鐵蛋白自噬在癌癥發(fā)生發(fā)展中作用的研究進展*

聞照鳳 ， 李延莉 ，2△

（1安徽醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院病理解剖學教研室，安徽 合肥 230032；2安徽醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院病理科，安徽 合肥 230022）

鐵蛋白自噬是細胞內的鐵蛋白被核受體輔激活因子4（nuclear receptor coactivator 4，NCOA4）特異性識別后通過自噬體運輸至溶酶體中進行降解釋放游離Fe2+的過程。鐵蛋白自噬通過調節(jié)細胞內的鐵含量，進而參與細胞生長、增殖、分化、凋亡等多個重要生理過程，因此必須受到嚴格的調控，以避免在上述生理過程中出現(xiàn)鐵穩(wěn)態(tài)失衡。如在紅細胞生成過程中，鐵蛋白自噬不足會導致細胞內鐵含量過低誘發(fā)貧血；而鐵蛋白自噬過度則會導致細胞內鐵含量過高引起鐵死亡，鐵死亡是細胞內過多游離Fe2+通過Fenton 反應產生大量活性氧（reactive oxygen species，ROS）引起脂質過氧化物累積，破壞細胞膜引起的不同于凋亡的細胞程序性死亡方式，其特征是胞內出現(xiàn)ROS 的大量堆積。近年，鐵蛋白自噬逐漸成為研究熱門，并且研究表明鐵蛋白自噬在癌癥的發(fā)生發(fā)展中起重要作用。因此，本文主要闡述鐵蛋白自噬的概念、過程與調控，并就鐵蛋白自噬在癌癥發(fā)生發(fā)展中的研究進展進行綜述，以期為臨床上以鐵蛋白自噬過程為靶點治療癌癥提供參考資料。

1 鐵蛋白自噬的概念

自噬是指真核細胞內的病原體、衰老或損傷的細胞器等被自噬體吞噬后運送至溶酶體中降解的過程，其目的是維持細胞內的穩(wěn)態(tài)［1］。鐵蛋白自噬是自噬的一種特殊類型，在鐵蛋白自噬過程中，NCOA4選擇性識別細胞內的鐵蛋白并將其運送至溶酶體中降解釋放游離Fe2+。鐵蛋白是細胞內儲存鐵的蛋白復合體，由包含鐵蛋白重鏈1（ferritin heavy chain 1，F(xiàn)TH1）和鐵蛋白輕鏈（ferritin light chain，F(xiàn)TL）在內的24 個亞基組成，每個鐵蛋白可結合高達4 500 個Fe3+［2］；鐵蛋白將鐵以穩(wěn)定的 Fe3+儲存起來，防止細胞內產生過多的游離Fe2+，并在細胞內可利用鐵降低時釋放儲存的鐵來維持細胞內鐵穩(wěn)態(tài)。鐵蛋白主要通過蛋白酶體和溶酶體2條途徑來實現(xiàn)Fe2+釋放［3-4］，其一就是 Mancias 等［5］于 2014 年通過定量蛋白組學證實的由NCOA4 介導的鐵蛋白通過溶酶體進行降解釋放游離Fe2+的過程，即鐵蛋白自噬（ferritinophagy）。

2 鐵蛋白自噬的過程

在鐵蛋白自噬過程中，NCOA4 作為一種選擇性自噬貨物受體，與鐵蛋白特異結合，介導鐵蛋白傳遞至自噬體，隨后運輸至溶酶體進行降解并釋放游離Fe2+［6］。經定量蛋白組學證實，NCOA4 是分子質量為70 kD 的蛋白質，包含NCOA4α、NCOA4β、NCOA4-N末 端 和 NCOA4-C 末 端 四 個 部 分 ，NCOA4α 和NCOA4β 共享 N 端盤繞結構域和 C 端一小部分［7］。Mancias 等［6］證實 NCOA4 與鐵蛋白的結合部位具體定位到 NCOA4α 與鐵蛋白 FTH1 亞基，且 FTH1 R23是兩者結合必需的結構；當FTH1 R23 發(fā)生突變時，即使是在鐵蛋白自噬激活狀態(tài)下，NCOA4 與鐵蛋白的結合也會受到抑制。另一項研究同樣證實這種相互作用，并且表明FTH1 可以結合多達24 個NCOA4片段［8］。鐵蛋白與NCOA4 結合后，通過自噬體運輸最終到達溶酶體，在溶酶體中降解釋放出游離Fe2+，進而參與細胞各種生理和病理過程。

3 鐵蛋白自噬受細胞內Fe2+調控

鐵蛋白自噬過程受到細胞內Fe2+水平的嚴格調控，F(xiàn)e2+通過調節(jié)NCOA4 水平達到調控鐵蛋白自噬的目的，且 Fe2+與 NCOA4 水平呈負相關［9］。Mancias等［5］研究表明NCOA4 具有多個泛素化位點，與包含HECT 和 RLD 結構域的 E3 泛素蛋白連接酶 2（HECT and RLD domain containing E3 ubiquitin protein ligase 2，HERC2）具有高度親和力。當細胞內Fe2+充足時，NCOA4 與 HERC2 結合穩(wěn)定，促進 NCOA4 通過蛋白酶體降解，降低NCOA4 水平，抑制鐵蛋白自噬過程，同時促進鐵蛋白的累積；當細胞內Fe2+不足時，NCOA4 與 HERC2 的結合減弱，NCOA4 通過蛋白酶體降解的途徑受阻，導致NCOA4 水平增加，進而促進鐵蛋白自噬過程，見圖1。另一項研究證實鐵蛋白與NCOA4的結合位點和NCOA4與HERC2的結合位點相同［6］。盡管目前對NCOA4與鐵蛋白相互作用和鐵蛋白自噬調控的研究已取得一定成果，但仍存在問題需要進一步研究探索，如HERC2與NCOA4的結合和鐵蛋白與NCOA4 的結合是否相互排斥？NCOA4 是否能夠識別其它物質發(fā)生自噬？NCOA4如何識別鐵？

Figure 1. The regulation of ferritinophagy. The level of free Fe2+ regulates NCOA4-mediated ferritinophagy. When Fe2+ overload，NCOA4 binds with HERC2 for degradation and ferritinophagy is attenuated. When Fe2+ absence，ferritin binds to NCOA4 for degradation via autophagosome and lysosome. NCOA4：nuclear receptor co-activator 4；HERC2：HECT and RLD domain containing E3 ubiquitin protein ligase 2.圖1 鐵蛋白自噬過程受到細胞內游離Fe2+的調控

4 鐵蛋白自噬與鐵死亡的聯(lián)系

Dixon等［10］在2012年首次報道鐵死亡，這是一種不同于凋亡的細胞程序性死亡方式；Doll 等［11］證實鐵死亡的特征是胞內出現(xiàn)大量依賴于游離Fe2+方式產生的ROS堆積。鐵蛋白自噬通過調節(jié)細胞內游離Fe2+以及ROS的產生在鐵死亡中發(fā)揮作用，而細胞內游離Fe2+又調控鐵蛋白自噬過程。鐵蛋白自噬過程啟動后，細胞內的鐵蛋白降解釋放游離Fe2+，過多的Fe2+通過Fenton 反應在短期內產生大量ROS累積，這是鐵死亡發(fā)生的重要環(huán)節(jié)［12］。

5 鐵蛋白自噬在不同系統(tǒng)腫瘤中的研究進展

5.1 鐵蛋白自噬在消化系統(tǒng)腫瘤發(fā)生發(fā)展中的研究進展 消化系統(tǒng)腫瘤的發(fā)病率一直較高，而且缺乏有效提高存活率的治療手段，但是近年，對腫瘤的深入研究顯示鐵蛋白自噬在人肝癌、胃癌、胰腺癌細胞和鼠結腸癌細胞的發(fā)生發(fā)展中起作用，這為臨床上消化系統(tǒng)腫瘤的治療提供了參考。Huang 等［13］于2018年報道一種新型鐵螯合劑DpdtC（di-2-pyridylketone dithiocarbamate）通過調控鐵蛋白自噬過程抑制人肝癌細胞增殖，DpdtC 處理過的人肝癌細胞株HepG2和Bel-7402中鐵蛋白含量降低，自噬標志物微管相關蛋白1 輕鏈3-II（LC3-II）和鐵蛋白自噬受體NCOA4 含量升高；用自噬阻斷劑3-甲基腺嘌呤（3-methyladenine，3-MA）阻斷自噬過程能阻止鐵蛋白的降低，所以DpdtC通過誘導腫瘤細胞發(fā)生鐵蛋白自噬過程產生ROS進而抑制腫瘤細胞增殖。與以上結果一致，F(xiàn)eng 等［14］發(fā)現(xiàn)，DpdtC 在胃癌 MGC-803 細胞中可誘發(fā)鐵蛋白自噬，進一步觸發(fā)ROS/P53通路而抑制上皮-間充質轉化（epithelial-mesenchymal transition，EMT），從而起到抑制MGC-803 細胞增殖的作用。EMT 是上皮細胞轉化為間充質細胞的過程，與腫瘤的轉移以及耐藥有關，胃癌中存在EMT過程［15］；經過DpdtC 處理的 MGC-803 細胞 EMT 受到抑制，上皮標志物E-cadherin 表達上調，間充質標志物vimentin 表達下調，同時 ROS 和 P53 含量增加；ROS 清除劑N-乙酰-L-半胱氨酸（N-acetyl-L-cysteine，NAC）、自噬阻斷劑 3-MA 或 P53 抑制劑 pifithrin-α（PFT-α）的應用則使DpdtC引起的EMT抑制減弱。Xu等［16］的研究表明DpdtC 誘導胃癌細胞SGC-7901 和BGC-823 發(fā)生鐵蛋白自噬，通過Fenton 反應產生的ROS 激活ROS/P53，同時使其下游AKT/mTOR 通路受到抑制，EMT 也受到抑制；P53抑制劑PFT-α、自噬阻斷劑3-MA、ROS清除劑NAC 的應用均可減弱DpdtC 誘導的鐵蛋白自噬、EMT 抑制和細胞增殖抑制，證實鐵蛋白自噬是DpdtC抑制胃癌細胞增殖過程中的重要環(huán)節(jié)。

DpdtpA 與DpdtC 結構類似，有研究證實其也可通過調節(jié)鐵蛋白自噬過程抑制腫瘤細胞增殖。利用DpdtpA 處理小鼠結腸癌細胞株CT26 細胞后，CT26細胞產生大量ROS 的同時伴有鐵蛋白降低、NCOA4和LC3-II表達上調、EMT受到明顯抑制，證實DpdtpA誘導小鼠結腸癌細胞株CT26 細胞發(fā)生鐵蛋白自噬產生大量的ROS 參與抑制EMT 過程起到抑制腫瘤細胞增殖的作用［17］。同樣，DpdtpA 作用于 HepG2 細胞引起細胞周期阻滯、凋亡和鐵死亡的同時還檢測到細胞中鐵蛋白降低及NCOA4 和LC3-II 表達升高；利用小干擾RNA 降低HepG2 細胞NCOA4 的表達或者使用自噬阻斷劑3-MA 阻斷鐵蛋白自噬途徑后，DpdtpA 引起鐵蛋白、NCOA4 和 LC3-II 的改變明顯減弱，腫瘤細胞的凋亡和鐵死亡也明顯減弱，證實鐵蛋白自噬在DpdtpA 抑制HepG2 細胞過程中起重要作用［18］。Guan 等［19］報道 DpdtbA 在胃癌細胞中可通過誘發(fā)鐵蛋白自噬產生ROS 和Fe2+調控P53 和PHD2/hif-1α通路，抑制EMT過程進而抗腫瘤。

亞甲基丁二酸是由感染的哺乳動物巨噬細胞產生并分泌的一種物質，可以通過多種機制減少促炎細胞因子的產生［20］，也可損傷線粒體導致代謝異常造成細胞死亡［21］，有研究證明其可通過調節(jié)鐵蛋白自噬抗腫瘤。Qu 等［22］證實超過生理劑量的亞甲基丁二酸使人胰腺癌細胞株PANC1 細胞發(fā)生鐵死亡，伴有FTH1 表達降低，LC3-II 表達升高，提示鐵蛋白自噬被激活；將PANC1 細胞中介導鐵蛋白自噬的NCOA4和自噬相關的ATG5敲減后，用亞甲基丁二酸作用于該細胞，結果顯示亞甲基丁二酸失去抑制PANC1 細胞增殖的能力；在裸鼠皮下移植NCOA4敲減的和未經過任何處理的PANC1 細胞，結果同樣顯示亞甲基丁二酸不能抑制NCOA4敲減組移植瘤的生長。Lin 等［23］的實驗證實新型鐵死亡誘導劑重樓皂苷B（saponin Formosanin C，F(xiàn)C）通過誘導NCOA4高表達、FTH1低表達的人肝癌細胞HepG2發(fā)生鐵蛋白自噬觸發(fā)鐵死亡起到抑制腫瘤作用。

鐵蛋白自噬過程不僅在抑制腫瘤細胞增殖的過程中起作用，有研究表明其也參與胰腺導管腺癌的發(fā)生發(fā)展及耐藥過程。Shang 等［24］在胰腺導管腺癌細胞和組織中檢測出與腫瘤細胞增殖、遷移、凋亡和癌癥進展相關的蛋白質三基序蛋白家族11（tripartite motif-containing 11，TRIM11）高表達，通過建立TRIM11高表達和低表達的PANC-1細胞株進行細胞實驗和動物實驗，證實TRIM11 通過調控UBE2NTAX1BP1 信號通路抑制鐵蛋白自噬過程，進而促進胰腺導管腺癌的發(fā)生發(fā)展及耐藥。

5.2 鐵蛋白自噬在泌尿系統(tǒng)腫瘤發(fā)生發(fā)展中的研究進展 泌尿系統(tǒng)腫瘤是嚴重危害男性健康的一類腫瘤，對其發(fā)生發(fā)展新機制及新治療手段的探索一直未停止。Mou 等［25］通過癌癥基因組庫（The Cancer Genome Atlas，TCGA）和基因表達庫（Gene Expression Omnibus，GEO）收集數(shù)據(jù)分析表明，腎透明細胞癌中NCOA4 蛋白表達降低，并且NCOA4 表達越低，腫瘤的惡性程度越高；單因素和多因素分析表明NCOA4表達高的腎透明細胞癌患者總體存活率較高；NCOA4低表達的腎透明細胞癌組織中浸潤的免疫細胞數(shù)量也明顯缺乏。另一項研究同樣證實NCOA4介導的鐵蛋白自噬與泌尿系統(tǒng)腫瘤密切關系，即使用高于生理水平的睪酮（supraphysiological levels of testosterone，SupraT）處理雄激素敏感的人前列腺癌細胞株LNCaP 細胞后，細胞內鐵蛋白水平降低、鐵蛋白與LC3B 陽性的自噬小體共定位，但是將LNCaP 細胞NCOA4敲減后，鐵蛋白自噬和鐵死亡過程均被抑制，證實NCOA4介導的鐵蛋白自噬在SupraT抑制人前列腺癌細胞過程中起重要作用［26］。

5.3 鐵蛋白自噬在神經系統(tǒng)腫瘤發(fā)生發(fā)展中的研究進展 鐵蛋白自噬在神經系統(tǒng)退行性疾病中的研究較多，然而在神經系統(tǒng)腫瘤中的研究則甚少，目前報道出與鐵蛋白自噬相關的神經系統(tǒng)腫瘤只有膠質瘤。膠質瘤是神經系統(tǒng)比較常見的原發(fā)性腫瘤，惡性程度和致死率均較高，所以亟待尋找其發(fā)生發(fā)展的新機制。新城疫病毒（Newcastle disease virus，NDV）能夠誘導膠質瘤細胞發(fā)生鐵蛋白自噬引起膠質瘤細胞鐵死亡，將NDV感染的人膠質瘤細胞株U251細胞中介導鐵蛋白自噬的基因NCOA4或自噬相關基因ATG5敲減，胞內ROS和Fe2＋明顯降低，U251細胞也不能發(fā)生鐵死亡［27］。Hayashima等［28］在胱氨酸消耗引起膠質瘤細胞死亡的研究中同樣證實了鐵蛋白自噬的重要作用，在胱氨酸消耗后的膠質瘤細胞中，F(xiàn)TH1 降低、LC3-II 增多，但是溶酶體抑制劑巴弗洛霉素A1 的應用或者降低腫瘤細胞NCOA4表達抑制鐵蛋白自噬均使胱氨酸消耗引起的FTH1 和LC3-II 發(fā)生的變化減弱，同時抑制腫瘤作用也減弱。

5.4 鐵蛋白自噬在其它腫瘤發(fā)生發(fā)展中的研究進展 除消化系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)及神經系統(tǒng)腫瘤，有研究表明在人宮頸癌、甲狀腺未分化癌和鼠乳腺癌細胞發(fā)生鐵死亡過程中也涉及鐵蛋白自噬。鐵死亡誘導劑erastin 誘導人宮頸癌HeLa 細胞發(fā)生鐵死亡，但是NCOA4敲減的HeLa 細胞對erastin 反應不敏感，且細胞內的鐵蛋白未降低，證實erastin 誘導HeLa 細胞發(fā)生鐵死亡是通過調控鐵蛋白自噬過程實現(xiàn)的［29］。同樣，維生素C 作為一種廣泛的抗癌藥物，在甲狀腺未分化癌細胞中誘發(fā)鐵蛋白自噬，導致Fe2＋累積，通過Fenton 反應產生過量ROS，最終引起腫瘤細胞發(fā)生鐵死亡而起到抑制腫瘤作用［30］。FPBC@SN 是一種靶向治療腫瘤的pH 敏感的納米分子顆粒藥物，在細胞質酸性條件下分解為索拉非尼（sorafenib，SRF）和吲哚胺2，3-雙加氧酶（肝臟外色氨酸代謝為犬尿氨酸的唯一限速酶）［31］的抑制劑 NLG919。Zuo 等［32］發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)PBC@SN 可將SRF 傳遞至小鼠乳腺癌4T1 細胞中，上調NCOA4 的表達，激活鐵蛋白自噬，釋放游離Fe2+并通過Fenton 反應產生大量ROS，從而導致4T1細胞發(fā)生鐵死亡。

以上研究均表明鐵蛋白自噬的激活發(fā)生在抑制腫瘤的過程中，然而Zhao 等［33］通過細胞和動物實驗證明了鐵蛋白自噬的不同作用，骨肉瘤干細胞長期置于0.2～0.4 T 的靜態(tài)磁場后，鐵蛋白自噬被激活，其集落形成能力增強；建立小鼠骨肉瘤干細胞移植瘤模型后，將小鼠長期置于0.2～0.4 T 的靜態(tài)磁場中，結果觀察到腫瘤的體積和質量未發(fā)生明顯變化，但是腫瘤表現(xiàn)出向肺部轉移的偏好，所以一定強度的靜態(tài)磁場通過激活鐵蛋白自噬影響骨肉瘤干細胞的自我更新和肺部轉移偏好。

6 結語

隨著鐵蛋白自噬研究的不斷深入，越來越多的證據(jù)證明鐵蛋白自噬在癌癥發(fā)生發(fā)展過程中起重要作用，然而目前關于鐵蛋白自噬起源、調控機制、涉及信號通路及其對疾病影響的研究仍然處于初步階段，未來需要對鐵蛋白自噬的分子生物學機制以及相關信號通路等進行深入研究，以期為臨床上以鐵蛋白自噬過程為靶點治療癌癥提供參考資料。