鐵死亡抑制蛋白1在人類疾病中的作用機(jī)制研究進(jìn)展

陸會平，黨裔武，陳罡

廣西醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院病理科，南寧 530021

鐵死亡是一種由谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPX4)組成型控制的細(xì)胞內(nèi)微環(huán)境氧化擾動而引發(fā)的調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡(regulated cell death，RCD)方式，以細(xì)胞膜上脂質(zhì)過氧化物的鐵依賴性積累為特征，是新陳代謝、氧化還原生物學(xué)和疾病之間的紐帶[1-4]。越來越多的證據(jù)表明，鐵死亡與多種生理和病理過程關(guān)系密切，并推動著人類健康研究的發(fā)展[4-6]。然而也有研究顯示，抑制某些癌細(xì)胞的GPX4不能使細(xì)胞免于鐵死亡[7-8]。為進(jìn)一步探究鐵死亡的分子機(jī)制，美國Bersuker等[9]和德國Doll等[10]開展了深入研究并發(fā)現(xiàn)鐵死亡抑制蛋白1 (ferroptosis suppressor protein 1，F(xiàn)SP1)在人類多種腫瘤細(xì)胞中表達(dá)，且獨(dú)立于GPX4抑制鐵死亡，是新型的抗鐵死亡生物標(biāo)志物。本文就FSP1在人類疾病中的作用機(jī)制研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期為鐵死亡機(jī)制的深入探索和人類疾病的防治提供新的線索。

1 FSP1的分子特征及作用機(jī)制

FSP1原名為線粒體凋亡誘導(dǎo)因子2(apoptosisinducing factor mitochondrial-associated 2，AIFM2)，又稱AIF同源線粒體相關(guān)死亡誘導(dǎo)者(AIF-homologous mitochondrion-associated inducer of death，AMID)[11]和p53反應(yīng)基因3(p53-responsive gene 3，PRG3)[11-12]，其基因位于人類染色體10q22.1，具有9個外顯子，編碼39～41 kD蛋白質(zhì)，與小鼠具有90%的同源性[13]，缺乏線粒體定位序列[13-14]，N末端具有肉豆蔻酰化基序[9-15]，內(nèi)含子中存在p53反應(yīng)元件(–1192和–442之間)，是p53的直接效應(yīng)因子[16-17]。2019年，美國Bersuker等[9]和德國Doll等[10]為表征其抑制細(xì)胞鐵死亡的獨(dú)特功能而更名為FSP1。FSP1在人類多種腫瘤(如甲狀腺癌、白血病、子宮癌、肺癌、卵巢癌、大腸癌、乳腺癌、腦癌和膀胱癌等)中發(fā)生突變[16]，其天然突變?nèi)鏜135T和D288N在腫瘤中頻繁發(fā)生[18]，但其突變在腫瘤中的作用機(jī)制報道較少。

FSP1可誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，也可阻止細(xì)胞發(fā)生鐵死亡(圖1)。在Bersuker、Doll等之前，F(xiàn)SP1被認(rèn)為是細(xì)胞凋亡的關(guān)鍵調(diào)控因子，但其誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡既不受caspase和p53的影響，也不受Bcl-2的抑制[11]。研究發(fā)現(xiàn)，位于線粒體外膜的C末端片段(aa 77-373和186-373)才可誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，位于細(xì)胞核中的兩個N末端片段(aa 1-185和1-300)則不能誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[11]；FSP1的亞細(xì)胞定位發(fā)生核易位也可誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[16,19-21]，但在星孢菌素(staurosporine，STS)誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡過程中，F(xiàn)SP1過表達(dá)不會導(dǎo)致染色質(zhì)碎裂且不會易位至細(xì)胞核[22]，這可能是由于凋亡誘導(dǎo)物的作用機(jī)制或者細(xì)胞背景差異導(dǎo)致的；FSP1過表達(dá)可誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡并降低細(xì)胞對鐵死亡的敏感性[9-11,14]，但對于人心臟組織，F(xiàn)SP1蛋白而非mRNA過表達(dá)才可誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[16]；作為一種非特異性的DNA結(jié)合蛋白，F(xiàn)SP1對雙鏈DNA(dsDNA)具有很高的親和力[13-14]，在細(xì)菌或病毒感染(或在細(xì)胞凋亡過程中線粒體DNA泄露)的情況下，F(xiàn)SP1與DNA的結(jié)合可抑制NAD(P)H的結(jié)合，減少6-羥基-FAD，降低活性氧(ROS)的濃度，從而促使感染的細(xì)胞發(fā)生凋亡[13-14]；FSP1是輔酶Q10(CoQ10)的氧化還原酶，其N末端的肉豆蔻?；且环N脂質(zhì)修飾，可促進(jìn)FSP1靶向質(zhì)膜，從而在質(zhì)膜上介導(dǎo)NADH依賴的CoQ還原以抑制CoQ10的活性[9,23-24]，最終經(jīng)FSP1-CoQ10-NAD(P)H途徑、平行于經(jīng)典的谷胱甘肽(GSH)-GPX4途徑，通過抑制MDM2-MDMX而抑制磷脂過氧化和鐵死亡[9-10,25-26]。

圖1 FSP1促進(jìn)細(xì)胞凋亡及抑制細(xì)胞鐵死亡的作用機(jī)制Fig.1 Mechanism of FSP1 promoting apoptosis and inhibiting ferroptosis

總之，氨基酸序列特征、亞細(xì)胞定位、表達(dá)水平以及NAD(P)H氧化還原酶的活性是FSP1誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡和抑制鐵死亡的關(guān)鍵因素，但相應(yīng)的作用機(jī)制尚未達(dá)成共識。截至目前，有關(guān)FSP1和鐵死亡的研究尚處在起始階段，因此，關(guān)于FSP1抑制鐵死亡的確切機(jī)制仍需全面而深入的探索。

2 FSP1與人類疾病的關(guān)系

凋亡是細(xì)胞的一種程序性死亡方式。凋亡失調(diào)與異常發(fā)育、癌癥和免疫疾病等多種人類疾病密切相關(guān)。與壞死、凋亡、自噬等細(xì)胞死亡方式不同，鐵死亡在神經(jīng)系統(tǒng)疾病、腫瘤進(jìn)展、腫瘤微環(huán)境和能量代謝等方面發(fā)揮著重要作用[1,4,27]。FSP1可調(diào)控凋亡和鐵死亡，與多種人類疾病密切相關(guān)。

2.1腫瘤性疾病 癌癥是全球范圍內(nèi)第二大死亡原因，應(yīng)用抗癌藥物誘導(dǎo)細(xì)胞死亡是殺死癌細(xì)胞的主要方法之一[28]。人類一直致力于癌癥防治生物標(biāo)志物的探索，其中FSP1是一種新型標(biāo)志物。

2.1.1乳腺癌及生殖系統(tǒng)腫瘤 FSP1與腫瘤發(fā)生發(fā)展治療所致不良反應(yīng)關(guān)系密切。研究發(fā)現(xiàn)，在不影響總表達(dá)量的情況下，促進(jìn)FSP1核易位可促進(jìn)乳腺癌細(xì)胞MCF-7以獨(dú)立于caspase的方式凋亡[29]；而Arf核糖激化因子GTP酶活化蛋白(ArfGAP with SH3 domain, ankyrin repeat and PH domain 1，ASAP1)過表達(dá)可調(diào)節(jié)FSP1等凋亡信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)，從而驅(qū)動三陰性乳腺癌的發(fā)生和發(fā)展[30]。在卵巢癌中，F(xiàn)SP1與癌細(xì)胞的致瘤功能被抑制有關(guān)[31]。作為非轉(zhuǎn)移性前列腺癌的標(biāo)準(zhǔn)治療方案，應(yīng)用調(diào)強(qiáng)技術(shù)的局部外束放射療法可誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡，但會使患者易于產(chǎn)生疲勞感，這可能是由于治療導(dǎo)致FSP1等8個基因表達(dá)下調(diào)所致[32]。

2.1.2淋巴造血系統(tǒng)腫瘤 白血病和淋巴瘤是最常見的淋巴造血系統(tǒng)腫瘤。研究發(fā)現(xiàn)，上調(diào)FSP1的表達(dá)有利于控制淋巴造血系統(tǒng)腫瘤細(xì)胞的生長，如阿霉素可促進(jìn)人白血病Jurkat細(xì)胞中FSP1的表達(dá)并靶向質(zhì)膜，從而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[33]，而早期B細(xì)胞因子3(early B-cell factor 3，EBF3)過表達(dá)可顯著提高急性白血病細(xì)胞系中FSP1蛋白的表達(dá)水平，從而促進(jìn)細(xì)胞凋亡[34]。但在T淋巴母細(xì)胞性淋巴瘤細(xì)胞中，F(xiàn)SP1表達(dá)受參與腫瘤發(fā)展的兩種RNA調(diào)控，即被長鏈非編碼RNA MEG3上調(diào)，被miR-214抑制[35-36]。

2.1.3消化系統(tǒng)腫瘤 在精準(zhǔn)醫(yī)療背景下，消化系統(tǒng)腫瘤尚缺乏理想的抗癌藥物，研究人員對此進(jìn)行了多方探索。在胃癌中，萘替地爾類似物1-[2-(2-甲氧基苯基氨基)乙基氨基]-3-(萘-1-基氧基)丙烷-2-醇(1-[2-(2-methoxyphenylamino)ethylamino]-3-(naphthalene-1-yloxy)propan-2-ol，HUHS1015)可促進(jìn)MKN28細(xì)胞中的FSP1發(fā)生核易位，誘導(dǎo)非caspase依賴性的細(xì)胞凋亡[20-21]；而磷脂酰肌醇衍生物則可增加細(xì)胞核中FSP1的積累，誘導(dǎo)MKN28細(xì)胞凋亡，從而發(fā)揮抗癌作用[37]。在肝細(xì)胞癌中，F(xiàn)SP1在腺苷的作用下表達(dá)增加并發(fā)生核易位，可誘導(dǎo)Huh-7細(xì)胞發(fā)生凋亡[38]，也可獨(dú)立于CoQ10抑制HepG2細(xì)胞發(fā)生鐵死亡[39]；而在質(zhì)膜上依賴于FSP1的內(nèi)吞體分選轉(zhuǎn)運(yùn)復(fù)合體(ESCRT)-Ⅲ募集可通過激活調(diào)節(jié)膜出芽和分裂的膜修復(fù)機(jī)制導(dǎo)致腫瘤在索拉非尼治療期間產(chǎn)生鐵死亡耐受[40]。在胰腺癌中，F(xiàn)SP1可獨(dú)立于CoQ10抑制PANC1細(xì)胞發(fā)生鐵死亡[39]。

2.1.4呼吸系統(tǒng)腫瘤 FSP1在多種肺癌亞型中均有表達(dá)，且表達(dá)水平越低對鐵死亡誘導(dǎo)劑的敏感性越高[9-10]。相較肺鱗狀細(xì)胞癌細(xì)胞NCI-H1703和非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞NCI-H446，肺大細(xì)胞癌細(xì)胞NCI-H460中FSP1的表達(dá)水平最高且對鐵死亡誘導(dǎo)劑RSL3最不敏感，在FSP1持續(xù)存在的情況下即使GPX4失活癌細(xì)胞仍可繼續(xù)正常生長[9]，提示不同亞型的肺癌細(xì)胞對鐵死亡誘導(dǎo)劑的敏感性不同。在同一亞型不同細(xì)胞背景的細(xì)胞系中，F(xiàn)SP1的表達(dá)水平也不同[10]，提示FSP1與肺癌的發(fā)生發(fā)展關(guān)系密切，是肺癌防治的潛在靶標(biāo)。在肺癌的治療中，F(xiàn)SP1扮演著重要的角色。人小細(xì)胞肺癌細(xì)胞SBC-3經(jīng)腺苷處理后，F(xiàn)SP1的表達(dá)上調(diào)并發(fā)生核易位，從而促使癌細(xì)胞發(fā)生凋亡[41]；金復(fù)康在臨床上具有良好的抗肺癌效果，可聯(lián)合順鉑激活FSP1的表達(dá)，誘導(dǎo)肺腺癌細(xì)胞凋亡[42]；外泌體miR-4443通過靶向甲基轉(zhuǎn)移酶樣蛋白3(methyltransferase like 3，METTL3)，以m6A方式調(diào)節(jié)FSP1的表達(dá)抑制鐵死亡，從而促使非小細(xì)胞肺癌A549細(xì)胞對順鉑耐藥[43]。

2.1.5其他腫瘤及腫瘤微環(huán)境 在體外，腺苷可上調(diào)FSP1的表達(dá)并促進(jìn)其核易位，從而誘導(dǎo)人腎癌細(xì)胞RCC4-VHL凋亡[44]，包括FSP1在內(nèi)的鐵死亡相關(guān)基因標(biāo)記，可準(zhǔn)確預(yù)測葡萄膜黑色素瘤患者的預(yù)后[45]。姜黃素具有抗癌活性，可激活黑色素瘤細(xì)胞A375中FSP1的轉(zhuǎn)錄，從而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[46]。在腫瘤免疫微環(huán)境中，F(xiàn)SP1或GPX4過表達(dá)可降低CD8+T細(xì)胞對鐵死亡的敏感性，但不影響其功能；正常情況下，?；o酶A合成酶長鏈家族4(acyl-CoA synthetase long-chain family member 4，ACSL4)可誘導(dǎo)CD8+T細(xì)胞發(fā)生鐵死亡，缺失時則抑制鐵死亡，并損害CD8+T細(xì)胞的抗腫瘤效應(yīng)[47]。總之，在腫瘤的發(fā)生發(fā)展和治療中，F(xiàn)SP1既可誘導(dǎo)凋亡，又可抑制鐵死亡，是腫瘤基礎(chǔ)研究和系統(tǒng)治療的新方向。

2.2非腫瘤性疾病 隨著工業(yè)和社會的發(fā)展，環(huán)境污染對人類健康所造成的傷害愈演愈烈[48]。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)SP1與環(huán)境暴露所致?lián)p傷存在一定的聯(lián)系。低濃度硫化鎘量子點(diǎn)暴露對HepG2細(xì)胞的細(xì)胞核和線粒體DNA基本無損害，但可增加胞內(nèi)ROS濃度，上調(diào)FSP1等基因的表達(dá)，促進(jìn)細(xì)胞凋亡[49]；FSP1的表達(dá)與銅耐受調(diào)節(jié)和慢性銅暴露有關(guān)，通過無機(jī)硫酸銅暴露所構(gòu)建的銅耐受Caco-2細(xì)胞克隆(In1和In2)，其FSP1的表達(dá)顯著下調(diào)[50]；甲基汞可以劑量依賴的方式增高滋養(yǎng)細(xì)胞HTR-8/SVneo中FSP1 mRNA和蛋白的表達(dá)水平，從而誘導(dǎo)FSP1介導(dǎo)的非caspase依賴性的細(xì)胞凋亡；還可激活細(xì)胞內(nèi)ROS，從而增加線粒體膜的通透性，降低線粒體膜電位，這可能是甲基汞導(dǎo)致妊娠不良結(jié)局的機(jī)制[51]。與此同時，F(xiàn)SP1與細(xì)胞代謝及炎癥性疾病的關(guān)系密切。有研究報道，F(xiàn)SP1是一種脂滴相關(guān)的NADH氧化酶，在棕色脂肪中特異性表達(dá)，參與糖酵解途徑，可改善飲食引起的肥胖癥和胰島素抵抗，是糖尿病治療的潛在靶標(biāo)[52]。而在重癥急性胰腺炎中，經(jīng)激活轉(zhuǎn)錄因子6(activating transcription factor 6，ATF6)和p53轉(zhuǎn)錄激活后，F(xiàn)SP1可誘導(dǎo)腺泡細(xì)胞凋亡，是重癥急性胰腺炎治療的新靶點(diǎn)[53]。另外，通過與TNF-α/ROS途徑相互作用，F(xiàn)SP1可作為以缺氧和氧化應(yīng)激為特征的類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎的治療靶點(diǎn)[54]；作為鐵死亡抑制因子，F(xiàn)SP1被認(rèn)為是Parkinson病的治療靶點(diǎn)[8]。總之，F(xiàn)SP1受到環(huán)境暴露、糖代謝紊亂、炎癥等的刺激后表達(dá)上調(diào)，進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，可用于監(jiān)測職業(yè)病、慢性代謝性疾病或炎癥性疾病的發(fā)生發(fā)展情況。FSP1在人類疾病中的作用及機(jī)制如表1所示。

表1 FSP1在人類疾病中的作用及機(jī)制Tab.1 Functions and mechanism of FSP1 in human diseases

3 總結(jié)與展望

FSP1的凋亡誘導(dǎo)作用主要是基于其氨基酸序列、核易位和表達(dá)上調(diào)，而N末端肉豆蔻?；蚣把趸€原酶活性使其可獨(dú)立于GPX4抵抗鐵死亡，表明FSP1既可通過誘導(dǎo)獨(dú)立于caspase的細(xì)胞凋亡扮演抑癌因子的角色，又可使細(xì)胞獲得鐵死亡抗性，F(xiàn)SP1可能與鐵死亡一樣，也是一把“雙刃劍”，靶向FSP1是腫瘤防治的新方向。然而，目前關(guān)于FSP1仍存在很多未知，如除了表達(dá)水平改變外，F(xiàn)SP1的其他基因突變形式對鐵死亡的影響尚無相關(guān)研究；雖然已有研究表明自噬調(diào)控因子通過選擇性降解鐵死亡抑制因子來促進(jìn)鐵死亡，但這種自噬依賴的鐵死亡在人類不同腫瘤中存在異質(zhì)性[55]，而Bersuker等[9]和Doll等[10]發(fā)現(xiàn)，在人類不同腫瘤細(xì)胞中FSP1的表達(dá)水平不同，提示FSP1依賴的鐵死亡抑制可能存在腫瘤異質(zhì)性，其機(jī)制需要進(jìn)一步探索；阿霉素[33]、金復(fù)康[42]、姜黃素[46]等抗癌藥物可上調(diào)FSP1的表達(dá)，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，從而發(fā)揮抗癌作用，但其具體分子機(jī)制尚未闡明。因此，基于現(xiàn)代先進(jìn)的技術(shù)平臺和科學(xué)而縝密的研究設(shè)計深入探討FSP1在生理和病理狀態(tài)下的功能及其作用機(jī)制，有利于全面揭示FSP1對人類健康維護(hù)的意義。