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【珍藏版】IF 90+鐵死亡重磅綜述
在細(xì)胞的各式花樣死法中，鐵死亡（ferroptosis）作為一種新興的死亡方式，近年來越來越受到大家的關(guān)注。鐵死亡是一種鐵依賴性的，區(qū)別于細(xì)胞凋亡、細(xì)胞壞死、細(xì)胞自噬的新型的細(xì)胞程序性死亡方式。有關(guān)鐵死亡的研究方興未艾，相信大家都好奇該領(lǐng)域目前究竟取得了哪些進(jìn)展，以及我們是否能夠站在巨人的肩膀上，進(jìn)一步大展拳腳呢？今天小編分享一篇發(fā)表在《Nature reviews Molecular cell biology》雜志上的關(guān)于鐵死亡的綜述文章“Ferroptosis: mechanisms, biology, and role in disease”，影響因子足足90+，權(quán)威性不言而喻啊[端莊嚴(yán)肅崇拜臉]。
摘要
自2012年提出“鐵死亡”以來，相關(guān)研究在過去幾年中呈指數(shù)增長(zhǎng)。鐵死亡是鐵依賴性的磷脂過氧化作用驅(qū)動(dòng)的一種獨(dú)特的細(xì)胞死亡方式，受到多種細(xì)胞代謝途徑的調(diào)控，其中包括氧化還原穩(wěn)態(tài)、鐵代謝、線粒體活性和氨基酸、脂質(zhì)、糖的代謝，以及各種與疾病相關(guān)的信號(hào)途徑。有趣的是，具有多重藥物抗藥性的癌細(xì)胞，尤其是處于間充質(zhì)狀態(tài)且易于轉(zhuǎn)移的腫瘤細(xì)胞，非常容易發(fā)生鐵死亡。此外，許多器官損傷和退行性病理是由鐵死亡引起的。因此，通過對(duì)誘導(dǎo)和抑制鐵死亡對(duì)其進(jìn)行藥理調(diào)節(jié)，在治療耐藥性癌癥、缺血性器官損傷和其他與脂質(zhì)過氧化密切相關(guān)的退行性疾病上具有巨大的潛力。在本篇綜述中，作者總結(jié)了當(dāng)前對(duì)于鐵死亡分子機(jī)制和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的研究，鐵死亡在腫瘤抑制和免疫監(jiān)控中的潛在生理功能和病理作用，以及其靶向治療潛能。更重要的是，正如其他所有快速發(fā)展的研究領(lǐng)域一樣，在鐵死亡的研究中，錯(cuò)誤的觀念和不恰當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)方法也帶來了巨大的挑戰(zhàn)。因此，本綜述也旨在探討這些問題，并為鐵死亡研究提供可重復(fù)且可靠的實(shí)用性指南。最后，本文也討論了今后對(duì)于鐵死亡研究的主要關(guān)注點(diǎn)和迫切需要解決的問題。
前言
細(xì)胞是生命的基本組織單位。因此，細(xì)胞增殖、分化以及死亡在不同的生命形式中都發(fā)揮重要作用。細(xì)胞的命運(yùn)和功能受到環(huán)境和遺傳因素的雙重影響。決定細(xì)胞命運(yùn)的最關(guān)鍵的軸之一是細(xì)胞對(duì)氧化應(yīng)激的反應(yīng)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)生物在還原/氧化的代謝過程中依賴于氧作為最終的電子受體。在導(dǎo)致細(xì)胞氧化應(yīng)激的條件和氧源物種中，膜雙分子層中脂質(zhì)的氧化修飾(例如脂質(zhì)過氧化)已成為整合一系列環(huán)境和遺傳輸入的聯(lián)系，包括熱和輻射暴露、代謝、氧化還原穩(wěn)態(tài)、免疫監(jiān)控、細(xì)胞間接觸以及致癌和腫瘤抑制信號(hào)。事實(shí)上，這些看似不相干的過程緊密結(jié)合在一起，使細(xì)胞經(jīng)歷鐵死亡，這是一種由不受限制的脂質(zhì)過氧化導(dǎo)致的獨(dú)特的細(xì)胞死亡模式(圖1)。鐵死亡現(xiàn)在被認(rèn)為可能是最廣泛和最古老的細(xì)胞死亡形式之一，雖然最初是在哺乳動(dòng)物系統(tǒng)中研究的，但在進(jìn)化較遠(yuǎn)的物種中也觀察到類似鐵死亡的細(xì)胞死亡，例如那些屬于植物、原生動(dòng)物和真菌王國(guó)的物種。
傳統(tǒng)上，細(xì)胞死亡最初被認(rèn)為是被動(dòng)的和不受調(diào)控的，直到在1970年間發(fā)現(xiàn)了程序性細(xì)胞死亡(PCD)的第一種形式：細(xì)胞凋亡，其在發(fā)育過程中受到程序性調(diào)控。其他更廣泛的被稱為程序性細(xì)胞死亡的細(xì)胞死亡不一定與發(fā)育過程相關(guān)，但都受到各種分子機(jī)制的調(diào)控。鐵死亡符合RCD標(biāo)準(zhǔn): 鐵死亡由致命的脂質(zhì)過氧化作用驅(qū)動(dòng)，是細(xì)胞代謝和氧化還原平衡失衡的結(jié)果，并可以通過藥物或遺傳手段直接阻斷脂質(zhì)過氧化或耗盡細(xì)胞內(nèi)的鐵來阻止其發(fā)生。重要的是，越來越多的證據(jù)表明鐵死亡在腫瘤抑制和免疫中的潛在生理作用(圖1)。最近，鐵死亡也與某些真菌物種的發(fā)育和線蟲的發(fā)育衰老有關(guān)。此外，鐵死亡的病理生理學(xué)相關(guān)性，特別是作為癌癥和缺血性器官損傷的治療方式，也已經(jīng)被證明(圖1)。
盡管在2012年才新出現(xiàn)鐵死亡這個(gè)詞，但類似于鐵死亡的細(xì)胞死亡在很久以前就被發(fā)現(xiàn)了，例如，在神經(jīng)細(xì)胞中存在一種氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡方式，被稱為氧化凋亡（oxytosis）。Harry Eagle在20世紀(jì)50年代和60年代的開創(chuàng)性工作表明，剝奪半胱氨酸/胱氨酸可以導(dǎo)致細(xì)胞死亡，而利用蛋氨酸和葡萄糖內(nèi)源性合成半胱氨酸，即硫轉(zhuǎn)化，使細(xì)胞能夠抵抗這種細(xì)胞死亡。半胱氨酸是生物合成還原型谷胱甘肽(GSH)的限速底物，要么以半胱氨酸的氧化形式（胱氨酸）通過胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)體（Xc-系統(tǒng)）和依賴鈉的中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白B(0)AT1 (SLC6A19)被細(xì)胞攝入，要么以其還原形式半胱氨酸通過中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體進(jìn)入細(xì)胞，或由內(nèi)源產(chǎn)物經(jīng)轉(zhuǎn)硫作用生成。GSH是哺乳動(dòng)物細(xì)胞中最豐富的還原劑，在鐵硫簇生物發(fā)生中起重要作用，也是谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)和谷胱甘肽-s -轉(zhuǎn)移酶等多種酶的輔助因子。遺傳學(xué)上已經(jīng)證明，GSH合成、Xc-系統(tǒng)和谷胱甘肽過氧化物酶4(GPX4)都可以保護(hù)細(xì)胞免受各種氧化應(yīng)激條件引起的死亡，特別是導(dǎo)致硫醇缺乏的條件下，包括抑制Xc-系統(tǒng)活性。隨著GSH合成、Xc-系統(tǒng)和GPX4在鐵死亡中作用的確立，我們現(xiàn)在可以將所有這些早期研究放在鐵死亡的背景下。
盡管如此，從許多方面來看，鐵死亡仍是一個(gè)新興領(lǐng)域，只是在最近幾年才由氨基酸和脂質(zhì)代謝、鐵穩(wěn)態(tài)、氧化還原和硒生物學(xué)以及細(xì)胞死亡等相鄰領(lǐng)域合并而來。關(guān)于鐵死亡的研究論文發(fā)表數(shù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，因此需要對(duì)最近的研究進(jìn)展進(jìn)行全面的、批判性的審視，以便為不同領(lǐng)域的研究人員明確圍繞這個(gè)主題的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)、問題和挑戰(zhàn)。在此，我們深入分析了鐵死亡的機(jī)制和調(diào)控過程，潛在的生理功能，以及在疾病和治療中的作用。我們將討論該領(lǐng)域關(guān)鍵性的問題和面臨的挑戰(zhàn)，并對(duì)鐵死亡的研究提供切實(shí)可行的實(shí)驗(yàn)建議。
這張示意圖顯示，鐵死亡是由磷脂過氧化作用引起的，這一過程依賴于代謝產(chǎn)物活性氧(ROS)、含有多不飽和脂肪酸鏈(PUFA-PL)的磷脂和過渡金屬鐵，細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間信號(hào)和環(huán)境壓力可通過調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝和ROS水平影響鐵死亡。圖中還顯示了鐵死亡在疾病中的作用及其潛在的生理功能。
【知識(shí)補(bǔ)充】
1. 脂質(zhì)過氧化：廣義指多不飽和脂類的氧化變質(zhì),人們稱之為油脂的酸敗。脂質(zhì)分子在空氣中不易發(fā)生氧化作用,但一旦有自由基存在,就可導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化的發(fā)生,這是一個(gè)典型的自由基鏈反應(yīng)過程,即在自由基或光或某種射線作用下,可使脂質(zhì)分子LH脫氫形成脂質(zhì)自由基L·,L·與氧反應(yīng)形成脂質(zhì)過氧自由基LOO·,此自由基再攻擊其他脂質(zhì)分子,奪取其氫原子,生成新的自由基和脂質(zhì)氫過氧化物L(fēng)OOH,它在過渡金屬元素的催化下又產(chǎn)生LO·和LOO·,繼續(xù)引發(fā)和增長(zhǎng)鏈反應(yīng),...
2. 程序性細(xì)胞死亡(PCD)：是由細(xì)胞內(nèi)特定基因調(diào)控的分子程序介導(dǎo)的細(xì)胞死亡過程，在多細(xì)胞生物的正常發(fā)育過程和體內(nèi)穩(wěn)態(tài)維持中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。
3. 半胱氨酸：一種生物體內(nèi)常見的氨基酸，氧化形式為胱氨酸。
4. 谷胱甘肽(GSH)：是一種含γ-酰胺鍵和巰基的三肽，由谷氨酸、半胱氨酸及甘氨酸組成，存在于幾乎身體的每一個(gè)細(xì)胞。谷胱甘肽有還原型(G-SH)和氧化型(G-S-S-G)兩種形式，在生理?xiàng)l件下以還原型谷胱甘肽占絕大多數(shù)。
5. 胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)體(Xc-系統(tǒng))：是細(xì)胞內(nèi)重要的抗氧化體系，可以攝取胱氨酸，排出谷氨酸。
6. 谷胱甘肽過氧化物酶4(GPX4)：磷脂過氧化的抑制因子，GPX4酶在細(xì)胞內(nèi)是唯一一個(gè)用于脂質(zhì)過氧化物還原的GPX(谷胱甘肽過氧化物酶)。GPX4作用體現(xiàn)于，GPX4可以使得脂質(zhì)過氧化的過氧鍵轉(zhuǎn)變?yōu)榱u基，失去其過氧化物的活性。
7. 代謝產(chǎn)物活性氧(ROS)：指處在部分還原態(tài)的氧，例如過氧化氫、超氧化物、單線態(tài)氧和羥自由基，它們可能發(fā)生氧化反應(yīng)并因此破壞包括脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、DNA在內(nèi)的細(xì)胞成分。
8. 多不飽和脂肪酸(PUFA)：指含有兩個(gè)或兩個(gè)以上雙鍵且碳鏈長(zhǎng)度為18～22個(gè)碳原子的直鏈脂肪酸。單不飽和脂肪酸簡(jiǎn)稱MUFA。
正文
為了方便大家理解，小編特意找出了“前言”中出現(xiàn)的專業(yè)名詞，并做了相關(guān)解釋，接下來就要直奔主題了。由于文章篇幅較長(zhǎng)，小編將把全文分為三大部分進(jìn)行解讀：（1）鐵死亡的調(diào)控機(jī)制;（2）鐵死亡相關(guān)的信號(hào)通路;（3）鐵死亡相關(guān)的疾病及治療。
一、鐵死亡的調(diào)控機(jī)制
近年來，人們對(duì)鐵死亡機(jī)制的認(rèn)識(shí)突飛猛進(jìn)。隨著胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)體-GSH-GPX4通路在抑制鐵死亡中的作用被發(fā)現(xiàn)，目前磷脂氫過氧化物（PLOOHs，一種基于脂質(zhì)的ROS形式）被確定為是鐵死亡的執(zhí)行者（圖2）。最近又發(fā)現(xiàn)了GPX4非依賴性的鐵死亡監(jiān)控通路。此外，在鐵死亡背景下，PLOOH的合成機(jī)制，特別是PUFAs（多不飽和脂肪酸，PLOOHs的前體物質(zhì)）的合成與活化也已被廣泛研究。重要的是，所有這些研究最終都集中在細(xì)胞代謝上，揭示出鐵死亡和代謝途徑之間存在密切聯(lián)系。
(A) 在經(jīng)典的鐵死亡調(diào)控通路中，胱氨酸通過胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)體（system Xc-）進(jìn)入細(xì)胞，接著在谷胱甘肽（GSH）或硫氧還蛋白還原酶1（TXNRD1）依賴的胱氨酸還原途徑中還原生成半胱氨酸，促進(jìn)GSH生成。GSH是一種強(qiáng)效的還原劑，可作為谷胱甘肽過氧化物酶4（GPX4）的輔因子，在細(xì)胞內(nèi)促進(jìn)磷脂氫過氧化物（PLOOHs）還原為PLOOHs相應(yīng)的醇（PLOHs）。谷胱甘肽-二硫化物還原酶（GSR）利用NADPH/H+提供的電子催化氧化型谷胱甘肽（GSSG）重新生成GSH。(B) 兩項(xiàng)獨(dú)立進(jìn)行的基因篩查研究中，發(fā)現(xiàn)FSP1（鐵死亡抑制蛋白1）/泛醌(CoQ10)系統(tǒng)完全可以保護(hù)細(xì)胞免受由藥物抑制Gpx4或Gpx4基因敲除引起的鐵死亡。與GPX4/GSH不同，F(xiàn)SP1通過降低脂基水平上的泛醌/α-生育酚來防止脂質(zhì)過氧化和與之相關(guān)的鐵死亡。(C) 其他鐵死亡抑制機(jī)制，包括鯊烯介導(dǎo)的和二/四氫生物喋呤（BH2/BH4）介導(dǎo)的對(duì)脂質(zhì)過氧化的抑制，盡管這一過程的化學(xué)機(jī)制仍有待研究。
1.經(jīng)典的GPX4調(diào)控鐵死亡機(jī)制（Cyst(e)ine/GSH/GPX4軸）
為了尋找新型抗癌小分子，Stockwell團(tuán)隊(duì)從2001年開始進(jìn)行了高通量篩選，并在2003年發(fā)現(xiàn)了一系列復(fù)合物，這些復(fù)合物能夠誘導(dǎo)細(xì)胞以一種獨(dú)特的、區(qū)別于細(xì)胞凋亡和細(xì)胞壞死的方式死亡。反向篩選結(jié)果表明，多種鐵離子螯合劑以及親脂性自由基捕獲型抗氧化劑（RTAs）可以抑制這種類型的細(xì)胞死亡。由于鐵在這種形式的細(xì)胞死亡中不可或缺，因此將這種細(xì)胞死亡形式命名為“Ferroptosis”，即鐵死亡。隨后在對(duì)鐵死亡機(jī)制的研究中確定了兩個(gè)細(xì)胞組分，Xc-系統(tǒng)和GPX4，利用化合物erastin和RSL3分別抑制它們的活性會(huì)誘導(dǎo)鐵死亡發(fā)生。
GPX4是Ursini及其同事通過生化純化發(fā)現(xiàn)的一種硒蛋白，是哺乳動(dòng)物細(xì)胞中催化PLOOHs還原的主要酶。GPX4可將磷脂和膽固醇?xì)溥^氧化物還原為相應(yīng)的醇，這個(gè)過程需要GPX4中硒代半胱氨酸殘基的催化活性以及主要由GSH提供的兩個(gè)電子，電子有時(shí)也可來自其他小分子硫醇，甚至蛋白質(zhì)硫醇。Conrad團(tuán)隊(duì)曾透徹研究過第一個(gè)Gpx4條件敲除小鼠模型，發(fā)現(xiàn)Gpx4的缺失會(huì)誘導(dǎo)小鼠胚胎成纖維細(xì)胞以脂質(zhì)過氧化物依賴的、非凋亡的形式死亡，并引起小鼠大腦海馬區(qū)和皮質(zhì)區(qū)內(nèi)的神經(jīng)退化。這個(gè)和其他幾個(gè)小鼠模型有助于描繪出更詳細(xì)的鐵死亡在體內(nèi)相關(guān)性的圖像，這些將在下文進(jìn)一步討論。
因?yàn)镚PX4是主要的PLOOH中和酶，所以出現(xiàn)了erastin/RSL3誘導(dǎo)的鐵死亡機(jī)制：這兩種化合物都能滅活GPX4，RSL3直接滅活GPX4，而erastin間接滅活GPX4，主要通過抑制胱氨酸進(jìn)入細(xì)胞使胞內(nèi)半胱氨酸耗竭（半胱氨酸是是一種必不可少的細(xì)胞抗氧化劑，也是細(xì)胞內(nèi)GSH的必要組成成分）。最終的結(jié)果是，PLOOHs累積，可能導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)發(fā)生快速且不可修復(fù)的損傷，從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡(圖2A)。從概念上講，這些發(fā)現(xiàn)明鐵死亡在機(jī)制上與其他已知的細(xì)胞死亡方式不同?；诖藱C(jī)制開發(fā)的藥理學(xué)和遺傳學(xué)工具使鐵死亡相關(guān)研究成為可能，而且這些工具已經(jīng)成為研究鐵死亡必不可少的工具。
1.1磷脂過氧化反應(yīng)
無限制的脂質(zhì)過氧化是鐵死亡的標(biāo)志。20世紀(jì)50年代的早期研究發(fā)現(xiàn)，微量元素硒、維生素E和半胱氨酸可以抑制脂質(zhì)過氧化。脂質(zhì)過氧化的啟動(dòng)需要從磷脂上的多不飽和脂肪酸?；?PUFA-PLs)中脫去兩個(gè)碳碳雙鍵之間的雙烯丙基氫原子，形成以碳為中心的自由基，并與分子氧反應(yīng)生成過氧自由基(圖3)。如果不轉(zhuǎn)化為脂質(zhì)過氧化氫并還原為相應(yīng)的醇，自由基介導(dǎo)的反應(yīng)的傳播將導(dǎo)致大量次級(jí)產(chǎn)物的產(chǎn)生，膜結(jié)構(gòu)完整性被破壞，并最終導(dǎo)致細(xì)胞器和細(xì)胞膜破裂。因此，高PUFA-PL含量的細(xì)胞膜特別容易發(fā)生過氧化反應(yīng)，已經(jīng)在神經(jīng)元中得到了證實(shí)。與此一致，全基因組單倍體和基于CRISPR/ cas9的篩選發(fā)現(xiàn)了兩種膜重塑酶，脂酰輔酶A合成酶長(zhǎng)鏈家族成員4 (ACSL4)和溶血磷脂酰膽堿酰基轉(zhuǎn)移酶3 (LPCAT3)是導(dǎo)致鐵死亡的重要因素。ACSL4在鐵死亡中發(fā)揮作用是因?yàn)樗鼉A向于催化長(zhǎng)鏈PUFAs（包括花生四烯酸20：4和腎上腺酸22：4）和輔酶A連接。然后，這些產(chǎn)物會(huì)被多種LPCAT酶重新酯化為磷脂，從而增加細(xì)胞內(nèi)長(zhǎng)鏈PUFAs在脂質(zhì)和膜結(jié)構(gòu)中的摻入。ACSL4的基因缺失會(huì)導(dǎo)致磷脂中長(zhǎng)鏈PUFA尾向短鏈單不飽和脂肪酰基（MUFA）尾急劇轉(zhuǎn)變，其方式類似于ACSL435藥物抑制處理的野生型細(xì)胞。ACSL4缺陷細(xì)胞磷脂中的這種急劇轉(zhuǎn)變，使得Gpx4敲除細(xì)胞的增殖可以持續(xù)數(shù)月，這是之前從未觀察到的基因拯救。與上述機(jī)制類似，據(jù)報(bào)道，外源性補(bǔ)充MUFAs、硬脂酰輔酶A去飽和酶（SCD1）介導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)MUFA生成，以及由ACSL3依賴的膜MUFAs富集可降低細(xì)胞受鐵死亡的影響。值得注意的是，在三陰性乳腺癌的一個(gè)細(xì)胞亞群中，ACSL4的表達(dá)水平與它們對(duì)于鐵死亡誘導(dǎo)劑的敏感性相關(guān)，且在耐藥的間充質(zhì)癌細(xì)胞和透明細(xì)胞性腎癌細(xì)胞中觀察到了類似的相關(guān)性。因此，抑制ACSL4表達(dá)或許是細(xì)胞對(duì)鐵死亡脫敏的主要機(jī)制，這一過程可能受到不同的信號(hào)通路調(diào)控。相反，增加ACSL4表達(dá)或提高其活性，可能會(huì)在多種病理生理?xiàng)l件下促進(jìn)鐵死亡。
毫無疑問，脂質(zhì)雙分子層的不飽和程度是決定細(xì)胞對(duì)鐵死亡敏感性的關(guān)鍵因素，但關(guān)于脂質(zhì)過氧化是如何啟動(dòng)的仍有許多不確定因素和爭(zhēng)論。與共軛二烯相鄰的雙烯丙基碳具有已知的最弱的碳?xì)滏I，這些結(jié)構(gòu)的增加會(huì)提高脂類的自氧化速率，如含有PUFA的食物在環(huán)境氧張力下會(huì)腐敗?？梢韵胂螅?xì)胞自主產(chǎn)生的脂質(zhì)烷氧自由基或羥基自由基可以啟動(dòng)不依賴于酶促反應(yīng)的脂質(zhì)過氧化，而這一過程可由鐵作為催化劑的Fenton反應(yīng)催化（圖3）。(稍后詳細(xì)說明)。
某些脂加氧酶(LOXs)是非血紅素鐵依賴的雙加氧酶，可以直接氧化生物膜的PUFAs，提示LOXs可能介導(dǎo)鐵死亡的誘導(dǎo)過程。已有一些結(jié)果支持這一可能性，如一些LOX的藥理學(xué)抑制劑能夠抑制鐵死亡，敲除12/15-LOX或應(yīng)用LOX抑制劑黃岑素（baicalein）可以保護(hù)小鼠免受缺血性腦損傷和水腫的形成。然而，在Gpx4敲除小鼠中敲除12/15-LOX并不能保護(hù)小鼠成纖維細(xì)胞免受鐵死亡，也不能防止急性缺血性腎損傷或降低其致死率，也不能恢復(fù)T細(xì)胞特異性Gpx4-/-小鼠中的CD8+ T細(xì)胞。然而值得注意的是，LOXs主要與半胱氨酸缺乏誘導(dǎo)的鐵死亡相關(guān)，而非GPX4缺失誘導(dǎo)的鐵死亡，因此，有必要利用不同的模型進(jìn)一步剖析LOXs在鐵死亡中發(fā)揮的作用。這些數(shù)據(jù)表明，在ALOX15活性缺失后可能有替代機(jī)制進(jìn)行了補(bǔ)償，某些頻繁使用的“LOX特異性”抑制劑可能作為自由基捕獲型抗氧化劑（RTA）發(fā)揮了非特異性活性。事實(shí)上，最近的一項(xiàng)研究證實(shí)，最常用的LOX抑制劑具有RTA活性，因此對(duì)通常認(rèn)為的LOX在鐵死亡中的重要作用提出了挑戰(zhàn)。此外，對(duì)人類所有LOX同工酶活性廣泛下調(diào)未能阻止RSL3誘導(dǎo)的鐵死亡，但很大程度上挽救了erastin誘導(dǎo)的鐵死亡，這可能是因?yàn)閑rastin處理激活了脂氧合酶。因此，在大多數(shù)情況下LOXs可能不是鐵死亡的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，但在某些情況下可能有助于鐵死亡的啟動(dòng)和發(fā)展。Alox15（花生四烯酸-15-脂加氧酶）或者Alox12（花生四烯酸-12-脂加氧酶）的缺失分別在一些神經(jīng)退行性或者癌癥抑制小鼠模型中表現(xiàn)出保護(hù)作用。然而，必須強(qiáng)調(diào)的是，這些酶在免疫系統(tǒng)中本身發(fā)揮著重要的生理作用，通過產(chǎn)生促炎和抗炎分子直接調(diào)節(jié)（神經(jīng)）炎癥過程和腫瘤微環(huán)境，因此，它們的缺失并不一定與鐵死亡直接相關(guān)。先前的發(fā)現(xiàn)也支持這一觀點(diǎn)，GPX4通過所謂的“細(xì)胞過氧化物”調(diào)控制脂加氧酶和環(huán)加氧酶的活性，因?yàn)檫@兩種二十烷酸代謝酶都需要通過脂質(zhì)氫過氧化物氧化它們的鐵，以捕獲分子氧并將其摻入到PUFAs中。值得注意的是，有報(bào)道稱ALOX12在過氧化物引發(fā)的p53依賴性鐵死亡中必不可少，而且這種形式的鐵死亡相當(dāng)獨(dú)特，因?yàn)樗坪醪恍枰狝CSL4參與；另外，據(jù)報(bào)道，磷脂酰乙醇胺結(jié)合蛋白1 (PEBP1)可與某些LOXs形成復(fù)合物，改變其對(duì)PUFA-PLs底物的特異性。
除了有爭(zhēng)議的LOXs在鐵死亡中的作用外，最近的研究表明，廣泛表達(dá)的細(xì)胞色素P450氧化還原酶(POR)在啟動(dòng)脂質(zhì)過氧化中發(fā)揮作用。NADPH作為電子供體從POR接受電子后，下游電子受體如細(xì)胞色素P450和CYB5A被還原，進(jìn)而通過從PUFAs中提取亞甲基氫或還原鐵直接或間接觸發(fā)脂質(zhì)過氧化反應(yīng)。
盡管在細(xì)菌膜中普遍缺乏PUFAs，銅綠假單胞菌能夠表達(dá)一種分泌型脂氧合酶(PA-LOX)。這種酶可誘導(dǎo)人紅細(xì)胞膜脂氧化，也可誘導(dǎo)人支氣管上皮細(xì)胞鐵死亡。因此，囊性纖維化患者表現(xiàn)為磷脂酰乙醇胺中花生四烯酸氧化水平升高，而磷脂酰乙醇胺被報(bào)道是在鐵死亡的細(xì)胞和組織中檢測(cè)到的主要磷脂形式之一。這種跨生物的鐵中毒誘導(dǎo)機(jī)制耐人尋味，值得進(jìn)一步研究，以確定這一機(jī)制是否被其他低等生物利用。
脂質(zhì)過氧化是鐵死亡的標(biāo)志，它以非酶催化和酶催化的方式發(fā)生(酶催化過程用虛線框標(biāo)記)。對(duì)于后者，脂加氧酶(LOXs)和/或細(xì)胞色素P450氧化還原酶(POR)被認(rèn)為是通過脂質(zhì)氧化啟動(dòng)脂質(zhì)過氧化過程，但目前尚無證明脂加氧酶（LOXs）參與鐵死亡過程的明確遺傳學(xué)證據(jù)。脂質(zhì)過氧化可分為起始、放大和終止三個(gè)階段，如不同顏色的箭頭所示。脂質(zhì)過氧化抑制系統(tǒng)包括酶和小分子作用于不同水平的脂質(zhì)過氧化級(jí)聯(lián)反。
1.2細(xì)胞代謝與鐵死亡
很明顯，多種代謝反應(yīng)可以導(dǎo)致細(xì)胞產(chǎn)生PLOOHs，越來越多的證據(jù)表明，代謝在鐵死亡中起著核心作用。Jiang團(tuán)隊(duì)試圖確定代謝如何影響細(xì)胞命運(yùn)的研究揭示了鐵死亡與代謝的復(fù)雜關(guān)系。他們研究了自噬這種難以捉摸的促進(jìn)細(xì)胞死亡的功能。自噬作為應(yīng)對(duì)各種壓力的重要生存機(jī)制，是否以及如何促進(jìn)細(xì)胞死亡(即自噬細(xì)胞死亡)已經(jīng)爭(zhēng)論了幾十年。出乎意料的是，他們發(fā)現(xiàn)在氨基酸饑餓(一種觸發(fā)有效自噬的條件)時(shí)，自噬促進(jìn)了一種快速的非凋亡、非壞死形式的細(xì)胞死亡，但僅僅是在細(xì)胞處于血清充足的完全培養(yǎng)基的前提下。他們隨后發(fā)現(xiàn)，這種形式的細(xì)胞死亡需要鐵載體轉(zhuǎn)鐵蛋白和血清中的氨基酸谷氨酰胺，而從細(xì)胞培養(yǎng)基中去除胱氨酸則足以觸發(fā)細(xì)胞死亡。因此，這種類型的細(xì)胞死亡（即鐵死亡）是由半胱氨酸缺乏(類似于erastin)誘導(dǎo)的，并依賴于轉(zhuǎn)鐵蛋白。在胱氨酸缺乏的情況下，自噬通過降解鐵蛋白（也稱為鐵自噬）導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)不穩(wěn)定鐵含量上升，從而使細(xì)胞對(duì)鐵死亡敏感，誘導(dǎo)鐵死亡（圖4）。谷氨酰胺代謝或谷氨酰胺分解對(duì)半胱氨酸缺失誘導(dǎo)的鐵死亡是必須的，從而將鐵死亡與氧化代謝聯(lián)系起來。谷氨酰胺分解產(chǎn)生α-酮戊二酸鹽，能夠?yàn)榫€粒體TCA循環(huán)（三羧酸循環(huán)）提供能量，這表明線粒體的正常代謝功能似乎與鐵死亡相關(guān)，隨后通過多種藥理學(xué)、細(xì)胞學(xué)和遺傳學(xué)分析得到了驗(yàn)證（圖4）。值得注意的是，線粒體早前已被證明線粒體已被證明是氧化凋亡（oxytosis）的活躍參與者。
基于這些發(fā)現(xiàn)，人們也提出了更多的假設(shè)和問題，例如：作為線粒體TCA循環(huán)的主要燃料，葡萄糖是否調(diào)控鐵死亡？的確，葡萄糖饑餓近年來被發(fā)現(xiàn)可以抑制鐵死亡。然而，從機(jī)制上講，這一現(xiàn)象似乎主要由AMPK所介導(dǎo)，而非通過TCA和線粒體呼吸調(diào)節(jié)（稍后詳述）。相關(guān)的問題是，即使是在富含葡萄糖的條件下培養(yǎng)細(xì)胞，如果谷氨酰胺僅僅通過維持線粒體呼吸來發(fā)揮促進(jìn)鐵死亡的作用，那么谷氨酰胺如何在半胱氨酸缺乏誘導(dǎo)的鐵死亡中起關(guān)鍵作用？因此，有必要對(duì)谷氨酰胺分解在鐵死亡中的作用進(jìn)行詳細(xì)的研究。此外，線粒體代謝是否通過產(chǎn)生特定的脂質(zhì)前體促進(jìn)PLOOH合成（TCA循環(huán)的中間產(chǎn)物可以促進(jìn)脂質(zhì)合成）或通過促進(jìn)ROS產(chǎn)生（氧化代謝反應(yīng)的天然副產(chǎn)物）促進(jìn)鐵死亡？已經(jīng)有研究發(fā)現(xiàn)線粒體活性和谷氨酰胺分解對(duì)于半胱氨酸缺乏誘導(dǎo)的鐵死亡是至關(guān)重要的，但對(duì)于抑制GPX4誘導(dǎo)的鐵死亡卻并非必不可少，這為后一種可能性即線粒體代謝通過促進(jìn)ROS產(chǎn)生促進(jìn)鐵死亡提供了更多的支持。
除了線粒體外，植物細(xì)胞擁有另一個(gè)獨(dú)特的細(xì)胞器-葉綠體，可以進(jìn)行一連串的氧化還原合成代謝反應(yīng)。由于在植物中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)依賴于鐵和ROS的鐵死亡，一個(gè)有趣的推測(cè)是，在植物中葉綠體也可能在鐵死亡的調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用。
該圖描述了多種代謝事件(如脂質(zhì)合成、自噬和線粒體TCA循環(huán))和信號(hào)通路(如E-cadherin-NF2-Hippo-Yap通路，葡萄糖調(diào)節(jié)的AMPK信號(hào)通路，p53和BAP1的腫瘤抑制功能)對(duì)鐵死亡的調(diào)控。
1.3鐵死亡中的鐵
細(xì)胞代謝的基本功能，特別是磷脂過氧化，解釋了鐵死亡過程為什么依賴鐵。首先，參與磷脂過氧化的代謝酶LOXs和POR發(fā)揮催化活性需要鐵的參與，而鐵對(duì)于參與細(xì)胞活性氧生成的大量代謝酶也是必不可少的。其次，非酶催化的、鐵依賴的Fenton鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可能對(duì)于鐵死亡是必要的：PLOOHs在GPX4被抑制時(shí)會(huì)持續(xù)存在更長(zhǎng)時(shí)間，從而引發(fā)Fenton反應(yīng)，使鐵死亡標(biāo)志物PLOOHs的含量迅速增加（圖3）。PLOOHs能夠與亞鐵離子和鐵離子反應(yīng)，分別產(chǎn)生自由基PLO?和PLOO?? ，這些自由基與PUFA-PLs反應(yīng)，進(jìn)一步促進(jìn)PLOOH的生成。
考慮到鐵在細(xì)胞生存和死亡中的核心作用，細(xì)胞內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)受到精細(xì)控制并不奇怪。鐵調(diào)節(jié)蛋白IRP1和IRP2參與了與細(xì)胞內(nèi)鐵儲(chǔ)存/釋放和攝入/排出相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)。可以想象，許多細(xì)胞過程通過改變細(xì)胞內(nèi)的不穩(wěn)定鐵含量而改變細(xì)胞對(duì)鐵死亡的敏感性。如轉(zhuǎn)鐵蛋白及其受體通過將鐵導(dǎo)入細(xì)胞而共同促進(jìn)鐵死亡。相反，促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)鐵排出已被證明使細(xì)胞對(duì)鐵死亡具有更強(qiáng)的抵抗力。此外，血紅素加氧酶1（HO-1）介導(dǎo)的血紅素降解會(huì)釋放鐵，也與鐵死亡相關(guān)。然而一系列相互矛盾的數(shù)據(jù)顯示HO-1既可促進(jìn)鐵死亡也可抑制鐵死亡。
最近，對(duì)小鼠模型的體內(nèi)研究進(jìn)一步闡明了鐵調(diào)控在鐵死亡中的作用。例如，敲除鐵蛋白重鏈基因可能通過促進(jìn)鐵死亡導(dǎo)致心肌病。有趣的是，在小鼠肝細(xì)胞中特異性敲除轉(zhuǎn)鐵蛋白導(dǎo)致的表型出人意料：給敲除小鼠喂養(yǎng)富鐵飲食增加了肝細(xì)胞的鐵負(fù)荷（肝細(xì)胞是體內(nèi)合成轉(zhuǎn)鐵蛋白的主要細(xì)胞類型），這導(dǎo)致小鼠更容易出現(xiàn)肝纖維化，親脂性RTAs80（親脂性自由基捕獲型抗氧化劑）可改善這種情況。這項(xiàng)研究進(jìn)一步表明轉(zhuǎn)鐵蛋白表達(dá)缺失后，SLC39A14（一種金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）在肝細(xì)胞中代償性上調(diào)，導(dǎo)致鐵的過量攝入。
2.GPX4非依賴性鐵死亡調(diào)控機(jī)制
盡管半胱氨酸/胱氨酸-GSH-GPX4軸被認(rèn)為是哺乳動(dòng)物中對(duì)抗鐵死亡的主要系統(tǒng)，全基因組篩查最近發(fā)現(xiàn)了GPX4非依賴性的鐵死亡監(jiān)控機(jī)制。
2.1 NAD(P)H/FSP1/CoQ10軸
Conrad團(tuán)隊(duì)和Olzmann團(tuán)隊(duì)分別利用基因抑制劑和CRISPR-Cas9篩選技術(shù)，鑒定出鐵死亡抑制蛋白1 (FSP1)是與硫醇依賴軸不同的第二種鐵死亡關(guān)鍵因子（GPX4非依賴性）。FSP1以前被稱為AIFM2，因?yàn)樗cAIFM1(凋亡誘導(dǎo)因子線粒體相關(guān)1)同源。AIFM1最初被認(rèn)為像AIFM2一樣促進(jìn)凋亡，但現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)AIFM1與線粒體膜間隙蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)及正確折疊相關(guān)。此外，實(shí)際上FSP1缺乏實(shí)質(zhì)性的促凋亡功能，但可以保護(hù)細(xì)胞免受GPX4基因缺失或抑制引起的鐵死亡。
FSP1被肉豆蔻酰化修飾，并與包括細(xì)胞質(zhì)膜、高爾基氏體和細(xì)胞核周結(jié)構(gòu)在內(nèi)的多種細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)相聯(lián)系。突變FSP1的肉豆蔻酰修飾位點(diǎn)會(huì)使它喪失抗鐵死亡功能。機(jī)制上講，由于FSP1具有NADH：泛醌氧化還原酶活性，F(xiàn)SP1通過還原泛醌（CoQ10）/泛醌的不完全氧化產(chǎn)物半氫醌產(chǎn)生泛醇，這能夠直接減少脂質(zhì)自由基，終止脂質(zhì)自氧化反應(yīng)，或者間接的通過促進(jìn)氧化型α-生育酚自由基（維生素E，一種強(qiáng)大的天然抗氧化劑）再生，這是脂類中最強(qiáng)大的天然斷鏈抗氧化劑(圖2B)。這些研究也解決了一個(gè)長(zhǎng)期存在的謎題，即為什么在一些細(xì)胞和組織中存在大量的線粒體外泛醌，而這與泛醌在線粒體電子傳遞鏈中的經(jīng)典功能是不一致的。
2.2 GCH1/BH4/DHFR軸
利用CRISPR/ cas9篩選技術(shù)，GTP環(huán)水解酶-1 (GCH1)最近被報(bào)道可通過其代謝產(chǎn)物四氫生物蝶呤(BH4)和二氫生物蝶呤(BH2)抵抗鐵死亡。BH4被證明可能通過雙重機(jī)制，即既作為直接RTA(需要通過二氫葉酸還原酶DHFR再生)，又參與CoQ10合成，保護(hù)含有兩個(gè)PUFA尾的磷脂免受氧化降解（圖2C）。盡管GCH1在保護(hù)組織和器官免受鐵死亡中的作用仍有待闡明，但已有基因敲除研究表明，GCH1在小鼠體內(nèi)的缺失會(huì)導(dǎo)致小鼠在妊娠中期的心動(dòng)過緩和胚胎死亡。
2.3 鯊烯積累
除了直接調(diào)控脂雙層中的過氧化物或通過一些天然的自由基捕獲型抗氧化劑調(diào)節(jié)磷脂自由基外，細(xì)胞也可能通過一些其他的內(nèi)在機(jī)制保護(hù)自身免受有害的脂質(zhì)過氧化。關(guān)于這點(diǎn)，膽固醇途徑中的一種代謝物鯊烯，已被報(bào)道其積累會(huì)在固醇缺陷型淋巴癌細(xì)胞系和原發(fā)腫瘤中具有抗鐵死亡活性，盡管尚未證明這是癌癥亞型特異性效應(yīng)還是一種普遍的保護(hù)機(jī)制(圖2C)。
二、鐵死亡相關(guān)的信號(hào)通路
不難想象，凡是能夠調(diào)控鐵死亡的生物學(xué)過程，如促進(jìn)或調(diào)控這一過程的分子、氧化還原穩(wěn)態(tài)和鐵穩(wěn)態(tài)以及細(xì)胞代謝，都可能會(huì)影響鐵死亡。正如預(yù)期的那樣，氧化應(yīng)激反應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子NRF2可以通過激活多個(gè)經(jīng)典靶基因的表達(dá)來緩解鐵死亡。此外，越來越多的證據(jù)表明，在特定的生物學(xué)背景下，多種信號(hào)通路可以控制細(xì)胞對(duì)鐵死亡的敏感性。
1. GPX4和FSP1的調(diào)控
雖然GPX4和FSP1在抑制鐵死亡方面扮演著重要的角色，但在生理和病理?xiàng)l件下，GPX4和FSP1是如何在轉(zhuǎn)錄、翻譯以及同等重要的翻譯后/活性水平上發(fā)揮調(diào)控作用，我們還知之甚少。目前已知的是，GPX4和FSP1似乎在某種程度上和甲羥戊酸途徑相交集：甲羥戊酸途徑是蛋白異戊稀化修飾方式之一，可以穩(wěn)定Trsp（硒代半胱氨酸特異性tRNA），而Trsp是合成包括GPX4在內(nèi)的硒酶所必需的，另外，甲羥戊酸途徑的終產(chǎn)物之一泛醌(CoQ10)是FSP1的主要底物。
GPX4是人體內(nèi)25種硒蛋白之一，其表達(dá)受到嚴(yán)格調(diào)控。有研究表明，增加細(xì)胞內(nèi)硒含量可以協(xié)同激活轉(zhuǎn)錄因子TFAP2c和Sp1來促進(jìn)神經(jīng)元中GPX4的表達(dá)。然而值得一提的是，和真正的硒反應(yīng)蛋白P（SELENOP）、GPX1和GPX3不同，GPX4可以被認(rèn)為是一種在大多數(shù)組織和器官中組成性表達(dá)的管家蛋白。已報(bào)道的其他調(diào)控GPX4表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子包括腸上皮細(xì)胞中的CEBP1和C/EBPα和某些癌細(xì)胞中的NF-Y。據(jù)報(bào)道轉(zhuǎn)錄后，GRSF1（鳥嘌呤富含序列結(jié)合因子1）能夠與線粒體型GPX4 mRNA的5’非編碼區(qū)結(jié)合，促進(jìn)線粒體內(nèi)GPX4的翻譯，從而在精子發(fā)育過程中起著重要的作用。然而，以上調(diào)控事件與鐵死亡的關(guān)系尚不明確。
越來越多的證據(jù)表明，GPX4的活性和穩(wěn)定性也受到調(diào)控。例如，持續(xù)的氧化應(yīng)激導(dǎo)致GSH耗竭，這使得GPX4中硒代半胱氨酸活性位點(diǎn)的GSH依賴性還原受損，從而導(dǎo)致GPX4通過β切割過程形成無氧還活性的脫氫丙氨酸和GPX4不可逆的功能失活，此外，在亞硒酸和鄰近氨基酸之間形成的硒酰胺可以保護(hù)酶發(fā)生不可逆失活。然而，在缺血-再灌注損傷(IRI)等病理?xiàng)l件下，這些機(jī)制是否發(fā)揮作用還需要進(jìn)一步研究。盡管有研究報(bào)道稱腸道缺血與較低的GPX4活性和含量有關(guān)。此外，包括RSL3在內(nèi)的多個(gè)鐵死亡誘導(dǎo)劑最終都會(huì)通過硒代半胱氨酸活性位點(diǎn)的共價(jià)修飾、干擾甲羥戊酸代謝以及鐵依賴的氧化應(yīng)激等機(jī)制導(dǎo)致GPX4耗竭。
作為另外一種重要的鐵死亡抑制因子，F(xiàn)SP1最初是作為p53應(yīng)答基因被發(fā)現(xiàn)的，因此FSP1還被稱為p53應(yīng)答基因3（p53-responsive gene 3，PRG3）。FSP1是轉(zhuǎn)錄因子NRF2、CRBP和PPARα的靶基因。有趣的是，據(jù)報(bào)道在T淋巴母細(xì)胞性淋巴瘤細(xì)胞中，長(zhǎng)鏈非編碼RNA MEG3（母系表達(dá)基因3）上調(diào)FSP1的表達(dá)，miR-214下調(diào)FSP1的表達(dá)，而這兩種RNA也同時(shí)參與腫瘤發(fā)展。除了轉(zhuǎn)錄調(diào)控，幾乎沒有人知道FSP1的氧化還原酶活性是如何被調(diào)控的，以及FSP1的亞細(xì)胞定位如何調(diào)控其在不同生理、病理過程中的作用。但FSP1能夠同時(shí)作用于還原性和氧化性底物（如NADH、NADPH、CoQ10和α-生育酚），表明其活性的調(diào)控過程較復(fù)雜。
2. E-cadherin-NF2-Hippo-YAP信號(hào)通路
Hippo-YAP通路具有多種生理功能，包括細(xì)胞增殖和器官大小控制。這條通路在鐵死亡中的作用始于一個(gè)有趣的研究:在半胱氨酸饑餓和GPX4抑制劑的誘導(dǎo)下，高密度生長(zhǎng)的細(xì)胞更能抵抗鐵死亡。這一結(jié)果與更早的一些重要發(fā)現(xiàn)類似，如在極高密度生長(zhǎng)的細(xì)胞或?qū)⒓?xì)胞進(jìn)行球體培養(yǎng)（有利于細(xì)胞與細(xì)胞間接觸）可以提高GPX4敲除細(xì)胞的生存率。從機(jī)制上來講，細(xì)胞密度對(duì)上皮細(xì)胞鐵死亡的調(diào)控作用是由上皮細(xì)胞鈣粘蛋白（E-cadherin）介導(dǎo)的細(xì)胞間接觸所介導(dǎo)，這種細(xì)胞間相互作用能夠通過NF2（也被稱為Merlin）腫瘤抑制蛋白激活細(xì)胞內(nèi)Hippo信號(hào)通路，從而抑制腫瘤蛋白YAP的核轉(zhuǎn)位和轉(zhuǎn)錄活性。由于YAP靶向多個(gè)鐵死亡調(diào)控因子，包括ACSL4、轉(zhuǎn)鐵蛋白受體TfR1等，因此鐵死亡的發(fā)生最終依賴于Hippo通路的活性，抑制Hippo通路和激活YAP均可以促進(jìn)鐵死亡（圖4）。與此一致，研究發(fā)現(xiàn)YAP的同源物TAZ在腎癌細(xì)胞（主要表達(dá)TAZ而不是YAP）中以調(diào)控細(xì)胞密度的方式促進(jìn)鐵死亡。
E-cadherin-NF2-Hippo-YAP通路在調(diào)控鐵死亡方面所發(fā)揮的作用具有重要的意義。首先，由于該途徑的多個(gè)環(huán)節(jié)在癌癥中經(jīng)常發(fā)生突變，誘導(dǎo)鐵死亡可能是治療這種類型癌癥的潛在療法，這個(gè)話題將在下面作進(jìn)一步討論。其次，在不表達(dá)E-cadherin的非上皮細(xì)胞中也觀察到細(xì)胞密度依賴的鐵死亡現(xiàn)象，說明其他類型的鈣粘蛋白（cadherin）或細(xì)胞黏附因子也可能以類似的機(jī)制來抑制鐵死亡。第三，Hippo-YAP通路在發(fā)育過程中起著重要的作用，并且該通路與其他信號(hào)通路相互作用，因此可以通過Hippo-YAP通路研究鐵死亡與其他正常生理功能的聯(lián)系。推測(cè)一下，鈣粘蛋白是否在多細(xì)胞生物中進(jìn)化成這樣一種方式:它們不僅在物理上連接細(xì)胞，通過將信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)到細(xì)胞內(nèi)來介導(dǎo)細(xì)胞間的通訊，而且還作為一種古老的機(jī)制來保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激激損傷，包括氧化應(yīng)激最致命的形式--鐵死亡。所有這些事件都是多細(xì)胞生物存在的必要條件。事實(shí)上，鈣粘蛋白的表達(dá)可以一直追溯到原始的后生動(dòng)物。
3. AMPK信號(hào)通路
直觀地說，能量和代謝應(yīng)激會(huì)引起能量損失，從而導(dǎo)致維持體內(nèi)平衡所需的系統(tǒng)級(jí)聯(lián)失靈，例如能量依賴的跨細(xì)胞膜的離子濃度失衡，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。此外，通過葡萄糖饑餓給予細(xì)胞代謝壓力會(huì)促進(jìn)細(xì)胞中ROS的產(chǎn)生，表明葡萄糖饑餓可能促進(jìn)鐵死亡。令人驚訝的是，葡萄糖饑餓反而抑制細(xì)胞鐵死亡，而這種保護(hù)作用依賴于能量感應(yīng)激酶AMPK的活性。因此，當(dāng)葡萄糖缺乏時(shí)，AMPK被激活，啟動(dòng)了一種能量應(yīng)激保護(hù)程序，以對(duì)抗鐵死亡，這涉及到PUFAs的生物合成受損，而PUFAs是脂質(zhì)過氧化誘導(dǎo)的鐵死亡所必須(圖4)。由于能量應(yīng)激保護(hù)程序的激活可以保護(hù)腎臟免受缺血-再灌注損傷（IRI）。這種保護(hù)機(jī)制可能是是保護(hù)機(jī)體免受能量耗竭導(dǎo)致的器官損傷的第一道防線，而器官損傷往往伴隨著能量衰竭。
4. HIF2α-HILPDA信號(hào)通路
考慮到鐵死亡是由磷脂過氧化引起的，一直以來懸而未決的問題是鐵死亡過程是否依賴于氧濃度。早期實(shí)驗(yàn)表明，在1%氧環(huán)境下erastin誘導(dǎo)的鐵死亡并沒有受到影響，這表明缺氧并不會(huì)抑制鐵死亡。最近的一項(xiàng)研究表明，缺氧實(shí)際上可以引起細(xì)細(xì)胞對(duì)鐵死亡的敏感性，如透明細(xì)胞癌對(duì)GPX4抑制劑引起的鐵死亡高度敏感，這種敏感性是由HIF2α亞型通過缺氧誘導(dǎo)脂滴相關(guān)蛋白(HILPDA)通過PUFA脂質(zhì)重塑驅(qū)動(dòng)的。透明細(xì)胞癌在組織學(xué)上具有典型的清晰胞漿染色，且很難治療，揭示這一發(fā)現(xiàn)的臨床意義。因此推測(cè)，HIF2α-HILPDA驅(qū)動(dòng)的細(xì)胞鐵死亡敏感性很有可能是一種古老的消除新生低氧性腫瘤的方法。
三、鐵死亡相關(guān)的疾病及治療
盡管鐵死亡在生理學(xué)方面的作用還不清楚，但它在人類疾病中的功能已被廣泛研究。重要的是，在不同的臨床前動(dòng)物模型中，鐵死亡的藥理學(xué)調(diào)控被證明是治療癌癥和IRI（缺血-再灌注損傷）的潛在治療方式。在這一部分，我們將重點(diǎn)討論鐵死亡在癌癥和缺血-再灌注損傷中的作用和治療意義，正如Box1中所討論的那樣，鐵死亡與許多其他疾病的發(fā)病機(jī)制有關(guān)。
1. 鐵死亡與癌癥
人們?cè)诎┌Y研究之初就發(fā)現(xiàn)了鐵死亡與癌癥的相關(guān)性。在尋找新的癌癥治療化合物的過程中，發(fā)現(xiàn)了鐵死亡化學(xué)誘導(dǎo)劑。隨后的機(jī)制研究表明許多癌癥相關(guān)基因和信號(hào)通路都可以調(diào)控鐵死亡。對(duì)凋亡和常規(guī)癌癥療法抵抗的間充質(zhì)干細(xì)胞和去分化的癌細(xì)胞，以及被稱為“持續(xù)細(xì)胞”的癌細(xì)胞都對(duì)鐵死亡誘導(dǎo)高度敏感。進(jìn)一步表明誘導(dǎo)鐵死亡作為一種新的癌癥治療方法的前景。
從概念上講，鐵死亡是一種氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡形式，由于癌細(xì)胞整體代謝更活躍和ROS含量更高，因此更容易發(fā)生鐵死亡。此外，有研究表明，癌細(xì)胞通常需要攝入大量的鐵，這可能進(jìn)一步使它們對(duì)鐵死亡敏感。然而，癌細(xì)胞也可能利用遺傳學(xué)或表觀遺傳學(xué)機(jī)制來抵抗這些代謝或氧化壓力，如上調(diào)SLC7A11或者抗氧化轉(zhuǎn)錄因子NRF2的表達(dá)。因此，某種特定的癌細(xì)胞是對(duì)鐵死亡更敏感還是更具有抵抗力是由其特定的遺傳背景決定的。在發(fā)展基于鐵死亡誘導(dǎo)的癌癥療法時(shí)，癌細(xì)胞的基因組學(xué)以及下面討論的其他因素應(yīng)當(dāng)被充分考慮。
1.1 腫瘤抑制中的鐵死亡
多種腫瘤抑制因子被發(fā)現(xiàn)可增強(qiáng)細(xì)胞對(duì)鐵死亡的敏感性，因此，可以合理的推斷鐵死亡有助于這些腫瘤抑制因子的抗腫瘤活性，也就是說，抑制腫瘤可能是鐵死亡固有的生理功能。
在這些腫瘤抑制因子中，p53在鐵死亡中的作用已被透徹研究。Gu等通過詳細(xì)分析p53的特異性賴氨酸乙?；稽c(diǎn)，發(fā)現(xiàn)p53可以通過抑制system Xc亞基SLC7A11的轉(zhuǎn)錄來促進(jìn)鐵死亡，這一功能可能有助于p53在體內(nèi)和體外的腫瘤抑制功能。此外，在非洲人群中發(fā)現(xiàn)一種p53的易患癌癥的單核苷酸多態(tài)性P47S富集，并使癌細(xì)胞對(duì)p24更具抵抗力。雖然這些發(fā)現(xiàn)與鐵死亡在p53介導(dǎo)的腫瘤抑制中的作用一致，但目前還不清楚這些特定突變除了使p53喪失促鐵死亡活性外，是否還有其他功能。值得注意的是，與這些研究結(jié)果相反，p53也被報(bào)道通過調(diào)控其他轉(zhuǎn)錄靶點(diǎn)來抑制鐵死亡。考慮到p53可以調(diào)節(jié)涉及各種生物學(xué)過程的大量靶基因，p53在鐵死亡中的確切作用很可能取決于其所處的特定環(huán)境。
與p53類似，腫瘤抑制因子和表觀遺傳調(diào)節(jié)因子BAP1也可以通過下調(diào)SLC7A11的表達(dá)促進(jìn)鐵死亡。但與p53不同的是，p53的促鐵死亡活性已被證明在體內(nèi)足以抑制腫瘤發(fā)生，而BAP1的促鐵死亡活性對(duì)腫瘤的抑制程度目前還不清楚。
延胡索酸酶，一種催化延胡索酸在三羧酸循環(huán)中轉(zhuǎn)化為蘋果酸的酶，它也是平滑肌瘤和腎乳頭狀細(xì)胞癌中的腫瘤抑制因子。這種代謝酶為何有看似矛盾的抑制腫瘤生長(zhǎng)的功能，以及它為何僅在少數(shù)特定類型的癌癥中發(fā)揮作用，仍不清楚。延胡索酸酶參與線粒體TCA循環(huán)的促鐵死亡功能或許可以解釋這一問題。在某些類型癌癥的發(fā)展過程中，腫瘤細(xì)胞發(fā)生氧化應(yīng)激反應(yīng)，這使得這些細(xì)胞更易發(fā)生鐵死亡。在這些條件下，延胡索酸酶功能的喪失會(huì)損害線粒體的氧化功能，這一方面會(huì)阻礙細(xì)胞生長(zhǎng)，另一方面會(huì)使細(xì)胞對(duì)鐵死亡更加抵抗，從而提高細(xì)胞的生存能力和癌變的可能。
1.2 免疫監(jiān)管中的鐵死亡
不同于其他形式的細(xì)胞死亡，細(xì)胞凋亡、焦亡和壞死等在免疫應(yīng)答中受免疫系統(tǒng)調(diào)節(jié)，而通過外部或內(nèi)部機(jī)制誘發(fā)的鐵死亡是否能起到類似的“生理作用”，在很大程度上仍不清楚。由于鐵死亡的復(fù)雜性和在眾多代謝途徑的直接作用，免疫系統(tǒng)很可能靶向鐵死亡過程中的某些關(guān)鍵步驟。Sato團(tuán)隊(duì)早期研究發(fā)現(xiàn)，干擾素-γ (IFN-γ)可抑制xc-系統(tǒng)的活性，而由CD8+T細(xì)胞產(chǎn)生的IFN-γ最近被證明可能參與了增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞對(duì)鐵死亡的敏感性，但免疫細(xì)胞對(duì)鐵死亡的這種直接誘導(dǎo)機(jī)制是否具有生理意義目前還不清楚。早期研究發(fā)現(xiàn)，IL-4和IL-3抑制GPX4表達(dá)，同時(shí)增強(qiáng)ALOX15的表達(dá)，從而促進(jìn)花生四烯酸代謝物的產(chǎn)生，全面激活免疫系統(tǒng)。由于GPX4可以通過降低脂質(zhì)過氧化物度（lipid peroxide tone）來抑制LOXs和環(huán)加氧酶活性， 因此GPX4活性受損可能對(duì)免疫調(diào)節(jié)性脂質(zhì)介質(zhì)的分泌產(chǎn)生顯著影響，這能夠提醒免疫系統(tǒng)細(xì)胞正處于鐵死亡敏感的環(huán)境中，從而促進(jìn)免疫監(jiān)管。
鐵死亡在免疫應(yīng)答中的作用不僅局限于哺乳動(dòng)物。最近一項(xiàng)研究表明，鐵死亡提高了水稻對(duì)真菌M.Oryzae4感染的宿主免疫力。在水稻中誘導(dǎo)類似鐵死亡過程的細(xì)胞死亡與脂質(zhì)過氧化有關(guān)，可被鐵離子螯合劑抑制，防止真菌稻瘟病菌感染。有趣的是，M.oryzae的特定細(xì)胞發(fā)生類鐵死亡為其入侵宿主和在宿主體內(nèi)發(fā)育所必需。因此，這一發(fā)現(xiàn)也首次表明了鐵死亡在發(fā)育中的潛在功能。
1.3 與鐵死亡相關(guān)的癌癥生物標(biāo)志物和基因突變
多種癌蛋白、腫瘤抑制因子和致癌信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑可調(diào)控鐵死亡。因此，它們?cè)诎┌Y中的變化可以作為生物標(biāo)志物來預(yù)測(cè)癌細(xì)胞對(duì)誘導(dǎo)鐵死亡療法的反應(yīng)。
以E-cadherin-NF2-Hippo-YAP通路為例，基于TCGA分析，腫瘤抑制因子E-cadherin功能缺失突變是乳腺小葉浸潤(rùn)癌（~65%）和彌漫性胃腺癌（~25%）等腫瘤的常見事件；30%的間皮瘤和所有被稱為NF2疾病的良性病變中都發(fā)生了NF2功能缺失突變；同樣地，在多種癌癥中觀察到Hippo通路成員LATS1/2腫瘤抑制因子的突變。雖然很少見到Y(jié)AP基因突變，但YAP基因的過表達(dá)或翻譯后激活卻經(jīng)常在腫瘤中發(fā)生。重要的是，這些基因的惡性突變通常會(huì)導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移，保護(hù)癌細(xì)胞免于凋亡，并使它們對(duì)常見的癌癥療法更具有抵抗性。因此，研究發(fā)現(xiàn)這些突變使癌細(xì)胞對(duì)鐵死亡更加敏感，不僅使這些突變成為誘導(dǎo)鐵死亡治療的潛在生物標(biāo)志物，而且揭示了這些惡性腫瘤細(xì)胞中不尋常的致命弱點(diǎn)，并為通過誘導(dǎo)鐵死亡治療癌癥提供了獨(dú)特的機(jī)會(huì)。對(duì)目前缺乏有效療法的胃癌和間皮瘤來說，這個(gè)機(jī)會(huì)極具吸引力。
1.4 潛在的誘導(dǎo)鐵死亡抗癌療法
目前正在積極開展以誘導(dǎo)鐵死亡為基礎(chǔ)的癌癥治療。雖然檢測(cè)了多種基于非靶向納米顆粒的策略來向腫瘤細(xì)胞內(nèi)輸送鐵、過氧化物和其他有毒物質(zhì)來殺死腫瘤細(xì)胞。但是，多種調(diào)控鐵死亡的酶的發(fā)現(xiàn)使癌癥的靶向治療成為可能，最明顯的靶點(diǎn)可能就是GPX4，因?yàn)樗诖蠖鄶?shù)癌細(xì)胞中都有表達(dá)，且對(duì)癌細(xì)胞的生存至關(guān)重要。然而，GPX4缺乏經(jīng)典的小分子結(jié)合位點(diǎn)，而現(xiàn)有的GPX4抑制劑可以共價(jià)修飾GPX4和其他硒蛋白的硒代半胱氨酸殘基，這會(huì)導(dǎo)致特異性問題和潛在毒性。另外，這些抑制劑本身具有高活性，因此不能在機(jī)體內(nèi)穩(wěn)定存在，不過這個(gè)問題可以通過開發(fā)可在細(xì)胞內(nèi)代謝轉(zhuǎn)化為其活性形式的掩蔽前藥物來解決。然而，主要的障礙是GPX4在各種外周組織中是必不可少的，如腎小管細(xì)胞和小鼠的某些神經(jīng)元亞群，因此，靶向GPX4可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的副作用。
與靶向GPX4不同的是，鑒于小鼠中Slc7a11敲除不會(huì)引起顯著病變，且SLC3A2和/或SLC7A11的表達(dá)與黑色素瘤和神經(jīng)膠質(zhì)瘤患者的臨床預(yù)后呈負(fù)相關(guān)，通過抑制Xc系統(tǒng)限制細(xì)胞內(nèi)（半）胱氨酸含量的方法極具前景。事實(shí)上，在小鼠模型中通過藥理學(xué)或遺傳學(xué)抑制Xc系統(tǒng)來阻止各種癌癥發(fā)生和轉(zhuǎn)移，已取得了很好的研究結(jié)果，與正常組織相比，腫瘤對(duì)Xc系統(tǒng)的抑制更加敏感，這可能是因?yàn)槟[瘤細(xì)胞中更加活躍的代謝和其他變異使其處于持續(xù)的氧化應(yīng)激，從而更容易依賴于Xc系統(tǒng)來緩解ROS毒性。顯然，利用基于抑制Xc系統(tǒng)這一抗癌療法前，需要檢測(cè)患者腫瘤組織中Xc系統(tǒng)的關(guān)鍵以因子或其他生物標(biāo)志物的表達(dá)并進(jìn)行分類。如SLC7A11過表達(dá)可能表示癌細(xì)胞更依賴于胱氨酸來清除ROS，而這些生物標(biāo)志物決定了腫瘤細(xì)胞對(duì)抑制Xc系統(tǒng)的敏感性。
與SLC7A11基因敲除類似，敲除FSP1基因不會(huì)導(dǎo)致胚胎死亡或者出現(xiàn)明顯的病理變化，這表明靶向FSP1有望治療癌癥。此外，F(xiàn)SP1在多種癌細(xì)胞系中高表達(dá)，且在860種癌細(xì)胞系篩選中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)SP1是介導(dǎo)GPX4抑制劑抗性相關(guān)基因中排名最高的基因。GPX4缺失的癌細(xì)胞可以被FSP特異性抑制劑iFSP1有效清除，而在表達(dá)GPX4的癌細(xì)胞中，iFSP1可與RSL3協(xié)同誘導(dǎo)癌細(xì)胞鐵死亡。因此，F(xiàn)SP1抑制劑可能會(huì)進(jìn)入臨床治療，特別是針對(duì)治療耐藥性腫瘤或者表現(xiàn)去分化特征的腫瘤。
基于鐵死亡誘導(dǎo)的抗癌療法也可能與其他治療方法相結(jié)合，例如與免疫檢查點(diǎn)阻斷治療和放射治療結(jié)合。與其他能夠誘導(dǎo)腫瘤組織中的免疫原性細(xì)胞死亡治療結(jié)合使用可以增強(qiáng)免疫檢查點(diǎn)的阻斷效果，因此免疫檢查點(diǎn)阻斷治療與其他治療方法的結(jié)合療法一直被積極研究。有意思的是，Zou等人發(fā)現(xiàn)抗PDL1抗體和免疫檢查點(diǎn)阻斷治療相結(jié)合可以增強(qiáng)鐵死亡誘導(dǎo)療法的效果。他們發(fā)現(xiàn)抗PDL1抗體可以刺激CD8+ T細(xì)胞分泌IFNγ，IFNg隨后引起腫瘤細(xì)胞Xc系統(tǒng)兩個(gè)亞基的下調(diào)，從而使癌細(xì)胞對(duì)鐵死亡敏感。因此，免疫治療聯(lián)合誘導(dǎo)鐵死亡是一種很有前景的治療方法，因?yàn)檫@兩種治療方法可以相互促進(jìn)，達(dá)到協(xié)同抗癌的效果。關(guān)于放射療法，最近有研究發(fā)現(xiàn)，輻射本身可以誘導(dǎo)鐵死亡，也可以與鐵死亡誘導(dǎo)劑和免疫治療協(xié)同作用，這提供了一種有效抗癌的聯(lián)合治療方案。這種方法的抗癌效果在細(xì)胞死亡水平、脂質(zhì)過氧化水平、鐵死亡相關(guān)基因表達(dá)變化和脂質(zhì)組學(xué)變化方面、以及在細(xì)胞系、來源于患者的異種移植癌癥小鼠模型和離體的患者神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞培養(yǎng)中均有體現(xiàn)。此外，有研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞質(zhì)輻射(而不是核輻射)與鐵死亡誘導(dǎo)劑具有協(xié)同抗癌作用，這提示在鐵死亡中，輻射通過消耗GSH和誘導(dǎo)脂質(zhì)過氧化的方式來促進(jìn)細(xì)胞死亡，而不是通過經(jīng)典的DNA損傷作用。
另一方面，放射療法和免疫治療聯(lián)合療法也能提高癌細(xì)胞對(duì)鐵死亡的敏感性，其中，輻照與免疫治療通過DNA損傷激活的ATM激酶和IFNγ協(xié)同降低SLC7A11水平。最后，已有研究證明放射治療可以上調(diào)癌細(xì)胞中ACSL4水平。因此，由輻射誘導(dǎo)的鐵死亡效應(yīng)可能由多種機(jī)制介導(dǎo)，且依賴于胞內(nèi)環(huán)境。但值得注意的是，鐵死亡也被報(bào)道與一些由放射治療引起的不良反應(yīng)有關(guān)，如肺纖維化以及粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞造血祖細(xì)胞的死亡。
2.缺血-再灌注損傷（IRI）與鐵死亡
缺血后再灌注可在受累器官中誘發(fā)大規(guī)模的細(xì)胞死亡和炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致包括腦中風(fēng)、缺血性心臟病和肝腎損傷在內(nèi)的重大疾病。值得注意的是，缺血性心臟病仍然是全球致死率最高的疾病。如下所述，有強(qiáng)力證據(jù)表明，鐵死亡是IRI相關(guān)細(xì)胞死亡的主要誘因，這至少部分是由缺血引起的氧化應(yīng)激所致。這些發(fā)現(xiàn)表明抑制鐵死亡是一種治療缺血性損傷相關(guān)疾病的潛在治療方法。
2.1 鐵死亡對(duì)大腦及心臟的影響
多項(xiàng)研究已證實(shí)鐵死亡在神經(jīng)毒性和腦損傷中的作用，提示抑制鐵死亡具有治療潛力。大鼠海馬切片培養(yǎng)的離體實(shí)驗(yàn)表明，鐵死亡抑制劑ferrostatin-1可阻斷谷氨酸誘導(dǎo)的神經(jīng)元興奮毒性細(xì)胞死亡。由于谷氨酸誘導(dǎo)的神經(jīng)毒性與腦卒中和各種神經(jīng)退行性疾病有關(guān)，且高濃度的胞外谷氨酸可以通過抑制Xc-系統(tǒng)功能誘導(dǎo)鐵死亡，因此鐵死亡可能是這些腦類疾病的發(fā)病機(jī)制之一。遺傳學(xué)研究一致證實(shí)，小鼠條件性缺失Gpx4會(huì)引起類似神經(jīng)退行性病變的癥狀。此外，在不同實(shí)驗(yàn)體系中，鐵離子螯合劑和親脂RTAs被用來測(cè)試對(duì)中風(fēng)及神經(jīng)退行性病變的改善。雖然全身使用鐵螯合劑的副作用仍然是一個(gè)嚴(yán)重的問題，但這些實(shí)驗(yàn)證實(shí)了鐵死亡在這些疾病中的重要作用。
在缺血性心臟病中，鐵死亡的作用也得到了廣泛的研究。在模擬小鼠心臟缺血再灌注損傷的體外系統(tǒng)中，研究表明鐵離子螯合劑和谷氨酰胺分解抑制劑能顯著減少心肌細(xì)胞死亡，緩解心臟組織損傷并改善其功能，提示了靶向鐵死亡在治療缺血性心臟病上的潛在價(jià)值，且最近的小鼠模型體內(nèi)研究中也進(jìn)一步證實(shí)了這一觀點(diǎn)。
為了設(shè)計(jì)可行的鐵死亡靶向療法來治療中風(fēng)和缺血性心臟這樣的致命疾病，需要考慮許多重要因素。例如，這兩種疾病都是非常急性的，只允許短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行干預(yù)，因此，需考慮鐵死亡靶向治療能否及時(shí)應(yīng)用，從而足夠迅速地發(fā)揮其效果？此外，由于鐵死亡有多種代謝途徑，缺血再灌注可能通過選擇性地破壞特定監(jiān)控途徑在不同器官中誘發(fā)鐵死亡，因此我們能否開發(fā)出特異性的鐵死亡抑制劑，可以有效地治療某種疾病，而對(duì)其他器官的副作用達(dá)到最??？
2.2 鐵死亡在與器官移植相關(guān)的缺血-再灌注損傷中的作用
除了大腦，在成年哺乳動(dòng)物中，腎臟可能是對(duì)鐵死亡最敏感的器官；近端腎小管細(xì)胞的存活依賴于功能性GPX4，這些細(xì)胞在腎移植發(fā)生IRI時(shí)處于高風(fēng)險(xiǎn)。
在缺血-再灌注損傷小鼠模型、Gpx4全身敲除小鼠和葉酸誘導(dǎo)急性腎損傷小鼠模型中，鐵死亡抑制劑已被證明可以減輕腎小管細(xì)胞死亡和急性腎功能衰竭。這些研究表明，鐵死亡會(huì)促進(jìn)某些特定分子改變相關(guān)的壞死性炎癥，導(dǎo)致固有免疫系統(tǒng)的激活。肝臟是另一種常見的移植器官，肝細(xì)胞特異性Gpx4敲除小鼠出生不久即會(huì)死亡，但高水平的維生素E飲食可以彌補(bǔ)肝臟中GPX4的缺乏，使小鼠存活。此外，Liproxstatin-1（一種強(qiáng)效鐵死亡抑制劑）可以保護(hù)肝實(shí)質(zhì)組織免受缺血再灌注損傷。同時(shí)，鐵死亡也與心臟移植有關(guān)。總的來說，鐵死亡抑制劑可能是有助于各類器官移植成功的有效藥物。
2.3 缺血再灌注損傷的潛在治療靶點(diǎn)
在鐵死亡代謝網(wǎng)絡(luò)中存在多個(gè)潛在的治療干預(yù)靶點(diǎn)，但在干預(yù)措施的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有其自身的風(fēng)險(xiǎn)和優(yōu)勢(shì)?？紤]到鐵死亡是由磷脂過氧化作用驅(qū)動(dòng)的，那么其中一種策略就是引入阻止過氧化進(jìn)程的藥物。例如，可以使用親脂性RTA（如liproxstatin 1）來防止脂質(zhì)過氧化自由基的擴(kuò)散。這類藥物在鐵死亡的細(xì)胞模型中非常有效，在某些體內(nèi)環(huán)境下也是有效的，然而在考慮人體試驗(yàn)之前，還需要進(jìn)一步改進(jìn)其藥理性質(zhì)。
阻斷脂質(zhì)過氧化的第二種策略是抑制驅(qū)動(dòng)脂質(zhì)過氧化的酶或耗盡不穩(wěn)定的鐵，例如，通過使用鐵螯合劑。鐵螯合劑已在許多臨床適應(yīng)癥探索，但仍存在選擇性和安全性問題亟待解決。另一方面，靶向負(fù)責(zé)產(chǎn)生PUFA-PL和PLOOH的酶，如ACSL4、LPCAT3、LOXs和POR，可能是可行的。并且這些酶類作為已知的分子靶標(biāo)，很適合以靶點(diǎn)為核心的藥物研發(fā)，然而它們?cè)诓煌M織中還具有其他功能，這會(huì)使?jié)撛诘闹委熃Y(jié)果復(fù)雜化。
討論
鐵死亡能夠?qū)㈣F，硒，氨基酸，脂質(zhì)和氧化還原化學(xué)等細(xì)胞代謝中迥然不同的元素聯(lián)系成一個(gè)整體網(wǎng)絡(luò)（圖5），這個(gè)網(wǎng)絡(luò)在正常生理以及多種病理等廣泛的生物學(xué)過程中發(fā)揮著重要作用。從我們目前掌握的資料來看，我們可以概述一下這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)中存在的問題、面臨的挑戰(zhàn)以及對(duì)潛在預(yù)期成果的展望。
該圖描述了與鐵死亡跨學(xué)科領(lǐng)域相關(guān)的一系列領(lǐng)域，以及與鐵死亡相關(guān)的一些疾病。漩渦代表與鐵死亡有關(guān)的疾病：轉(zhuǎn)移性癌癥、耐藥癌癥、腫瘤抑制，神經(jīng)退行性病變、缺血性器官損傷、心臟損傷和器官移植等。氧化還原生物學(xué)、硒、鐵、脂質(zhì)和氨基酸代謝(流)從不同方面影響鐵死亡。
首先，討論大家都擔(dān)憂的情況。盡管人們對(duì)鐵死亡的概念及其與生物學(xué)各個(gè)方面的相互聯(lián)系充滿研究熱情，但必須小心謹(jǐn)慎地嚴(yán)格測(cè)試鐵死亡在生物過程中的作用。單用一種鐵死亡抑制劑抑制細(xì)胞死亡不能作為鐵死亡參與某些過程的充分證據(jù)。目前對(duì)鐵死亡的定義是鐵耗竭和親脂性 RTA 抑制的細(xì)胞死亡過程，例如 ferrostatin-1、liproxstatin-1、維生素 E 或 CoQ10。 這兩方面都至關(guān)重要，因?yàn)榇嬖诓煌阼F死亡的鐵依賴性致死機(jī)制，例如可能涉及溶酶體毒性，以及獨(dú)立于鐵的氧化應(yīng)激機(jī)制。我們建議增加另一項(xiàng)要求：直接檢測(cè)脂質(zhì)過氧化(使用LC-MS/MS，熒光染料，或抗體，如1F)。最近報(bào)道的另一個(gè)潛在的標(biāo)志物是TfR1的動(dòng)員和上調(diào)。雖然其普遍性還有待確定，但這一新的標(biāo)記可以區(qū)分氧化應(yīng)激和鐵死亡。其他的鐵死亡標(biāo)記對(duì)這一領(lǐng)域具有很高的價(jià)值。另一個(gè)值得關(guān)注的問題是在鐵死亡研究中使用的各種不恰當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)方法，這在任何新興領(lǐng)域都是一個(gè)不可避免的問題。為了解決這個(gè)問題，Box-2和Box-3提出了一個(gè)關(guān)于鐵死亡研究的實(shí)用指南，描述了在體內(nèi)和體外研究鐵死亡需要考慮的因素。特別地，我們列出了一些在文獻(xiàn)中經(jīng)常出現(xiàn)但在未來的研究中應(yīng)該避免的不恰當(dāng)?shù)墓ぞ吆头椒ā?/p>
其次，討論目前遇到的主要挑戰(zhàn)。盡管在理解鐵死亡調(diào)控機(jī)制方面取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，但我們?nèi)匀徊恢兰?xì)胞最終是如何死亡的。目前確定的最下游步驟是PUFA-PLs的失控過氧化，過氧化的磷脂有可能造成膜損傷甚至膜穿孔，從而損害膜的完整性。然而，最近的研究發(fā)現(xiàn)，含有兩個(gè)PUFA尾的磷脂對(duì)于驅(qū)動(dòng)鐵死亡效果較好，這表明脂質(zhì)交聯(lián)可能是鐵死亡膜損傷的原因之一。在這種情況下，脂質(zhì)交聯(lián)導(dǎo)致的膜組分流動(dòng)性受限可能會(huì)導(dǎo)致一些膜相關(guān)的重要功能的喪失，從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡(類似于在體內(nèi)看到的血管硬化)。當(dāng)然，還存在其他的可能性，比如PUFA-PLs氧化分解成活躍的親電分子，然后破壞其他大分子。在這個(gè)模型中，活躍的親電分子在鐵死亡中起的作用和caspase在細(xì)胞凋亡中的作用類似—使細(xì)胞內(nèi)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和功能蛋白失活。我們希望在未來幾年內(nèi)能明確闡明鐵死亡導(dǎo)致細(xì)胞死亡的具體機(jī)制。
最后，我們預(yù)測(cè)了未來在鐵死亡領(lǐng)域的一些潛在預(yù)期成果。精確鑒定鐵死亡的體內(nèi)生物標(biāo)記，類似于用剪切型Caspase 3來指示細(xì)胞凋亡的作用，對(duì)于確定這種細(xì)胞死亡模式的生理功能和治療潛力至關(guān)重要；找到能夠在非病理學(xué)背景下觸發(fā)鐵死亡的潛在自然誘導(dǎo)劑或生理信號(hào)仍然是一個(gè)燃眉之急，相信可能會(huì)在未來幾年取得突破。一些分子如谷氨酸、p53、鐵、輻射和PUFA-PLs可能被認(rèn)為是（或接近于）誘導(dǎo)鐵死亡的病理生理觸發(fā)物。谷氨酸是一種含量豐富的神經(jīng)遞質(zhì)，過量的細(xì)胞外谷氨酸足以抑制system Xc–功能從而導(dǎo)致鐵死亡。自然狀態(tài)下，細(xì)胞外谷氨酸的這種作用可能被用來在發(fā)育或其他生理環(huán)境下誘導(dǎo)鐵死亡，比如在神經(jīng)回路的形成過程中消除不必要的神經(jīng)元。腫瘤抑制劑p53能誘導(dǎo)鐵死亡從而抑制腫瘤發(fā)生，在存在基底脂質(zhì)過氧化物損傷的情況下誘導(dǎo)p53可能是一種通過鐵死亡清除應(yīng)激態(tài)細(xì)胞的自然方法。在不同的模型系統(tǒng)中，高水平的鐵本身可以觸發(fā)鐵死亡，這就表明在某些情況下，釋放鐵蛋白儲(chǔ)存的鐵或增加鐵的輸入可能是通過鐵死亡清除細(xì)胞的一種手段。低到中等劑量的電離輻射已被證明可以誘導(dǎo)鐵死亡。在高劑量輻射或細(xì)胞的輻射保護(hù)性機(jī)制被破壞的情況下，可能會(huì)自然誘發(fā)細(xì)胞鐵死亡?？紤]到輻射水平，也有人猜測(cè)，火星上可能曾經(jīng)有過生命，但由于星球表面的強(qiáng)烈輻射，生命消亡了或者轉(zhuǎn)移到了地下。因此，可以推測(cè)，鐵死亡是所有生命固有的，需要不斷與之對(duì)抗——通過建立抗鐵死亡機(jī)制網(wǎng)絡(luò)，使生命得以生存和進(jìn)化。抑制這些保護(hù)機(jī)制則是驅(qū)動(dòng)鐵死亡的自發(fā)性誘因。最后，在某些情況下，PUFA攝取和PUFA-PL合成可能足以誘導(dǎo)鐵死亡，這種情況下，細(xì)胞會(huì)受到胞外環(huán)境中的PUFA（例如其他細(xì)胞或病原體釋放出來的）誘導(dǎo)而死亡，或受到刺激后促進(jìn)PUFA-PL合成酶類（LPCAT3和ACSL4）的表達(dá)，誘導(dǎo)細(xì)胞死亡。這其中的一些機(jī)制可能參與了組織大小的發(fā)育調(diào)控、腫瘤抑制或免疫系統(tǒng)對(duì)受感染細(xì)胞的清除。
總而言之，有許多可以預(yù)見的機(jī)會(huì)可用來闡明鐵死亡的發(fā)生機(jī)制以及其自然用途。這些研究將擴(kuò)展鐵死亡在生理和病理下功能的廣度。
box1 ：與鐵死亡相關(guān)的疾病
除了癌癥和缺血性器官損傷，鐵死亡與越來越多的其他疾病的發(fā)病機(jī)制有關(guān)，如神經(jīng)退行性疾病、肝和肺的纖維化、自身免疫疾病、結(jié)核分枝桿菌誘導(dǎo)的組織壞死、吸煙相關(guān)的慢性阻塞性肺病以及罕見的遺傳性神經(jīng)疾病Pelizaeus–Merzbacher。雖然這些例子說明了鐵死亡調(diào)控療法具有臨床意義和治療潛力，但鐵死亡是否是這些疾病的致病因素，還需要進(jìn)一步研究。如：在大多數(shù)情況下疾病組織中發(fā)生非凋亡性細(xì)胞死亡，而鐵死亡抑制劑（通常是親脂性RTA）可以緩解這種細(xì)胞死亡，并在某些情況下改變病情的嚴(yán)重程度。然而，脂質(zhì)過氧化物可以調(diào)節(jié)免疫和炎癥，而上述所列舉的疾病都與免疫和炎癥密切相關(guān)。因此，需要仔細(xì)區(qū)分親脂性RTA是通過調(diào)節(jié)炎癥還是鐵死亡來發(fā)揮作用，或者二者皆有。進(jìn)一步研究細(xì)胞死亡相關(guān)機(jī)制，包括檢測(cè)體內(nèi)特異性鐵死亡生物標(biāo)志物（這方面研究目前很缺乏），將是闡明鐵死亡在疾病中作用的關(guān)鍵。
box2 ：鐵死亡誘導(dǎo)模型使用中的潛在問題
細(xì)胞對(duì)鐵死亡的敏感性不可避免的與其胞內(nèi)和胞外的氧化還原狀態(tài)有關(guān)。例如，由于培養(yǎng)基中缺乏半胱氨酸，在許多細(xì)胞系中都存在system Xc–亞基SLC7A11的表達(dá)上調(diào)，在離體培養(yǎng)的細(xì)胞和器官中該亞基的表達(dá)則會(huì)被快速誘導(dǎo)。在小鼠中，機(jī)體對(duì)Slc7a11敲除具有很好的耐受性，因?yàn)榘腚装彼釙?huì)以還原態(tài)形式存在于體內(nèi)，并被中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白吸收到細(xì)胞中，而在體外培養(yǎng)時(shí)幾乎所有表達(dá)system Xc–的細(xì)胞系在敲除SLC7A11后都是致死的，這是因?yàn)轶w外培養(yǎng)時(shí)，培養(yǎng)基中所有的半胱氨酸均以氧化形式存在。細(xì)胞培養(yǎng)和體內(nèi)研究中顯著的氧化還原狀態(tài)差異使得對(duì)僅基于體外研究的結(jié)果進(jìn)行解釋時(shí)要更慎重。同樣重要的是，當(dāng)使用system Xc–抑制劑時(shí)，需要評(píng)估SLC7A11是否在待研究的細(xì)胞系中表達(dá)。令人擔(dān)憂的是，目前許多可用的抗SLC7A11的抗體都是非特異性的，不適用于確定SLC7A11的表達(dá)水平。
當(dāng)干預(yù)GPX4的活性時(shí)，需要考慮GSH和其他含硫醇化合物甚至蛋白質(zhì)硫醇都能夠作為GPX4的底物。因此，當(dāng)利用鐵死亡誘導(dǎo)劑作用于（半）胱氨酸—system Xc–—GSH—GPX4軸的不同階段時(shí)，GPX4的底物廣泛性需要被特別考慮。值得注意的是，不同的血清含有不同含量的硒和維生素E。由于GPX4需要硒進(jìn)行生物合成，而維生素E是一種能夠抗磷脂過氧化的有效抗氧化劑，不同的細(xì)胞培養(yǎng)血清可能會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生巨大影響。這個(gè)問題在使用Gpx4敲除小鼠時(shí)也存在，因?yàn)樾∈笫澄镏芯S生素E含量（生育醇和生育三醇）可能有所不同，從而對(duì)Gpx4敲除小鼠的表型產(chǎn)生重要影響。因此，在今后的研究中，在使用病理模型或異種腫瘤移植時(shí)也應(yīng)考慮到這一點(diǎn)。與此一致的是，在某些情況下補(bǔ)充硒和維生素E已經(jīng)被證明可以促進(jìn)癌癥。
box3：使用藥理學(xué)工具檢測(cè)鐵死亡時(shí)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)考量
小分子工具對(duì)檢測(cè)鐵死亡很有價(jià)值，然而，在使用這些工具時(shí)，必須考慮一些涉及特異性、生物學(xué)相關(guān)性、藥代動(dòng)力學(xué)和藥效動(dòng)力學(xué)的問題。首先，當(dāng)使用某種酶的藥理抑制劑來評(píng)估該酶是否調(diào)控鐵死亡時(shí)，需要確定該抑制劑本身是否是一種親脂自由基捕獲型抗氧化劑，從而具有不依賴于酶反應(yīng)的鐵死亡抑制效應(yīng)，例如在一些涉及脂加氧酶抑制的研究中就存在類似問題。其次，需要在使用的實(shí)驗(yàn)體系中驗(yàn)證給定的小分子探針是否會(huì)影響所研究的靶點(diǎn)或途徑。例如，在使用RSL3抑制谷胱甘肽過氧化物酶4（GPX4）或使用erastin抑制system Xc–胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)體時(shí)，必須使用生化分析或相應(yīng)靶點(diǎn)抑制的藥理學(xué)標(biāo)志物來檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)置中的探針是否確實(shí)抑制了這些靶點(diǎn)。此外，當(dāng)在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中使用小分子化合物時(shí)，首先需要確定合適的試劑配方和給藥途徑，以在靶組織中達(dá)到有意義的藥代動(dòng)力學(xué)特征和藥效學(xué)反應(yīng)。由于溶解性、穩(wěn)定性和/或藥代動(dòng)力學(xué)較差，許多在細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中效果好且特異性高的小分子探針在動(dòng)物模型中無法應(yīng)用。一些常見的方法是不合適的，并且應(yīng)該避免的，在下面簡(jiǎn)單列舉：
RSL3溶解度低，在小鼠體體內(nèi)難以測(cè)定藥代動(dòng)力學(xué)，這限制了其在組織或腫瘤直接注射時(shí)的適用性；erastin，同樣具有低溶解度和低代謝穩(wěn)定性[值得注意的是，其衍生物咪唑酮erastin（IKE）具有良好的溶解性、高穩(wěn)定性，在小鼠中具有良好的藥代動(dòng)力學(xué)和藥效學(xué)，并已在體內(nèi)研究中得到驗(yàn)證]；ferrostatin-1也不適用于體內(nèi)研究，而liproxstatin-1和維生素E可以在體內(nèi)用作鐵死亡的抑制劑。
在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，使用鐵離子螯合劑作為鐵死亡抑制的唯一手段而獲得的數(shù)據(jù)也應(yīng)謹(jǐn)慎處理，因?yàn)楹谋M鐵除了抑制鐵死亡外，還可能導(dǎo)致其他后果，且目前尚不清楚某些特定的結(jié)果是由于鐵離子被螯合還是由于化合物脫靶效應(yīng)所導(dǎo)致的。通過在培養(yǎng)基中添加鐵（鐵或亞鐵）誘導(dǎo)或增強(qiáng)培養(yǎng)細(xì)胞鐵死亡并不適用于鐵死亡機(jī)制的研究，這是因?yàn)橛坞x的鐵離子遇到氧和微量脂質(zhì)過氧化物（由細(xì)胞意外死亡或其他誘導(dǎo)劑觸發(fā)的鐵死亡產(chǎn)生）時(shí)會(huì)催化Fenton鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，從而放大胞外脂質(zhì)過氧化作用并迅速殺死細(xì)胞。
題外話
在這篇綜述發(fā)表不久后，美國(guó)德克薩斯大學(xué)MD安德森癌癥中心的甘波誼教授團(tuán)隊(duì)在 Nature雜志發(fā)表題為“DHODH-mediated ferroptosis defence is a targetable vulnerability in cancer的文章，提出了獨(dú)立于經(jīng)典的GPX4信號(hào)通路的鐵死亡抑制因子DHODH（二氫乳清酸脫氫酶），可以說DHODH, FSP1和GPX4在細(xì)胞中形成了三足鼎立之勢(shì)來共同防御鐵死亡。最近幾年，有關(guān)鐵死亡的研究如同雨后春筍一般涌現(xiàn)，鐵死亡作為新興的領(lǐng)域，相信未來也會(huì)有更多相關(guān)的研究出現(xiàn)，這對(duì)闡明鐵死亡的機(jī)制具有重大意義。最后，小編想說，搞科研要與時(shí)俱進(jìn)，緊跟熱點(diǎn)，不斷更新自己的知識(shí)儲(chǔ)備，才能迸發(fā)出更好的科研思路。
