基于鐵死亡理論的骨質(zhì)疏松癥發(fā)病機(jī)制的探討*

畢煦昆 趙建棟 郭成龍

1 甘肅中醫(yī)藥大學(xué),甘肅省蘭州市 730000; 2 甘肅中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院

細(xì)胞死亡曾經(jīng)被分為兩個(gè)類別:調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡和意外細(xì)胞死亡,在正常的生存條件下,調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡也被稱為程序性細(xì)胞死亡(Programmed cell death,PCD),它包括凋亡、壞死、自噬等途徑,并涵蓋多種信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)[1]。近些年來(lái)人們發(fā)現(xiàn)了一種新型的調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡方式,并命名為鐵死亡(Ferroptosis) ,它是一種由鐵離子介導(dǎo)的引起鐵依賴性活性氧類(Reactive oxygen species,ROS)的累積,損耗細(xì)胞膜聯(lián)蛋白,引起細(xì)胞死亡的過(guò)程。而細(xì)胞鐵死亡的過(guò)程中往往伴隨鐵超載伴隨ROS 的大量堆積,導(dǎo)致骨量的大量流失,骨的微觀形態(tài)的改變。骨質(zhì)疏松癥(Osteoporosis,OP)是一種與骨代謝平衡失衡密切相關(guān)的代謝性骨科疾患,其主要特征表現(xiàn)在骨量的下降、骨穩(wěn)態(tài)的失衡、骨結(jié)構(gòu)疏松、脆性增加等,其病因包括性別、年齡、遺傳、營(yíng)養(yǎng)狀況、細(xì)胞因子及激素水平異常等[2]。 本文初步通過(guò)鐵死亡理論探討骨質(zhì)疏松的發(fā)病機(jī)制,旨在為未來(lái)骨質(zhì)疏松癥的藥物研發(fā)及診治提供一定的思路和方法。

1 鐵死亡理論摘要

1.1 鐵死亡概念 鐵死亡是一種鐵依賴性的細(xì)胞程序性死亡方式,該方式區(qū)別于細(xì)胞壞死、細(xì)胞凋亡、細(xì)胞自噬[3]。在闡明鐵死亡的具體機(jī)制和相關(guān)信號(hào)通路之前,曾有部分研究者已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了該細(xì)胞死亡方式,但未予以重視,或?qū)⑵錃w結(jié)于其他細(xì)胞凋亡方式。2003年,Dolma等[4]在研究殺死腫瘤細(xì)胞的藥物過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了可以殺死RAS致癌蛋白及 small T 轉(zhuǎn)染的細(xì)胞的小分子化合物,并命名為伊拉斯汀(erastin),而erastin在整個(gè)細(xì)胞的凋亡過(guò)程中并未激活和裂解半胱氨酸蛋白酶(Caspase),也沒有導(dǎo)致細(xì)胞核及染色質(zhì)的改變,所以進(jìn)一步推測(cè)可能是一種新型的細(xì)胞凋亡方式。后續(xù)有許多研究者包括Yang等[5]均在類似實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)這一小分子化合物erastin,這一化合物可以通過(guò)抑制胱氨酸/谷氨酸逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白系統(tǒng)(Cystine/glutamate antiporter,system Xc-)來(lái)誘導(dǎo)某種鐵依賴型的細(xì)胞死亡,具體的機(jī)制是該系統(tǒng)能減少胱氨酸依賴的還原型谷胱甘肽(GSH)的合成,破壞細(xì)胞氧化還原穩(wěn)態(tài),引起大量過(guò)氧化物的累積,從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡,并證明了 erastin 抑制會(huì)胱氨酸的吸收。2012年, Dixon等[6]證明,基于致癌蛋白ras選擇性致死小分子erastin介導(dǎo)所引發(fā)了一種非細(xì)胞壞死凋亡,這種凋亡機(jī)制十分獨(dú)特并且依賴于細(xì)胞內(nèi)的鐵,而非其他化合物,在生物化學(xué)和遺傳學(xué)上與細(xì)胞凋亡、壞死和自噬不同,并在對(duì)腫瘤細(xì)胞凋亡的研究中發(fā)現(xiàn)了鐵死亡抑制劑 (Ferrostatin-1),并將該機(jī)制命名為鐵死亡。

1.2 鐵死亡的基本特征 鐵死亡的生物學(xué)特征是通過(guò)影響胱氨酸吸收、減少谷胱甘肽合成、產(chǎn)生花生四烯酸等其他分子來(lái)抑制胱氨酸谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)受體(System XC-系統(tǒng))和谷胱甘肽過(guò)氧化物酶4(Glutathione peroxidase 4,GPX4)的活性從而導(dǎo)致脂質(zhì)過(guò)氧化物的大量蓄積,誘導(dǎo)細(xì)胞死亡[7]。鐵死亡的形態(tài)學(xué)特征:細(xì)胞鐵死亡主要表現(xiàn)為細(xì)胞變小、變圓、細(xì)胞間分離;細(xì)胞膜的皺縮、細(xì)胞脂膜的起泡;線粒體皺縮、線粒體嵴的消退、線粒體外膜破裂及線粒體膜密度增高等[8]。鐵死亡的分子生物學(xué)特征:鐵死亡是一種普遍的、動(dòng)態(tài)的細(xì)胞死亡形式,Gpx4有望產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的細(xì)胞保護(hù)作用。GPX4酶在脂質(zhì)過(guò)氧化中起到了十分重要的作用,主要體現(xiàn)在它可以使過(guò)氧化物的過(guò)氧化鍵還原為氫鍵,使過(guò)氧化物的活性喪失。GPX4酶的活性主要體現(xiàn)靶點(diǎn)有:System Xc-體系(負(fù)責(zé)將GSH的合成原料半胱氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)至胞內(nèi)的體系)、谷氨酸—半胱氨酸連接酶、谷胱甘肽s-轉(zhuǎn)移酶、ND脫氫酶、(半胱氨酸)消耗等[9]。

1.3 鐵死亡機(jī)制

1.3.1 GSH消耗導(dǎo)致的GPX4失活:GPX4可以保護(hù)細(xì)胞膜免受脂質(zhì)過(guò)氧化物的破壞。在 Ras 選擇性致死化合物3(Ras-selective lethal compound 3,RSL3)誘導(dǎo)細(xì)胞鐵死亡的過(guò)程中,RSL3與谷胱甘肽(Glutathione,GSH)依賴性酶—谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(Glutathione per-oxidase,GPX)4的靶點(diǎn)相互結(jié)合,激活GPX4并催化 GSH 依賴的高反應(yīng)性脂質(zhì)氫過(guò)氧化物還原為非反應(yīng)性脂質(zhì)醇,削弱脂質(zhì)過(guò)氧化的能力,保護(hù)細(xì)胞免受膜脂質(zhì)過(guò)氧化作用[10]。那么由于各種理化原因?qū)е碌腉SH消耗就會(huì)引起GPX4的失活,從而誘導(dǎo)鐵死亡。

1.3.2 鐵離子的攝入與還原:Ferroptosis 是鐵離子誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡,向細(xì)胞中輸入大量的Fe2+,并且保證鐵離子不被氧化,通過(guò)芬頓(Fenton)反應(yīng)Fe2+可啟動(dòng)脂質(zhì)體過(guò)氧化,有研究發(fā)現(xiàn)鐵螯合劑DFO、CPX 等會(huì)減少鐵死亡形式的發(fā)生率[11]。有關(guān)鐵螯合劑的研究發(fā)現(xiàn),其主要作用機(jī)制可能與含鐵的酶活性有關(guān),因?yàn)樵S多酶以鐵離子為分子基礎(chǔ),如果細(xì)胞攝入的鐵離子不能盡快與相關(guān)配體或者受體相結(jié)合,就會(huì)介導(dǎo)fenton反應(yīng)生成有代謝毒性的ROS大分子化合物,攻擊細(xì)胞膜,從而使得細(xì)胞破裂死亡。然而,Fe2+不僅會(huì)通過(guò)氧化還原反應(yīng)引起細(xì)胞鐵死亡,它還會(huì)引起其他類型的細(xì)胞死亡,如細(xì)胞凋亡、壞死、自噬等[12]。

2 鐵死亡相關(guān)信號(hào)通路

2.1 谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(GSH-Px)4 信號(hào)通路 在Che-Lin Hu等[13]的研究中發(fā)現(xiàn):GSH和GPx4一起有效地減少了有毒的氫過(guò)氧化物的含量,而過(guò)氧化物(ROS)的大量堆積正是引起鐵死亡的原因?？鼓[瘤藥物 erastin 誘導(dǎo)細(xì)胞鐵死亡與 GSH-Px4 也存在一定關(guān)系,研究表明 erastin的主要作用機(jī)制在于抑制 SystemXc-,阻礙機(jī)體 GSH 的合成,間接影響GSH-Px4的活性,導(dǎo)致細(xì)胞鐵死亡。谷胱甘肽過(guò)氧化物酶通路進(jìn)一步受到SystemXc-的調(diào)控,它是由SLC7A11和SLC3A2的異二聚體組成的氨基酸反轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,對(duì)GSH合成至關(guān)重要。可以直接使用抑制SystemXc-功能的化合物伊拉斯汀(erastin),誘導(dǎo)鐵死亡。

2.2 p53/SAT1/ALOX15信號(hào)通路 已知調(diào)控 p53 基因可誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞的ferroptosis進(jìn)程,通過(guò)抑制p53基因可以使GSH和GPx4發(fā)揮生物學(xué)活性,抑制ROS的累積,從而保護(hù)細(xì)胞生存。p53調(diào)節(jié)多種細(xì)胞功能,如代謝調(diào)節(jié)、活性氧(ROS)應(yīng)激反應(yīng)和鐵鉤反應(yīng),這些新出現(xiàn)的功能現(xiàn)在被認(rèn)為在p53介導(dǎo)的腫瘤抑制中發(fā)揮關(guān)鍵作用。在Jiang L等[14]的研究當(dāng)中發(fā)現(xiàn)SAT1是p53代謝靶基因,可以被內(nèi)源性和外源性p53誘導(dǎo);SAT1參與調(diào)節(jié)p53介導(dǎo)的ROS反應(yīng)和鐵死亡,關(guān)于鐵細(xì)胞凋亡是如何被調(diào)控的,p53的其他靶點(diǎn)在ROS誘導(dǎo)的鐵細(xì)胞凋亡中起著什么樣的作用,目前還不得而知。因此對(duì)于p53基因及其相關(guān)信號(hào)通路的研究有助于進(jìn)一步闡明有關(guān)鐵死亡的機(jī)制,有望為臨床診治骨質(zhì)疏松癥提供新的思路和方法。

3 骨質(zhì)疏松癥與骨穩(wěn)態(tài)

骨骼的生長(zhǎng)發(fā)育與新陳代謝維持在一個(gè)動(dòng)態(tài)的水平中,與機(jī)械刺激以及激素波動(dòng)密切相關(guān)。在生物體內(nèi)骨組織通過(guò)骨髓間質(zhì)細(xì)胞、骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞之間的協(xié)同作用,共同發(fā)揮調(diào)節(jié)骨穩(wěn)態(tài)的作用;骨重塑在微骨折的修復(fù)、骨的生物力學(xué)的穩(wěn)定性以及抵抗機(jī)械損傷和維持骨量方面都有極其重要的意義[15]。人類骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(Human bone marrow mesenchymal stem cells, hBMSCs)是具有多向分化潛能的組織干細(xì)胞,可分化為骨、脂肪、心肌等細(xì)胞,并在多種疾病的治療中發(fā)揮作用[16]。各種理化因素的作用或者暴力的刺激,使得骨髓間質(zhì)細(xì)胞向成骨細(xì)胞的轉(zhuǎn)化減少,骨細(xì)胞數(shù)量下降,骨質(zhì)變得疏松,骨穩(wěn)態(tài)受到破壞,從而引起骨質(zhì)疏松。近些年以來(lái)骨質(zhì)疏松的患病率大幅增加,成為人類面臨的一大疾病[17]。

4 鐵死亡與骨質(zhì)疏松

骨質(zhì)疏松癥(OP)是由于多種原因?qū)е碌囊怨敲芏燃肮菑?qiáng)度的下降、骨微觀結(jié)構(gòu)的破壞、脆性增加,容易引起骨折及并發(fā)疼痛為特征的全身骨骼系統(tǒng)疾病[18],目前有一些研究證明,細(xì)胞內(nèi)的大量Fe2+的蓄積會(huì)導(dǎo)致芬頓反應(yīng)的發(fā)生,介導(dǎo)ROS的大量蓄積,使得鐵依賴的細(xì)胞膜發(fā)生過(guò)氧化反應(yīng)而破裂導(dǎo)致細(xì)胞死亡[19]。骨質(zhì)疏松的機(jī)制關(guān)鍵在于骨穩(wěn)態(tài)的失衡,OP的發(fā)病原因還與機(jī)體代謝異常、基因多態(tài)性、微循環(huán)障礙等因素密切相關(guān)。而鐵死亡的特點(diǎn)是細(xì)胞死亡需要(脂質(zhì)過(guò)氧化物)ROS積累,鐵過(guò)載以及MEK活性是脂質(zhì)過(guò)氧化物生成的條件。

4.1 ROS的累積 在骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病過(guò)程中,涉及了成骨細(xì)胞及破骨細(xì)胞的鐵死亡進(jìn)程,其中包含大量脂質(zhì)過(guò)氧化物(ROS)累積。ROS主要來(lái)源于線粒體,是正常細(xì)胞內(nèi)線粒體通過(guò)電子轉(zhuǎn)移的方式代謝產(chǎn)生的副產(chǎn)物,主要包括羥基、過(guò)氧化氫等。正常情況下,機(jī)體可以通過(guò)抗氧化酶(如 GSH、GPX)清除ROS以維持體內(nèi)過(guò)氧化物的平衡,但同時(shí)Fe2+也會(huì)促使大量的ROS形成,即Fe2+通過(guò)芬頓(Fenton)反應(yīng)誘導(dǎo)ROS 形成[20]。形成的過(guò)量ROS 會(huì)破壞細(xì)胞膜穩(wěn)定性,使細(xì)胞膜破裂導(dǎo)致細(xì)胞死亡。

4.2 鐵超載 鐵離子是體內(nèi)最常見的微量元素之一,對(duì)維持人體正常生理活動(dòng)有著重要的意義,機(jī)體內(nèi)存在著鐵穩(wěn)態(tài),即鐵離子不斷被吸收、利用、儲(chǔ)存、循環(huán),并處于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài),這對(duì)于維持細(xì)胞的正常新陳代謝至關(guān)重要。鐵在人體內(nèi)發(fā)揮極其重要的生物學(xué)功能,是生物體必需的元素,它參與了DNA及RNA的修復(fù)、維持細(xì)胞生長(zhǎng)和增殖、細(xì)胞分化、細(xì)胞休眠與恢復(fù)等生命代謝活動(dòng),但是鐵超載也會(huì)危害人體的細(xì)胞和組織。有研究表明,鐵超載可以刺激成骨細(xì)胞的自噬與凋亡,其具體機(jī)制可能與二價(jià)金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)體1有關(guān)[21]。在有關(guān)鐵超載抑制成骨細(xì)胞增殖的研究中發(fā)現(xiàn),高鐵刺激可以通過(guò)激活成骨細(xì)胞ASK1-p38信號(hào)通抑制成骨細(xì)胞的功能,誘導(dǎo)其鐵死亡,該機(jī)制可能與ASK1抑制硫氧還蛋白的構(gòu)象轉(zhuǎn)變有關(guān)[22-23]。因此,適量鐵的攝取可以促進(jìn)細(xì)胞的增殖,但鐵超載會(huì)抑制細(xì)胞的生長(zhǎng)發(fā)育和分裂,甚至誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。

4.3 酶促脂質(zhì)過(guò)氧化 鐵死亡發(fā)生的另一條主要途徑是酶促脂質(zhì)過(guò)氧化,在這一過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用的是脂氧合酶,它能誘導(dǎo)多不飽和脂肪酸脫氫生成磷脂氫過(guò)氧化物;而在 Fe2+的催化作用下,磷脂氫過(guò)氧化物會(huì)分解成烷氧基自由基 (RO-),從而攻擊其他多聚不飽和脂肪酸引發(fā)脂質(zhì)過(guò)氧化的連鎖效應(yīng)。另一方面,磷脂氫過(guò)氧化物在相關(guān)酶的催化下會(huì)分解成4-羥基壬烯醛和丙二醛,這幾種小分子化合物會(huì)通過(guò)交聯(lián)反應(yīng)破壞膜蛋白的穩(wěn)定性,增加細(xì)胞膜的通透性,誘導(dǎo)細(xì)胞鐵死亡[24]。在Sokoya T等[25]人的研究中,發(fā)現(xiàn)一種鞘磷脂合酶SMS2通過(guò)破壞跨雙層鞘磷脂不對(duì)稱性,導(dǎo)致成骨細(xì)胞無(wú)法維持非隨機(jī)脂質(zhì)分布的能力,引發(fā)了細(xì)胞鐵死亡。可見,在引發(fā)骨細(xì)胞鐵凋亡的進(jìn)程中,相關(guān)脂代謝的酶也起著十分重要的作用

5 問(wèn)題與展望

鐵死亡是近年來(lái)才發(fā)現(xiàn)的一種新型細(xì)胞死亡方式,目前針對(duì)鐵死亡的機(jī)制尚未完全闡明,有關(guān)ROS累積導(dǎo)致膜蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)抑制的相關(guān)信號(hào)通路還未研究明確,鐵超載對(duì)于細(xì)胞的毒性以及相關(guān)酶活性的分子機(jī)制仍有待進(jìn)一步研究?；阼F死亡理論探討骨質(zhì)疏松的發(fā)病機(jī)制主要集中于ROS的累積、鐵離子的超載及酶促脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng),但具體不同細(xì)胞之間的鐵代謝和信號(hào)通路之間是否存在差異仍不明確。對(duì)于相關(guān)鐵死亡的基因研究,明確了部分的凋亡機(jī)制,隨著科技的發(fā)展以及相關(guān)理論的不斷完善,對(duì)于鐵死亡機(jī)制以及相關(guān)基因靶點(diǎn)的發(fā)掘,會(huì)對(duì)未來(lái)骨質(zhì)疏松癥的診治和抗骨質(zhì)疏松癥藥物的研發(fā)有著更為深入的指導(dǎo)意義。