铁死亡发生机制的研究进展

周文博 , 孔晨飞 , 秦高伟 , 王媛媛 , 刘新

 , 王晓峰

摘要: 铁死亡(ferroptosis)是近几年发现的一种新的细胞死亡方式，是在小分子物质诱导下发生的氧化性细胞死亡，具有铁离子依赖性.其发生是细胞内脂质活性氧(reactive oxygen species，ROS)生成与降解的平衡失调所致.铁死亡诱导剂通过不同的通路直接或间接作用于谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase，GPXs)，导致细胞抗氧化能力降低、ROS堆积、最终引起细胞氧化性死亡.铁死亡与帕金森综合征、胰腺癌等多种疾病相关，并发现可以通过激活或抑制铁死亡来干预疾病的发展，因此铁死亡成为近年来的研究热点.本文就铁死亡的发现、特点、发生机制及其与疾病的关系展开论述，将近年研究成果进行总结，期望为以铁死亡为基础的疾病治疗提供参考.关键词: 铁死亡     铁     活性氧     过氧化物酶Research Progresss on Mechanism of FerroptosisZHOU Wen-Bo , KONG Chen-Fei , QIN Gao-Wei , WANG Yuan-Yuan , LIU Xin

 , WANG Xiao-Feng

Abstract: Ferroptosis is a new form of cell death which is identified in recent years. It is an oxidative cell death induced by small molecules in certain circumstance, which is dependent on iron ion. Ferroptosis is caused by the imbalance of generation and degradation of intracellular reactive oxygen species (ROS). Ferroptosis inducer inhibits glutathione peroxidases(GPX) directly or indirectly through different pathway, resulting in the decrease of cellular antioxidant capacity and accumulation of ROS, which ultimately leads to ferroptosis. In this paper, we summarized the identification, characteristics and mechanism of ferroptosis. Besides, ferroptosis is involved in the development of many diseases, such as Parkinson disease, pancreatic cancer. And ferroptosis activated or inhibited can interfere with the progress of disease. Therefore, we believe that drugs based on ferroptosis will be used for treatment of disease in the future.Key words: ferroptosis     iron     reactive oxygen species     peroxidase细胞死亡是细胞生命现象的终结，对机体的生存、发展有着重要的作用.坏死(necrosis)和凋亡(apoptosis)是最常见的两种细胞死亡形式.随着细胞凋亡研究的不断深入，越来越多的现象已经无法用凋亡来解释.近些年，研究者陆续发现了其他细胞死亡方式，如细胞自噬(autophagy)、坏死性凋亡(necroptosis)、细胞焦亡(pyroptosis)、铁死亡(ferroptosis)等.其中，铁死亡是铁依赖性的、非细胞凋亡性的细胞死亡形式，以脂质活性氧(ROS)堆积为特点[1].由于铁死亡的激活可以导致肿瘤细胞的死亡，而其抑制又可防止神经退行性疾病的发生，因此铁死亡成为了近年的研究热点.1 铁死亡的发现及特点Dolma等[2]于2003年发现了喜树碱(camptothecin，CPT)和一种新的化合物erastin，能够选择性致死表达RASV12蛋白的肿瘤细胞，但是其致死机制却不同：喜树碱诱导的细胞死亡会呈现出细胞核形态的改变、DNA片段化、出现活性胱天蛋白酶3 (caspase3)，并且这个过程可以被caspase抑制剂所抑制；然而，erastin诱导的细胞死亡，却不能检测到上述现象，无细胞核形态变化、DNA片段化，以及caspase3的活化，并且这个过程不能被caspase抑制剂所逆转.因此erastin诱导的细胞死亡是一种新的死亡形式.随后Yang[3]和Yagoda等[4]发现这种死亡形式可以被铁螯合剂所抑制，且伴有细胞内活性氧的增多，同时发现了另一种可引起此种死亡形式的化合物——ras选择性致死化合物(ras-selective-lethal compound3，RSL3).Dixon等[1]根据其特点，于2012年正式将此种死亡形式命名为铁死亡：一种铁依赖性的，以细胞内活性氧堆积为特征的非细胞凋亡形式的细胞死亡.铁死亡不具有细胞凋亡的形态学特征，没有传统细胞凋亡时出现的现象，如细胞皱缩、染色质凝集、凋亡小体的形成、细胞骨架的解体等现象的发生，但是通过电子显微镜，可以观察到线粒体明显皱缩伴膜密度增加[4]，这是细胞凋亡所没有的.同时，铁死亡不能被细胞凋亡、细胞焦亡、细胞自噬的抑制剂所抑制，却可以被铁螯合剂、抗氧化剂等所抑制，因此铁死亡是铁依赖性的、以脂质活性氧增多为特点.2 铁死亡的机制铁死亡主要是细胞内脂质活性氧生成与降解的平衡失调所致.当细胞抗氧化能力降低，脂质活性氧堆积，就能引起细胞氧化性死亡，即铁死亡.铁死亡可以被多种化合物所诱导(表 1)，虽然其发生的信号通路不同.但是上游通路最终都是通过直接或间接影响谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase，GPXs)的活性，降低细胞抗氧化能力，致使脂质过氧化反应增加，脂质活性氧增多，引起铁死亡的发生(图 1).Table 1 Classification of inducer and inhibitor of ferroptosis表 1 铁死亡诱导剂及抑制剂分类

表选项

Fig. 1 The mechanism of ferroptosis图 1 铁死亡的机制图选项2.1 通过抑制胱氨酸谷氨酸转运受体(systemXC-)诱导铁死亡由于在癫痫、中风等神经系统性疾病中发生的兴奋性毒性细胞死亡是氧化性的、铁依赖的死亡过程[8]，因此推断它与铁死亡的过程有关.Dixon等[1]建立了器官型海马脑片培养模型(organotypic hippocampal slice culture，OHSC)，利用谷氨酸诱导可模拟出兴奋性毒性细胞死亡，并且这一过程也是氧化性的、铁依赖的过程，从而推断谷氨酸诱导的死亡与铁死亡可能共享同一条信号通路.已知谷氨酸诱导的细胞死亡可以通过两条通路启动，一条为钙离子的流入，一条为对依赖systemXC-的胱氨酸吸收通路的抑制[9].而钙离子的螯合剂，乙二醇双(2-氨基乙基醚)四乙酸对erastin诱导的铁死亡没有抑制作用[10].β巯基乙醇(β-mercaptoethanol，β-ME)能够在不通过systemXC-情况下促进胱氨酸的吸收[11]，而它恰恰能够显著抑制erastin、谷氨酸诱导的细胞死亡[1].因此推断出systemXC-介导的胱氨酸吸收在铁死亡中有重要作用.systemXC-是由SLC7A11和SLC3A2组成的异二聚体[12].对systemXC-的抑制会导致SLC7A11的代偿性转录上调[13]，而在erastin和柳氮磺胺吡啶诱导的铁死亡中，确实发现了SLC7A11的上调.此外siRNA干涉的SLC7A11基因沉默也使HT-1080细胞对erastin诱导的铁死亡更加敏感，而将编码SLC7A11的质粒转染HT-1080细胞后，细胞对铁死亡的耐受增强[1].因此，通过抑制systemXC-，阻碍胱氨酸的吸收，可以引起铁死亡.而抑制systemXC-，阻碍胱氨酸的吸收后，又通过怎样的路径导致铁死亡？Yang等[3]发现谷胱甘肽(glutathione，GSH)的减少会导致GPXs活性降低.GPXs能够催化过氧化氢和氢过氧化物的降解，抑制脂质活性氧的生成，而谷胱甘肽是其必需的辅助因子[14].综上，erastin通过抑制systemXC-，阻碍了谷胱甘肽的吸收，谷胱甘肽又是GPXs发挥作用的必要辅助因子，因此导致GPXs活性降低，细胞抗过氧化能力降低，脂质活性氧堆积，引起细胞的氧化性死亡.2.2 p53介导的铁死亡p53基因是重要的抑癌基因，其介导的细胞周期抑制、衰老、凋亡在肿瘤的发生发展过程中有重要作用.Jiang等[15]用ROS处理p53基因沉默的H1299细胞，细胞活性没有变化，但激活p53基因后再用ROS处理，细胞死亡率高达90%，说明p53基因激活后细胞抗氧化能力显著降低.再向其加入铁死亡抑制剂ferrostatin-1后，细胞死亡率下降约40%，从而发现p53不仅可以引起细胞凋亡，也能诱导细胞铁死亡.Jiang等[16]同时发现上调p53基因表达后，SLC7A11的信使RNA和蛋白表达量显著降低，从而证实SLC7A11为p53基因的新靶点.而systemXC-正是由SLC7A11和SLC3A2组成的异二聚体[12].因此，p53可通过下调SLC7A11的表达从而抑制systemXC-吸收胱氨酸，致使胱氨酸依赖的谷胱甘肽过氧化物酶活性降低，细胞抗氧化能力降低，脂质活性氧升高，引起细胞铁死亡.2.3 直接抑制GPX4诱导的铁死亡GPXs家族有许多成员，包括GPX1~GPX8[17], 其中GPX4在铁死亡中扮演着更加重要的角色. RSL3与erastin都是铁死亡诱导剂，两者均能引起脂质活性氧的上升，但erastin通过抑制systemXC-，阻碍胱氨酸吸收的方式，降低了谷胱甘肽的含量，RSL3则不同，其诱导BJeLR细胞发生死亡时，谷胱甘肽水平并未受影响[7].因此猜测RSL3可能通过不同的方式诱导铁死亡.用荧光素标记的RSL3处理BJeLR细胞后再进行筛选，发现GPX4是RSL3的靶蛋白.另外，其他的一些化合物，如DPI7、DPI10等[7]，同样能够直接作用于GPX4. GPX4是脂质过氧化过程的抑制蛋白，它能够降解小分子过氧化物以及相对复杂的脂质过氧化物[18]. Yang等[3]采用siRNA干涉HT-1080细胞的GPX4表达，发现GPX4表达下降的细胞对铁死亡更敏感，而上调GPX4的表达，则会产生对铁死亡的耐受.综上，RSL3、DPI7和DPI10等，能够直接作用于GPX4，抑制其活性，致细胞抗氧化能力下降，脂质活性氧上升，最终引起铁死亡.此外, 甲羟戊酸通路(mevalonate path，MVA通路)可通过调节硒代半胱氨酸tRNA的成熟而作用于GPX4，引起细胞的铁死亡.硒代半胱氨酸是GPX4活性中心的氨基酸之一，而将其嵌入GPX4则需要特殊的转运体——硒代半胱氨酸tRNA [19].硒代半胱氨酸tRNA的成熟需要异戊烯基转移酶将异戊烯焦磷酸(isopentenylpyrophosphate，IPP)中的异戊烯基转移至硒代半胱氨酸tRNA前体[20]，而IPP是MVA通路的产物.因此MVA通路可以通过下调IPP，进而影响硒代半胱氨酸tRNA的合成，进一步干涉GPX4的活性，引起铁死亡.2.4 VDACs与铁死亡电压依赖性阴离子通道(voltage-dependent anion channels，VDACs)是转运离子和代谢产物的跨膜通道[21]，Yagoda等[4]发现erastin可作用于VDACs.用siRNA干预VDAC2或VDAC3表达后发现细胞对erastin引起的铁死亡产生耐性，但是过表达VDAC2和VDAC3并未提高细胞对erastin的敏感性，所以VDAC2和VDAC3是铁死亡的必要非充分条件.此外，erastin还可导致线粒体外膜通透性的改变.因此Yagoda认为erastin作用于VDACs，引起线粒体功能紊乱，氧化性物质释放，最终引起细胞氧化性死亡[4].2.5 铁死亡的其他调节通路除了上述铁死亡的主要发生机制外，铁死亡还可以受到其他通路的调节.在氧化应激状态下，甲硫氨酸可通过硫转移途径(the sulphur-transfer pathway)转化为胱氨酸[22]，合成谷胱甘肽，协助谷胱甘肽过氧化物酶抑制脂质活性氧生成，避免氧化性细胞损伤.因此硫转移途径可抑制铁死亡的发生；血红素加氧酶1(heme oxygenase-1，HO-1)是细胞内铁的重要来源之一，Kwon等[23]证实了其可以诱导脂质过氧化反应从而导致铁死亡的发生；转铁蛋白也是细胞内铁的来源之一，它亦参与了铁死亡的调节过程[24].2.6 脂质活性氧的形成无论是erastin还是RSL3诱导的铁死亡，均涉及到铁依赖性的脂质活性氧的堆积[25].但是脂质活性氧的确切来源尚不明确.细胞膜脂质的多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids，PUFAs)链能够经过一系列反应形成脂质活性氧[26].PUFAs经过酶促或非酶促的氧化反应，可形成脂质氢过氧化物.在铁存在的情况下，脂质氢过氧化物能形成有毒性的脂质自由基，如烷氧基自由基，造成细胞损伤.并且这些自由基能转移邻近PUFAs的质子，启动新一轮的脂质氧化反应并进一步传递氧化性损害[26].在erastin处理的肿瘤细胞及GPX4缺失的小鼠细胞中，脂质活性氧的堆积和PUFAs的减少，均可被小分子抗氧化剂ferropstatin-1所抑制从而阻断铁死亡的过程，因此，脂质活性氧介导的细胞损伤是铁死亡所必需的.2.7 铁的作用铁是铁死亡过程的必要条件，各种铁螯合剂均能抑制细胞的铁死亡.转铁蛋白受体能够促进细胞外铁转移至细胞内，其编码基因TFRC的沉默能够抑制erastin引起的铁死亡[27].相反的，补充铁离子可以加速erastin诱导的铁死亡，其他二价金属离子却不起作用[1].这些结果更证明了铁死亡过程中铁的必要性.但是铁离子在细胞铁死亡中的确切作用至今仍不明确.铁螯合剂限制铁死亡最有可能的解释是阻止了铁向氧化物传递电子，从而抑制活性氧的生成[28].亲脂性铁螯合剂能够穿过细胞膜并螯合游离铁[29]，阻止铁催化脂质自由基的形成，抑制了PUFAs的降解[26].也有报道提出，铁螯合剂能够直接作用于含铁离子的酶，从而抑制脂质过氧化.其中脂氧合酶最有可能介导铁依赖性的脂质活性氧的形成，因为它能催化PUFAs的氧化[30]，并且能直接被亲脂性铁螯合剂失活[31].其他铁依赖性的酶，如脯氨酸羟化酶1(prolyl hydroxylases 1，PHD1)，也可能是铁螯合剂的靶点，但是其推动脂质活性氧生成的能力远不如脂氧合酶[32].与亲脂性铁螯合剂不同，去铁胺(deferoxamine, DFO)是无膜通透性的铁螯合剂，能够通过细胞内吞作用堆积于细胞溶酶体[31].过氧化氢等致死性物质对细胞处理后会引起溶酶体的破坏[33]，但erastin引起的铁死亡却未曾发现溶酶体的破坏[34].因此，DFO可能与溶酶体发生作用，截取溶酶体中本应转运至其他部位的铁离子，从而阻止脂质活性氧的生成.3 铁死亡与疾病的关系随着研究的深入，研究者们发现帕金森综合征、乳腺癌、胰腺癌等越来越多的疾病与铁死亡相关，其中，铁死亡与恶性肿瘤关系最为密切，部分肿瘤细胞对铁死亡相当敏感.双氢青蒿素可诱导头颈部鳞状细胞癌细胞的铁死亡，抑制肿瘤生长[35].因此，铁死亡有望成为疾病治疗的一个新方向.3.1 铁死亡与神经系统疾病的关系Chen等[36]发现，将GPX4选择性敲除后，小鼠迅速出现麻痹状态，并在8周内死去，而补充了维生素E(铁死亡抑制剂)的小鼠，麻痹和死亡时间均推迟.对其病理学检查发现小鼠脊髓的运动神经元发生严重退化.从而证实，GPX4在运动神经元中的重要作用.帕金森病中，细胞凋亡、细胞自噬、坏死性死亡、铁死亡等多种细胞死亡方式均参与多巴胺能神经元的变性死亡[37].Do等[38]发现ferropstatin-1能抑制1-甲基-4-苯基-1, 2, 3, 6-四氢吡啶(1-Methy1-4-Pheny1-1, 2, 3, 6-etrahydropyridine, MPTP)对多巴胺能神经元的毒性作用.因此，铁死亡的发生可能导致了神经系统疾病的发生.3.2 铁死亡与肿瘤的关系肿瘤细胞与铁死亡的关系密切，但是铁死亡在肿瘤的发生、进展、治疗中的确切作用机制尚未明确.目前的研究多限于细胞及动物实验，已发现多种肿瘤细胞对药物诱导的铁死亡相当敏感.胰腺癌有着极高的致死率，由于胰腺癌细胞对细胞凋亡有较强的耐受，目前的治疗方案只能延长数月的生存时间.Eling等[39]发现其对铁死亡较为敏感，青蒿酯可诱导胰腺癌细胞发生铁死亡，抑制胰腺癌的生长.Lin等[35]发现双氢青蒿素可诱导头颈部鳞状细胞癌发生铁死亡.西拉美新和拉帕替尼则可以诱导乳腺癌细胞发生铁死亡[40].因此，诱导肿瘤细胞发生铁死亡从而抑制肿瘤生长，可能成为将来治疗肿瘤的新靶点.4 展望铁死亡是最近几年发现的细胞死亡方式，虽然目前对其特点、发生机制有了初步的了解，但依旧有许多问题亟待解答，如铁离子在铁死亡中的确切机制是怎样的，脂质活性氧又是通过怎样的方式导致细胞死亡，是否存在其他通路可导致铁死亡的发生，铁死亡与细胞的其他生理过程有着何种联系等.因此，我们还需要更多的研究来加深对铁死亡的了解.目前已有较多铁死亡与人类疾病相关关系的报道，并且部分研究发现可通过诱导肿瘤细胞的铁死亡来抑制肿瘤的生长.因此我们相信，在不久的未来，铁死亡将会被应用到人类疾病的临床治疗中.ZHOU Wen-Bo, KONG Chen-Fei, QIN Gao-Wei, WANG Yuan-Yuan, LIU Xin, WANG Xiao-Feng. 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