文章来源：中华内分泌代谢杂志, 2020,36(07): 609-613 作者：张辉 徐又佳
一种疾病的发生发展往往与细胞死亡相关，随着对细胞死亡机制研究的深入，2012年Scott等[1]提出一种新的细胞死亡形式：铁死亡(ferroptosis)。2014年国际细胞死亡命名委员会(The Nomenclature Committee on Cell Death，NCCD)将这种可调节细胞死亡(regulated cell death，RCD)命名为'铁死亡'[2]。2019年Nature、Cell等权威杂志连续发表'铁死亡与肿瘤细胞调控'相关机制的研究[3,4,5]，铁死亡的研究越来越受重视。随着铁死亡研究的深入，对铁代谢在铁死亡及疾病中的潜在作用有了新的认识。本文将对铁死亡相关研究的结论进行梳理和分析，旨在为进一步了解铁代谢对铁死亡的调控、铁死亡与相关疾病关系提供一些启发。铁死亡是否可以像凋亡和自噬等程序性死亡一样，参与机体的发育和正常生理过程，目前仍在研究中，但关于铁死亡在疾病状态下的潜在作用已有很多报道。铁死亡对肿瘤和神经退行性病变研究较为丰富，有些研究结果对临床诊疗理念起到较多启发作用。美国国家癌症研究所发展治疗项目(US National Cancer Institute Developmental Therapeutics Program)使用8种组织类型、60种不同癌细胞系进行研究发现，与其他肿瘤细胞相比，白血病细胞对铁死亡诱导剂(erastin)敏感性最高，这种敏感性的提高是由于硫转移途径不足所致抗活性氧簇(ROS)能力减弱引起[6]；另外，在SLC7A11高表达的胰腺癌细胞中，当K-Ras基因突变时，细胞铁死亡敏感性由抵抗转变为增高[7]；高异质性的非小细胞肺癌细胞系却表现出对铁死亡的高效应，这可能是由于细胞内p53高表达，SLC7A11受抑制所致[8]。中药青蒿素干预卵巢癌研究结果提示，青蒿素衍生物青蒿酯干预卵巢癌细胞后，细胞内ROS水平上升，导致细胞增殖受抑制和细胞死亡；当卵巢癌细胞经转铁蛋白预处理后，细胞内铁含量增加，细胞对青蒿酯的敏感性增强；相反，铁死亡抑制剂(Ferr-1)可显著抑制青蒿酯诱导的细胞死亡[9]。2019年Nature发表的几项研究加深了对铁死亡与肿瘤相关性的认识。Viswanathan等[3]报道，有些癌细胞可出现耐药性，这主要是因为癌细胞出现了具有间充质特征的'准稳定细胞'状态，这种状态细胞GPX4活跃、脂质过氧化物降低，所以发生'铁死亡抵抗'；敲除与脂质摄取、聚集和迁移相关的ZEB1基因后，铁死亡敏感性显著增加，耐药性癌细胞出现死亡。Wang等[4]报道，运用免疫疗法可激活CD8＋T细胞并促进干扰素γ(IFNγ)释放，IFNγ增加将会下调SLC7A11和SLC3A2，进而抑制GPX4、促进脂质过氧化物上升，导致肿瘤细胞铁死亡增加。Wu等[10]报道，钙黏蛋白(E-cadherin)可参与调节细胞间相互作用，在耐药癌细胞(如上皮细胞)的铁死亡过程中有重要调控作用，当癌细胞间作用增强，钙黏蛋白表达上调，便可激活细胞内NF2-Hippo信号通路，呈现抑制细胞铁死亡作用；当该信号通路被拮抗，原癌基因转录共激活因子YAP将上调，导致铁死亡关键因子ACSL4和TFRC增加，从而诱导癌细胞铁死亡发生。2018年Tsoi等[11]报道，运用人黑素瘤细胞系和肿瘤标生本进行生物信息分析，发现黑素瘤接受靶向和免疫治疗后会逐渐去分化、形成耐药性，而分化程度与铁死亡敏感性呈反比，即去分化程度越高，对铁死亡越敏感；因此，对这类肿瘤采用铁死亡诱导药物可提高肿瘤药物疗效。上述结果说明，由于肿瘤的高代谢特性，大多数肿瘤处于高氧化应激状态，以致肿瘤细胞也需要通过增加ROS的清除能力，以防止氧化损伤[6]，因此，多数肿瘤(如肝细胞癌、骨肉瘤、前列腺癌、宫颈癌和弥漫性大B细胞淋巴瘤等)细胞比较易受铁死亡的影响[6,12]，肿瘤的这种高氧化应激导致铁死亡敏感的特性可能会成为肿瘤治疗的靶点。引人注目的是铁死亡诱导剂有靶向杀死癌细胞的可能[13]。有研究发现在接受铁死亡诱导剂索拉非尼(sorafenib)治疗的肝癌患者中，血清氧化应激反应标志物浓度与患者的生存期相关[14]；所以，铁死亡诱导剂可通过杀死肿瘤细胞或抑制肿瘤生长成为治疗肿瘤的一种潜在新方法[15]。多个研究均发现，在神经退行性病变(帕金森病、阿尔茨海默病、亨廷顿氏病和脑室周围白质软化等)时，脑组织或神经细胞会发生铁代谢紊乱，铁水平升高是这些患者的共同特征[16,17]。随着对铁死亡概念的认识，铁死亡与神经退行性病变的关系也逐渐被认识[18]。Scott(铁死亡最早报道者)在小鼠脑海马区切片培养中发现，铁死亡诱导剂可导致神经元死亡[1]；随后，铁蓄积、谷胱甘肽(GSH)和ROS代谢紊乱、GPXs减少等铁死亡特征在神经退行性病变患者和动物模型中被发现；所以，铁死亡导致的细胞死亡可能是引起神经退行性病变的重要途径[19]。另外，有研究发现，星型胶质细胞可保护神经元抵抗铁死亡，这主要是由于星型胶质细胞不仅有较高的储铁能力，还可以活化Nrf2信号通路，激活抗氧化功能，保护神经元抵抗铁死亡[20]。还有研究发现，特异性敲除大脑皮层和海马神经元GPX4基因后，小鼠海马神经元脂质过氧化物水平升高，神经元变性，认知功能受损，表现为阿尔茨海默病症状，给予铁死亡抑制剂或者高剂量维生素E饮食干预，可降低神经元退行性变[21]。一项关于16个与铁稳态相关基因的病例对照研究(1 289例帕金森病病例、1 391例对照)发现，多巴胺神经元内线粒体可表达转铁蛋白受体2(TfR2)，转铁蛋白(Tf)与TfR2识别后释放铁离子，使得细胞内铁水平升高；另外，TfR2或Tf突变后，蛋白构象改变，TfR2与Tf结合能力受影响，铁吸收抑制，铁蓄积风险降低，对神经退行性病变起到保护性作用；若Tf内含子中含有等位基因rs3811647，可使血清中Tf水平升高，更多的Tf与这种TfR2结合，导致神经元对铁的摄入增加，神经退行性病变易感性上升[22]。由于TfR2的线粒体定位，研究提示，神经元死亡可能与线粒体功能障碍或铁死亡有联系。因此，降铁治疗可改善神经退行性病变所表现出的临床症状[23]。上述结果说明，神经系统细胞与铁代谢关系密切，降低铁蓄积可抑制脂质过氧化物等诱导铁死亡发生的产物，可作为治疗神经退行性病变的新靶点[19]。在研究铁死亡的过程中发现，GPX4敲除的小鼠可触发急性肾功能的衰竭，用铁死亡抑制剂(Ferr-1)干预可减轻缺血再灌注对肾小管的损伤[24]。心脏是人体重要的器官，抗肿瘤药阿霉素或缺血再灌注可诱导心肌细胞铁死亡，导致心衰，铁死亡抑制剂、铁螯合剂和中药葛根素等可抑制铁死亡，改善心脏损伤[25]。血色素沉着症引起的铁代谢异常可导致肝脏的铁死亡、肝组织纤维化发生，低铁饮食、降低小鼠铁含量后，肝组织损伤减弱[26]。上述结果说明，铁死亡可能参与多种疾病的发生与转归，在相关疾病病理诊断中，铁死亡很可能会成为一个诊断方法的新热点。 二、铁死亡的主要特征和调控机制
铁死亡是可由化合物erastin和RSL3诱导的非凋亡形式细胞程序性死亡[6,27]。细胞在发生铁死亡的过程中，无凋亡小体出现，不激活凋亡特征性蛋白Caspases、BAX和BAK等，凋亡抑制剂无法挽救细胞铁死亡[1,6]。铁死亡与其他程序性死亡不同(铁死亡、凋亡和自噬特征比较见表1)，主要特征有以下4点。(1)铁依赖性：细胞在发生铁死亡过程中需有铁的参与，这是铁死亡命名的主要原因；(2)氧化-还原水平失衡：铁死亡发生前可检测到细胞内ROS显著增加，具有还原氧化水平的NADPH显著减少；(3)线粒体特殊形态改变：透射电镜下的铁死亡细胞可清楚呈现细胞内线粒体边界皱缩、体积缩小，形状由长棒状变为点状、颜色深染，这是细胞铁死亡特征性表现；(4)可调节性：细胞铁死亡可被亲脂抗氧化剂(Ferr-1)或铁螯合剂(DFO)所逆转，但不能被凋亡或自噬抑制剂(Z-VAD-FMK，wortmannin)对抗[1,28]。
关于细胞铁死亡经典调控，目前主要认为铁死亡发生与System Xc－、GSH代谢、谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)活性和ROS生成等调控相关。(1)System Xc－调控：System Xc－由SLC3A2和SLC7A11二聚体组成，嵌于细胞膜表面。SLC7A11是发挥功能的主要亚基，可将胱氨酸转运入胞，用于合成GSH；因此，抑制SLC7A11表达可诱导铁死亡发生。Erastin是最早发现和用于铁死亡诱导的化合物，Erastin作用于细胞表面System Xc－后，抑制GSH合成，强烈上调前列腺素内过氧化物合酶2(PTGS2，铁死亡发生标志基因)表达，诱导铁死亡发生[6]。柳氮磺胺吡啶(sulfasalazine，SAS)也有抑制System Xc－作用，主要可诱导肿瘤细胞铁死亡的发生[29]。另外，也有研究发现抑癌基因p53可抑制SLC7A11表达、上调脂氧合酶12(lipoxygenase 12，ALOX12)，促进肿瘤细胞铁死亡[8]。(2)GSH和GPX4调控：研究认为GPX4是铁死亡的核心调控蛋白[30]，主要作用是清除有害超氧化物、阻断脂质过氧化链式反应[6]；敲降GPX4即可诱导铁死亡发生[6]；丁硫氨酸亚砜胺(Buthioninesulfoximine，BSO)可抑制GSH合成、下降GPX4活性，导致铁死亡发生[6]。RSL3诱导铁死亡可不通过上述途径，而直接与GPX4蛋白结合使其失活，诱导脂质ROS产生，导致细胞铁死亡发生。另外，过表达GPX4细胞表现出对RSL3的抵抗性，抑制其诱导的细胞铁死亡[6]。(3)ROS调控：诱导铁死亡发生均会导致细胞内脂质ROS升高，从而引起细胞死亡，这也是脂质抗氧化剂可抑制铁死亡的原因。线粒体既是细胞内产生ROS的重要场所，其脂肪酸代谢又为细胞铁死亡提供特定的脂质前体，所以，线粒体作为含铁丰富(铁是线粒体氧化呼吸链必需离子)[31]、ROS产生为主的细胞器，被认为是铁死亡发生的重要场所，铁死亡细胞特征主要是线粒体形态和胞内嵴结构特殊变化[1,28,32]。近期美国和德国研究者发现，除了GPX4为核心的铁死亡经典途径调控外，还有与GPX4信号调控平行的FSP1调控[33,34]，FSP1豆蔻酰化后通过还原辅酶Q10来阻止脂质氧化，抑制铁死亡，即在GPX4失活的情况下，FSP1也能够维持肺癌细胞的生长；这一发现为癌症中铁死亡相关药物的开发提供了新的参考策略。 三、体内铁代谢对铁死亡发生的重要影响
体内铁代谢核心是调控铁含量，铁死亡发生与体内铁含量增加相关(铁螯合剂可抑制铁死亡发生)，所以，铁代谢异常对铁死亡的发生有重要影响[35]。铁离子在体内代谢可触发氧化应激，升高ROS；ROS在低水平时作为信号分子促进细胞增殖和生存，但ROS过多会诱导细胞铁死亡。细胞内ROS可由多种途径产生，铁依赖性的活性氧激活是产生ROS的一条重要途径(铁的芬顿反应)，铁也是几种ROS产生酶的重要组成部分，如烟酰胺腺嘌呤磷酸二核苷酸氧化酶(NADPH oxidases，Noxs)、脂氧合酶(lipoxygenases，Loxs)、细胞色素p450(cytochrome P450，CYP)酶和线粒体电子传递链亚单位[31]。由于ROS对细胞信号转导和致死性有双重作用，所以，这些酶对氧化还原的调节是细胞内稳态的重要调控机制。目前研究认为，二价金属离子铜和钴虽然能催化芬顿反应，但不诱导细胞铁死亡或增加细胞铁死亡的敏感性[1]，而铁介导的ROS生成促进铁死亡的发生。因此，铁代谢参与氧化还原调节酶的作用有着特殊性。去势大鼠高铁饮食后ROS升高，血清总GPXs下降，大鼠骨量丢失更加明显[36]；枸橼酸铁铵(FAC)干预小鼠原代肝细胞或高铁饮食后小鼠肝脏内脂质过氧化物(MDA)增高，PTGS2表达增加，NADPH含量下降，线粒体皱缩，采用铁死亡抑制剂Ferr-1或者铁螯合剂DFO可逆转该现象，但凋亡抑制剂ZVAD-FMK或程序性坏死抑制剂necrostatin-1均不能达到逆转的效果[24]。这些结果说明，铁可通过促进脂质过氧化物的生成诱导肝细胞铁死亡。铁调素调节蛋白(HJV)可调节铁调素表达，HJV敲除小鼠肝组织表现出铁死亡征象，再给予小鼠低铁饮食后，铁死亡征象可明显改善，提示铁死亡的发生与铁代谢调节基因关系密切[24]。线粒体铁蛋白(FtMt)由线粒体合成，可调节细胞内铁代谢，正常细胞中FtMt表达较低，当细胞内铁蓄积时，FtMt表达升高。有研究显示，在SH-SY5Y细胞中过表达FtMt，可抑制细胞中铁蓄积，从而明显抑制Erastin诱导的细胞铁死亡[37]。TfR1在铁死亡敏感细胞(如BJeLR细胞)中表达上调，但导致铁蛋白下降；shRNA敲减TfR1或者siRNA抑制IRPs的表达可显著增加铁代谢相关基因表达(铁蛋白)，抑制Erastin诱导的细胞铁死亡[27](图1)。 四、小结
铁死亡有别于凋亡和自噬等细胞程序性死亡方式，其发生过程有以下特点：(1)死亡与铁水平增加有因果关系(有铁参与)；(2)存在脂质过氧化物增加和NADPH减少；(3)线粒体有特殊形态改变；(4)可被亲脂抗氧化剂(Ferrostatin-1)和铁螯合剂逆转。'铁死亡'是目前研究的热点，在肿瘤、神经、心脏、肝脏和肾脏等疾病领域都有广泛的研究，所以，随着铁死亡调控机制的深入研究，许多临床疾病会有新的干预方法、新的治疗手段。
参考文献 （略）
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