐵死亡的標志[20]。由于PUFAs的亞甲基橋存在高度活躍的氫離子，容易與活性氧發生脂質過氧化反應，這是鐵死亡發生的基礎[20]。脂質過氧化可發生在游離PUFAs和含PUFAs的膜磷脂上，如磷脂酰乙醇胺(PEs)。PUFA-PEs可由包括花生四烯酸和腎上腺素在內的膜磷脂PUFA合成[21]。基于CRISPR/cas9技術發現，酰基輔酶A合成酶長鏈家族成員4(acyl-CoA synthetase long-chain family member 4,ACSL4)和溶血卵磷脂酰基轉移酶3(lysophosphatidylcholine acyltransferase 3,LPCAT3)是磷脂合成的關鍵酶[22-23]。PUFAs先經ACSL4酰化生成PUFA-CoA，再經LPCAT3酯化并生成PUFA-PEs[21]。因此，敲低ACSL4和LPCAT3可減少細胞內脂質過氧化底物積累，從而抑制鐵死亡[9,24-25]。最后PUFA-PEs通過脂氧合酶介導的酶促反應形成脂質氫過氧化物。當細胞內脂質過氧化物不能被及時清除，就會破壞膜脂質雙分子層，改變蛋白質及DNA結構和功能，并且其降解產物丙二醛和4-羥基壬烯醛可使參與正常生理功能的蛋白失活[20,26]。研究發現，典型的鐵死亡抑制劑包括Liproxstatin-1(Lip-1)、Ferrostatin-1(Fer-1)和脂氧合酶抑制劑(如維生素E、黃酮類化合物)，主要通過清除脂質過氧化物而抑制鐵死亡[14]。

1.2.3 氨基酸代謝 系統Xc-是細胞膜上重要的抗氧化系統，由輕鏈SLC7A11和重鏈SLC3A2兩個亞基通過二硫鍵連接形成；其可將細胞外胱氨酸和細胞內谷氨酸以1 ∶1比例進行交換，進入細胞內的胱氨酸首先被還原為半胱氨酸，然后經半胱氨酸-谷氨酸連接酶和谷胱甘肽合成酶作用生成谷胱甘肽[27]。谷胱甘肽作為體內最豐富的抗氧化劑，保護細胞免受活性氧的損傷[28]。此外，谷胱甘肽是GPX4的輔因子，GPX4可以將細胞內有毒的脂質過氧化氫還原為無毒的脂質醇，消除脂質過氧化物的毒性，抑制鐵死亡[29]。因此，GPX4是鐵死亡的關鍵調節因子。研究發現，Erastin及其類似物能夠阻斷系統Xc-轉運功能導致谷胱甘肽耗竭，間接使GPX4失活，進而觸發鐵死亡[2]；RSL3和RSL5等小分子化合物可直接與GPX4共價鍵結合使GPX4失活，導致脂質過氧化物蓄積，最終引發鐵死亡[30]。由此說明，抑制系統Xc-、谷胱甘肽耗竭和GPX4失活成為誘導細胞發生鐵死亡的關鍵環節。

1.2.4 其他機制 鐵死亡抑制蛋白1(ferroptosis suppressor protein 1,FSP1)是新發現的GPX4非依賴性鐵死亡抑制因子。Bersuker等[31]和Doll等[32]兩個課題組同時獨立證實FSP1是一種有效的抗鐵死亡因子。研究表明，FSP1對GPX4缺失誘導的鐵死亡有抑制作用，其機制是基于FSP1的氧化還原酶活性，利用NADPH將泛醌(CoQ10)還原為泛醇(CoQ10H2)，泛醇可直接或間接地抑制脂質過氧化，進而抑制鐵死亡[31-32]。因此，NADPH/FSP1/CoQ10通路與系統Xc-/谷胱甘肽/GPX4通路協同抑制脂質過氧化和鐵死亡。

電壓依賴性陰離子通道位于線粒體外膜，是跨膜運輸離子和代謝物的通道，在鐵死亡中起重要的調節作用[33]。Yagoda等[34]研究發現，鐵死亡誘導劑Erastin作用于電壓依賴性陰離子通道，導致線粒體代謝和氧化功能障礙，活性氧生成增加，最終導致細胞鐵死亡的發生。另有研究表明，鐵死亡也可能受硫轉移途徑的調控。在氧化應激下，蛋氨酸可通過硫轉移途徑轉化為半胱氨酸，進而合成谷胱甘肽，進一步發揮其抗氧化作用[35]。此外，p62/Keap1/NRF2[36]、GCH1/BH4/磷脂[37]和谷氨酰胺代謝通路[38]可有效調節細胞內鐵離子和活性氧的形成，并在鐵死亡中發揮調節作用。

2 鐵死亡與胃腸道疾病

2.1 鐵死亡與腸缺血再灌注損傷

腸缺血再灌注(ischemia-reperfusion，I/R)損傷是指在多種原因引起的腸組織血供不足的基礎上，再次恢復血供后損傷反而進一步加重的病理生理過程，與失血性休克、創傷性休克、絞窄性腸梗阻、急性腸系膜缺血和腸扭轉等多種疾病密切相關[39]。由于大量上皮細胞死亡，腸黏膜屏障受損，腸道內的細菌或毒素進入血液循環，導致全身炎癥反應綜合征和多器官功能障礙[40]。腸I/R損傷與多種調節性細胞死亡形式相關，包括凋亡[41]、壞死[42]和自噬[43]。最近研究表明，腸I/R損傷與鐵死亡密切相關，在腸I/R的大鼠腸組織中存在谷胱甘肽耗竭，活性氧和脂質過氧化積累[44]。此外，去鐵胺有助于改善腸道I/R誘導的脂質過氧化，并逆轉GPX4活性降低[45]。Li等[7]研究發現，在缺血的小鼠腸組織中，鐵死亡的正向調節因子ACSL4表達水平升高，負向調節因子谷胱甘肽、GPX4和鐵蛋白重鏈1表達水平降低，在體內外應用鐵死亡抑制劑Lip-1均可改善腸道損傷；進一步研究發現，特殊蛋白1作為經典的轉錄因子，可從轉錄水平調節ACSL4表達，抑制ACSL4表達可改善脂質過氧化和鐵死亡，并減輕腸I/R引起的細胞損傷和腸道屏障功能障礙。

近來研究發現，腸道I/R損傷引起的鐵死亡可受到腸道菌群和代謝產物修飾的調節。辣椒素酯是一種腸道微生物產生的代謝物，在腸道I/R損傷中顯著減少[46]。辣椒素酯激活瞬時受體電位陽離子通道亞家族V成員1(transient receptor potential cation channel subfamily V member 1,TRPV1)，進一步上調GPX4表達，抑制細胞鐵死亡[46]。綜上所述，鐵死亡可能參與I/R誘導的腸道損傷，抑制鐵死亡可能是緩解腸道I/R損傷的潛在治療手段，但其具體機制尚需進一步研究。

2.2 鐵死亡與炎癥性腸病

炎癥性腸病是一種以不斷進展和復發為特征的慢性胃腸道疾病，包括潰瘍性結腸炎(ulcerative colitis，UC)和克羅恩病。盡管炎癥性腸病的病因尚未完全闡明，但通常認為與免疫反應、腸道菌群失調和個體遺傳易感性有關[47]。Wang等[48]研究發現，在臨床UC患者和右旋糖酐硫酸鈉誘導的UC模型小鼠中鐵離子、活性氧和丙二醛含量增高以及GPX4表達降低，同時通過給予鐵死亡抑制劑可以降低UC小鼠的疾病活動性評分，改善結腸長度縮短，緩解UC結腸癥狀，表明鐵死亡在UC中起關鍵作用。同樣地，克羅恩病患者腸上皮細胞中GPX4蛋白表達水平也降低[49]。

關于鐵死亡調節UC的機制目前認為有兩種可能途徑：其一，通過內質網應激介導的腸上皮細胞鐵死亡調控UC，磷酸化NF-κBp65通過與真核起始因子2α(eIF2α)直接相互作用抑制內質網應激介導的腸上皮細胞鐵死亡，提示NF-κBp65可能是UC的潛在治療靶點[8]；其二，Chen等[50]研究發現，Fer-1通過抑制Nrf2/HO-1信號通路緩解右旋糖酐硫酸鈉誘導的小鼠UC。此外，Nrf2/HO-1通路可抑制NF-κB通路，進而抑制促炎因子IL-1β、IL-6和TNF-α分泌[51]。由此提示，鐵死亡可能通過Nrf2/HO-1通路調節UC。由此說明，鐵死亡在炎癥性腸病的發病過程中起重要作用，阻斷鐵死亡信號通路可能是緩解炎癥性腸病的有效途徑。

2.3 鐵死亡與胃癌

胃癌是常見的消化道惡性腫瘤，幽門螺桿菌感染、肥胖以及鹽和硝酸鹽的過量攝入與其發病風險增加有關。此外，基因突變、表觀遺傳學改變和分子信號通路異常也參與胃癌的發生、擴散和轉移過程[52]。鐵死亡作為一種新型調節性細胞死亡方式，已證實與多種癌癥的發生發展有關，包括胃癌。Zhao等[53]研究發現，胃癌細胞中GPX4表達水平較低，使其較正常細胞更容易發生鐵死亡；進一步研究發現，抗血管生成藥阿帕替尼可以通過抑制轉錄因子SREBP-1a使GPX4表達下調，從而誘導胃癌細胞鐵死亡。

最近研究發現，多個直接參與調控鐵死亡的功能蛋白參與胃癌的發生發展。例如，半胱氨酸雙加氧酶1在Erastin誘導胃癌細胞發生鐵死亡的過程中起重要作用，其沉默可以抑制Erastin誘導的胃癌細胞鐵死亡，其機制為抑制半胱氨酸雙加氧酶1可以上調細胞內谷胱甘肽和GPX4表達，進而抑制活性氧和脂質過氧化物產生，從而抑制胃癌細胞的鐵死亡[54]。硬脂酰輔酶A去飽和酶1(stearoyl-CoA desaturase 1，SCD1)是一種在胃癌組織中高表達的內質網相關酶，參與飽和脂肪酸向單不飽和脂肪酸的轉化，其高表達與胃癌細胞生長和鐵死亡抑制相關，是潛在的胃癌預后標志物[55]。

微小RNA(miRNAs)是一組具有18～24個核苷酸的非編碼小分子RNA，通過與靶基因3′-非翻譯區(3′-UTR)相互作用調節基因表達。研究發現，miRNAs失調與胃癌細胞鐵死亡有關。例如，miR-103a-3p作為一種致癌基因，在胃癌中表達上調，抑制其表達與患者良好預后相關[56]。Niu等[57]研究發現，大黃素甲醚8-氧β-吡喃葡萄糖苷(physcion 8-O-β-glucopyranoside，PG)可通過減輕miR-103a-3p對磷酸活化谷氨酰胺酶2(glutaminase 2,GLS2)的抑制作用，從而誘導胃癌細胞鐵死亡并抑制其增殖和轉移。GLS2是一種由p53誘導的谷氨酰胺代謝調節劑，將谷氨酰胺轉化為谷氨酸以合成谷胱甘肽。由此可見，miR-103a-3p通過改變細胞內谷胱甘肽水平調控胃癌細胞鐵死亡。此外，Mao等[58]研究發現，局麻藥左旋布比卡因通過miR-489-3p/SLC7A11軸誘導胃癌細胞鐵死亡，從而抑制胃癌細胞生長。

2.4 鐵死亡與結直腸癌

根據2020年全球癌癥統計，結直腸癌發病率在惡性腫瘤中居第三位，死亡率居第二位[52]。結直腸癌發病機制復雜，包括遺傳易感性、表觀遺傳因素、飲食習慣、腸道菌群的改變和缺乏體育活動等[59]。目前結直腸癌的治療方法包括手術、放療、化療、免疫治療和生物靶向治療等。盡管近年來在治療方面取得了一些進展，但部分患者腫瘤細胞通過逃避凋亡和抗凋亡增強表現出對化療藥物的耐藥性[60-61]。

研究發現，RSL3通過與GPX4直接結合并抑制其活性，致結直腸癌細胞內不穩定鐵和活性氧的積累增加并引發鐵死亡，而GPX4過表達可以抑制RSL3誘導的結直腸癌細胞鐵死亡[62]。除了直接抑制GPX4表達外，抑制系統Xc-的功能亞基SLC7A11也可誘導結直腸癌細胞發生鐵死亡[63]。Zhang等[63]研究發現，苯并吡喃衍生物IMCA通過調控AMPK/mTOR/p70S6k信號通路下調SLC7A11表達，從而抑制結直腸癌細胞增殖。另有研究發現，在結直腸癌干細胞中SLC7A11表達增高，敲除或特異性抑制SLC7A11可誘導細胞發生鐵死亡，抑制結直腸癌干細胞的進展，降低結直腸癌耐藥性[64]。

p53是重要的抑癌基因和鐵死亡調節因子[65]。通常認為，p53抑癌作用歸因于其在不同應激刺激下通過轉錄和非轉錄機制啟動細胞周期阻滯、細胞凋亡和衰老的能力。最近研究表明，p53抑癌作用可能與鐵死亡有關。Xie等[65]研究發現，p53可以通過阻斷二肽基肽酶-4(dipeptidyl-peptidase-4，DPP4)活性進而抑制結直腸癌細胞鐵死亡，同時p53基因缺失致Erastin抗癌活性增強；其機制為p53通過促進DPP4進入細胞核并形成DPP4-p53復合物從而抑制脂質過氧化以拮抗鐵死亡。該機制不同于既往研究，即p53在其他癌癥中作為鐵死亡的正向調節因子發揮作用[66]。此外，p53還可以通過抑制SLC7A11表達進而促進結直腸癌細胞鐵死亡[65]。由此可見，鐵死亡在結直腸癌中起重要作用，通過誘導結直腸癌細胞發生鐵死亡可達到治療效果，但其潛在機制有待進一步研究。

3 總結與展望

鐵死亡作為一種新型調節性細胞死亡形式，其發生過程涉及多種調控機制，并且與胃腸道疾病的發生發展密切相關。在腸I/R損傷和炎癥性腸病中，采用鐵死亡抑制劑(如Lip-1、Fer-1)可減輕腸道損傷，而在胃癌和結直腸癌中，采用鐵死亡誘導劑(如Erastin)或小分子化合物誘導鐵死亡可抑制腫瘤細胞的遷移、侵襲和增殖，提示鐵死亡在不同胃腸道疾病中具有雙重作用。然而，在胃腸道疾病中，鐵死亡是否與其他細胞死亡形式之間存在相互調控作用還有待研究。最近研究提出，一些鐵死亡相關基因可作為預測胃癌和結直腸癌的生物標志物[67]，但其中是否有判斷胃腸道疾病嚴重程度的鐵死亡生物標志物還有待進一步研究。此外，鐵死亡的信號通路和主要轉錄調控因子還需要進一步研究，從而更好地調控鐵死亡以保護胃腸道免受損傷和癌變。