細胞鐵死亡發(fā)生機制的研究進展

梅勝蘭，夏中元，孟慶濤，周金劍

(武漢大學人民醫(yī)院麻醉科，武漢 430060)

鐵死亡是Dolma等[1]用小分子化合物Erastin誘導Ras癌基因突變的人包皮成纖維細胞死亡時發(fā)現(xiàn)的一種程序性細胞死亡方式，使用凋亡、壞死、自噬、焦亡等抑制劑均不能逆轉(zhuǎn)Erastin和谷胱甘肽過氧化物酶抑制劑RSL3導致的細胞死亡，而抗氧化劑(維生素E)和鐵螯合劑(去鐵胺)卻能逆轉(zhuǎn)。2012年，Dixon等[2]將Erastin誘導的具有自己獨特形態(tài)學、基因?qū)W、生物化學特征的細胞死亡方式正式命名為鐵死亡。在形態(tài)學方面，鐵死亡主要表現(xiàn)為線粒體膜固縮，膜密度增加，線粒體嵴模糊不清、減少或消失，細胞核膜完整[3]；在生化方面，表現(xiàn)為鐵離子水平升高，產(chǎn)生大量活性氧類(reactive oxygen species，ROS)，谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPx4)活性下降，脂質(zhì)代謝產(chǎn)物堆積；在分子機制上，有研究發(fā)現(xiàn)，核轉(zhuǎn)錄因子紅系2相關(guān)因子2(nuclear factor-erythroid 2-related factor 2，Nrf2)在葉酸誘導的急性腎損傷小鼠中通過抑制鐵死亡發(fā)揮腎臟保護作用，這可能是Nrf2除抗氧化應激、抗炎等保護作用外的另一個嶄新機制[4]，而GPx4是Nrf2轉(zhuǎn)錄途徑介導的唯一基因，是有效修復氧化損傷的硒蛋白，因此Nrf2/GPx4是調(diào)控細胞鐵死亡的關(guān)鍵信號通路。

細胞鐵死亡存在于多種疾病的病理生理過程中，研究發(fā)現(xiàn)在腫瘤疾病中，其可通過誘導細胞鐵死亡殺滅腫瘤細胞；在神經(jīng)退行性疾病中，可通過抑制細胞鐵死亡延緩疾病的進展[5]。然而，鐵死亡的研究仍處于早期階段，還有很多問題尚待解決。現(xiàn)就細胞鐵死亡的發(fā)生機制予以綜述，以為鐵死亡的深入研究及臨床疾病的防治提供新靶點與理論基礎(chǔ)。

1 鐵死亡發(fā)生的相關(guān)機制

1.1鐵離子調(diào)控

1.1.1鐵代謝 鐵是機體不可缺少且含量最豐富的微量元素，其參與體內(nèi)多種重要的生理生化功能。鐵是血紅蛋白和肌紅蛋白合成主要原料，其不僅參與了DNA、ATP的生物合成，也是線粒體中重要的電子傳遞鏈和金屬蛋白酶的輔助因子，如鐵硫蛋白不僅是線粒體電子傳遞鏈中氧化還原酶類的重要輔助因子，還是氧化還原反應過程中許多重要酶的輔助因子[6]，包括還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸、泛醌等。因此，機體健康的維持，鐵至關(guān)重要。正常條件下，機體通過食物來源的鐵和“鐵循環(huán)”(衰老的紅細胞在血紅素加氧酶作用下釋放鐵離子，巨噬細胞再次吞噬回收利用鐵的過程)保持鐵的動態(tài)平衡。由肝臟合成分泌的鐵調(diào)素直接調(diào)控血清鐵的水平，而機體細胞內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)，則主要通過鐵調(diào)控蛋白系統(tǒng)——鐵反應元件發(fā)揮作用。外周循環(huán)中的三價鐵離子(Fe3+)與轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合形成復合物后與細胞膜上的轉(zhuǎn)鐵蛋白受體結(jié)合，進入細胞內(nèi)的內(nèi)涵體，此時的Fe3+通過鐵氧還原酶Steap3(six-transmembrane epithelial antigen of the prostate)還原為二價鐵離子(Fe2+)，隨后在二價金屬離子轉(zhuǎn)運蛋白1的介導下，F(xiàn)e2+從內(nèi)涵體解體釋放到細胞質(zhì)，一部分儲存于不穩(wěn)定的鐵池，過多的鐵則存儲在鐵蛋白輕鏈多肽和鐵蛋白重鏈多肽1組成的鐵儲存蛋白復合物中，剩余部分Fe2+將被氧化成Fe3+轉(zhuǎn)出細胞，參與體內(nèi)鐵再循環(huán)。

1.1.2鐵離子與脂質(zhì)過氧化 當體內(nèi)鐵的分布、含量異常時，就會發(fā)生各種損傷與疾病。有研究將Fe2+加入脊髓神經(jīng)元的培養(yǎng)液中，發(fā)現(xiàn)鐵離子的水平與脂質(zhì)自由基、丙二醛等過氧化產(chǎn)物的產(chǎn)生量呈正相關(guān)，而神經(jīng)元的活性與脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物產(chǎn)生量呈負相關(guān)，說明鐵與ROS是鐵死亡的啟動子與介質(zhì)[7]。研究表明，含有多不飽和脂肪酸的細胞膜、質(zhì)膜等特別容易與脂質(zhì)自由基發(fā)生過氧化反應，而在Fe2+的存在下，這種反應速度極大提高[8]。另有研究發(fā)現(xiàn)，抗氧化劑(α維生素E和β胡蘿卜素等)和鐵螯合劑(去鐵胺)能夠顯著抑制Erastin誘導的細胞鐵死亡，說明鐵穩(wěn)態(tài)和脂質(zhì)過氧化是細胞鐵死亡發(fā)生的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]。鐵也是鐵死亡的必要條件，補充鐵離子可以加速Erastin 誘導的細胞鐵死亡，而其他二價金屬離子卻沒有此作用。

上述結(jié)果揭示一種現(xiàn)象：鐵離子水平越高，脂質(zhì)過氧化反應越強烈，細胞損傷即鐵死亡越嚴重。鐵離子啟動脂質(zhì)過氧化的反應為：當組織損傷或缺血缺氧時，細胞代謝發(fā)生障礙，pH下降致細胞內(nèi)Fe3+還原成Fe2+，F(xiàn)e2+通過與過氧化氫發(fā)生Fenton反應促進了氧自由基的產(chǎn)生，其中羥自由基最具有破壞性，其不僅能夠在體內(nèi)與其鄰近的分子發(fā)生急速反應，同時還能夠促進與細胞的脂質(zhì)成分發(fā)生過氧化生成大量脂質(zhì)自由基，由于細胞膜、質(zhì)膜含有豐富的多不飽和脂肪酸，脂質(zhì)自由基如同級聯(lián)反應，進一步導致細胞膜、質(zhì)膜變薄失去屏障作用，細胞內(nèi)ROS隨即加劇破壞胞膜、質(zhì)膜，并在細胞膜上形成蛋白質(zhì)孔，導致細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)紊亂[9]，激活更嚴重的生化反應；另一方面，脂質(zhì)自由基損傷細胞的脂質(zhì)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物(4-羥基壬烯醛、丙二醛等)并沒有靜止，而是繼續(xù)反應，不斷破壞細胞，最終導致細胞膜、質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)和功能不可逆的破壞，這就是鐵依賴性的脂質(zhì)過氧化死亡即鐵死亡。見公式(1)、(2)[10]。

Fe2++H2O2→Fe3++OH-+·OH

(1)

(2)

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，因為它能催化多不飽和脂肪酸氧化，并能直接被親脂性鐵螯合劑失活。而Dixon和Stockwell[11]認為，鐵具有在有氧條件下極易與其他物質(zhì)交換電子的特性，鐵螯合劑之所以抑制細胞鐵死亡，其原因可能為：鐵是很多重要金屬酶的輔酶，其阻止了鐵向氧化物傳遞電子，從而抑制氧自由基的產(chǎn)生，即抑制了細胞脂質(zhì)過氧化，進而抑制了鐵死亡的發(fā)生。

1.2Nrf2/GPx4途徑 Nrf2基因位于人染色體 2q31.2，其編碼的蛋白是一種具有亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)、含有605個氨基酸的轉(zhuǎn)錄因子，不僅能夠調(diào)控細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)的平衡，還能對抗機體外源性和內(nèi)源性氧化損傷，調(diào)節(jié)人類抗氧化蛋白的表達，是氧化還原的關(guān)鍵基因。Nrf2對細胞內(nèi)的Fe2+具有調(diào)控作用，正常條件下Nrf2保持無活性狀態(tài)，當受到ROS刺激或親電子物質(zhì)等誘導時就發(fā)生分子構(gòu)象改變，激活下游的抗氧化酶發(fā)揮抗氧化、抑制細胞鐵死亡的作用[12]；另有研究發(fā)現(xiàn)，鐵死亡的相關(guān)基因包括Nrf2，上調(diào)Nrf2，其下游的抗氧化蛋白基因(如GPx4和血紅素加氧酶1)表現(xiàn)為促進編碼轉(zhuǎn)錄；而敲除Nrf2基因或Nrf2靶基因的肝細胞肝癌細胞可增強鐵死亡誘導劑Erastin或索拉菲尼誘導的鐵死亡[13]。Nrf2抑制劑(如全反式視黃酸、葫蘆巴堿、鴉膽子苦醇)通過抑制金屬硫蛋白1G(一種富含半胱氨酸殘基的蛋白質(zhì))的表達，增加了谷胱甘肽的消耗、脂質(zhì)過氧化，促進索拉非尼誘導的鐵死亡[14]，進一步證實 Nrf2 具有抑制鐵死亡的作用。而GPx4是Nrf2轉(zhuǎn)錄介導的基因，是能夠特異地將高毒性的脂質(zhì)過氧化氫轉(zhuǎn)化成無毒的脂醇，將過氧化氫分解成水，是一種對哺乳動物中不飽和脂肪酸的氧化損傷能夠有效修復的硒蛋白[15]。有文獻報道，敲除小鼠GPx4基因或使用GPx4抑制劑RSL3能導致細胞內(nèi)超氧陰離子和羥自由基明顯增加以及脂質(zhì)過氧化，最后誘導細胞鐵死亡的發(fā)生[16]；而GPx4基因全身敲除，則小鼠胚胎在7.5 d死亡[17]。因此，抗氧化酶GPx4是鐵死亡發(fā)生的至關(guān)重要的調(diào)控蛋白，而Nrf2/GPx4是調(diào)控細胞鐵死亡的關(guān)鍵信號通路。

1.3胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運體(cystine/glutamate antiporter，System XC-) System XC-是一個膜Na+依賴的氨基酸反向轉(zhuǎn)運體，廣泛分布于生物細胞的磷脂雙分子層，是由輕鏈溶質(zhì)載體家族7成員11(solute carrier family 7 member 11，SLC7A11)和重鏈溶質(zhì)載體家族3成員2組成的異二聚體，當攝取一分子胱氨酸的同時外排一分子谷氨酸[18]。在細胞內(nèi)，胱氨酸首先被還原為半胱氨酸，然后在γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶、谷胱甘肽合成酶的作用下合成谷胱甘肽，谷胱甘肽在抗氧化應激、減輕脂質(zhì)過氧化反應、保護組織細胞等方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用。當System XC-被阻斷時，谷氨酸與胱氨酸不能互換，導致細胞內(nèi)谷氨酸堆積，谷胱甘肽合成減少，GPX4活性降低，從而使細胞發(fā)生鐵死亡[19]；研究報道，基因沉默SLC7A11表達會使HT-1080細胞對鐵死亡誘導劑Erastin誘導的鐵死亡更加敏感，而將HT-1080細胞過表達SLC7A11后，細胞對鐵死亡的耐受明顯增強[20]?？梢姡琒ystem XC-對細胞鐵死亡有重要作用。

1.4電壓依賴性陰離子通道 (voltage-dependent anion channel，VDAC) VDAC位于線粒體外膜，具有調(diào)節(jié)線粒體的代謝和產(chǎn)能功能，并參與細胞生存和死亡信號的調(diào)節(jié)，是轉(zhuǎn)運離子和代謝產(chǎn)物的跨膜通道，包括VDAC1、VDAC2和VDAC3等多種亞型。VDAC開放時允許呼吸底物、ADP、磷酸進入線粒體，在關(guān)閉狀態(tài)下則封閉線粒體的轉(zhuǎn)運功能[21]。動態(tài)“開放-封閉”將對線粒體代謝和細胞生物能量產(chǎn)生重大影響。微管蛋白是VDAC上的一種球形蛋白，它可以通過阻塞VDAC來動態(tài)調(diào)節(jié)線粒體代謝及離子的轉(zhuǎn)運[22]。VDAC被微管蛋白阻塞而關(guān)閉后，限制代謝物流入線粒體和ATP產(chǎn)生，隨后線粒體代謝被抑制并維持較低ATP/ADP比值，從而減少氧化應激。Erastin可抑制 VDAC上的微管蛋白功能，阻止細胞質(zhì)游離微管蛋白對VDAC的阻塞，使VDAC開放。VDAC開放會引起線粒體代謝增加，糖酵解減少，ROS生成增加。研究發(fā)現(xiàn)，鐵死亡誘導劑Erastin作用于VDAC后，線粒體外膜的通透性增加，膜離子通道開放，細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)失衡，導致線粒體代謝及氧化功能紊亂，ROS生成增加，脂質(zhì)過氧化增強，進而引起細胞鐵壞死的發(fā)生[23]。另有研究表明，抑制VDAC2或VDAC3表達后，細胞對Erastin誘導的鐵死亡不敏感，但上調(diào)VDAC2或VDAC3，Erastin誘導鐵死亡的敏感性并沒有明顯提高，提示VDAC2或VDAC3并非鐵死亡的必需條件[24]，而只是參與了鐵死亡調(diào)節(jié)的過程。有文獻報道，VDAC1蛋白主要維持線粒體中鈣離子平衡和ROS水平，因此也與鐵死亡發(fā)生密切相關(guān)[25]。

1.5p53 p53是抑癌基因，其對調(diào)控細胞的生長周期、影響腫瘤細胞代謝、誘導細胞凋亡、促進DNA損傷等有重要影響。研究發(fā)現(xiàn)，p53除了抑制腫瘤外，對機體的衰老、帕金森病、阿爾茨海默病等神經(jīng)退行性疾病發(fā)揮限制作用[26]。Jiang等[27]研究發(fā)現(xiàn)，p53通過乙?；峦蛔兒?，能夠抑制System XC-活性，下調(diào)SLC7A11的表達，抑制胱氨酸進入細胞，減少谷胱甘肽合成，降低GPx4活性，從而促進脂質(zhì)過氧化，誘導細胞鐵死亡的發(fā)生；同時，他們還發(fā)現(xiàn)激活p53基因后，存在于線粒體外膜的SLC7A11基因信使RNA在腫瘤細胞中呈高表達，可抑制p53基因的負調(diào)控，從而證實SLC7A11為p53基因的新靶點。近年研究發(fā)現(xiàn)，p53能通過增強谷氨酰胺酶2的活性，催化谷氨酸大量產(chǎn)生，因胱氨酸與谷氨酸以1∶1轉(zhuǎn)運，故細胞內(nèi)高濃度谷氨酸必然減少胱氨酸進入細胞，從而減少谷胱甘肽合成，誘發(fā)細胞鐵死亡的發(fā)生[28]。此外，有研究報道亞精胺/精胺N1-乙酰轉(zhuǎn)移酶1高表達可增強脂肪氧合酶活性，而p53通過增強此酶的活化功能，促進細胞不飽和脂肪酸氧化，導致細胞鐵死亡[29]。p53與鐵死亡的激活關(guān)系密切，在骨肉瘤、肺癌中表現(xiàn)更明顯，其機制與p53直接抑制System XC-有關(guān)，且在腫瘤的抑制與調(diào)節(jié)鐵死亡作用中，p53的乙?；陵P(guān)重要[30]。

2 鐵死亡與相關(guān)疾病

2.1鐵死亡與腫瘤 目前發(fā)現(xiàn)，多種腫瘤細胞對藥物誘導的鐵死亡十分敏感。如胰腺癌細胞對凋亡產(chǎn)生耐受，但對細胞鐵死亡敏感，Eling等[31]發(fā)現(xiàn)青蒿脂可誘導胰腺癌細胞鐵死亡，從而抑制腫瘤的生長；Lin等[32]發(fā)現(xiàn)，雙氫青蒿素可誘導頭頸部鱗狀細胞癌細胞發(fā)生鐵死亡；西拉美新和拉帕替尼則可以誘導乳腺癌細胞發(fā)生鐵死亡[33]。因此，誘導腫瘤細胞發(fā)生鐵死亡從而抑制腫瘤的增殖與轉(zhuǎn)移，可能成為未來腫瘤治療的新靶點。

2.2鐵死亡與神經(jīng)退行性疾病 阿爾茨海默病和帕金森病是臨床常見的神經(jīng)退行性疾病，其發(fā)病率逐年增加，不僅嚴重影響患者的生活質(zhì)量，也給家庭、社會造成沉重負擔，但其發(fā)病機制尚不明確。Ayton等[34]發(fā)現(xiàn)，在阿爾茨海默病患者大腦中鐵蛋白增多與阿爾茨海默病風險基因載脂蛋白E-ε4表達水平升高一致，表明大腦中鐵含量的增加影響阿爾茨海默病進程。在成年小鼠GPx4缺失模型中發(fā)現(xiàn)海馬神經(jīng)元與星形膠質(zhì)細胞減少，這與阿爾茨海默病患者的病理改變一致[35]；Pichler等[36]發(fā)現(xiàn)，帕金森病患者黑質(zhì)致密部鐵含量增加，多巴胺能神經(jīng)元氧化損傷明顯加重，谷胱甘肽耗竭，羥自由基水平升高，表明在帕金森病中，鐵死亡參與了多巴胺能神經(jīng)元的變性死亡；Do等[37]發(fā)現(xiàn)，鐵死亡抑制劑ferrostatin-1能抑制1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶對多巴胺能神經(jīng)元的毒性作用，以上進一步表明鐵死亡參與了神經(jīng)退行性疾病的病理過程。

2.3鐵死亡與臟器缺血再灌注損傷 在臟器缺血再灌注損傷中，存在細胞壞死、凋亡、自噬等。近來研究發(fā)現(xiàn)，在小鼠模型中，通過抑制細胞鐵死亡，可顯著減輕心臟、肝、腎、腦等的缺血再灌注損傷[38-39]；Tang等[40]發(fā)現(xiàn)，大鼠心肌缺血再灌注損傷后，鐵穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)通路被激活，鐵離子堆積，ROS生成增加，最終導致鐵離子依賴的氧化損傷即鐵死亡，表明鐵死亡參與了心肌的缺血再灌注損傷。因此，抑制細胞鐵死亡可能成為臨床防治臟器缺血再灌注損傷的新方法。

3 小 結(jié)

細胞死亡是機體正常新陳代謝的需要，是所有細胞的最終命運，在整個機體的正常運轉(zhuǎn)以及病理生理過程中具有不可替代的作用。線粒體基質(zhì)和線粒體嵴是真核生物氧化代謝的場所，線粒體含有豐富的脂質(zhì)，也是對缺血缺氧及各種損傷最為敏感的細胞器之一。而鐵死亡是鐵依賴的脂質(zhì)過氧化物超量蓄積和ROS引起的細胞程序性死亡方式，線粒體嵴減少或消失，線粒體膜固縮是否可以作為鐵死亡早期的和特征性的形態(tài)學改變，有待進一步探討；另外，參與細胞鐵死亡的信號通路與其他調(diào)節(jié)性細胞死亡方式之間是否存在潛在的相關(guān)性也有待深入研究。相信隨著基礎(chǔ)與臨床研究的不斷進步，鐵死亡一定會更好地應用到臨床疾病特別是腫瘤的防治中。