鐵死亡的發(fā)生機制及其在血液系統(tǒng)腫瘤中的研究進展

殷賢青，劉容容

(廣西醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院血液內科，南寧 530000)

細胞死亡是維持個體正常生長發(fā)育及內環(huán)境穩(wěn)態(tài)的重要環(huán)節(jié)之一，經典的細胞死亡模式為凋亡、自噬和壞死。 鐵死亡是一種新的細胞死亡調控形式，其形態(tài)學特點是細胞體積縮小，線粒體膜密度增加，嵴減少，它在機制上不同于細胞壞死和凋亡，主要特點是活性氧(ROS)的生成、脂質過氧化和鐵的積累。隨著近年來鐵死亡機制研究的深入，許多研究表明鐵死亡與腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關。白血病和淋巴瘤是血液系統(tǒng)惡性腫瘤，其現(xiàn)有的治療方案治療有效率低，仍需探索新的治療模式，而鐵死亡的研究進展也為血液系統(tǒng)腫瘤的治療提供了新的思路。

1 概述

鐵死亡是Dixon等[1]在2012年提出的由erastin和RSL3等小分子誘導的依賴鐵的一種新的死亡模式，主要特點是活性氧(ROS)的生成、脂質過氧化和鐵的積累。特定的小分子化合物作用于細胞內特異性靶點，引起抗氧化劑谷胱甘肽(GSH)或谷胱甘肽過氧化物酶4(GPX4)減少，導致細胞內ROS堆積，細胞發(fā)生脂質過氧化，在鐵協(xié)同作用下誘發(fā)細胞鐵死亡[2-3]。游離胱氨酸經胱氨酸谷氨酸轉運受體(systemXc-)轉運進細胞內，為合成GSH的底物，谷胱甘肽是一種主要的氧化還原分子，其功能是通過將一個電子提供給谷胱甘肽過氧化物酶4 (GPX4)來防止鐵中毒[4]，而GPX4是唯一能減少磷脂過氧化氫的酶[5](圖1)。但上述通路引起的脂質過氧化水平增高通過什么機制引起鐵死亡仍是一個未解之謎。

白血病和淋巴瘤是最常見的血液系統(tǒng)惡性腫瘤，主要治療方法是化療和干細胞移植，雖然干細胞移植治療水平在近年來有較大提升，但其應用具有一定的限制性。而化療方案的緩解率不高，且近年來并沒有實質性的進展。因此仍需探究對患者受益較大的治療方案。鐵死亡作為細胞死亡模式之一，是腫瘤研究和治療中的熱門研究方向[6-7]。目前鐵死亡在血液系統(tǒng)腫瘤中研究較多的為通過調節(jié)鐵死亡的調節(jié)因子，影響細胞對鐵死亡的敏感性，從而調節(jié)腫瘤細胞的鐵死亡水平。

2 鐵死亡機制及在血液系統(tǒng)腫瘤中的研究

2.1 脂質過氧化與血液系統(tǒng)腫瘤

活性氧(ROS)由正常生理過程產生的，在細胞信號轉導和組織穩(wěn)態(tài)中起重要作用。然而，過量的活性氧自由基對細胞成分產生不利的修飾，如脂質、蛋白質和DNA損傷[8-9]。由于生物細胞膜或細胞器膜富含高多不飽和脂肪酸(PUFAs)，特別容易受到ROS損傷，這被稱為“脂質過氧化”，ROS誘導的脂質過氧化在細胞死亡中起著重要的作用。脂質過氧化直接損傷磷脂，也可作為誘導細胞程序性死亡的細胞死亡信號[10-11]。在erastin和RSL3誘導的鐵死亡中，均伴有ROS的累積，通過高通量篩選發(fā)現(xiàn)ferrostatin-1 (Fer-1)和 liproxstatin-1 (Lip-1)可阻止erastin誘導的ROS累積，從而特異性的抑制RSL誘導的鐵死亡，這也驗證了ROS累積對促進鐵死亡的重要作用[1,12]。

GPX4是一種抗氧化酶，GPXs家族成員之一，也是人類基因組17中含有硒半胱氨酸的25種蛋白質之一，它以谷胱甘肽為輔助因子，將脂質過氧化物還原為脂質醇，這一過程阻止了活性氧ROS的合成[13-14]。GPX4是RSL3的蛋白靶點，RSL3能特異性抑制GPX4活性，導致細胞內ROS堆積，從而誘導細胞的鐵死亡[15]，而過表達的GPX4可降低鐵死亡水平[16]。Pedro等[17]人證明敲除GPX4基因會導致細胞發(fā)生鐵死亡。硒可以通過轉錄因子TFAP2c和Sp1的協(xié)同激活來增強GPX4和這個轉錄程序中的其他基因，有效地抑制GPX4依賴的鐵死亡，而硒的缺失會使GPX4失去活性，使細胞對氧化損傷的敏感性增高[18-19]。此外，F(xiàn)ino2和FIN56可通過間接抑制GPX4的水平和活性來誘導鐵死亡，而不影響谷胱甘肽的水平[20-21]。

胱氨酸谷氨酸轉運受體(systemXc-)是細胞膜轉運體的一個組成部分，由SLC7A11和SLC3A2組成的異質二聚體，負責胞外胱氨酸和胞內谷氨酸的交換[22]。在生理狀態(tài)下，細胞外的胱氨酸通過systemXc-轉運進細胞內，為合成抗氧化劑谷胱甘肽的底物，而谷胱甘肽是清除活性氧的主要成分[23]。阻斷systemXc-會抑制半胱氨酸依賴的谷胱甘肽(GSH)合成，進而損害細胞的抗氧化防御能力，從而促進ROS的積累，誘導細胞發(fā)生鐵死亡。Wang等[24]人發(fā)現(xiàn)敲除Slc7a11基因小鼠體內胱氨酸/半胱氨酸的來源降低，從而限制了隨后的GSH合成，增加了細胞對鐵超載誘導的鐵死亡的敏感性。而b-巰基乙醇(b-ME)可以通過另一種途徑促進胱氨酸的攝取，從而繞過對systemXc-的抑制，它可以強烈地抑制由谷氨酸誘導的HT-1080細胞的死亡[1]。

綜上，鐵死亡過程中伴隨著ROS的積累和脂質過氧化水平的增高，而GPX4通過抗氧化減少細胞內ROS累積來減輕細胞對鐵死亡的敏感性，GPX4的水平和活性能影響鐵死亡水平。此外，systemXc-通過影響GSH的代謝調節(jié)ROS的平衡，為參與鐵死亡的重要一環(huán)。

Probst等[25]人使用急性淋巴細胞白血病(ALL)細胞系為細胞模型，RSL3處理后該細胞系細胞死亡，這種死亡過程伴隨著脂質過氧化增加水平的增高，加入脂質過氧化抑制劑Fer-1或脂氧合酶(LOX)后可抑制這種細胞死亡，且鐵螯合劑DFO可逆轉RSL3觸發(fā)的細胞死亡，這些結果表明ALL細胞對RSL3誘導的鐵死亡敏感。此外，Yang等[13]人通過檢測117個來自不同組織的癌細胞系對erastin敏感性，數(shù)據(jù)分析結果顯示彌漫性大B淋巴瘤(DLBCLs)特別敏感，且在經erastin處理后的DLBCL細胞系中產生了脂質過氧化物，而使用親脂性抗氧化劑可以挽救細胞死亡，表明在在此細胞系中發(fā)生的細胞死亡具有鐵死亡的特征。進一步分析了DLBCL細胞系和其他造血細胞系對203種不同致死化合物的敏感性，發(fā)現(xiàn)DLBCL細胞系對所有化合物的平均耐藥能力較弱，表明DLBCLs對erastin誘導的ferroptosis的敏感性增強并不是由于對所有化合物都具有普遍的敏感性。上述研究表明，白血病和淋巴瘤細胞對鐵死亡敏感性高，且伴隨ROS堆積過多、脂質過氧化水平增高的現(xiàn)象，與目前所知的鐵死亡經典通路相符合。

近年來有學者發(fā)現(xiàn)急性髓系白血病(AML)和Burkitt淋巴瘤對可促進鐵死亡的化合物敏感。酪啡肽(Typhaneoside, TYP)是蒲黃花粉提取物中的主要黃酮類化合物，處理AML細胞后通過促進AMP激活蛋白激酶(AMPK)信號的激活，顯著地觸發(fā)AML細胞的自噬，最終導致鐵蛋白降解、ROS積累，同時伴有線粒體功能障礙，最終導致細胞鐵死亡[26]。此外，Wang等[27]人研究了青蒿琥酯對Burkitt淋巴瘤細胞基因表達及細胞抑制的影響，結果顯示青蒿琥酯可誘導Burkitt淋巴瘤細胞的鐵死亡，從而導致內質網應激反應，激活ATF4-CHOP-CHAC1通路，并降解了細胞內的GSH，從而削弱了淋巴瘤細胞對鐵死亡的抵抗能力，增強了Burkitt淋巴瘤細胞的鐵死亡，這可由Lip-1、Fer-1和DFO對細胞的保護作用得到證明。這些研究為促鐵死亡化合物在血液腫瘤治療領域的應用提供了新思路。

人淋巴瘤細胞和白血病細胞不能將蛋氨酸轉化成胱氨酸，因此，細胞外胱氨酸攝取是其生長和進展所必需的。有趣的是，與其他系統(tǒng)實體瘤中高表達的SLC7A11水平相比，在慢性淋巴細胞白血病(CLL)中SLC7A11表達下調，systemXc-轉運胱氨酸能力下降，可促進細胞內ROS增加，這表明了CLL與鐵死亡密切相關[28]。

除了體外研究外，有臨床研究結果顯示[29]，在DLBCLs患者中，GPX4的表達率為35.5%(33/93)，GPX4陽性組的總生存期和疾病無進展生存期較GPX4陰性組差，這可能與GPX4能減少細胞內脂質過氧化水平而降低細胞對鐵死亡的敏感性的有關。

綜上，細胞發(fā)生鐵死亡過程中伴隨著ROS的積累和脂質過氧化為鐵死亡發(fā)生機制的重要環(huán)節(jié)，對GPX4和systemXc-等通路的調節(jié)最終均通過影響細胞內ROS的穩(wěn)態(tài)來改變細胞對鐵死亡的敏感性。研究表明，通過多通路調節(jié)增加細胞內ROS的堆積可增加白血病及淋巴瘤細胞對鐵死亡的敏感性，從而為臨床上治療血液系統(tǒng)腫瘤的藥物選擇提供了新的研究方向。

2.2 p53與血液系統(tǒng)腫瘤

人們普遍認為p53介導的細胞周期阻滯、凋亡和衰老是抑制腫瘤的主要機制。Jiang等[30]人報道，p53通過抑制SLC7A11的轉錄降低了胱氨酸的攝取，減少細胞內GSH，增加細胞內ROS堆積，從而增加細胞鐵死亡的易感性。他們使用了p53的一種不能誘導其它形式的細胞凋亡，但保留了調節(jié)SLC7A11表達的能力的乙酰化缺陷突變體p533KR，發(fā)現(xiàn)SLC7A11在許多類型的人類癌癥中過表達，而高水平的SLC7A11表達可以顯著消除p533KR誘導的腫瘤生長抑制活性，表明這種抑制活性與細胞周期阻滯、凋亡和衰老無關。同時，他們發(fā)現(xiàn)高水平的活性氧可以觸發(fā)p53介導的鐵死亡。而p53對細胞ROS水平的調節(jié)作用是一個有趣的過程。在細胞內為低水平或基礎ROS水平時，p53可以阻止細胞積累致命水平的ROS，然而，當ROS水平異常升高時，p53可能會通過鐵死亡來促進細胞的清除。由此可知，p53可以通過影響細胞內ROS水平來調節(jié)細胞鐵死亡水平。

ALOX12基因位于人類染色體17p13.1上，位置非常接近TP53位點，部分學者認為許多人類腫瘤已經丟失了一個ALOX12等位基因[31]。Chu等[32]人采用分別缺失脂氧合酶六種亞型的p533KRH1299細胞，經過氧化叔丁醇(TBH)處理后檢測ROS誘導的鐵死亡水平，發(fā)現(xiàn)ALOX12的功能缺失特異阻斷了p53介導鐵死亡，且SLC7A11通過特異性結合ALOX12來抑制其酶活性，從而證實p53可以通過抑制SLC7A11的轉錄從而抑制systemXc-系統(tǒng)，間接激活ALOX12脂氧合酶活性，導致ROS誘導下 ALOX12依賴性的鐵死亡，而這條誘導鐵死亡的途徑獨立于GPX4途徑。因此，p53可以通過調節(jié)SLC7A11的轉錄水平和活性來調控鐵死亡水平。進一步研究發(fā)現(xiàn)，ALOX12缺失可抑制p53介導的p53型鐵死亡并加速myc誘導的腫瘤發(fā)生，在Eμ-Myc老鼠模型中，損失一個Trp53等位基因時會顯著加速Myc誘發(fā)的經典Eμ-Myc淋巴瘤模型的形成，而丟失一個ALOX12等位基因會縮短這類小鼠的中位生存期。

綜上，p53通過調節(jié)ROS水平增加細胞隨鐵死亡的敏感性，而p53功能性缺失對Eμ-Myc淋巴瘤的發(fā)生和預后有重要作用。

2.3 鐵代謝與血液系統(tǒng)腫瘤

鐵是人體內參與多種代謝的重要金屬離子之一，對促進鐵死亡的發(fā)生起著重要作用。鐵離子參與鐵死亡的具體機制尚不明確，研究表明，在生理條件下，循環(huán)游離鐵與轉鐵蛋白結合，體內鐵代謝維持穩(wěn)態(tài)，當體內出現(xiàn)鐵超載時，血清轉鐵蛋白結合接近飽和，循環(huán)中存在非轉鐵蛋白結合鐵(NTBI)[4,33-34]，而過量的鐵可通過Fenton反應使細胞內ROS含量升高，從而促進鐵死亡[35]。使用枸櫞酸鐵(FAC)在體外處理小鼠原代肝細胞和骨髓來源巨噬細胞(BMDMs) 顯著增加了細胞的脂質過氧化水平，降低了NADPH含量和細胞生存能力，而鐵死亡抑制劑和鐵螯合劑可逆轉上述改變[24]。此外該團隊還發(fā)現(xiàn)，Slc7a11-/-小鼠模型在基礎鐵條件下不發(fā)生鐵死亡，高鐵飲食引起小鼠體內非轉鐵蛋白結合鐵增高，GSH水平降低， ROS水平升高，表明，鐵誘導的鐵死亡是一個不同于erastin誘導的鐵死亡的過程。

注：(a)：酪啡肽處理AML細胞后可通過激活AMPK信號導致AML細胞鐵死亡，并伴隨鐵蛋白降解及ROS累積；(b)：RSL3、erastin處理ALL細胞、DLBCLs后致細胞發(fā)生鐵死亡，伴隨脂質過氧化水平增高，而抗氧化劑及DFO可抑制其發(fā)生;(c)：CLL細胞中SLC7A11表達下調，systemXc-轉運胱氨酸能力下降，致細胞內ROS增加，促進細胞鐵死亡;(d)：p53可抑制systemXc-而促進Eμ-Myc淋巴瘤細胞發(fā)生鐵死亡，而缺失TP53基因會加速Eμ-Myc淋巴瘤模型形成;(e)：青蒿琥酯可通過激活ATF4-CHOP-CHAC1通路并降解GSH誘導Burkitt淋巴瘤細胞鐵死亡。圖1 鐵死亡與血液系統(tǒng)腫瘤Note. (a), Typhaneoside treatment of AML cells resulted in ferroptosis in AML cells by activating AMPK signaling, accompanied by ferritin degradation and ROS accumulation. (b), RSL3 and erastin treatment of ALL and DLBCLs resulted in ferroptosis, accompanied by increased lipid peroxidation, which was inhibited by antioxidant and DFO. (c), Expression of SLC7A11 in CLL cells was down-regulated, and the systemXc- transporter cystine ability was decreased, leading to the increase of intracellular ROS and the promotion of cell ferroptosis. (d), p53 inhibits systemXc- and promotes ferroptosis in Eμ-Myc lymphoma cells, while the deletion of TP53 gene accelerates the formation of Eμ-Myc lymphoma model. (e), Artesunate can induce ferroptosis in Burkitt lymphoma cells by activating ATF4-CHOP-CHAC1 pathway and degrading GSH.Figure 1 Ferroptosis and hematological malignant tumor

此外還有許多研究結果與其相一致。核受體輔激活因子4 (NCOA4)是鐵蛋白在鐵死亡中的選擇性自噬翻轉的選擇性受體，Hou等[36]人在PANC1細胞中敲除NCOA4，細胞內二價鐵水平減低，減少了erastin誘導的鐵死亡，而通過轉染過表達NCOA4的細胞中二價鐵水平增高，且鐵死亡水平增高，因此，NCOA4介導的鐵蛋白降解導致的細胞內鐵離子增加參與了鐵死亡。GPX4抑制劑處理的細胞分泌的大量外泌體中含有鐵蛋白，在發(fā)生鐵死亡時，prominin 2水平與細胞內游離鐵水平呈負相關，表明外泌體將細胞內鐵排出細胞能保護細胞免于發(fā)生鐵死亡[37]。

近年來有學者發(fā)現(xiàn)急性髓系白血病(AML)和Burkitt淋巴瘤對可促進鐵死亡的化合物敏感。雙氫青蒿素(DHA) 在G0/G1期強烈抑制AML細胞系的活力并阻滯細胞周期，進一步研究發(fā)現(xiàn)，DHA通過調控AMPK/mTOR/p70S6k信號通路的活性誘導自噬，加速鐵蛋白的降解，增加不穩(wěn)定的鐵池，促進細胞ROS的積累，并伴有線粒體功能障礙，最終導致細胞發(fā)生鐵死亡[38]。

此外，與其他系統(tǒng)的惡性腫瘤不同的是，血液系統(tǒng)惡性腫瘤患者由于正常紅細胞生成障礙及化療而需要反復輸血治療，導致體內鐵負荷加重。而過量的鐵和ROS催化產生會通過煙NADPH氧化酶(NOX)和GSH消耗促進造血干細胞的惡性轉化[39]，且在骨髓增生異常綜合征中，ROS誘導的DNA損傷可能增加患者進展為白血病的風險[40]。

上述研究結果表明，過量的鐵通過ROS途徑促進細胞鐵死亡的發(fā)生，鐵蛋白代謝相關途徑介導的細胞內鐵離子水平變化也與鐵死亡密切相關，調節(jié)鐵的代謝穩(wěn)態(tài)可影響AML細胞對鐵死亡的敏感性，而白血病的疾病進展也會增加患者體內鐵的蓄積。

3 總結與展望

鐵死亡是由Erastin、RSL3等小分子誘導的一種細胞死亡模式，由GPX4、GSH代謝、鐵代謝等多通路調控，其發(fā)生發(fā)展伴隨著ROS的堆積，導致細胞膜發(fā)生脂質過氧化，其具體發(fā)生機制還需進一步研究。細胞死亡模式的研究仍是攻克治療腫瘤難題的重要環(huán)節(jié)之一，近年來鐵死亡在腫瘤領域的研究中較為熱門，許多研究表明，通過調節(jié)鐵死亡誘導因子水平、細胞內ROS產生和消亡的平衡以及調控鐵代謝穩(wěn)態(tài)能增加部分白血病及淋巴瘤細胞對鐵死亡的敏感性，從而達到殺死腫瘤細胞的作用，也發(fā)現(xiàn)了多種化合物與腫瘤細胞發(fā)生鐵死亡密切相關，且鐵死亡誘導因子水平與疾病的預后相關。而血液系統(tǒng)腫瘤疾病進展及治療帶來的變化也會對鐵死亡過程產生影響。但現(xiàn)有的鐵死亡在血液腫瘤中的研究仍處于起步階段，尚不成熟，需要進一步的體外實驗驗證鐵死亡對血液腫瘤細胞的作用及機制，期望將來能有更多相關研究，為白血病及淋巴瘤的治療方案提供新的思路。