鐵死亡在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中作用的研究進(jìn)展

張晉毓，田首元，郭志佳，姚 豆，李 貝

1 鐵死亡概述

鐵死亡是Dixon等[1]在2012年首次提出的一種以細(xì)胞內(nèi)鐵積累為特征的細(xì)胞死亡形式。主要表現(xiàn)為細(xì)胞膜不飽和脂肪酸消耗和細(xì)胞內(nèi)鐵離子積累誘導(dǎo)的脂質(zhì)活性氧(ROS)[2-3]的積累。其相關(guān)機(jī)制是在二價鐵或脂氧合酶的作用下，催化細(xì)胞膜上高度表達(dá)的不飽和脂肪酸發(fā)生脂質(zhì)過氧化，從而導(dǎo)致細(xì)胞膜不飽和脂肪酸消耗[2]；此外還表現(xiàn)在抗氧化體系，谷胱甘肽(GSH)和谷胱甘肽過氧化物酶4(GPX4)的表達(dá)量降低，導(dǎo)致ROS的過度積累引起細(xì)胞中氧化應(yīng)激反應(yīng)的發(fā)生，使蛋白質(zhì)、核酸和脂質(zhì)發(fā)生不可修復(fù)的損傷，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡[4]。這種死亡方式與細(xì)胞凋亡、壞死和自噬無論在形態(tài)、生物化學(xué)及遺傳上均不相同[1]。在形態(tài)學(xué)上，電子顯微鏡下觀察到鐵死亡細(xì)胞出現(xiàn)線粒體萎縮，而其他細(xì)胞死亡形式線粒體通常表現(xiàn)為膨脹[1]。Dixon等[1]首先確定了一組特定的調(diào)控鐵死亡的基因，包括核糖體蛋白L8(RPL8)、鐵反應(yīng)元件結(jié)合蛋白2(IREB2)和ATP合酶F0復(fù)合物亞基C3(ATP5G3)。后來的研究表明，許多基因/蛋白參與了這一獨(dú)特的細(xì)胞死亡過程，包括環(huán)氧合酶-2(PTGS2)[5]、p53[6]、核因子e2相關(guān)因子2(Nrf2)[7]、磷脂酰乙醇胺結(jié)合蛋白1(PEBP1)抗體[8]等。除了這些關(guān)鍵的調(diào)節(jié)因子外，過量的谷氨酸、細(xì)胞內(nèi)鐵離子的積累或小分子處理(如erastin、RSL3等)也可以導(dǎo)致鐵死亡的發(fā)生。同時，鐵死亡誘導(dǎo)劑和抑制劑也從另一個方面證明了鐵死亡發(fā)生的可能機(jī)制，鐵死亡誘導(dǎo)劑erastin(抑制谷氨酸/胱氨酸的抗轉(zhuǎn)運(yùn)體system xc-)和直接抑制GPX4(RSL3)同樣可以誘導(dǎo)鐵死亡的發(fā)生[9-10]，說明鐵死亡與谷氨酸代謝有關(guān)。與此同時，Stockwell實驗組發(fā)現(xiàn)親脂性的抗氧化劑(α生育酚、丁羥甲苯和β-胡蘿卜素)可以抑制細(xì)胞鐵死亡的發(fā)生，但不能抑制細(xì)胞凋亡和壞死的發(fā)生，表明脂氧合酶和親脂性的ROS參與細(xì)胞鐵死亡過程[11-13]。所以，鐵死亡的發(fā)生與脂質(zhì)代謝、氨基酸代謝、相關(guān)基因的表達(dá)和鐵離子的累計等均有關(guān)系[14]。

目前的鐵死亡誘導(dǎo)劑可分為3類：system xc-抑制劑(谷氨酸、伊拉斯汀、磺胺嘧啶和索拉非尼)、GSH消耗劑(buthioninesulfoximine和acetaminophen)和GPX4直接抑制劑(RSL3和FIN56)[1，13，15]。此外，一些小分子也被證實是鐵死亡抑制劑，包括可抑制脂質(zhì)ROS(ferrostatin-1，F(xiàn)er-1)[1]、去鐵胺(鐵離子螯合劑，DFO)、5-脂氧合酶抑制劑(齊留通，zileuton)[16]和鐵氧化劑(FINO2)[17]。鐵死亡誘導(dǎo)劑已被證實具有靶向殺死癌細(xì)胞的作用[18]。Jiang等[6]的研究報道鐵死亡有助于胚胎發(fā)育，p53在鐵死亡的調(diào)控中發(fā)揮重要作用。另外，在研究海馬切片的實驗中發(fā)現(xiàn)，鐵死亡促進(jìn)了神經(jīng)元的死亡[1]。實驗研究也發(fā)現(xiàn)，鐵死亡與多種神經(jīng)退行性疾病有著密切的聯(lián)系[19-22]。

2 鐵死亡在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的研究

2.1 腦卒中 當(dāng)頸內(nèi)動脈、大腦中動脈或椎/基底動脈閉塞而導(dǎo)致大腦某些特定部位的血液供應(yīng)受限時，就會導(dǎo)致缺血性腦卒中的發(fā)生[23]。由缺血導(dǎo)致的氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)的供應(yīng)減少可能激活缺血級聯(lián)反應(yīng)的發(fā)生，從而導(dǎo)致氧化應(yīng)激、線粒體損傷，并最終引起細(xì)胞死亡[24]。研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在缺血性腦卒中的動物模型中，在發(fā)現(xiàn)鐵死亡之前，鐵離子的積累會加劇缺血再灌注過程中神經(jīng)元的損傷[25-31]。研究表明，鐵螯合劑可以減少動物的缺血再灌注損傷[32-35]。Speer等[36]研究推測，鐵死亡可能導(dǎo)致腦缺血再灌注后的神經(jīng)元死亡。在神經(jīng)缺氧條件下，缺氧誘導(dǎo)因子(HIF)的表達(dá)可以減輕神經(jīng)細(xì)胞損傷，從而調(diào)控缺氧條件下的微環(huán)境，而缺氧誘導(dǎo)因子-1脯氨酸羥化酶(hypoxia-inducible factor-1 prolyl hydroxylases，HIF-1PDH)具有分解HIF的作用，通過減少HIF從而加重神經(jīng)細(xì)胞損傷。缺氧誘導(dǎo)因子脯氨酸羥化酶(HIF-PDH)的抑制劑被證實有神經(jīng)保護(hù)作用，可作為金屬螯合劑的有效靶點(diǎn)。Speer等[36]進(jìn)一步假設(shè)，鐵螯合劑對防止鐵死亡是由于抑制了酮戊二酸、氧依賴性雙加氧酶和HIF-PDH，而不是通過直接抑制Fenton反應(yīng)或ROS的形成防止鐵死亡的發(fā)生。隨后，2017年的一項研究表明，在大腦中動脈閉塞模型(MCAO)中，鐵死亡抑制劑對小鼠缺血-再灌注損傷具有保護(hù)作用，提示鐵死亡可導(dǎo)致缺血性腦卒中后神經(jīng)元死亡[37]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，敲除tau蛋白的小鼠在缺血-再灌注損傷后鐵死亡導(dǎo)致的細(xì)胞死亡減輕，表明Tau蛋白可能參與調(diào)節(jié)缺血再灌注損傷誘導(dǎo)的鐵死亡機(jī)制[37]。腦出血占所有腦卒中病例的10%～30%，其死亡率和發(fā)病率較缺血性腦卒中高[38-39]。目前，細(xì)胞凋亡、壞死和自噬被認(rèn)為是導(dǎo)致腦出血后神經(jīng)元死亡的唯一因素[40-45]。但是，在腦出血的離體實驗和在體實驗中均存在神經(jīng)元鐵死亡的發(fā)生[46-48]。2014年，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，表兒茶素(epicatechin)是一種可滲透腦的黃烷醇，可以減少腦出血后早期腦損傷，部分原因是通過減少腦內(nèi)鐵沉積和鐵死亡相關(guān)基因表達(dá)[20]。2017年，在腦切片培養(yǎng)中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)er-1可減少血紅蛋白誘導(dǎo)的神經(jīng)元死亡，使GPX4活性降低，挽救發(fā)生鐵死亡的神經(jīng)元，降低膠原酶和血液注射誘導(dǎo)的腦出血小鼠模型中環(huán)氧合酶-2(COX-2)的表達(dá)[19]。此外，通過透射電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)體內(nèi)鐵死亡與壞死和自噬共存，使用聯(lián)合抑制劑治療這些不同形式的細(xì)胞死亡，比單獨(dú)使用任何抑制劑能更好地抑制由血紅蛋白誘導(dǎo)的神經(jīng)元死亡的發(fā)生[19，48]。在體外實驗中，F(xiàn)er-1、DFON-acetylcysteine(可抑制活性氧和活性脂質(zhì))和Trolox(一種靶向反應(yīng)脂類的維生素E類似物)等鐵死亡抑制劑，能夠逆轉(zhuǎn)由血凝素和血紅蛋白誘導(dǎo)的小鼠皮層神經(jīng)元的死亡，且高水平phospho-ERK1/2與神經(jīng)元鐵死亡的增多有關(guān)，而MEK抑制劑U0126抑制了這種細(xì)胞死亡機(jī)制[47]。但是，在erastin誘導(dǎo)的發(fā)生鐵死亡的癌細(xì)胞中，選擇性更強(qiáng)、更有效的MEK抑制劑PD0325901未能阻止細(xì)胞死亡的發(fā)生，可能與U0126具有脫靶效應(yīng)，MEK-ERK1/2信號通路不參與鐵死亡等機(jī)制有關(guān)[49]。壞死抑制劑necrostatin-1也可以降低血紅素誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡，并且在體外實驗中這些抑制劑的細(xì)胞表現(xiàn)出壞死表型、細(xì)胞膜完整性喪失、細(xì)胞器崩解，提示鐵死亡可能是壞死的早期階段[47]。Zhang等[50]研究表明，在腦出血急性期，GPX4表達(dá)水平明顯降低，可通過升高GPX4水平減少神經(jīng)元細(xì)胞鐵死亡的發(fā)生，改善腦出血大鼠預(yù)后。

2.2 帕金森病(PD) PD是一種典型的黑質(zhì)病變(SNpc)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，而黑質(zhì)部主要調(diào)節(jié)運(yùn)動功能，故PD可引起強(qiáng)直、震顫和其他一系列運(yùn)動癥狀[51-52]。在PD的進(jìn)展過程中，細(xì)胞凋亡是導(dǎo)致細(xì)胞死亡的主要因素[53]。研究表明，在PD病人中，SNpc中的鐵和多巴胺水平升高[54-56]。值得注意的是，PD病人常見的GSH缺失、脂質(zhì)過氧化和ROS水平升高也是鐵蛋白增多的特征[57-59]。Ayton等[60]的研究也顯示，缺失銅藍(lán)蛋白(一種鐵離子轉(zhuǎn)運(yùn)酶)基因的小鼠會出現(xiàn)PD，而鐵螯合劑可以避免PD的發(fā)生。此外，鐵螯合劑已經(jīng)被證明可以改善動物模型[56，60-61]和臨床試驗[62]中PD的運(yùn)動癥狀。

鐵死亡與PD的發(fā)生有關(guān)[21]。研究者發(fā)現(xiàn)，鐵死亡是多巴胺能神經(jīng)元細(xì)胞死亡的一個關(guān)鍵通路，erastin誘導(dǎo)的LUHMES細(xì)胞(多巴胺能神經(jīng)元前體細(xì)胞)中鐵死亡是由MEK以不依賴ras的方式激活引起的[21]。這一機(jī)制與其他細(xì)胞系的研究結(jié)果不同，在其他細(xì)胞系中，鈣螯合劑BAPTA和PKC抑制劑(雙吲哚馬來酰亞胺模擬物Bis-Ⅲ和siRNA)對阻止erastin誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡非常有效，研究者認(rèn)為這種死亡機(jī)制是多巴胺能神經(jīng)元的一種獨(dú)特的代謝特征[21，63]。Gouel等[64]發(fā)現(xiàn)，人血小板裂解物具有保護(hù)LUHMES細(xì)胞的作用，使其免受erastin誘導(dǎo)的鐵死亡的發(fā)生。在erastin處理的LUHMES細(xì)胞中，可能由于MEK抑制劑U0126的脫靶效應(yīng)導(dǎo)致了這些爭議結(jié)果的產(chǎn)生[21，64]。實驗研究發(fā)現(xiàn)，星形膠質(zhì)細(xì)胞主要是通過為神經(jīng)元提供GSH和其他抗氧化劑，保護(hù)神經(jīng)元免受氧化損傷[65]。因此，星形膠質(zhì)細(xì)胞與神經(jīng)元相互作用的失調(diào)也可能導(dǎo)致多巴胺能神經(jīng)元鐵死亡的發(fā)生[66-67]。

2.3 阿爾茨海默病(AD) AD是一種病因不明的神經(jīng)退行性病變[68]。對AD病人大腦的尸檢分析顯示其神經(jīng)元有凋亡的跡象[69-70]，但目前研究認(rèn)為，鐵死亡促進(jìn)了AD神經(jīng)元的破壞，因為其中一些退化過程不能單獨(dú)用細(xì)胞凋亡來解釋，而且針對治療細(xì)胞凋亡的藥物大多無效[71-72]。在AD病人大腦中已發(fā)現(xiàn)脂質(zhì)過氧化和鐵離子調(diào)節(jié)異常，而這是鐵死亡的主要特征[73-74]。研究發(fā)現(xiàn)，敲除特異性大腦皮質(zhì)和海馬神經(jīng)元GPX4基因的小鼠出現(xiàn)了海馬神經(jīng)元的變性，并且在水迷宮測試中表現(xiàn)出明顯的認(rèn)知功能障礙，退化的神經(jīng)元可能正在發(fā)生鐵死亡，因為當(dāng)小鼠被給予鐵死亡抑制劑liproxstatin-1時，神經(jīng)退行性變的程度明顯改善[75-76]。另一項研究表明，Tau蛋白的過度表達(dá)和過度磷酸化導(dǎo)致了AD病人神經(jīng)元鐵死亡的發(fā)生，而α-硫辛酸通過下調(diào)轉(zhuǎn)鐵蛋白受體、降低phospho-P38水平、上調(diào)xCT和GPX4表達(dá)可降低AD病人神經(jīng)元鐵死亡的發(fā)生[77]。這些研究均表明，鐵死亡對學(xué)習(xí)和記憶有關(guān)的神經(jīng)元具有重大的影響作用，同時也表明鐵死亡在AD的發(fā)生發(fā)展中起重要作用。

2.4 亨廷頓舞蹈病(HD) HD是另一種進(jìn)展性神經(jīng)退行性疾病，主要癥狀是癡呆和不自主運(yùn)動。在實驗HD動物模型和HD病人中利于發(fā)現(xiàn)有氧化損傷[78]、脂質(zhì)過氧化[79]、鐵積累[80]、GSH失調(diào)[81]和GPX活性降低[82]。鐵螯合劑已被證明可以改善HD小鼠的認(rèn)知功能[80]。一項使用HD細(xì)胞模型來檢測鐵死亡抑制劑Fer-1是否可以抑制細(xì)胞死亡的研究發(fā)生，結(jié)果表明，在HD進(jìn)展過程中可能存在鐵死亡的發(fā)生[22]。目前，仍需要在體實驗研究來驗證鐵死亡是否在HD的進(jìn)展中發(fā)揮其特異的病理機(jī)制。

2.5 腦室周圍白質(zhì)軟化癥(PVL) PVL是一種常見于早產(chǎn)兒的腦白質(zhì)損傷，其特征是發(fā)育中的少突膠質(zhì)細(xì)胞死亡[83]。多項研究表明，鐵死亡在其中發(fā)揮重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，死亡細(xì)胞的ROS生物標(biāo)志物水平升高[84-86]。此外，在白質(zhì)損傷嬰兒的腦脊液中發(fā)現(xiàn)富含典型的鐵死亡的脂質(zhì)氧化產(chǎn)物[85]。另一項研究發(fā)現(xiàn)，大鼠少突膠質(zhì)細(xì)胞GSH缺失可導(dǎo)致細(xì)胞死亡，而維生素E(已知的鐵死亡抑制劑)可預(yù)防這種死亡的發(fā)生[87]。為了在體外模擬PVL， Skouta等[22]在無胱氨酸的培養(yǎng)基中培養(yǎng)少角膠質(zhì)細(xì)胞，使其消耗GSH并導(dǎo)致細(xì)胞死亡，結(jié)果顯示，F(xiàn)er -1和SRS11-92(比Fer-1效能強(qiáng)15倍)完全保護(hù)少突膠質(zhì)細(xì)胞不受GSH缺失的影響。

3 小 結(jié)

鐵死亡是一種細(xì)胞死亡形式，與氨基酸、脂質(zhì)和鐵代謝均有關(guān)。目前，鐵死亡的研究主要在神經(jīng)系統(tǒng)疾病，在其他系統(tǒng)疾病的研究較少。鐵死亡的研究剛剛起步，尚有很多問題有待進(jìn)一步研究，例如有哪些基因參加了鐵死亡的發(fā)生，鐵蛋白和轉(zhuǎn)鐵蛋白相關(guān)基因的表達(dá)是否與鐵死亡的發(fā)生有關(guān)；檢測鐵死亡的指標(biāo)除了電鏡、蛋白免疫印跡法(Western Blot)之外是否還有更精確的檢查標(biāo)準(zhǔn)；細(xì)胞內(nèi)具體存在哪些調(diào)控鐵死亡的通路；是否還會導(dǎo)致其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生等。鐵死亡的發(fā)現(xiàn)為一些疾病的發(fā)生機(jī)制做出了合理的解釋，也為相應(yīng)疾病的治療提供了新的靶點(diǎn)和思路。