鐵死亡及其調(diào)控機(jī)制的研究進(jìn)展

溫 雪，郝長(zhǎng)來(lái)

（承德醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院血液科，河北承德 067000）

細(xì)胞死亡一詞于1842年首次被提及，描述了活細(xì)胞中所有基本細(xì)胞過(guò)程的最終結(jié)束。然而，在某些條件下，包括質(zhì)膜和其他細(xì)胞成分的物理和化學(xué)損傷，細(xì)胞無(wú)法控制細(xì)胞死亡過(guò)程，因此通常被稱(chēng)為“意外/爆炸”或壞死細(xì)胞死亡。與這種不受控制的細(xì)胞死亡形式相比，大自然已經(jīng)進(jìn)化出了多種高度受控的細(xì)胞死亡模式—調(diào)節(jié)細(xì)胞死亡(regulated cell death, RCD)，它確保在正常發(fā)育和組織穩(wěn)態(tài)過(guò)程中，生命與死亡的最終決定被合理安排[1]。近幾年發(fā)現(xiàn)的一種非凋亡調(diào)節(jié)細(xì)胞死亡—鐵死亡，它在形態(tài)和生化上都不同于已知的細(xì)胞死亡類(lèi)型[2]。目前，鐵死亡已經(jīng)成為腫瘤領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。本文針對(duì)鐵死亡的提出、特征、主要的調(diào)控機(jī)制及其與其他細(xì)胞死亡方式的區(qū)別作一綜述。

1 鐵死亡的提出

在2003年的一項(xiàng)研究中，Stockwell等[3]通過(guò)大規(guī)模篩選實(shí)驗(yàn)探索了多種化合物對(duì)腫瘤細(xì)胞的殺傷作用，發(fā)現(xiàn)了一種新的化合物erastin，它可以導(dǎo)致ras突變的腫瘤細(xì)胞以不同于傳統(tǒng)的方式死亡。2012年，erastin誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡最終被定義為鐵依賴(lài)的RCD，命名為“鐵死亡”[4]。在他們最初的研究中，鐵死亡與其他類(lèi)型的RCD(如凋亡、壞死和自噬細(xì)胞死亡)在形態(tài)學(xué)、生化和遺傳水平上有顯著的不同[5]。鐵死亡是一種依賴(lài)于鐵和脂肪毒性的非凋亡細(xì)胞死亡的獨(dú)特形式，由非酶(Fenton反應(yīng))和酶機(jī)制[脂氧合酶(LOXs)]所引發(fā)的鐵催化的脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)觸發(fā)[6]。鐵死亡描述了一種調(diào)控細(xì)胞死亡的形式，是由致命的脂質(zhì)過(guò)氧化引起的。鐵螯合劑、親脂性抗氧化劑、脂質(zhì)過(guò)氧化抑制劑和多不飽和脂肪酸(PUFAs)的消耗可以抑制僅由鐵死亡引起的細(xì)胞死亡，并與脂質(zhì)過(guò)氧化標(biāo)志物的積累相關(guān)[7]。

2 鐵死亡的特征

鐵死亡是一種非凋亡的、依賴(lài)鐵的細(xì)胞死亡形式，其特征是致命的脂質(zhì)活性氧(ROS)的鐵依賴(lài)性積累[8]，可通過(guò)自然刺激和合成藥劑在癌細(xì)胞中激活。定義鐵死亡的三個(gè)基本特征是:磷脂過(guò)氧化氫過(guò)氧化物酶GPX4喪失脂質(zhì)過(guò)氧化物修復(fù)能力，氧化還原活性鐵的可用性，以及含多不飽和脂肪酸(PUFA)的磷脂的氧化[9]。脂質(zhì)過(guò)氧化物、PTGS2水平升高、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)降低可被認(rèn)為是鐵死亡的生物標(biāo)志物[2]。鐵死亡形態(tài)學(xué)特征包括：發(fā)生鐵死亡的細(xì)胞具有典型的壞死形態(tài)，伴有小的畸形線粒體，嵴減少，膜濃縮，外膜破裂，沒(méi)有凋亡的標(biāo)志[6]。

3 鐵死亡的調(diào)控機(jī)制

3.1 鐵死亡的調(diào)節(jié)途徑

3.1.1 甲羥戊酸途徑 甲羥酸（MVA）途徑調(diào)控硒蛋白的生物合成。GPX4作為GSH過(guò)氧化物酶的一員，是一種以硒半胱氨酸為活性中心的硒蛋白，可以減少細(xì)胞中脂質(zhì)過(guò)氧化物并幫助細(xì)胞存活，GPX4失去活性可促進(jìn)鐵死亡。但是由于硒半胱氨酸的遺傳密碼是UGA，與終止密碼子相同，所以，需要一個(gè)特異的轉(zhuǎn)運(yùn)體將硒半胱氨酸插入GPX4中[10]。硒半胱氨酸-tRNA[tRNA(Sec)]是機(jī)制的關(guān)鍵組成部分之一，并控制人類(lèi)所有25種硒蛋白的生物合成，在成熟過(guò)程中,tRNA(Sec)在特定的腺嘌呤位點(diǎn)經(jīng)歷脂質(zhì)修飾(異戊烯化)，這是Sec有效融入硒蛋白所必需的[11]。然而，硒半胱氨酸t(yī)RNA的成熟需要tRNA-異戊烯基轉(zhuǎn)移酶催化異戊烯基焦磷酸(IPP)的異戊烯基團(tuán)轉(zhuǎn)移到硒半胱氨酸t(yī)RNA前體的特定腺嘌呤位點(diǎn)[10]。由于IPP是MVA途徑的重要產(chǎn)物，MVA途徑抑制劑(如他汀類(lèi)藥物)可抑制硒半胱氨酸t(yī)RNA的成熟和GPX4的合成。因此，MVA途徑可以通過(guò)調(diào)節(jié)GPX4的豐度和活性來(lái)調(diào)控鐵死亡[7]。

3.1.2 轉(zhuǎn)硫途徑 蛋氨酸是一種含硫氨基酸，含硫蛋白質(zhì)在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中非常重要，是人體必需的，只能從食物中獲得。通過(guò)硫在體內(nèi)的轉(zhuǎn)移途徑，蛋氨酸可以轉(zhuǎn)化為同型半胱氨酸和半胱氨酸的中間產(chǎn)物[10]。半胱氨酸是一種非必需氨基酸，轉(zhuǎn)硫途徑可以將蛋氨酸轉(zhuǎn)化為同型半胱氨酸和半胱氨酸的中間產(chǎn)物，因?yàn)橐恍┎溉閯?dòng)物細(xì)胞能夠通過(guò)經(jīng)轉(zhuǎn)硫途徑合成半胱氨酸，除了重新合成半胱氨酸，細(xì)胞還可以利用轉(zhuǎn)運(yùn)體如system xc-和EAATs(興奮性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體)以氧化二硫化合物的形式吸收細(xì)胞外的半胱氨酸，提供蛋白質(zhì)合成和氧化應(yīng)激解毒所需的半胱氨酸。然而，哺乳動(dòng)物細(xì)胞通常只依賴(lài)其中一種模式作為半胱氨酸的主要來(lái)源,當(dāng)攝取模式被抑制時(shí)，轉(zhuǎn)硫途徑提供半胱氨酸的代償來(lái)源[12]。體內(nèi)的半胱氨酸主要用于合成谷胱甘肽、抗氧化肽、硫氧還蛋白(Trx)等,其中谷胱甘肽是維持細(xì)胞氧化還原平衡的關(guān)鍵因素。GSH通過(guò)GPX4介導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)醇類(lèi)脂質(zhì)過(guò)氧化物和有機(jī)過(guò)氧化氫產(chǎn)物的還原，從而使GPX4在鐵死亡調(diào)控中發(fā)揮核心作用。最近的研究表明，通過(guò)上調(diào)轉(zhuǎn)硫途徑的基因表達(dá)，半胱氨酸- tRNA合成酶(CARS)的缺失可以抑制erastin誘導(dǎo)的鐵死亡，但不能抑制RSL3-或BSO誘導(dǎo)的鐵死亡。這說(shuō)明，在細(xì)胞中，轉(zhuǎn)硫途徑通過(guò)調(diào)節(jié)GPX4而對(duì)鐵死亡發(fā)揮調(diào)控作用[10]。

3.1.3 HSF1-HSPB1途徑 熱休克蛋白(heat-shock proteins,HSPs)被認(rèn)為是調(diào)節(jié)和控制細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)的分子伴侶，并穩(wěn)定異常折疊蛋白[10]。熱休克蛋白根據(jù)其分子大小，可分為6個(gè)不同的亞家族:HSP100、HSP90、HSP70、HSP60、小HSP和HSP10。其中HSPB1(小HSPs成員)和HSPA5(HSP70成員，ER主要伴侶)是鐵死亡的負(fù)調(diào)節(jié)因子[13]。熱休克因子(heat-shock factors, HSFs)是調(diào)節(jié)HSP合成的轉(zhuǎn)錄因子。HSPB1也被稱(chēng)為小鼠HSP25或人類(lèi)HSP27。最近的研究發(fā)現(xiàn)，erastin可以提高HSPB1 mRNA和蛋白的表達(dá)，HSF1-HSPB1通路可以負(fù)調(diào)控erastin誘導(dǎo)的人宮頸癌細(xì)胞、骨肉瘤細(xì)胞和前列腺癌細(xì)胞的鐵死亡。抑制HSF1和HSPB1可以增加細(xì)胞內(nèi)鐵和ROS的濃度，最終抑制腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)，而蛋白激酶C (PKC)調(diào)節(jié)的HSPB1磷酸化可以通過(guò)阻斷細(xì)胞骨架介導(dǎo)的鐵攝取和隨后的ROS生成來(lái)防止細(xì)胞的鐵死亡[5,10]。

3.1.4 鐵死亡的其他調(diào)節(jié)途徑 另外，其他途徑也參與調(diào)控細(xì)胞的鐵死亡。p62-Keap1-NRF2通路通過(guò)調(diào)節(jié)NRF2的表達(dá)，調(diào)控肝癌細(xì)胞對(duì)鐵死亡的易感性。谷氨酸和轉(zhuǎn)鐵蛋白可以通過(guò)谷氨酰胺分解途徑和細(xì)胞表面的轉(zhuǎn)鐵蛋白受體調(diào)控細(xì)胞內(nèi)鐵離子和ROS的形成，并在鐵死亡中發(fā)揮調(diào)控作用[10]。在ATG5-ATG7-NCOA4通路中，NCOA4介導(dǎo)的鐵蛋白相關(guān)自噬過(guò)程可以增加細(xì)胞中不穩(wěn)定鐵的含量，從而促進(jìn)鐵死亡的增強(qiáng)[15]。

3.2 鐵死亡的正調(diào)節(jié)因子

3.2.1 p53 P53作為SLC7A11的轉(zhuǎn)錄抑制因子參與了鐵死亡，影響半胱氨酸的導(dǎo)入并促進(jìn)鐵死亡的起始[16]。在某些癌細(xì)胞中，p53的激活被發(fā)現(xiàn)是需要的。這個(gè)過(guò)程依賴(lài)于對(duì)SLC7A11的直接轉(zhuǎn)錄抑制，SLC7A11是system Xc-的關(guān)鍵組成部分[5]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，P53通過(guò)下調(diào)SLC7A11的表達(dá)，抑制system Xc-攝取胱氨酸，從而影響GPX4的活性，導(dǎo)致抗氧化能力降低、ROS積累和鐵死亡下降。P53-P21軸可以負(fù)向調(diào)控癌細(xì)胞內(nèi)的鐵死亡發(fā)生[15]。p53在鐵死亡中具有雙重調(diào)控功能，p53在人類(lèi)結(jié)直腸癌(CRC)中抑制鐵死亡，而在其他癌癥細(xì)胞中，p53是鐵死亡的正向調(diào)控因子[2]。

3.2.2 RAS RAS激活可以通過(guò)增加轉(zhuǎn)鐵蛋白受體的表達(dá)和細(xì)胞內(nèi)鐵水平來(lái)增強(qiáng)鐵死亡的敏感性。MAPK相對(duì)活化程度最高的NSCLC細(xì)胞系對(duì)胱氨酸缺失誘導(dǎo)的鐵死亡最敏感，這與最初的觀察一致，RAS/MAPK通路的激活使單個(gè)細(xì)胞系對(duì)鐵死亡敏感[9]。

3.2.3 血紅素氧合酶1 (HO-1) HO-1是一種細(xì)胞保護(hù)酶，可誘導(dǎo)細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)。HO1主要催化血紅素降解為膽綠素、一氧化碳(CO)和Fe2+，然后助力LIP增強(qiáng)鐵死亡[17]。

3.3 鐵死亡的負(fù)調(diào)節(jié)因子

3.3.1 GPX4 GPX4是GSH過(guò)氧化物酶的一員，可以減少細(xì)胞中脂質(zhì)過(guò)氧化物并幫助細(xì)胞存活，GPX4失去活性可促進(jìn)鐵死亡[18]。GPX4將還原的谷胱甘肽轉(zhuǎn)化為氧化的谷胱甘肽(GSSG)，同時(shí)將脂質(zhì)過(guò)氧化氫轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的醇或?qū)⒂坞x的過(guò)氧化氫轉(zhuǎn)化為水[5]。過(guò)表達(dá)GPX4可抵抗ros誘導(dǎo)的腫瘤細(xì)胞死亡，沉默GPX4可使腫瘤細(xì)胞對(duì)ros誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡敏感[14]。當(dāng)谷胱甘肽耗盡，直接抑制或間接滅活GPX4時(shí)，它是一種特異而健壯的鐵死亡的中央調(diào)控因子[19]。

3.3.2 System Xc? System Xc?是一種異二聚體胱氨酸/谷氨酸的反轉(zhuǎn)運(yùn)載體，由兩個(gè)關(guān)鍵成員組成，包括催化亞基溶質(zhì)載體家族7成員11 (SLC7A11)和溶質(zhì)載體家族3成員2 (SLC3A2) 。System Xc?負(fù)責(zé)通過(guò)引入胱氨酸來(lái)維持氧化還原內(nèi)穩(wěn)態(tài)，然后將其還原為半胱氨酸并用于合成主要的抗氧化劑GSH5。System Xc?是鐵死亡過(guò)程中的上游分子,靶向SLC7A11和阻斷胱氨酸攝取的藥物可誘導(dǎo)鐵死亡。SLC7A11可以與BECN1相互作用，進(jìn)一步誘導(dǎo)鐵死亡[14]。如前所述，p53通過(guò)抑制SLC7A11的表達(dá)，是某些癌細(xì)胞上的一種正調(diào)控因子，從而抑制System Xc?活性[5]。

3.3.3 NRF2 NRF2被認(rèn)為是鐵死亡的重要調(diào)節(jié)因子，其活性受到Keap1的嚴(yán)格調(diào)控[17]。NRF2通過(guò)增加參與鐵和ROS代謝的靶基因的表達(dá)，如醌氧化還原酶1(NQO1)和HO1，抑制鐵死亡[2]。p62與kelch樣的ECH相關(guān)蛋白1(Keap1)的NRF2結(jié)合位點(diǎn)相互作用，競(jìng)爭(zhēng)性地抑制Keap1-NRF2相互作用，后者負(fù)責(zé)在用FINs(如erastin、sorafenib和BSO)處理后的NRF2蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性[5]。Nrf2在線粒體的生物發(fā)生和功能中起關(guān)鍵作用，并進(jìn)一步調(diào)控鐵死亡的過(guò)程[17]。

一些基因(如p62、CISD1、HSF1和HSPB1)是癌細(xì)胞鐵死亡的負(fù)調(diào)控因子。在癌細(xì)胞中，通過(guò)RNA干擾敲除這些基因可促進(jìn)鐵死亡，增加抗腫瘤活性[20]。

3.4 鐵代謝調(diào)控鐵死亡

鐵是一種氧化還原活性金屬，可參與自由基的形成和脂質(zhì)過(guò)氧化的傳播[17]。細(xì)胞內(nèi)鐵處于微妙的調(diào)控下，以維持鐵穩(wěn)態(tài)。鐵調(diào)節(jié)蛋白(IRP1和IRP2)調(diào)節(jié)細(xì)胞Fe2+濃度，各種蛋白調(diào)節(jié)鐵的輸入、儲(chǔ)存、釋放和輸出[21]。鐵的吸收、輸出、利用和貯存都受到鐵死亡的影響。胞內(nèi)Fe2+的水平上調(diào)響應(yīng)鐵死亡激活劑[18]。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，部分細(xì)胞鐵分布于線粒體、胞漿、細(xì)胞核和溶酶體中，雖然量少，但細(xì)胞對(duì)鐵的濃度很敏感，濃度稍有波動(dòng)就會(huì)引起很大的反應(yīng)[21]。細(xì)胞質(zhì)鐵被保留為鐵蛋白，鐵蛋白由鐵蛋白重鏈(FtH)和鐵蛋白輕鏈(FtL)組成。鐵死亡是通過(guò)Fenton反應(yīng)介導(dǎo)的，F(xiàn)e2+與過(guò)氧化氫反應(yīng)生成ROS。ROS破壞DNA的穩(wěn)定性，促進(jìn)細(xì)胞死亡。ROS誘導(dǎo)的鐵死亡可能有多種來(lái)源。除了鐵依賴(lài)的ROS積累，NADPH依賴(lài)的脂質(zhì)過(guò)氧化和谷胱甘肽消耗也被認(rèn)為是引起鐵死亡的原因[22]。綜上所述，鐵穩(wěn)態(tài)的失調(diào)參與了鐵死亡的發(fā)生，通過(guò)上調(diào)鐵水平誘導(dǎo)鐵死亡可能成為一種新的抗腫瘤策略[14]。

4 鐵死亡與其他細(xì)胞死亡方式的區(qū)別

在過(guò)去的10年里，人們對(duì)細(xì)胞的死亡方式有了深刻的了解。隨著我們對(duì)壞死一詞的理解，出現(xiàn)了幾種不同的細(xì)胞死亡形式[23]。細(xì)胞死亡是細(xì)胞的最后階段，它是由外源性或內(nèi)源性物質(zhì)的細(xì)胞毒性引起的。細(xì)胞死亡有多種形式，最初是根據(jù)細(xì)胞形態(tài)來(lái)定義和分化的[10]。除了細(xì)胞凋亡和自噬外，還發(fā)現(xiàn)了其他程序性細(xì)胞死亡，如程序性壞死。鐵死亡、壞死作用、依賴(lài)性細(xì)胞死亡和焦亡作用都屬于程序性壞死，程序性壞死是由基因編碼的細(xì)胞機(jī)械的特定程序以有序方式摧毀細(xì)胞完成的[24]。鐵死亡細(xì)胞表現(xiàn)出非常明顯的生物能量和形態(tài)特征，包括細(xì)胞內(nèi)的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)耗盡，但ATP沒(méi)有耗盡，以及膜完整性的損失，伴隨著腫瘤病形態(tài)正常細(xì)胞核和線粒體減少，顯示膜密度增加,線粒體外膜破裂?；谶@些特征，鐵死亡很容易區(qū)別于其他細(xì)胞死亡模式，包括凋亡(caspase依賴(lài)、染色質(zhì)凝結(jié)、膜“出芽”)和自噬(自噬體的形成)[1]。鐵死亡是一種依賴(lài)鐵的非凋亡的細(xì)胞死亡模式，其特征是脂質(zhì)活性氧(ROS)的積累。在細(xì)胞形態(tài)和功能上，與壞死、凋亡、自噬明顯不同。它沒(méi)有典型的壞死的形態(tài)特征，如腫脹的細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞器以及細(xì)胞膜的破裂；也沒(méi)有傳統(tǒng)的細(xì)胞凋亡的特點(diǎn)，如染色體收縮、染色質(zhì)凝結(jié)和外周化，以及圓形或卵圓形的細(xì)胞質(zhì)碎片形成。與自噬相反，鐵死亡不形成經(jīng)典的封閉雙層膜結(jié)構(gòu)(自噬泡)[10,15]。形態(tài)學(xué)上，鐵死亡細(xì)胞線粒體較小，線粒體膜密度較高，線粒體嵴消失，線粒體外膜破裂，這是一個(gè)不同于其他細(xì)胞死亡方式的過(guò)程[2]。不同類(lèi)型的小分子（如erastin、SAS、RSL3等）均可誘導(dǎo)鐵死亡，但不能被誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡和壞死的物質(zhì)誘導(dǎo)，提示其機(jī)制不同于細(xì)胞凋亡和壞死[10]。6個(gè)線粒體基因RPL8、IREB2、ATP5G3、CS、TTC35、ACSF2參與鐵死亡的遺傳調(diào)控。研究證實(shí)，這6個(gè)基因與鐵死亡密切相關(guān)，但與細(xì)胞凋亡、壞死或自噬等其他形式的細(xì)胞死亡無(wú)關(guān)，提示鐵死亡的遺傳調(diào)控機(jī)制與凋亡、壞死完全不同[10]。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)近些年研究發(fā)現(xiàn)的鐵死亡調(diào)節(jié)途徑及鐵死亡的正負(fù)調(diào)控因子進(jìn)行了綜述，然而鐵死亡的調(diào)控機(jī)制遠(yuǎn)比之前認(rèn)為的更為復(fù)雜，雖然最近有許多研究進(jìn)展和新的發(fā)現(xiàn)，但鐵死亡的詳細(xì)調(diào)控機(jī)制仍不清楚。未來(lái)的研究應(yīng)關(guān)注鐵死亡相關(guān)基因的診斷和預(yù)后價(jià)值，還需要對(duì)其調(diào)控機(jī)制進(jìn)行更深入的研究，以期為相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)制及治療提供更好的依據(jù)。我們相信，在不久的將來(lái)，鐵死亡的調(diào)控機(jī)制會(huì)研究得越來(lái)越透徹，鐵死亡將成為目前尚無(wú)成功治療方案的腫瘤性疾病的一種新的治療策略。