鐵死亡調(diào)控通路及其在腫瘤放化療和免疫治療抵抗中的研究進展

王婷安 吳留成 韋尉元 凌通 黃名威 覃宇周

作者單位：530021 南寧 廣西醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院胃腸外科

2012年，DIXON等[1]發(fā)現(xiàn)Erastin可誘導(dǎo)腫瘤細胞發(fā)生一種鐵依賴的脂質(zhì)過氧化損傷致細胞死亡，即鐵死亡（ferroptosis）。這種新型細胞死亡方式在細胞形態(tài)改變及調(diào)控通路等方面均與壞死、凋亡、自噬等其他程序性細胞死亡方式顯著不同[2]。電鏡下主要表現(xiàn)為線粒體萎縮、膜密度增高、脊減少或消失等一些鐵死亡的特征性微觀形態(tài)學(xué)改變。研究表明，鐵死亡在缺血再灌注損傷以及神經(jīng)系統(tǒng)、血液系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、惡性腫瘤等多種疾病中均有重要作用[3]。本文將從鐵死亡調(diào)控的分子機制及其在腫瘤放化療、免疫治療中的作用等前沿研究進行綜述，并對鐵死亡在腫瘤治療領(lǐng)域的應(yīng)用前景進行分析和展望。

1 鐵死亡的調(diào)控機制

鐵死亡主要由細胞內(nèi)大量蓄積的Fe2+觸發(fā)，引起Fe2+依賴的脂質(zhì)過氧化物過度升高，導(dǎo)致氧化還原平衡破壞而最終導(dǎo)致細胞死亡[4]。鐵死亡受多基因多通路調(diào)控，目前主要包括鐵穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)通路、脂質(zhì)代謝調(diào)節(jié)通路及胱氨酸/谷氨酸轉(zhuǎn)運受體通路等（圖1），但具體機制尚不清楚。

圖1 鐵死亡調(diào)控通路示意圖Fig.1 The regulatory pathway of ferroptosis

1.1 鐵穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)

機體細胞內(nèi)鐵可通過鐵穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)通路保持平衡，參與諸如氧運輸、DNA合成和三羧酸循環(huán)（tricarboxylic acid，TCA）等多種生理過程[5]，通過對鐵攝取、存儲與外排的調(diào)控是影響細胞鐵死亡的關(guān)鍵因素。鐵在食物中多為Fe3+，經(jīng)消化吸收后與轉(zhuǎn)鐵蛋白受體（transferrin receptor，TFR）結(jié)合轉(zhuǎn)運至核內(nèi)體，隨后經(jīng)鐵氧還原酶STEAP3還原為Fe2+，而Fe2+再由二價金屬轉(zhuǎn)運蛋白1（divalent metal transporter 1，DMT1）釋放至氧化還原活性鐵池中，余下的鐵則以鐵蛋白輕鏈（ferritin light chain，F(xiàn)TL）以及鐵蛋白重鏈 1（ferritin heavy chain 1，F(xiàn)TH1）的形式儲存[6]。細胞內(nèi) Fe2+過量蓄積可經(jīng)Fenton反應(yīng)產(chǎn)生羥基自由基，如機體抗氧化能力不足以清除過量羥基自由基，則可導(dǎo)致細胞內(nèi)過氧化物集聚而誘發(fā)鐵死亡發(fā)生。

鐵穩(wěn)態(tài)由鐵代謝相關(guān)基因調(diào)節(jié)，主要包括轉(zhuǎn)鐵蛋白（transferrin，TF）、TFR、鐵調(diào)節(jié)蛋白2（iron-regulatory protein 2，IRP2）及核受體共激活因子4（nuclear receptor coactivator 4，NCOA4）等。研究顯示，TFR在多種腫瘤中高表達，且與腫瘤異常增殖相關(guān)[7]。TFR1高表達與早期胃癌的分化程度顯著相關(guān)[8]，TFR2在結(jié)腸癌組織較正常腸黏膜高表達，且黏液腺癌患者的陽性表達率較非黏液腺癌患者明顯增高[9]。NCOA4是一種鐵蛋白特異性受體，鐵蛋白中存儲的鐵可通過NCOA4介導(dǎo)的鐵自噬釋放至細胞質(zhì)[10]。研究發(fā)現(xiàn)，敲除NCOA4可導(dǎo)致纖維肉瘤細胞和胰腺癌細胞對鐵死亡的敏感性下調(diào)[11]。鐵反應(yīng)元件結(jié)合蛋白2（iron-responsive element-binding protein 2，IREB2）是鐵代謝的主要調(diào)控因子之一，通過沉默IREB2可上調(diào)FTH1和FTL，從而顯著抑制Erastin誘導(dǎo)的鐵死亡[12]。此外，Ras-RAF-MEK信號通路在鐵死亡調(diào)控中也具有重要作用，Ras基因可通過上調(diào)TFR，并下調(diào)膜鐵轉(zhuǎn)運蛋白（ferroportin，F(xiàn)PN）的表達，導(dǎo)致細胞內(nèi)鐵蓄積，從而增強鐵死亡誘導(dǎo)劑的敏感性[13-14]。

1.2 脂質(zhì)代謝調(diào)節(jié)

脂質(zhì)代謝調(diào)控通路在鐵死亡中發(fā)揮著重要作用[15]。多不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids，PUFAs）是細胞膜磷脂的重要構(gòu)成成分，脂氧合酶（lipoxygenases，LOXs）可催化PUFAs出現(xiàn)特異性雙氧化反應(yīng)[16]，生成脂肪酸氫過氧化物。累積的脂肪酸氫過氧化物經(jīng)Fe2+介導(dǎo)的Fenton反應(yīng)，進而催化為羥基自由基，從而直接誘導(dǎo)細胞發(fā)生鐵死亡[17]。此外，長鏈脂酰輔酶A合成酶4（acyl-CoA synthetase long chain family member 4，ACSL4）可將花生四烯酸乙?；苫ㄉ南＃偻ㄟ^溶血磷脂酰膽堿?；D(zhuǎn)移酶3（lysophosphatidylcholine acyltransferase 3，LPCAT3）參與膜磷脂的合成，而膜磷脂上的PUFAs可脂質(zhì)過氧誘發(fā)鐵死亡[18]。總之，機體細胞內(nèi)脂質(zhì)過氧化物代謝失調(diào)是鐵死亡發(fā)生的前提條件。

1.3 胱氨酸/谷氨酸轉(zhuǎn)運受體通路及其他調(diào)控機制

研究表明，胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運體（System Xc-）、谷胱甘肽過氧化物酶 4（glutathione peroxidase 4，GPX4）、NADPH 氧化酶（NADPH oxidase，NOX）及線粒體外膜的電壓依賴性陰離子通道（voltage-dependentanion channels，VDACs）等均可通過影響脂質(zhì)過氧化物代謝調(diào)控鐵死亡。

1.3.1 System Xc-System Xc-是由輕鏈亞基SLC7A11和重鏈亞基SLC3A2通過二硫鍵連接形成的異二聚體，可通過將谷氨酸轉(zhuǎn)出細胞外，同時將胱氨酸攝入細胞內(nèi)，隨后轉(zhuǎn)化成半胱氨酸，從而參與谷胱甘肽（glutathione，GSH）的合成[18-19]。GSH具有巰基結(jié)構(gòu)，是機體內(nèi)重要的自由基清除劑，可保護細胞免受氧化損傷，其在腫瘤細胞增殖及耐藥治療中具有重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，Erastin可通過抑制SLC7A11阻滯胞外胱氨酸攝取，從而減少GSH的合成，從而增加細胞內(nèi)脂質(zhì)過氧化物蓄積而導(dǎo)致鐵死亡[19]。p53可通過抑制SLC7A11蛋白表達，降低System Xc-的活性，在細胞鐵死亡脂質(zhì)過氧化物代謝中亦有重要調(diào)節(jié)作用[20]。

1.3.2 GPX4 GPX4可將機體內(nèi)脂質(zhì)過氧化物還原成H2O及對應(yīng)的脂質(zhì)醇，如GSH在GPX4的作用下可轉(zhuǎn)化為GSSG，從而保護細胞膜免受氧化應(yīng)激損傷[21]。研究發(fā)現(xiàn)[22-23]，GPX4在腫瘤組織中高表達，與患者預(yù)后相關(guān)，而RSL3可直接共價鍵結(jié)合GPX4，導(dǎo)致細胞脂質(zhì)過氧化ROS堆積，從而誘發(fā)鐵死亡。FIN56也可通過抑制GPX4表達，并促進GPX4降解致使鐵死亡的發(fā)生[24]?？傊?，GPX4是細胞鐵死亡的一個關(guān)鍵調(diào)控因子，抑制GPX4可導(dǎo)致脂質(zhì)ROS蓄積，最終誘導(dǎo)細胞鐵死亡的發(fā)生。

1.3.3 NOX NADPH是機體細胞內(nèi)清除脂質(zhì)過氧化物的關(guān)鍵還原酶，可為GSSG轉(zhuǎn)化成GSH的反應(yīng)提供氫離子，而NOX的激活則可導(dǎo)致GSH含量下降、氧化應(yīng)激產(chǎn)物蓄積，從而致使細胞死亡[25-26]。有研究發(fā)現(xiàn)，血管生成素樣4（angiopoietin like 4，ANGPTL4）可激活NOX2而誘導(dǎo)卵巢癌細胞出現(xiàn)鐵死亡[27]。GKT137831作為NOX1/4酶的特異性抑制劑，可通過降低肺癌細胞Calu-1對Erastin的敏感性，從而抑制細胞鐵死亡的發(fā)生[1]。

1.3.4 VDACs VDACs是在線粒體外膜上廣泛分布的膜蛋白，具有維持線粒體外膜通透性的重要作用。研究表明[28]，Erastin可引起VDAC2/3通道失活，抑制NADPH的合成，降低細胞內(nèi)GSH的含量。GSH作為體內(nèi)重要自由基清除劑，可在谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）的催化下被氧化為GSSG，同時使H2O2還原為H2O。而GSSG在NADPH及GPX作用下重新被還原成GSH[29]。

1.3.5 其他調(diào)控通路p53是重要的抑癌基因，可調(diào)節(jié)腫瘤細胞增殖、分化及死亡等。近期有研究發(fā)現(xiàn)，p53在鐵死亡過程中也具有重要的調(diào)節(jié)作用。Erastin可上調(diào)肺癌細胞中p53的表達，而p53可結(jié)合SLC7A11啟動子，降低SLC7A11的表達，進而抑制System Xc-，減少胱氨酸攝取，GSH合成受阻，并最終誘導(dǎo)細胞鐵死亡[30]。此外，p53還可激活亞精胺/精胺N1-乙?；D(zhuǎn)移酶1（spermidine/spermine N1-acetyltransferase 1，SAT1），調(diào)控花生四烯酸-15脂氧合酶（arachidonate 15-lipoxygenase，ALOX-15），致使細胞內(nèi)脂質(zhì)ROS蓄積，從而誘導(dǎo)鐵死亡[31]。

研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄激活因子4（activating transcription factor 4，ATF4）可上調(diào)System Xc-表達，沉默ATF4可導(dǎo)致SLC7A11表達下調(diào)，增加Erastin及索拉非尼誘導(dǎo)細胞發(fā)生鐵死亡的敏感性[32]。此外，ATF4還可調(diào)控熱休克蛋白 5（heat shock protein family A member 5，HSPA5）的表達，而HSPA5可與GPX4結(jié)合，從而維持GPX4穩(wěn)定防止GPX4蛋白降解，進而抑制細胞脂質(zhì)過氧化及鐵死亡，同時誘導(dǎo)胰腺癌細胞出現(xiàn)吉西他濱耐藥[33]。研究發(fā)現(xiàn)，沉默鐵死亡抑制蛋白1（ferroptosis suppressor protein 1，F(xiàn)SP1）可增加細胞對鐵死亡誘導(dǎo)劑的敏感性[34]。FSP1還可借助NADPH催化CoQ10（coenzyme Q10）的重復(fù)利用，清除脂質(zhì)過氧化物ROS，抑制細胞鐵死亡。

核因子E2相關(guān)因子2（nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2）是機體調(diào)控氧化應(yīng)激反應(yīng)的重要轉(zhuǎn)錄因子之一。正常機體內(nèi)，Kelch樣ECH關(guān)聯(lián)蛋白 1（Kelch-like ECH-associated protein 1，Keap1）與Nrf2相互作用，可促進Nrf2泛素化降解，將Nrf2保持在較低水平。但是在出現(xiàn)氧化應(yīng)激時，Keap1中的半胱氨酸殘基Cys273和288可形成二硫鍵，將Nrf2從Keap1解離釋放，隨后移位至細胞核與抗氧化反應(yīng)元件（antioxidant response element，ARE）結(jié)合，Nrf2隨之激活并將SLC7A11轉(zhuǎn)運至細胞膜，與SLC3A2偶聯(lián)共同構(gòu)成System Xc-，從而調(diào)控細胞鐵死亡過程[35]。

2 鐵死亡與腫瘤放化療抵抗

目前，放化療仍是治療惡性腫瘤的主要方法，然而化療耐藥性及放療抵抗的形成往往導(dǎo)致腫瘤治療失敗，而該過程受多基因、多信號通路調(diào)控。腫瘤細胞往往通過阻滯藥物攝取、促使藥物泵出、抑制細胞凋亡發(fā)生并提高DNA修復(fù)機能等多條途徑形成耐藥性[36]。研究顯示，腫瘤細胞氧化還原內(nèi)環(huán)境的破壞是形成耐藥性的關(guān)鍵。多數(shù)化療藥物是通過誘導(dǎo)腫瘤細胞出現(xiàn)凋亡而發(fā)揮抗腫瘤作用，例如導(dǎo)致細胞內(nèi)ROS大量產(chǎn)生并在細胞內(nèi)蓄積，導(dǎo)致氧化還原失衡，從而殺傷腫瘤細胞。但是，一旦腫瘤細胞通過激活代謝微環(huán)境重塑的調(diào)控機制，細胞內(nèi)抗氧化系統(tǒng)與ROS水平達到平衡狀態(tài)，則可增強腫瘤細胞防御氧化應(yīng)激的能力，從而誘導(dǎo)耐藥性的形成[16]。

近期研究顯示，誘導(dǎo)腫瘤細胞鐵死亡可增強化療藥物，如順鉑、阿糖胞苷及多柔比星等藥物的化療療效，甚至可逆轉(zhuǎn)腫瘤細胞耐藥性，協(xié)助殺傷腫瘤細胞。比如，F(xiàn)AN等[37]研究發(fā)現(xiàn)，Erastin和磺胺嘧啶可通過抑制System Xc-活性，下調(diào)GPX4表達和減少GSH產(chǎn)生，使細胞內(nèi)脂質(zhì)ROS蓄積，并最終導(dǎo)致鐵死亡，從而逆轉(zhuǎn)頭頸部腫瘤細胞對順鉑的耐藥性。青蒿琥酯可通過增加卵巢癌耐藥細胞中的過氧化物水平，抑制腫瘤遷移能力，并導(dǎo)致細胞發(fā)生鐵死亡[38]。金屬硫蛋白1G（metallothionein 1G，MT-1G）、核因子紅細胞2相關(guān)因子2（nuclear factor，erythroid derived 2 like protein 2，NFE2L2）及p53作為鐵死亡負調(diào)控因子，下調(diào)其表達可導(dǎo)致肝癌細胞內(nèi)GSH消耗及脂質(zhì)ROS堆積，誘發(fā)鐵死亡產(chǎn)生，從而降低肝癌細胞耐藥性并增強其對索拉非尼的敏感性[39]。

放射治療是指通過高能電離輻射使腫瘤細胞DNA雙鏈斷裂，從而誘導(dǎo)細胞周期阻滯及凋亡而達到殺傷腫瘤目的，但部分惡性腫瘤患者發(fā)生放療抵抗。研究發(fā)現(xiàn)，通過放療可導(dǎo)致腫瘤細胞內(nèi)大量脂質(zhì)ROS產(chǎn)生，引起脂質(zhì)過氧化物過度蓄積，從而誘導(dǎo)細胞出現(xiàn)鐵死亡[40]。有研究報道，通過抑制System Xc-的輕鏈亞基（SLC7A11/xCT）活性，下調(diào)GPX4表達可能逆轉(zhuǎn)部分腫瘤的放療抵抗，增強放療治療敏感性[41]。

3 鐵死亡與腫瘤免疫治療

免疫治療是近年新興的腫瘤治療模式，免疫逃逸則是導(dǎo)致腫瘤治療失敗的主要因素之一。因此，如何恢復(fù)免疫細胞識別進而殺傷腫瘤細胞功能也是當前的研究熱點之一。目前，程序性細胞死亡蛋白-1（programmed death protein 1，PD-1）及程序性細胞死亡蛋白配體-1（programmed death ligand protein 1，PD-L1）抑制劑是臨床上常用的免疫治療藥物，其作用機制是通過阻止機體內(nèi)殺傷性T細胞表面的PD-1與腫瘤細胞表面的PD-L1結(jié)合，從而恢復(fù)T細胞對腫瘤細胞的識別及殺傷。研究發(fā)現(xiàn)，細胞脂質(zhì)代謝及鐵死亡在腫瘤免疫治療調(diào)控中發(fā)揮著重要作用，機體內(nèi)免疫細胞識別腫瘤細胞受多種細胞趨化因子及可溶性代謝物（如脂類）等調(diào)節(jié)，發(fā)生鐵死亡的腫瘤細胞可通過釋放脂質(zhì)代謝產(chǎn)物，吸引免疫細胞以尋找腫瘤細胞信號[42-43]。

高遷移率族蛋白B1（high mobility group box 1 protein，HMGB1）是損傷相關(guān)分子蛋白家族（damage associated molecular patterns，DAMPs）的一員，同時也是影響腫瘤細胞免疫的關(guān)鍵因子，還是鐵死亡進程的重要調(diào)控蛋白之一。鐵死亡的腫瘤細胞可通過HMGB1-RAGE途徑促進巨噬細胞極化并釋放腫瘤壞死因子TNF，當HMGB1沉默后可阻斷Erastin誘導(dǎo)的鐵死亡發(fā)生[44]。GPX4缺陷的T細胞因脂質(zhì)過氧化物蓄積，可誘發(fā)鐵死亡而無法增殖[45]。但是在B細胞及彌漫性大B細胞淋巴瘤中，GPX4高表達可抑制細胞脂質(zhì)過氧化及鐵死亡的發(fā)生[46]。免疫細胞同樣可調(diào)控腫瘤細胞鐵死亡的發(fā)生。如在小鼠腫瘤模型中使用PD-L1抑制劑后可激活CD8+T細胞，釋放的IFN-γ可經(jīng)JAK1-STAT1通路抑制System Xc-活性，從而增加腫瘤細胞脂質(zhì)過氧化物水平而誘導(dǎo)鐵死亡發(fā)生，但一旦阻斷鐵死亡通路，PD-L1抑制劑對腫瘤細胞的殺傷能力則受到抑制[47]。

4 小結(jié)

鐵死亡主要是由細胞內(nèi)Fe2+及脂質(zhì)過氧化物蓄積誘導(dǎo)的死亡方式。雖然目前研究證據(jù)表明，鐵死亡調(diào)控通路主要涉及鐵代謝、脂質(zhì)代謝及System Xc-等，但觸發(fā)脂質(zhì)過氧化物蓄積具體的信號通路和關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子尚未完全闡明。盡管如此，鐵死亡在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的重要作用仍不容忽視，近年來越來越多的研究也已證實，鐵死亡在腫瘤領(lǐng)域中具有巨大的潛力，有可能成為腫瘤治療尤其是逆轉(zhuǎn)治療抵抗的一個新思路。因此，未來值得在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域中進一步解析鐵死亡的調(diào)控機制，在臨床治療中繼續(xù)深入探索鐵死亡誘導(dǎo)劑的應(yīng)用以及治療癌種的選擇等，從而為腫瘤患者治療帶來新的曙光。