鐵死亡通路與心血管疾病的研究進展

呂明明 ，鄭在勇 ，張玉龍 ，岳榮川 ，胡厚祥 *

鐵死亡是由DIXON等［1］在2012年首次描述的一種鐵依賴的新型細胞死亡形式，這種死亡是通過抑制胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運體（System Xc-）引起的。鐵死亡在形態(tài)學(xué)、生化和遺傳學(xué)上均與細胞凋亡、壞死和自噬不同，主要特征是大量的鐵離子依賴性脂質(zhì)過氧化物累積。其在形態(tài)學(xué)上的顯著特征主要表現(xiàn)在線粒體上，如線粒體體積變小、膜密度增加和嵴缺失［1］。就機制而言，谷胱甘肽（GSH）和谷胱甘肽過氧化物酶4（GPX4）介導(dǎo)的氧化還原平衡紊亂是鐵死亡的一個獨有的特征［2］。研究證明鐵死亡在腫瘤［3］、神經(jīng)退行性病變［4］、腎衰竭［5］以及心血管疾?。?-9］中均發(fā)揮著重要作用。對鐵死亡認識的深入，將進一步理解相關(guān)疾病的發(fā)生、發(fā)展機制，為相關(guān)疾病的預(yù)防和治療提供全新的思路與策略。

1 鐵死亡的調(diào)控機制

1.1 鐵代謝 鐵死亡的執(zhí)行及脂質(zhì)過氧化物的累積均需要鐵。細胞內(nèi)的Fe2+通過芬頓反應(yīng)生成Fe3+，從而增加活性氧并激活脂氧合酶（LOX），導(dǎo)致組成生物膜的多不飽和脂肪酸（PUFAs）發(fā)生脂質(zhì)過氧化，進而破壞細胞膜［10］。因此，鐵的運輸、儲存與利用均會影響細胞對鐵死亡的敏感性，而鐵蛋白在鐵代謝的調(diào)節(jié)中起著重要作用。鐵蛋白是由24條重鏈和輕鏈構(gòu)成的球形雜聚蛋白，而鐵蛋白重鏈（Fth）具有亞鐵氧化酶活性，能將Fe2+氧化為Fe3+，并儲存在鐵蛋白的球狀空心結(jié)構(gòu)內(nèi)［11-12］。在細胞內(nèi)，核受體共激活因子4（NCOA4）能將鐵蛋白運輸?shù)阶允审w中，并進行溶酶體降解和釋放游離鐵，從而提高細胞對鐵死亡的敏感性［13-15］。而BROWN等［16］研究者發(fā)現(xiàn)Prominin2（一種5跨膜糖蛋白）能促進含有鐵蛋白的多泡小體（MVBs）和外泌體（EXO）的形成，并將鐵從細胞中運輸出去，從而抑制鐵死亡。

血紅素加氧酶（Hmox1）在鐵代謝的調(diào)節(jié)中也起著重要作用。人體每天需要的鐵，絕大部分來源于衰老的紅細胞被巨噬細胞吞噬再循環(huán)的鐵，主要是血紅素分解產(chǎn)生的鐵。而Hmox1是血紅素分解代謝過程中的限速酶，可以分解血紅素為一氧化碳、Fe2+和膽綠素［17］；Hmox1介導(dǎo)血紅素中鐵離子釋放誘導(dǎo)的鐵死亡，是阿霉素誘導(dǎo)小鼠心臟毒性的罪魁禍首［6］。因此，鐵代謝的調(diào)節(jié)是控制鐵死亡的一個重要因素。

1.2 脂質(zhì)過氧化 脂質(zhì)過氧化是鐵死亡的特征之一。在鐵死亡中，GPX4是一種重要的抗氧化酶，利用GSH作為底物來減少和防止脂質(zhì)活性氧（ROS）的積累，從而保護細胞免受氧化應(yīng)激和脂質(zhì)過氧化［2］。GSH由谷氨酸、半胱氨酸及甘氨酸組成。通過阻止半胱氨酸攝取來抑制GSH合成或直接抑制GPX4均會導(dǎo)致鐵介導(dǎo)的脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物的形成和積累，如Erastin、RSL3［18］。Erastin可通過抑制System Xc-來減少細胞內(nèi)的半胱氨酸及GSH，進而抑制GPX4清除ROS導(dǎo)致鐵死亡［1］。System Xc-是由跨膜轉(zhuǎn)運蛋白SLC7A11和跨膜調(diào)節(jié)蛋白SLC3A2組成的一種跨膜氨基酸轉(zhuǎn)運體，能在攝取一分子胱氨酸的同時排出一分子谷氨酸［19］；其攝入的胱氨酸在細胞中被還原為半胱氨酸，參與GSH的合成。由于谷氨酸被System Xc-以1∶1的比例交換成胱氨酸，使細胞外高濃度谷氨酸也能通過抑制System Xc-而誘導(dǎo)鐵死亡，這也許可以解釋谷氨酸在神經(jīng)系統(tǒng)中積聚到高濃度時的毒性作用［1］。有研究顯示，在Fth基因敲除小鼠的心肌細胞中過表達SLC7A11，可恢復(fù)其心肌組織中胱氨酸和GSH的水平，并抑制鐵死亡［7］。RSL3是通過直接抑制GPX4的活性，使細胞的氧化還原平衡向ROS積累、氧化應(yīng)激和鐵死亡轉(zhuǎn)變［20］；Gpx4基因敲除會上調(diào)對RSL誘導(dǎo)的鐵死亡敏感性，而過表達GPX4會增加細胞對鐵死亡的抵抗［21］。

脂質(zhì)代謝與細胞對鐵死亡的敏感性密切相關(guān)。多不飽和脂肪酸易受脂質(zhì)過氧化影響，是發(fā)生鐵死亡的必要條件。因此，多不飽和脂肪酸的濃度和定位決定了細胞內(nèi)脂質(zhì)過氧化的程度和發(fā)生鐵死亡的可能性，補充花生四烯酸或其他多不飽和脂肪酸會使細胞對鐵死亡敏感［10］。脂氧合酶是不飽和脂肪酸代謝的關(guān)鍵酶類，可將花生四烯酸、亞油酸及其他不飽和脂肪酸轉(zhuǎn)變?yōu)橛猩锘钚缘拇x產(chǎn)物。事實上，通過抑制脂氧合酶可以抑制RSL3誘導(dǎo)的鐵死亡，而抑制環(huán)氧合酶（COX）或細胞色素450（CYP450）則沒有相同的效果［22］。最新研究顯示，表達誘導(dǎo)型一氧化氮合酶（iNOS）/NO的M1型巨噬細胞和小膠質(zhì)細胞對鐵死亡有很高的抵抗力，而其保護機制與15-脂氧合酶（15-LOX）有關(guān)［23］。另外，一項對不同飽和水平和鏈長的脂肪酸研究發(fā)現(xiàn)，雙鍵的位置也是誘導(dǎo)鐵死亡的關(guān)鍵［24］。游離多不飽和脂肪酸是合成脂質(zhì)信號遞質(zhì)的底物，但其必須被酯化為膜磷脂，并經(jīng)過氧化才能轉(zhuǎn)化為誘導(dǎo)鐵死亡的有效信號［22］。脂質(zhì)組學(xué)研究表明，包含花生四烯酸的磷脂酰乙醇胺（PEs）是關(guān)鍵的磷脂，其會發(fā)生氧化并促使細胞發(fā)生鐵死亡［2，22，24］。長鏈脂酰輔酶A合成酶4（ACSL4）和溶血卵磷脂酰基轉(zhuǎn)移酶3（LPCAT3）分別參與細胞膜中多不飽和脂肪酸PEs的生物合成和重塑，ACSL4和LPCAT3基因缺失的細胞對鐵死亡的抵抗均顯著增加［22，24］。參與磷脂代謝的酶被認為是鐵死亡的重要因素，進一步證實磷脂參與鐵死亡。在正常條件下，GPX4可還原上述過程產(chǎn)生的磷脂氫過氧化物。OLZMANN研究組發(fā)現(xiàn)，鐵死亡抑制蛋白1（FSP1），以前稱為線粒體凋亡誘導(dǎo)因子2（AIFM2），能獨立于經(jīng)典的GPX4信號通路抑制細胞鐵死亡，即FSP1通過豆蔻酰化被募集到質(zhì)膜上，在質(zhì)膜上FSP1通過還原輔酶Q（CoQ10）來阻止脂質(zhì)過氧化，進而抑制鐵死亡。這是迄今為止，首次發(fā)現(xiàn)能夠補償GPX4缺失的酶催化系統(tǒng)［25］。

1.3 其他 上述研究體現(xiàn)了鐵死亡的發(fā)生和執(zhí)行是由鐵代謝、氨基酸和脂質(zhì)代謝共同調(diào)控的，但還有一些特殊途徑可影響細胞對鐵死亡的敏感性。例如能量應(yīng)激（energy stress），是一種代謝應(yīng)激類型，其特征是細胞內(nèi)ATP的消耗和相應(yīng)的AMP水平的升高，也能抑制細胞鐵死亡［26］。該研究證明，能量應(yīng)激通過激活A(yù)MP依賴的蛋白激酶（AMPK）抑制鐵死亡，而AMPK至少部分通過磷酸化并失活乙酰輔酶A羧化酶（ACC）來抑制PUFAs和其他脂肪酸的生物合成，從而抑制鐵死亡。另外，衰老細胞對Erastin和RSL3誘導(dǎo)的鐵死亡均具有很高的抵抗性，并且在抗ROS抑制細胞衰老的同時，會增加衰老細胞對鐵死亡的敏感性［27-28］。有趣的是，衰老細胞在增加轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1（TfR1）和鐵蛋白同時，減少了細胞膜上的膜鐵轉(zhuǎn)運蛋白l（FPN1）。因此，衰老細胞通過增強對鐵的吸收和儲存積累了大量鐵（高達20倍）。而衰老細胞中的這種鐵積累又與自噬/溶酶體功能障礙有關(guān)，因為鐵蛋白通過自噬途徑降解［29］。但在鐵過載的情況下，衰老細胞對鐵死亡抵抗的機制尚待進一步研究。

2 鐵死亡在心血管疾病中的作用研究

目前，中國心血管疾病死亡居于城鄉(xiāng)居民總死亡原因的首位，且心血管疾病患病率總體上仍處于持續(xù)上升階段，進一步加強心血管疾病的防治顯得尤為重要［30］。心肌細胞作為一種高度分化的終末細胞，一般不能分裂增殖，其死亡將導(dǎo)致心肌細胞數(shù)量的減少，從而導(dǎo)致心臟結(jié)構(gòu)和功能的改變。因此，抑制心肌細胞死亡是保護心臟功能、防治心臟疾病的關(guān)鍵。在細胞死亡的多種形式中，心臟中觀察到的主要是凋亡、壞死性凋亡、壞死、焦亡、自噬和鐵死亡六種［31］。

臨床研究表明，ST段抬高型心肌梗死（STEMI）患者經(jīng)皮再灌注治療后的磁共振成像顯示梗死區(qū)鐵含量升高，且梗死區(qū)的心肌鐵是心肌梗死后左心室重構(gòu)的危險因素［32］。這成為研究心臟中鐵死亡的一個強有力的理論基礎(chǔ)。但在一項更早的隨機對照試驗中，研究者發(fā)現(xiàn)在經(jīng)皮再灌注治療前給STEMI患者靜脈注射鐵螯合劑去鐵胺，并不影響患者的左心室收縮功能與心肌梗死面積，這可能與去鐵胺給藥是在缺血開始后以及其到達缺血心肌時沒有足夠的濃度等因素有關(guān)［33］。蛋白質(zhì)組定量分析也顯示，GPX4在小鼠心肌梗死過程中的早期和中期明顯下調(diào)，通過RNA-seq和qRT-PCR分析表明GPX4的下調(diào)發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平。然而，其他GPX家族成員的mRNA表達水平增加，這表明GPX4是心肌梗死期間GPX家族成員中一種被特異性下調(diào)的蛋白質(zhì)［34］。而GAO等［8］通過建立離體的小鼠心臟缺血再灌注（I/R）模型，發(fā)現(xiàn)通過使用去鐵胺和抑制谷氨酰胺代謝進而抑制鐵死亡，可以減輕再灌注損傷。在BABA等［35］的研究中，雷帕霉素（mTOR）能夠抑制小鼠心肌細胞在I/R損傷時發(fā)生的鐵死亡，部分原因可能是mTOR抑制ROS的產(chǎn)生，但具體機制尚不清楚。因此，解讀mTOR通路在鐵死亡中的作用可能為心肌梗死患者提供一種新的治療策略。另外，LI等［36］使用fer-1（一種鐵死亡抑制劑）可以減少心臟移植和心肌I/R模型的心肌細胞死亡，并改善I/R模型的左心室收縮功能和心室重構(gòu)；利用心臟移植的活體成像，發(fā)現(xiàn)細胞鐵死亡過程中釋放的內(nèi)容物，能通過TLR4/Trif/Type 1 IFN途徑促進中性粒細胞與冠狀動脈血管內(nèi)皮細胞黏附，從而將中性粒細胞募集到受傷的心肌。因此，在移植前使用鐵死亡抑制劑有望改善心臟移植后的缺血損傷。

FANG等［6］及其團隊在國際上率先揭示靶向鐵死亡是防控心臟疾病有效措施，該研究團隊在阿霉素誘導(dǎo)的小鼠心肌病模型中，通過RNA測序分析來確定治療組和對照組小鼠心臟中差異表達的基因，發(fā)現(xiàn)Hmox1顯著上調(diào)；進一步揭示，阿霉素是通過Nrf2來介導(dǎo)Hmox1的上調(diào)，而Hmox1的激活介導(dǎo)血紅素中鐵離子的釋放，隨后心肌細胞由于鐵超載而誘發(fā)鐵死亡，最終導(dǎo)致心力衰竭。使用fer-1和鐵螯合劑右丙亞胺可顯著減輕阿霉素導(dǎo)致的小鼠心臟損傷和心力衰竭，并提高其存活率。這是首次從在體水平得出心臟細胞死亡和鐵超載誘導(dǎo)的鐵死亡之間的聯(lián)系，并提示鐵死亡可作為心臟疾病治療的新靶點。另外，研究還發(fā)現(xiàn)在心肌細胞Fth基因敲除的小鼠中，ROS的產(chǎn)生會增加，并增加對鐵超載相關(guān)的鐵死亡和心肌病的易感性［7］。鐵死亡抑制劑fer-1能夠有效抑制心肌細胞中與心力衰竭相關(guān)基因的表達，從而減輕小鼠的心室肥厚及心肌損傷［7］。這表明，鐵蛋白Fth在預(yù)防心臟鐵死亡和心力衰竭方面也有著重要作用。除此之外，在壓力超負荷誘導(dǎo)的大鼠心力衰竭模型中，鐵死亡抑制因子GPX4和Fth1的表達明顯下調(diào)，而敲除TLR4或NOX4基因可以恢復(fù)心肌細胞GPX4和Fth1的表達水平，并改善心力衰竭大鼠的心室重構(gòu)及左心室功能［37］。因此，通過靶向TLR4-NOX4通路而抑制鐵死亡的藥物，有望作為一種新的抗心力衰竭治療手段。但需要注意的是，鐵缺乏癥也是心力衰竭最常見的合并癥之一，且與性別、種族、貧血和左心室射血分數(shù)等因素?zé)o關(guān)［38］。目前，人類心力衰竭中導(dǎo)致鐵缺乏癥的相關(guān)機制尚不清楚。一個可能機制是，過量的兒茶酚胺和醛固酮下調(diào)轉(zhuǎn)鐵蛋白受體的表達，導(dǎo)致心肌細胞鐵攝取減少［39］。對于伴有鐵缺乏癥的心力衰竭患者，靜脈補充鐵劑有助于改善其活動耐力和生活質(zhì)量，這在國內(nèi)外最新的心力衰竭指南中均已明確指出［40-41］。從鐵超載到鐵缺乏，可見鐵在心力衰竭的病理生理及治療上均扮演著極其重要的角色。

中藥在我國已有幾千年的使用歷史，近來的研究顯示中藥及其活性成分對鐵死亡也具有調(diào)節(jié)作用。在通過結(jié)扎大鼠降主動脈誘導(dǎo)的心力衰竭模型中，LIU等［42］發(fā)現(xiàn)葛根素（一種異黃酮類化合物）能有效減少心肌細胞的死亡，且能顯著抑制大鼠體內(nèi)的脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，在用Erastin或異丙腎上腺素處理的心肌細胞中，葛根素能恢復(fù)心肌細胞活力，并降低不穩(wěn)定鐵池和脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物。以上結(jié)果表明葛根素能通過抑制鐵死亡減少心肌細胞的死亡。目前，對心肌鐵死亡的治療性研究中，中藥及其相關(guān)作用的研究還較少。因此，進一步明確中藥在抗鐵死亡中的作用及機制，可為心血管疾病的治療提供新思路。

3 結(jié)語

鐵死亡作為一種新型細胞死亡形式，自2012年被發(fā)現(xiàn)以來，在確定鐵死亡的分子調(diào)控方面已取得迅速進展。但作為一種由多種物質(zhì)共同調(diào)控的死亡形式，哪些是鐵死亡過程中最關(guān)鍵的執(zhí)行分子仍不清楚。鐵死亡已被證明在心臟疾病中發(fā)揮了重要作用，但目前有關(guān)鐵死亡與心血管疾病之間的研究仍較少，且主要集中在心肌梗死、缺血再灌注損傷和抗腫瘤藥物所致心臟損傷等方面。進一步探討鐵死亡的機制及其在心血管疾病中作用，可為靶向鐵死亡作為心臟疾病防治提供更多的科學(xué)依據(jù)?？傊?，鐵死亡研究方興未艾，是心血管疾病防治領(lǐng)域富有前景的一個新方向。未來還有待于探究：（1）鐵死亡究竟是如何導(dǎo)致細胞死亡的？（2）生理過程中是否存在鐵死亡及其意義如何？（3）鐵死亡在心血管疾病中的具體機制以及將其作為心血管疾病防治靶點的療效如何？

作者貢獻：呂明明、鄭在勇進行資料收集及整理，撰寫論文；張玉龍、岳榮川進行論文的修訂，負責(zé)文章的質(zhì)量控制及審校；胡厚祥對文章整體負責(zé)，監(jiān)督管理。

本文無利益沖突。