鐵死亡抑制蛋白1在鐵死亡相關(guān)疾病中的研究進展

沈惟鈺, 吳艷, 卞濤

隨著人們對細胞死亡的不斷探究, 細胞死亡也被細分為了凋亡、鐵死亡、焦亡、溶酶體依賴性死亡, 自噬依賴性死亡等多種死亡方式[1］。其中鐵死亡是近年來發(fā)現(xiàn)的一種新的、非凋亡性的細胞死亡, 以細胞中鐵和活性氧的積蓄, 脂質(zhì)過氧化和抗脂質(zhì)過氧化的失衡為特征[2］。這種細胞死亡方式表現(xiàn)為當(dāng)細胞內(nèi)游離鐵增多時, 一方面會通過芬頓反應(yīng)產(chǎn)生更多的活性氧, 將細胞膜上的多聚不飽和脂肪酸氧化成脂質(zhì)過氧化物；另一方面可將脂質(zhì)過氧化物進一步催化為有毒的脂質(zhì)自由基, 導(dǎo)致細胞死亡[3］。Xc-/谷胱甘肽（glutathion, GSH）/谷胱甘肽過氧化物酶4（glutathione peroxidase 4, GPX4）作為經(jīng)典的抗氧化途徑在鐵死亡的過程中發(fā)揮了重要的抑制作用。在GPX4的催化下, GSH可以將脂質(zhì)過氧化物還原為脂肪醇, 從而中斷鐵死亡；而細胞內(nèi)GSH的生成依賴于胱氨酸/谷氨酸逆向轉(zhuǎn)運蛋白System Xc-對胱氨酸的轉(zhuǎn)運[4］。因此, 這三者共同構(gòu)成了鐵死亡的經(jīng)典抑制途徑Xc-/GSH/GPX4。此外, 最新的研究顯示FSP1不僅參與細胞凋亡[5-6］, 其在鐵死亡中也具有重要的抑制作用, 且獨立于上述的經(jīng)典鐵死亡抑制途徑[7］。本研究將從FSP1調(diào)控鐵死亡的機制入手, 對其與鐵死亡相關(guān)疾病, 尤其是與腫瘤的關(guān)系進行綜述與展望。

1 FSP1的基因表達和蛋白結(jié)構(gòu)

FSP1是一種高度保守的黃素蛋白, 起初被認為是p53的應(yīng)答基因[8］, 因為其與凋亡誘導(dǎo)因子（apoptosis-inducing factor, AIF）——一種人胱天蛋白酶（caspase）-非依賴性促凋亡蛋白有一定的結(jié)構(gòu)相似性, 也被稱為線粒體相關(guān)凋亡誘導(dǎo)因子（apoptosis inducing factor mitochondria-associated, AIFM2）[9］。由于最近發(fā)現(xiàn)FSP1具有抑制細胞鐵死亡的作用, 為避免混淆將其重新命名為FSP1[7］。FSP1基因定位于人染色體10q22.1, 編碼包含373個氨基酸、分子量約為40.5 kDa的蛋白質(zhì)[8］, FSP1的結(jié)構(gòu)主要包括：一個還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）氧化還原酶結(jié)構(gòu)域, 具有NAD（P）H氧化酶活性, 催化NAD（P）H依賴的細胞色素c和其他電子受體（包括分子氧）的還原；一個DNA結(jié)合域, 可以和DNA非特異性結(jié)合, 產(chǎn)生蛋白質(zhì)構(gòu)象改變, 這可能會降低FSP1的氧化還原酶活性以及導(dǎo)致細胞的凋亡；另一個是黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）結(jié)構(gòu)域, 可與輔因子FAD結(jié)合。FSP1主要位于細胞質(zhì)中, 可通過其N端與細胞膜內(nèi)的磷脂共價結(jié)合；與AIF不同的是, FSP1缺乏線粒體定位序列（mitochondrial localization sequence, MLS）, 與線粒體外膜之間存在一定的親和力, 黏附在線粒體外膜上并形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)[10］。

2 FSP1與鐵死亡

2.1 FSP1鐵死亡抑制功能的發(fā)現(xiàn)?；o酶A合成酶長鏈家族成員（4acyl-CoA synthetase long chain family member 4, ACSL4）是鐵死亡的前基因, 其表達水平?jīng)Q定細胞對鐵死亡的敏感性；GPX4被認為是抑制鐵死亡的重要調(diào)節(jié)因子[11］。然而, 在某些癌細胞系中, 無論ASCL4的表達水平如何, 抑制GPX4不能引發(fā)鐵死亡, 這表明對于某些細胞來說, 存在一些平行的保護途徑來對抗鐵死亡。因此, Doll等[7］構(gòu)建了耐鐵死亡細胞系的互補DNA（cDNA）文庫, 并對14個GPX4基因敲除的存活細胞克隆進行了Sanger測序分析, 發(fā)現(xiàn)FSP1在缺乏GPX4的細胞中能對抗鐵死亡。

2.2 FSP1抑制鐵死亡的作用機制FSP1抑制鐵死亡的功能與它具有NADH：泛醌（CoQ）10的氧化還原酶活性密切相關(guān), 它通過N-肉豆蔻?；邢蛸|(zhì)膜, 在質(zhì)膜上FSP1氧化NAD（P）H, 并將CoQ10還原為二氫泛醌（CoQH2）[7, 12］, 而CoQH2則是一種親脂性自由基捕獲抗氧化劑, 具有很強的抗氧化作用, 可以減少細胞內(nèi)活性氧和脂質(zhì)自由基[13］, 從而對抗鐵死亡。進一步的研究發(fā)現(xiàn)FSP1抑制鐵死亡的功能與細胞GSH水平、GPX4活性、ACSL4的表達和可氧化脂肪酸含量無關(guān), FSP1/NADH/CoQ10途徑獨立于Xc-/GSH/GPX4途徑發(fā)揮抑制鐵死亡的作用[7］；而在GPX4表達水平正常的情況下, FSP1的缺失也會導(dǎo)致磷脂過氧化的增加[12］, 提示 FSP1/NADH/CoQ10途徑與Xc-/GSH/GPX4途徑還存在協(xié)同作用。此外, FSP1也可能通過ESCRT-Ⅲ依賴的膜修復(fù)機制來抑制鐵死亡, 但具體的調(diào)節(jié)機制仍不明確[14］。

2.3 FSP1鐵死亡抑制作用的調(diào)節(jié)FSP1是通過N-肉豆蔻?；c質(zhì)膜中的磷脂共價結(jié)合的, 因此N-肉豆蔻酰基轉(zhuǎn)移酶抑制劑或者蛋白發(fā)生Gly-Ala（G2A）突變（甘氨酸是唯一可以作為肉豆蔻?；D(zhuǎn)移酶底物的殘基）, 可使FSP1無法富集到細胞膜上, 喪失抑制鐵死亡的功能[15］。iFSP1是一種由Doll等[7］篩選出來的FSP1抑制劑, 可以選擇性地抑制FSP1抗鐵死亡的功能, 誘導(dǎo)過表達FSP1的GPX4 敲除細胞發(fā)生鐵死亡, 但iFSP1抑制FSP1抗鐵死亡功能的具體作用機制仍不明確。由于CoQ10是FSP1的主要底物, 抑制CoQ10的生成可以顯著降低FSP1阻止脂質(zhì)過氧化的功能, 例如鐵死亡誘導(dǎo)劑FIN56[16］和他汀類藥物[17］可以通過抑制3-羥基-3-甲基戊二酸單酰CoA還原酶, 從而抑制生成CoQ10的甲羥戊酸途徑（MVA pathway）, 進而降低體內(nèi)CoQ10含量, 抑制FSP1/NADH/CoQ10途徑, 增加細胞對于鐵死亡的敏感性。值得注意的是, 4-羥基-2-壬烯醛是鐵死亡的產(chǎn)物之一, 有研究顯示它可以直接結(jié)合于FSP1的氧化還原酶域, 抑制FSP1作為氧化還原酶的活性[15］。FSP1氧化還原酶活性的降低會進一步加劇鐵死亡, 形成一個正反饋循環(huán), 引發(fā)細胞的大量死亡, 這可能是機體對于癌細胞的自我防御措施之一, 需要進一步的研究。

3 FSP1與鐵死亡相關(guān)疾病的關(guān)系

3.1 FSP1與腫瘤的關(guān)系細胞內(nèi)活性氧多來自于自身的線粒體的氧化代謝過程, 腫瘤組織由于其比一般正常組織具有更強的代謝功能以及線粒體活性, 容易比正常組織產(chǎn)生更多的活性氧[18］。這使得腫瘤細胞嚴(yán)重依賴抗氧化機制, 甚至相對于正常細胞更容易受到氧化應(yīng)激和鐵死亡的影響[19］。因此, 高度增殖的腫瘤細胞需要夠降低細胞活性氧水平, 調(diào)控鐵死亡, 在腫瘤的增殖和發(fā)育中發(fā)揮重要作用。

3.1.1 FSP1與肺癌 FSP1可以用于預(yù)肺癌患者的預(yù)后及指導(dǎo)用藥。Bersuker等[12］發(fā)現(xiàn) FSP1的表達與肺癌細胞對多種GPX4抑制劑（RSL3、ML210和ML162）的耐藥性呈正相關(guān), 敏感性甚至高于system xc-和SLC7A119。此外, 敲除FSP1的肺癌細胞對鐵死亡誘導(dǎo)劑顯示出更高的敏感性, 例如在高耐藥的H460細胞系中敲除FSP1可以提高100倍對RSL3的敏感性[12］。并且在非小細胞肺癌中, FSP1的過表達可以抑制順鉑誘發(fā)的鐵死亡, 增強非小細胞肺癌的耐藥性[20］。因此, FSP1可以作為肺癌中鐵死亡抵抗的生物標(biāo)志物并可用于預(yù)測癌癥中誘導(dǎo)鐵死亡藥物的療效。

3.1.2 FSP1與葡萄膜黑色素瘤 有學(xué)者將7 025個葡萄膜黑色素瘤潛在的預(yù)后基因與103個鐵死亡相關(guān)基因相交, 得到了一個包含22個基因的交集, 隨后將此22個基因放入套索COX回歸模型中篩選出了7個可以用于預(yù)測葡萄膜黑色素瘤預(yù)后的鐵死亡相關(guān)基因[21］。其中, FSP1在高風(fēng)險組中過表達, 可以考慮作為葡萄膜黑色素瘤患者經(jīng)治療預(yù)后不佳的標(biāo)志物。

3.1.3 FSP1與消化系統(tǒng)腫瘤 FSP1還可以通過上調(diào)ESCRT-Ⅲ抑制胰腺癌及肝癌細胞中的鐵死亡, 增加肝癌細胞對索拉菲尼的耐藥性。用shRNAs敲除人胰腺癌細胞和人肝癌細胞中的FSP1基因, 會增強這兩種細胞對Erastin、索拉非尼和RSL3等鐵死亡誘導(dǎo)劑的敏感性, 重要的是這種變化可以在加入鐵死亡抑制劑Liproxstatin-1后緩解, 但不能被CoQ拯救[14］, 提示在這兩種消化系統(tǒng)腫瘤中存在著FSP1參與的不同于FSP1/NADH/CoQ10途徑的鐵死亡調(diào)控途徑。進一步的研究發(fā)現(xiàn)FSP1可以在質(zhì)膜上募集ESCRT-Ⅲ, 通過促進細胞膜修復(fù)來抑制鐵死亡[14］。

3.1.4 FSP1與腫瘤微環(huán)境 CD8+T細胞是腫瘤微環(huán)境中一種重要的腫瘤拮抗免疫細胞[22］。過表達FSP1的CD8+T細胞中脂質(zhì)過氧化水平明顯降低, 但細胞發(fā)生鐵死亡的比率并未明顯下降, CD8+T細胞的抗腫瘤功能也未提高；然而該研究未進行FSP1抑制或者敲除情況下, CD8+T細胞鐵死亡比率及抗腫瘤功能變化的探索[23］。因此, 目前并不清楚在抑制FSP1治療腫瘤的同時, 是否會損傷自身的免疫系統(tǒng), 這對FSP1靶向藥物的研發(fā)提出了更高的要求。

3.2 FSP1與神經(jīng)退行性疾病帕金森病是一種中老年人常見的神經(jīng)退行性疾病, 細胞鐵死亡的過程與其生理病理特征高度吻合[24］。此外, 在帕金森病小鼠模型中, GPX4及FSP1表達明顯降低。使用去鐵鐵蛋白預(yù)處理后, GPX4表達仍然降低, 但FSP1表達回升, 并可顯著改善小鼠的運動障礙[25］。這些結(jié)果表明FSP1可以單獨作為帕金森病的治療靶點。

3.3 其他在急性腎損傷的小鼠模型中, FSP1的缺失被證明是導(dǎo)致腎小管上皮細胞鐵死亡的重要因素之一, 但補充FSP1是否對急性腎損傷具有治療作用還有待研究[26］?；钚匝踅閷?dǎo)的細胞死亡是類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎病情進展的關(guān)鍵, FSP1的降低會激活腫瘤壞死因子-α（TNF-α）/ROS反饋回路, 進而誘發(fā)類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎[27］。

4 總結(jié)和展望

綜上所述, FSP1作為鐵死亡的抑制蛋白, 介導(dǎo)了平行于Xc-/GSH/GPX4途徑的FSP1/NADH/CoQ10鐵死亡抑制途徑。FSP1既可以作為部分腫瘤鐵死亡抵抗及預(yù)后的生物標(biāo)志物, 也為抗腫瘤藥物的研發(fā)提供了新的思路與方向, 尤其是針對MVA途徑的藥物, 可以同時降低FSP1的底物CoQ10與另一重要的鐵死亡抑制蛋白GPX4的產(chǎn)生, 更充分地誘導(dǎo)腫瘤細胞發(fā)生鐵死亡, 達到事半功倍的效果。然而, 目前對于FSP1介導(dǎo)的鐵死亡抵抗的最新研究主要集中在腫瘤領(lǐng)域, 在其他鐵死亡相關(guān)疾病如慢性阻塞性肺疾病、缺血再灌注、炎癥性疾病等臨床疾病中, 人們對于FSP1作用的研究甚少。因此, 利用先進的科學(xué)技術(shù)手段, 進一步詳細地研究FSP1的鐵死亡抑制作用, 有助于人們更客觀全面地認知包括但不限于腫瘤在內(nèi)的鐵死亡相關(guān)疾病的發(fā)生與進展, 制訂更完備的鐵死亡相關(guān)疾病的預(yù)防與診療方案。