ACSL4介導(dǎo)鐵死亡與心血管疾病的研究進展

劉燕

(右江民族醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院心血管內(nèi)科,廣西 百色 533000)

心血管疾病死亡率占世界總死亡率1/3[1],在中國,心血管疾病死亡率占總死亡率的首位[2],嚴重影響公民健康。而且,根據(jù)《中國心血管健康與疾病報告2019》[2]提示心血管疾病的發(fā)生仍在不斷增加,嚴重影響人民健康。作為一種細胞死亡方式,鐵死亡(ferroptosis)主要依賴于鐵積累。當(dāng)二價鐵或酯氧合酶作用于高表達的不飽和脂肪酸時,通過催化脂質(zhì)過氧化,進而誘導(dǎo)細胞死亡。此外,鐵死亡還會導(dǎo)致谷胱甘肽(GSH)和谷胱甘肽過氧化物酶4(GPX4)等抗氧化體系的表達量降低。?；o酶A合成酶長鏈家族成員4(ACSL4)是鐵死亡通路上的一個關(guān)鍵基因,它能合成花生四烯酰CoA和腎上腺酰CoA,參與膜磷脂合成。在處理過鐵死亡誘導(dǎo)劑GSH過氧化物酶4抑制劑(RSL3)等干預(yù)下,長鏈多不飽和脂肪酸容易被氧化,從而引發(fā)細胞鐵死亡。因此,ACSL4作為膜磷脂的主要成分是鐵死亡發(fā)生過程中的必需分子[3]。本文就ACSL4介導(dǎo)鐵死亡在動脈粥樣硬化、心肌梗死、心肌缺血再灌注損傷及心力衰竭中作用機制作一綜述,以期為心血管疾病的早期診治提供新的思路。

1 ACSL4

1.1結(jié)構(gòu)與功能 人ACSL4基因定位在染色體上[4],位于X染色體Xq22.3-q23,編碼一種大小為75 kDa的花生四烯酸依賴的同工酶,其基因結(jié)構(gòu)如圖1(https://www.genecards.org/cgi-bin/carddisp.pl?gene=ACSL4)。ASCL4為ACSL(?；せ蠲讣易宄蓡T之一)五種亞型中的一種[5],主要分布在腎上腺、卵巢、睪丸等類固醇合成組織中[6]。人的ACSL4基因mRAN全長4906 bp,包括124 bp 5’-UTR、2013 bp CDS和全部的3’-UTR,其中一共包括14個外顯子和13個內(nèi)含子。ACSL4基因具有一個P-Loop環(huán),其與dNTPs的P環(huán)結(jié)合,用來維持蛋白的穩(wěn)定性。在365處有一個Y-Gate結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)為具有離子或蛋白通道的匣門,用于連接兩個有功能的結(jié)構(gòu)蛋白linker。在234-245處,發(fā)現(xiàn)存在一個潛在結(jié)合位點,是一個保守的結(jié)構(gòu)域,ACSL4基因由腺苷酸結(jié)合蛋白調(diào)控。?；o酶A合成酶為ACSL4基因產(chǎn)物,分布在細胞膜和融入膜上,該基因在人類上具有豐富的多態(tài)位點。?；o酶A合成酶的催化脂肪酸生成脂肪酰基輔酶A,繼而進入脂肪酸的氧化途徑,作為動物體生長發(fā)育能量和碳源的來源及適應(yīng)外界進行信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。主要參與細胞活動,游離脂肪酸也必須在酰基輔酶A合成酶的作用以及輔酶A、ATP與鎂離子存在條件下,才能合成脂肪?；o酶A,然后通過代謝途徑使脂肪酸轉(zhuǎn)化為細胞內(nèi)類酯化合物和進入脂肪酸氧化分解代謝途徑,從而參與脂肪代謝等[5],進而參與細胞活動。

1.2ACSL4介導(dǎo)鐵死亡的分子機制 鐵死亡,是與凋亡、自噬和壞死不同的新的細胞死亡的方式,它與鐵過載和脂質(zhì)過氧化(lipid peroxidation,LPO)有密切的關(guān)系[6]。ACSL4是調(diào)節(jié)脂質(zhì)成分的關(guān)鍵酶,尤其是通過對磷脂酰乙醇胺(phosphatidyl ethanolamine,PE)進行調(diào)節(jié),ACSL4可促進脂質(zhì)過氧化,進而促進細胞鐵死亡發(fā)生,ACSL4催化包含花生四烯?；?arachidonic acyl,AA)和腎上腺素?；?adrenaline acyl,Ad A)的PE優(yōu)先氧化是鐵死亡出現(xiàn)的主要原因[7]。ACSL4對AA和AdA酯化為PE具有催化作用,此外,ACSL4 介導(dǎo)的12-和15-羥基二十碳四烯酸 (12,15-hydroxyeicosentetraenoic acid,12,15-HETE) 的產(chǎn)生對于鐵死亡至關(guān)重要。研究證明[8],ASCL4可以重塑細胞脂質(zhì)組成,干擾脂肪代謝,進而影響鐵死亡的敏感性。ACSL4不僅能調(diào)節(jié)鐵死亡敏感性,而且還可以促進鐵死亡的發(fā)生[9]。ACSL4下調(diào)可以減少鐵死亡的發(fā)生,從而保護腦和腸道缺血再灌注損傷[10-11]。有研究發(fā)現(xiàn)鐵死亡條件下ACSL4的表達上調(diào),使用Ferrostatin-1和羅格列酮進行干預(yù),ACSL4蛋白表達顯著下調(diào)[12]。

2 ACSL4介導(dǎo)鐵死亡與心血管疾病的關(guān)系

2.1動脈粥樣硬化 動脈粥樣硬化是與脂質(zhì)代謝障礙有關(guān)的疾病,其形成機理涉及脂質(zhì)浸潤、血小板聚集以及血栓形成、平滑肌細胞增殖和遷移以及內(nèi)皮損傷等因素。在鐵死亡過程中,脂質(zhì)氧化作為“中間事件”發(fā)生。脂質(zhì)是構(gòu)成細胞膜結(jié)構(gòu)和功能基礎(chǔ)的含烴生物分子。盡管脂質(zhì)的來源、類型和功能各不相同,但一般而言,多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid,PUFA)和單不飽和脂肪酸 (monounsaturated fatty acid,MUFA)由于對氧化的敏感性不同,在鐵死亡中起著完全相反的作用。在鐵死亡過程中,多不飽和脂肪酸,尤其是花生四烯酸(arachidonic acid,AAs),極易發(fā)生過氧化反應(yīng),最終導(dǎo)致脂質(zhì)雙層以及膜功能被破壞。將PUFA摻入細胞磷脂(尤其是PE)需要參與脂肪酸合成ACSL4和脂質(zhì)重塑[溶血磷脂酰膽堿?；D(zhuǎn)移酶3(Lysophosphatidylcholine acyltransferase 3,LPCAT3)]的特定酶的作用。ACSL4 酯化AA 生成AA-CoA,隨后被LPCAT3摻入磷脂膜中[13]。相反,由硬脂酰輔酶A去飽和酶[14]或由ACSL3激活[15]產(chǎn)生的MUFAs通過從PE中置換PUFAs來抑制鐵死亡,從而減少脂質(zhì)過氧化的可用底物。除了游離多不飽和脂肪酸,即在過氧化物酶體中合成的多不飽和醚磷脂(polyunsaturated ethers phospholipids,PUFA-ePL)[16]通過脂肪吞噬作用對脂滴的溶酶體降解[17]或谷氨酰胺衍生的回補通量為線粒體中的三羧酸循環(huán)提供α-酮戊二酸[18]也可能產(chǎn)生鐵死亡中脂質(zhì)過氧化的來源。由此可見,ACSL4是調(diào)整脂質(zhì)的關(guān)鍵酶,可以促進脂質(zhì)過氧化,脂質(zhì)過氧化物水平升高進而促進ROS蓄積,增強內(nèi)皮細胞的氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng),從而誘導(dǎo)內(nèi)皮細胞損傷。另一方面,動脈內(nèi)膜脂質(zhì)過氧化物累積誘發(fā)鐵死亡,進而刺激炎癥因子分泌,導(dǎo)致平滑肌細胞增殖及遷移,加速動脈粥樣硬化。ACSL4介導(dǎo)鐵死亡在AS中發(fā)揮著重要作用,以此作為切入點可能為AS的防治提供新靶點。

2.2心肌梗死 急性心肌梗死(acute myocardial infarction,AMI)是由冠狀動脈病變引起的臨床綜合征。動脈粥樣硬化斑塊破裂通常發(fā)生在動脈內(nèi)部。當(dāng)動脈發(fā)生急性閉塞時,血流受阻,心臟內(nèi)無法正常供血。缺血性心臟病通過冠狀動脈中的動脈粥樣硬化斑塊衍生的血栓并發(fā)癥發(fā)生,產(chǎn)生一系列生化和代謝變化,最終導(dǎo)致心肌細胞死亡。當(dāng)冠狀動脈完全閉塞時,這種細胞死亡會進一步加劇,從而產(chǎn)生AMI[19]。相應(yīng)的心肌嚴重缺血缺氧,導(dǎo)致心肌損傷和死亡[20]。ACSL4介導(dǎo)的鐵死亡不僅導(dǎo)致細胞死亡,而且常伴有氧化應(yīng)激及炎癥反應(yīng),因此與心肌梗死關(guān)系密切。KUWATA H等[21]研究發(fā)現(xiàn)ACSL4對維持20碳以上PUFA衍生的脂酰輔酶A的水平有關(guān)鍵調(diào)節(jié)作用。研究發(fā)現(xiàn)[22]與單一的西方飲食進行喂養(yǎng)的LDLR敲低小鼠相比較,補充n-3 PUFA的西方飲食對LDLR敲低小鼠的動脈粥樣硬化進展有著很明顯的延緩作用,進一步細胞實驗結(jié)果顯示,18-羥基二十碳五烯酸(18-hydroxyeicosapenta-enoic acid,18-HEPE)和17、18-環(huán)氧乙酸(17,18-epoxyeicosa-tetraenoic acid,17,18-EEQ)通過抑制NF-κB通路,可以逆轉(zhuǎn)內(nèi)皮細胞激活以及單核細胞黏附,在抗炎方面起著非常重要的作用。n-6/n-3 PUFA比值升高是血栓形成和炎癥反應(yīng)的重要標(biāo)志,可能會導(dǎo)致動脈粥樣硬化、肥胖和糖尿病等疾病的發(fā)生[23]。對心肌梗死模型小鼠的研究發(fā)現(xiàn)AMI后n-6和n-3 PUFA發(fā)生交替性改變[24]。與其他代謝物相比,花生四烯酸代謝產(chǎn)物PGJ2、PGI2、5-HETE、LTB4和PGF2α是應(yīng)對STEMI發(fā)生的主要靶向標(biāo)志物,這些代謝產(chǎn)物在心肌梗死發(fā)生炎癥過程中激活炎癥小體,繼而導(dǎo)致炎癥因子的釋放[25]。呂珩等[26]對AMI大鼠予不同比例的n-6和n-3多不飽和脂肪酸飼料喂養(yǎng)后發(fā)現(xiàn)n-6和n-3多不飽和脂肪酸能夠有效降低AMI大鼠心機梗死面積。BABA Y等[27]建立缺血再灌注損傷(ischemical/reperfusion,I/R)小鼠模型發(fā)現(xiàn),I/R損傷后30 min,鐵蛋白沿著心肌瘢痕區(qū)域積聚,這種鐵積聚導(dǎo)致心肌細胞死亡。同時,他們基于 FRG 和缺氧相關(guān)基因的表達,計算每個樣本的鐵死亡Z值和缺氧Z值作為臨床特征,發(fā)現(xiàn)AMI小鼠的鐵死亡Z評分明顯高于對照組。在此基礎(chǔ)上進行功能富集分析,發(fā)現(xiàn)鐵死亡在MI中的關(guān)鍵基因,說明鐵死亡在MI的發(fā)展中至關(guān)重要。這些結(jié)果為臨床醫(yī)生進一步防治心肌梗死提供更為豐富的思路及依據(jù)。

2.3心肌缺血再灌注損傷 在鐵死亡過程中,GPX4失活,?；鵆oA合成ACSL4被激活,加速心肌細胞死亡。據(jù)報道,缺血可導(dǎo)致心肌鐵富集,從而加重I/R造成的損傷[28]。LIU X J等[29]通過建立H9C2細胞H/R模型,檢測了鐵死亡標(biāo)志物(ACSL4 和 GPX4)的水平,發(fā)現(xiàn)ACSL4水平增加。TANG L J等[30]研究發(fā)現(xiàn)在心肌 I/R損傷的動物中檢測到ACSL4蛋白表達增加,在這項研究中,大鼠心肌I/R處理的心肌細胞ACSL4表達水平較正常組明顯升高,反映出ACSL4在心肌I/R損傷的發(fā)生發(fā)展中至關(guān)重要。ZHANG F Y等[31]通過建立大鼠心肌 I/R損傷模型和氧糖剝奪/再灌注(OGD/R)誘導(dǎo)的H9C2 細胞模型,給予HJ11煎劑進行干預(yù),結(jié)果發(fā)現(xiàn)在 I/R 損傷大鼠模型的心肌組織中,HJ11煎劑抑制鐵死亡促進ACSL4的表達,在OGD/R誘導(dǎo)的H9C2 細胞中發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果。有趣的是,ACSL4敲低減弱了OGD/R處理的H9C2細胞中的鐵積累、氧化應(yīng)激和鐵死亡。然而,ACSL4過表達抵消了HJ11煎劑對H9C2 細胞中OGD/R觸發(fā)的氧化應(yīng)激和鐵死亡的抑制作用。MEI S L等[32]用參麥注射液對大鼠心肌缺血再灌注(ischemia/reperfusion,I/R)損傷過程中鐵死亡的影響及其機制研究中發(fā)現(xiàn),與假手術(shù)組相比,I/R組心肌組織明顯受損,線粒體的超微結(jié)構(gòu)改變,ACSL4 的表達增加以及Nrf2/GPX4信號激活。然而,鐵死亡通常發(fā)生在心肌缺血再灌注的哪個階段,目前尚無確切說法。通常,由于傳統(tǒng)觀點認為缺血引起的組織損傷和功能喪失是缺氧的任意結(jié)果,因此缺血期會被忽視,因此I/R研究主要集中在再灌注期,但轉(zhuǎn)化價值有限[33]。鐵死亡的兩個公認的生物標(biāo)志物是GPX4和ACSL4。當(dāng)研究缺血性心臟的ACSL4和GPX4蛋白水平時,除了心臟組織中鐵或MDA含量沒有顯著變化外,在不同的缺血點期間沒有顯著變化。隨著再灌注時間的延長,ACSL4蛋白水平逐漸升高,伴隨著心肌組織中GPX4水平的降低,鐵濃度逐漸升高,同時心肌中MDA水平升高。因此,這項研究最終表明,鐵死亡發(fā)生在經(jīng)歷 I/R 過程的大鼠心臟的再灌注階段,而不是發(fā)生在缺血階段[34]。這些結(jié)果不僅出現(xiàn)在心臟中,還出現(xiàn)在腸道和其他器官中。先前的一項研究[33]提示鐵死亡發(fā)生在再灌注早期。ACSL4的表達在缺血腸中被誘導(dǎo),GPX4水平在缺血45 min后降低。這些結(jié)果可能使腸道對鐵死亡再灌注敏感,因為該第二階段很可能在缺血45 min后導(dǎo)致鐵死亡。再灌注15 min后,線粒體外膜發(fā)生破裂,30 min后線粒體嵴消失更明顯。此外,再灌注30 min時GPX4的表達降低,而環(huán)氧合酶2以及12-HETE和15-HET的表達增加,兩者均來源于花生四烯酸。結(jié)果表明,鐵死亡在再灌注后30 min更加活躍,而不是在該階段的其他時刻[33]。因此,這些先前的研究最終表明鐵死亡發(fā)生在I/R模型的再灌注階段而不是在缺血階段,在開發(fā)抑制鐵死亡以減少心臟I/R的心臟保護療法時要考慮這一點非常重要[34]。

2.4心力衰竭 心力衰竭(heart failure,HF)是一種日益普遍的全球流行病,是一種臨床綜合征。心衰是一種復(fù)雜的疾病,涉及多種細胞死亡方式,如細胞調(diào)亡、自噬和壞死等[35],鐵死亡途徑是其中的一種,具有調(diào)節(jié)心衰的病理生理功能并參與其中過程。研究表明[36],抑制自噬和鐵死亡可以減少心衰過程中的心肌細胞死亡,Toll樣受體4(TLR4)和NADPH氧化酶4是上調(diào)的差異表達基因,也是炎癥基因,通過敲低TLR4或NOX4來抑制心肌細胞的自噬和鐵死亡可以緩解心衰的癥狀。葛根素已在臨床上用于改善心力衰竭,但具體機制尚不清楚。研究發(fā)現(xiàn)[37]葛根素可以阻斷心肌細胞鐵死亡并恢復(fù)細胞活力,同時可以下調(diào)NOX4的表達并上調(diào)GPX4,減少鐵死亡,改善心衰。BABA Y等[27]通過制備小鼠I/R模型用于評估鐵積累水平,發(fā)現(xiàn)鐵積累后可以誘導(dǎo)心肌細胞死亡的發(fā)生同時加重心肌纖維化進程,進而加重心衰的發(fā)生。LI W J等[38]造模前用鐵死亡抑制劑Fer-1對大鼠進行腹腔注射,發(fā)現(xiàn)大鼠心肌損傷程度明顯,而且檢測外周血中ROS和ACSL4水平發(fā)現(xiàn)它們的表達均降低。然而,沒有用Fer-1組大鼠心肌損傷后,心肌組織中ACSL4蛋白的表達水平卻升高。PEI Z H等[39]通過建立 FUNDC1基因缺陷高脂飲食小鼠并予鐵死亡抑制劑干預(yù),研究發(fā)現(xiàn)FUNDC1 缺陷可能會導(dǎo)致高脂肪飲食小鼠心臟發(fā)生重構(gòu)及心力衰竭,機制可能是通過ACSL4介導(dǎo)鐵死亡進行調(diào)控,進一步說明ACSL4在心力衰竭中的關(guān)鍵地位。由此可見,鐵死亡可能通過上調(diào)ACSL4水平后激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激途徑并產(chǎn)生大量ROS,繼而加重心肌纖維化的進程,最終導(dǎo)致心衰的發(fā)生。

3 小結(jié)與展望

ACSL4在鐵死亡中的關(guān)鍵作用使其在很多疾病成為人們研究重點,其關(guān)鍵的作用在于調(diào)節(jié)脂質(zhì)成分,從而影響脂質(zhì)代謝、血管硬化進程、心肌梗死、心肌缺血再灌注損傷及心力衰竭等疾病的發(fā)生發(fā)展。目前鐵死亡與心血管疾病關(guān)系著研究脂質(zhì)調(diào)節(jié)問題,而ACSL4介導(dǎo)鐵死亡途徑研究主要在腫瘤方面,在心血管疾病中的研究甚少,這可能是未來心血管領(lǐng)域研究方向之一。因此,干擾鐵死亡通路關(guān)鍵分子ACSL4可能成為心血管疾病防治的新靶點。