鐵死亡與自噬在疾病中的研究進展

彭霞，方聰聰，徐宇明綜述 姚寶珍審校

早在鐵死亡被命名之前，研究者們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了erastin、RSL3可以誘導(dǎo)細(xì)胞以一種不同于凋亡的方式死亡，且這種細(xì)胞死亡方式可以被鐵螯合劑及抗氧化劑抑制，從而明確了這種細(xì)胞死亡方式與細(xì)胞內(nèi)鐵和活性氧(ROS)有關(guān)。2012年，Dixon等[1]發(fā)現(xiàn)這種細(xì)胞死亡方式在形態(tài)學(xué)、生化和遺傳學(xué)上均與凋亡、壞死及自噬不同。由于這種細(xì)胞死亡方式特異地依賴于細(xì)胞內(nèi)鐵，故將其命名為鐵死亡。鐵死亡的機制尚未完全闡明，研究發(fā)現(xiàn)鐵死亡存在復(fù)雜的細(xì)胞內(nèi)調(diào)控機制，鐵代謝、氨基酸代謝及脂質(zhì)代謝都參與其中。自噬廣泛存在于真核生物中，是依賴于細(xì)胞內(nèi)溶酶體分解衰老或損傷的大分子或細(xì)胞器的過程，從而維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)[2]。然而，當(dāng)細(xì)胞面對各種不利因素刺激時，自噬會過度激活。過度激活的自噬可以導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生自噬性死亡[3]。鐵死亡和自噬作為2種不同的生物過程，在細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮著各自重要的作用。在鐵死亡發(fā)現(xiàn)之初，研究者們認(rèn)為這是一種與自噬截然不同的細(xì)胞死亡方式。近年來，雖然仍然存在很多爭議，但是越來越多的研究在逐漸揭示鐵死亡與自噬的關(guān)系,并在不同的疾病中證實。

1 鐵死亡的發(fā)生機制

1.1 細(xì)胞內(nèi)鐵與鐵死亡 鐵作為生命必需的微量元素之一，主要以二價和三價鐵離子的形式存在于機體內(nèi)。正常情況下，小腸吸收或紅細(xì)胞降解釋放出的亞鐵離子(Fe2+)被氧化為三價鐵離子(Fe3+)，F(xiàn)e3+經(jīng)膜上轉(zhuǎn)鐵蛋白(transferrin，TF) 、膜蛋白轉(zhuǎn)鐵蛋白受體 1(transferrin receptor protein 1，TFR1) 的作用后內(nèi)吞入胞體。內(nèi)吞入細(xì)胞內(nèi)的Fe3+被還原成亞鐵離子Fe2+,然后由二價金屬離子轉(zhuǎn)運蛋白1(divalent metal transporter1，DMT1 ) 或鋅鐵調(diào)控蛋白家族 8 /14 (ZRT /IRT-like proteins 8 /14，ZIP8 /14) 介導(dǎo) Fe2+儲存到細(xì)胞內(nèi)不穩(wěn)定的鐵池(labile iron pool，LIP) 中和鐵蛋白輕鏈多肽(ferritin light chain，F(xiàn)TL) 與鐵蛋白重鏈多肽 1(ferritin heavy chain 1，F(xiàn)TH1) 組成的鐵儲存蛋白復(fù)合物中。剩余部分亞鐵離子將被氧化成 Fe3+出胞，參與體內(nèi)鐵再循環(huán)，嚴(yán)格把控細(xì)胞內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)。

鐵參與了生物體很多重要的功能，包括新陳代謝、氧轉(zhuǎn)運、抗氧化反應(yīng)及DNA合成等一系列生物過程。Fe-S是線粒體電子傳遞鏈中氧化還原酶類的重要輔助因子，如NADH、輔酶Q等。活性氧(reactive oxygen species，ROS)的產(chǎn)生與鐵穩(wěn)態(tài)的擾動密切相關(guān)，而鐵硫團簇(iron-sulfur cluster，ISC)機械系統(tǒng)功能障礙明顯加劇了ROS的產(chǎn)生[4]。然而，細(xì)胞內(nèi)過多的鐵通過芬頓反應(yīng)產(chǎn)生羥自由基，從而促進不飽和脂肪酸(PUFAs)的羥化,由此產(chǎn)生的脂質(zhì)過氧化物和氫過氧化物嚴(yán)重影響細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能[5]，這個過程就是鐵死亡。鐵死亡過程可以被鐵螯合劑阻斷，說明細(xì)胞內(nèi)鐵與鐵死亡密切相關(guān)[6]。而這些有毒的脂質(zhì)過氧化物，在谷胱甘肽和谷胱甘肽過氧化物酶4(GPX4)的作用下才可以轉(zhuǎn)變?yōu)闉闊o毒的醇類物質(zhì)，從而避免其對細(xì)胞的殺傷作用[7]。

雖然細(xì)胞內(nèi)鐵與鐵死亡密切相關(guān)，但是細(xì)胞內(nèi)鐵在鐵死亡中的具體作用機制至今仍不明確。Dixon等[8]認(rèn)為鐵螯合劑抑制鐵死亡最有可能的解釋是阻止了鐵向氧化物傳遞電子,從而抑制活性氧的生成。也有報道提出,鐵螯合劑能夠直接作用于含鐵離子的酶,其中以脂氧合酶的可能性最大[9]。

1.2 XC-系統(tǒng)與鐵死亡 胱氨酸—谷氨酸反向轉(zhuǎn)運系統(tǒng)(XC-系統(tǒng))是一個廣泛分布于磷脂雙分子層的氨基酸逆向轉(zhuǎn)運體，由輕鏈 xCT (SLC7A11) 和重鏈4F2( SLC3A2) 組成[10]。通過XC-系統(tǒng)，胱氨酸與谷氨酸(GLu)以1∶1 的比例在細(xì)胞內(nèi)外進行交換。在細(xì)胞內(nèi)，胱氨酸被谷胱甘肽(GSH) 或硫氧還蛋白還原酶1 還原為半胱氨酸，在γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶和谷胱甘肽合成酶的作用下進一步合成GSH[11]。細(xì)胞攝取半胱氨酸是谷胱甘肽合成的關(guān)鍵步驟，GSH的產(chǎn)生和維持對保護細(xì)胞免受氧化應(yīng)激反應(yīng)所造成的損傷至關(guān)重要，而半胱氨酸的含量需要轉(zhuǎn)硫途徑的調(diào)節(jié)[12-13]。Kang等[14]發(fā)現(xiàn)高濃度Glu孵育神經(jīng)細(xì)胞可以抑制XC-系統(tǒng)，從而抑制胱氨酸的攝入，引起細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽減少和ROS的聚集，而抑制鐵死亡可以抑制Glu引起的神經(jīng)元死亡。這些研究都表明XC-系統(tǒng)參與了鐵死亡過程。當(dāng)XC-系統(tǒng)被抑制時，胱氨酸不能轉(zhuǎn)入細(xì)胞內(nèi)，谷胱甘肽合成減少，不能將有毒的脂質(zhì)過氧化物還原成無毒的醇類物質(zhì)，進而誘導(dǎo)了鐵死亡的發(fā)生。

1.3 GPX4 與鐵死亡 抑制XC-系統(tǒng)導(dǎo)致GSH減少和活性氧的聚集。當(dāng)XC-系統(tǒng)功能正常且GSH正常合成時，GSH也必須在GPX4的作用下將有毒的脂質(zhì)過氧化物還原成無毒的醇類物質(zhì)。GPX4是鐵死亡關(guān)鍵的調(diào)節(jié)因子，在預(yù)防脂質(zhì)過氧化中起著至關(guān)重要的作用[15]。研究發(fā)現(xiàn),GPX4是唯一一種能夠降低生物膜內(nèi)脂質(zhì)過氧化氫的酶，所以當(dāng)GPX4功能受限時，GSH并未耗竭，但脂質(zhì)ROS明顯升高；其次，GSH是GPX4活性的一個必要的輔助因子[16]。GPX4被抑制時將導(dǎo)致脂質(zhì)ROS的形成及脂質(zhì)過氧化，最后誘導(dǎo)鐵死亡的發(fā)生[17]。

1.4 脂質(zhì)過氧化物與鐵死亡 不飽和脂肪酸在氧存在情況下很容易發(fā)生脂質(zhì)過氧化，這種過氧化反應(yīng)在鐵的存在下會加劇[18]，其中與鐵死亡密切相關(guān)的不飽和脂肪酸包括花生四烯酸和腎上腺酸。酯?；o酶A合成酶長鏈家族成員4 (AcylCo A synthetase long-chain familymember4,ACSL4) 和脂質(zhì)重塑相關(guān)的溶血卵磷脂?；D(zhuǎn)移酶3 (lysophosphatidyl-choline acyltransferase 3,LPCAT3)是參與脂質(zhì)過氧化物形成的2種關(guān)鍵酶，在它們的作用下，不飽和脂肪酸轉(zhuǎn)化成脂質(zhì)過氧化物[19-20]。脂質(zhì)過氧化的積累會不可避免地會造成很大的損傷。丙二醛(MDA)是活性氧作用于生物膜不飽和脂肪酸而產(chǎn)生的脂質(zhì)過氧化反應(yīng)的最終產(chǎn)物。其積累可引起蛋白質(zhì)與核酸的交聯(lián)聚合，導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)的不可逆破壞，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡[21]。

2 自噬的過程

相較于鐵死亡，自噬的研究則更深入。目前研究認(rèn)為，自噬主要有3種形式：(1) 巨自噬，細(xì)胞內(nèi)損壞的蛋白質(zhì)、細(xì)胞器及胞內(nèi)病原體等被細(xì)胞質(zhì)產(chǎn)生的膜結(jié)構(gòu)包裹,形成自噬體，最終與溶酶體融合后被降解; (2) 微自噬，被降解物直接被溶酶體通過變形運動進行內(nèi)吞,使其降解，這個過程不形成自噬體; (3) 分子伴侶介導(dǎo)的自噬，待降解物需要與分子伴侶結(jié)合,然后被溶酶體上的溶酶體相關(guān)膜蛋白 (lysosomal associated membrane protein,LAMPs) 識別,并最終被溶酶體降解[22]。目前研究較多的自噬類型為巨自噬(以下簡稱為“自噬”)。自噬是一個復(fù)雜的過程，具體包括4個步驟：自噬的誘發(fā)；隔膜的延伸、閉合，形成自噬體；自噬體與溶酶體結(jié)合，形成自噬溶酶體；自噬體和內(nèi)部物質(zhì)的降解[23]。

隨著對自噬研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)自噬也是有選擇性的。細(xì)胞內(nèi)存在這一些特殊的自噬，它們在某些特定的條件下對某種大分子或者細(xì)胞器進行特定的降解[24]，如線粒體自噬、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)自噬、過氧化物酶體自噬、核糖體自噬和脂類自噬。

3 鐵死亡與自噬的關(guān)系

鐵死亡在發(fā)現(xiàn)之初，人們認(rèn)為它是一種在生化、形態(tài)及基因水平與凋亡、壞死及自噬不同的細(xì)胞死亡途徑[25]，然而隨著研究的不斷推進，越來越多的證據(jù)表明鐵死亡的發(fā)生需要自噬機制的參與[26]。Hou等[27]通過在永生化小鼠胚胎成纖維細(xì)胞(MEFs)、人胰腺癌細(xì)胞系(PANC1 和 PANC2.03)和人纖維肉瘤細(xì)胞系HT-1080中敲低ATG5和ATG7抑制自噬后發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)游離鐵水平和脂質(zhì)過氧化終產(chǎn)物(如 MDA)水平均顯著下降，而細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)定鐵蛋白標(biāo)志物FTH1的表達(dá)顯著上升，該研究首次從基因?qū)用娼沂玖俗允珊丸F死亡關(guān)系。Zhou等[28]通過實驗進一步證實了這種關(guān)系，發(fā)現(xiàn)這種特殊的自噬過程是以鐵蛋白為底物的。之后，許多研究證實與鐵死亡密切相關(guān)的大分子物質(zhì)參與自噬的發(fā)生過程中。GSH、GPX4及脂質(zhì)過氧化物都是鐵死亡過程中關(guān)鍵的大分子物質(zhì)，研究表明在饑餓和氧化應(yīng)激等條件下，自噬發(fā)生時伴隨著GSH的下降[29]；而GPX4過表達(dá)可抑制ROS介導(dǎo)的自噬的發(fā)生，脂質(zhì)過氧化物可以促進自噬體的形成[30-31]。核受體輔激活因子4(NCOA4) 是鐵自噬過程中的選擇性受體[32]，而下調(diào)NCOA4可以抑制erastin誘導(dǎo)的鐵死亡。脂質(zhì)自噬介導(dǎo)的脂滴降解可以促進鐵死亡的發(fā)生[33]。其他如SLC7A11、NRF2、p53、HSPB1和ACSL4 等鐵死亡調(diào)控因子已經(jīng)被證實是自噬的潛在調(diào)控因子。目前越來越多的研究證實過度的自噬可以促進鐵死亡。然而，也有一些學(xué)者通過實驗證實，鐵死亡的發(fā)生可獨立于自噬。

4 鐵死亡與自噬在疾病中的研究

4.1 鐵死亡與自噬在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的研究 蛛網(wǎng)膜下腔出血(subarachnoid hemorrhage,SAH)是神經(jīng)系統(tǒng)疾病中重要的一種。梁譯丹等[33]研究證實，在SAH的大鼠模型中，通過側(cè)腦室注射慢病毒沉默ATG5mRNA的表達(dá)從而抑制自噬。與單純SAH組相比，慢病毒干預(yù)組PCR顯示ATG5 mRNA顯著降低；Western-blot檢測結(jié)果顯示ATG5和LC3Ⅱ/Ⅰ蛋白表達(dá)量顯著降低(P<0.05)，表明自噬被成功抑制。與此同時，與SAH組相比，慢病毒干預(yù)組的鐵死亡標(biāo)志物FTH1和GPX4表達(dá)升高(P<0.05)，GSH 含量提高，細(xì)胞內(nèi)鐵沉積減少，鐵含量、MDA 減少。上述研究結(jié)果表明自噬通過降解鐵蛋白，促進鐵死亡。該研究認(rèn)為鐵死亡的發(fā)生依賴于自噬的介導(dǎo)，在這之中鐵蛋白發(fā)揮重要的中介作用。與之前的研究結(jié)果一致[28-29]，即自噬通過降解鐵蛋白，增加細(xì)胞內(nèi)游離鐵離子的濃度，從而促進鐵死亡。這項研究為鐵死亡和自噬的相關(guān)性提供了實驗依據(jù)。

4.2 鐵死亡與自噬在循環(huán)系統(tǒng)疾病中的研究 Chen等[34]研究證實，在心力衰竭模型中，自噬鐵死亡是同時發(fā)生的。激活的自噬與鐵死亡與心力衰竭的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。而Baba等[35]在心肌梗死的研究中得出了不同的結(jié)論，認(rèn)為雷帕霉素機制靶點(mTOR)可以抑制心臟細(xì)胞中鐵死亡的發(fā)生，從而發(fā)揮保護性作用。與此同時，mTOR介導(dǎo)的對鐵死亡的抑制過程中并沒有伴隨著自噬標(biāo)志物的改變，這提示鐵死亡可獨立于自噬發(fā)生。

4.3 鐵死亡與自噬在腫瘤中的研究 香蒲新苷(typhaneoside)是一種可顯著降低急性髓系白血病(acute myeloid leukemia，AML)細(xì)胞活力的藥物。研究表明，香蒲新苷可通過作用于AMP活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)信號通路激活自噬，從而進一步激活自噬依賴的鐵蛋白的降解，最終誘導(dǎo)鐵死亡的發(fā)生，而抑制自噬后則可以抑制這種細(xì)胞死亡方式[36]。這充分說明在香蒲新苷促進AML細(xì)胞發(fā)生鐵死亡的過程是依賴于自噬的激活的。該研究再次為鐵死亡和自噬的相互關(guān)系提供了充分的實驗依據(jù)。而鐵死亡與自噬在乳腺癌中的研究得出了不一樣的結(jié)論。聯(lián)合使用西拉米辛和拉帕替尼可以顯著誘導(dǎo)乳腺癌細(xì)胞發(fā)生鐵死亡，也可誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生自噬性死亡。但是Ma等[37]通過實驗證實這種聯(lián)合用藥誘導(dǎo)乳腺癌細(xì)胞發(fā)生自噬性死亡在時間上是落后于鐵死亡的。這表明在西拉米辛和拉帕替尼治療乳腺癌的過程中，鐵死亡與自噬是獨立發(fā)生的。鐵死亡的發(fā)生并不總是依賴于自噬，鐵死亡與自噬的關(guān)系仍未明確，其內(nèi)在聯(lián)系更為復(fù)雜，需要學(xué)者們更多的研究與探索。

5 小 結(jié)

鐵死亡作為一種新型的細(xì)胞死亡方式，與多種疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。自噬作為一種保守的大分子或細(xì)胞器的降解過程，在病理情況下也會導(dǎo)致細(xì)胞的死亡。關(guān)于鐵死亡與自噬的關(guān)系，目前尚無統(tǒng)一結(jié)論。雖然越來越多的研究證實鐵死亡的發(fā)生伴隨著自噬的激活，但是也有不少的研究表明鐵死亡可獨立于自噬的激活而存在。鐵死亡與自噬的關(guān)系目前仍有許多未知的問題，且它們在疾病中的關(guān)系也處在研究的初級階段，未來將在進一步的研究中深入揭示兩者間的聯(lián)系。