铁死亡与自噬在疾病中的研究进展

彭霞，方聪聪，徐宇明综述 姚宝珍审校

早在铁死亡被命名之前，研究者们就已经发现了erastin、RSL3可以诱导细胞以一种不同于凋亡的方式死亡，且这种细胞死亡方式可以被铁螯合剂及抗氧化剂抑制，从而明确了这种细胞死亡方式与细胞内铁和活性氧(ROS)有关。2012年，Dixon等[1]发现这种细胞死亡方式在形态学、生化和遗传学上均与凋亡、坏死及自噬不同。由于这种细胞死亡方式特异地依赖于细胞内铁，故将其命名为铁死亡。铁死亡的机制尚未完全阐明，研究发现铁死亡存在复杂的细胞内调控机制，铁代谢、氨基酸代谢及脂质代谢都参与其中。自噬广泛存在于真核生物中，是依赖于细胞内溶酶体分解衰老或损伤的大分子或细胞器的过程，从而维持细胞内稳态[2]。然而，当细胞面对各种不利因素刺激时，自噬会过度激活。过度激活的自噬可以导致细胞发生自噬性死亡[3]。铁死亡和自噬作为2种不同的生物过程，在细胞内发挥着各自重要的作用。在铁死亡发现之初，研究者们认为这是一种与自噬截然不同的细胞死亡方式。近年来，虽然仍然存在很多争议，但是越来越多的研究在逐渐揭示铁死亡与自噬的关系,并在不同的疾病中证实。

1 铁死亡的发生机制

1.1 细胞内铁与铁死亡 铁作为生命必需的微量元素之一，主要以二价和三价铁离子的形式存在于机体内。正常情况下，小肠吸收或红细胞降解释放出的亚铁离子(Fe2+)被氧化为三价铁离子(Fe3+)，Fe3+经膜上转铁蛋白(transferrin，TF) 、膜蛋白转铁蛋白受体 1(transferrin receptor protein 1，TFR1) 的作用后内吞入胞体。内吞入细胞内的Fe3+被还原成亚铁离子Fe2+,然后由二价金属离子转运蛋白1(divalent metal transporter1，DMT1 ) 或锌铁调控蛋白家族 8 /14 (ZRT /IRT-like proteins 8 /14，ZIP8 /14) 介导 Fe2+储存到细胞内不稳定的铁池(labile iron pool，LIP) 中和铁蛋白轻链多肽(ferritin light chain，FTL) 与铁蛋白重链多肽 1(ferritin heavy chain 1，FTH1) 组成的铁储存蛋白复合物中。剩余部分亚铁离子将被氧化成 Fe3+出胞，参与体内铁再循环，严格把控细胞内铁稳态。

铁参与了生物体很多重要的功能，包括新陈代谢、氧转运、抗氧化反应及DNA合成等一系列生物过程。Fe-S是线粒体电子传递链中氧化还原酶类的重要辅助因子，如NADH、辅酶Q等。活性氧(reactive oxygen species，ROS)的产生与铁稳态的扰动密切相关，而铁硫团簇(iron-sulfur cluster，ISC)机械系统功能障碍明显加剧了ROS的产生[4]。然而，细胞内过多的铁通过芬顿反应产生羟自由基，从而促进不饱和脂肪酸(PUFAs)的羟化,由此产生的脂质过氧化物和氢过氧化物严重影响细胞膜的结构和功能[5]，这个过程就是铁死亡。铁死亡过程可以被铁螯合剂阻断，说明细胞内铁与铁死亡密切相关[6]。而这些有毒的脂质过氧化物，在谷胱甘肽和谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)的作用下才可以转变为为无毒的醇类物质，从而避免其对细胞的杀伤作用[7]。

虽然细胞内铁与铁死亡密切相关，但是细胞内铁在铁死亡中的具体作用机制至今仍不明确。Dixon等[8]认为铁螯合剂抑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。也有报道提出,铁螯合剂能够直接作用于含铁离子的酶,其中以脂氧合酶的可能性最大[9]。

1.2 XC-系统与铁死亡 胱氨酸—谷氨酸反向转运系统(XC-系统)是一个广泛分布于磷脂双分子层的氨基酸逆向转运体，由轻链 xCT (SLC7A11) 和重链4F2( SLC3A2) 组成[10]。通过XC-系统，胱氨酸与谷氨酸(GLu)以1∶1 的比例在细胞内外进行交换。在细胞内，胱氨酸被谷胱甘肽(GSH) 或硫氧还蛋白还原酶1 还原为半胱氨酸，在γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶和谷胱甘肽合成酶的作用下进一步合成GSH[11]。细胞摄取半胱氨酸是谷胱甘肽合成的关键步骤，GSH的产生和维持对保护细胞免受氧化应激反应所造成的损伤至关重要，而半胱氨酸的含量需要转硫途径的调节[12-13]。Kang等[14]发现高浓度Glu孵育神经细胞可以抑制XC-系统，从而抑制胱氨酸的摄入，引起细胞内谷胱甘肽减少和ROS的聚集，而抑制铁死亡可以抑制Glu引起的神经元死亡。这些研究都表明XC-系统参与了铁死亡过程。当XC-系统被抑制时，胱氨酸不能转入细胞内，谷胱甘肽合成减少，不能将有毒的脂质过氧化物还原成无毒的醇类物质，进而诱导了铁死亡的发生。

1.3 GPX4 与铁死亡 抑制XC-系统导致GSH减少和活性氧的聚集。当XC-系统功能正常且GSH正常合成时，GSH也必须在GPX4的作用下将有毒的脂质过氧化物还原成无毒的醇类物质。GPX4是铁死亡关键的调节因子，在预防脂质过氧化中起着至关重要的作用[15]。研究发现,GPX4是唯一一种能够降低生物膜内脂质过氧化氢的酶，所以当GPX4功能受限时，GSH并未耗竭，但脂质ROS明显升高；其次，GSH是GPX4活性的一个必要的辅助因子[16]。GPX4被抑制时将导致脂质ROS的形成及脂质过氧化，最后诱导铁死亡的发生[17]。

1.4 脂质过氧化物与铁死亡 不饱和脂肪酸在氧存在情况下很容易发生脂质过氧化，这种过氧化反应在铁的存在下会加剧[18]，其中与铁死亡密切相关的不饱和脂肪酸包括花生四烯酸和肾上腺酸。酯酰基辅酶A合成酶长链家族成员4 (AcylCo A synthetase long-chain familymember4,ACSL4) 和脂质重塑相关的溶血卵磷脂酰基转移酶3 (lysophosphatidyl-choline acyltransferase 3,LPCAT3)是参与脂质过氧化物形成的2种关键酶，在它们的作用下，不饱和脂肪酸转化成脂质过氧化物[19-20]。脂质过氧化的积累会不可避免地会造成很大的损伤。丙二醛(MDA)是活性氧作用于生物膜不饱和脂肪酸而产生的脂质过氧化反应的最终产物。其积累可引起蛋白质与核酸的交联聚合，导致膜结构的不可逆破坏，最终导致细胞死亡[21]。

2 自噬的过程

相较于铁死亡，自噬的研究则更深入。目前研究认为，自噬主要有3种形式：(1) 巨自噬，细胞内损坏的蛋白质、细胞器及胞内病原体等被细胞质产生的膜结构包裹,形成自噬体，最终与溶酶体融合后被降解; (2) 微自噬，被降解物直接被溶酶体通过变形运动进行内吞,使其降解，这个过程不形成自噬体; (3) 分子伴侣介导的自噬，待降解物需要与分子伴侣结合,然后被溶酶体上的溶酶体相关膜蛋白 (lysosomal associated membrane protein,LAMPs) 识别,并最终被溶酶体降解[22]。目前研究较多的自噬类型为巨自噬(以下简称为“自噬”)。自噬是一个复杂的过程，具体包括4个步骤：自噬的诱发；隔膜的延伸、闭合，形成自噬体；自噬体与溶酶体结合，形成自噬溶酶体；自噬体和内部物质的降解[23]。

随着对自噬研究的深入，人们发现自噬也是有选择性的。细胞内存在这一些特殊的自噬，它们在某些特定的条件下对某种大分子或者细胞器进行特定的降解[24]，如线粒体自噬、内质网自噬、过氧化物酶体自噬、核糖体自噬和脂类自噬。

3 铁死亡与自噬的关系

铁死亡在发现之初，人们认为它是一种在生化、形态及基因水平与凋亡、坏死及自噬不同的细胞死亡途径[25]，然而随着研究的不断推进，越来越多的证据表明铁死亡的发生需要自噬机制的参与[26]。Hou等[27]通过在永生化小鼠胚胎成纤维细胞(MEFs)、人胰腺癌细胞系(PANC1 和 PANC2.03)和人纤维肉瘤细胞系HT-1080中敲低ATG5和ATG7抑制自噬后发现细胞内游离铁水平和脂质过氧化终产物(如 MDA)水平均显著下降，而细胞内稳定铁蛋白标志物FTH1的表达显著上升，该研究首次从基因层面揭示了自噬和铁死亡关系。Zhou等[28]通过实验进一步证实了这种关系，发现这种特殊的自噬过程是以铁蛋白为底物的。之后，许多研究证实与铁死亡密切相关的大分子物质参与自噬的发生过程中。GSH、GPX4及脂质过氧化物都是铁死亡过程中关键的大分子物质，研究表明在饥饿和氧化应激等条件下，自噬发生时伴随着GSH的下降[29]；而GPX4过表达可抑制ROS介导的自噬的发生，脂质过氧化物可以促进自噬体的形成[30-31]。核受体辅激活因子4(NCOA4) 是铁自噬过程中的选择性受体[32]，而下调NCOA4可以抑制erastin诱导的铁死亡。脂质自噬介导的脂滴降解可以促进铁死亡的发生[33]。其他如SLC7A11、NRF2、p53、HSPB1和ACSL4 等铁死亡调控因子已经被证实是自噬的潜在调控因子。目前越来越多的研究证实过度的自噬可以促进铁死亡。然而，也有一些学者通过实验证实，铁死亡的发生可独立于自噬。

4 铁死亡与自噬在疾病中的研究

4.1 铁死亡与自噬在神经系统疾病中的研究 蛛网膜下腔出血(subarachnoid hemorrhage,SAH)是神经系统疾病中重要的一种。梁译丹等[33]研究证实，在SAH的大鼠模型中，通过侧脑室注射慢病毒沉默ATG5mRNA的表达从而抑制自噬。与单纯SAH组相比，慢病毒干预组PCR显示ATG5 mRNA显著降低；Western-blot检测结果显示ATG5和LC3Ⅱ/Ⅰ蛋白表达量显著降低(P<0.05)，表明自噬被成功抑制。与此同时，与SAH组相比，慢病毒干预组的铁死亡标志物FTH1和GPX4表达升高(P<0.05)，GSH 含量提高，细胞内铁沉积减少，铁含量、MDA 减少。上述研究结果表明自噬通过降解铁蛋白，促进铁死亡。该研究认为铁死亡的发生依赖于自噬的介导，在这之中铁蛋白发挥重要的中介作用。与之前的研究结果一致[28-29]，即自噬通过降解铁蛋白，增加细胞内游离铁离子的浓度，从而促进铁死亡。这项研究为铁死亡和自噬的相关性提供了实验依据。

4.2 铁死亡与自噬在循环系统疾病中的研究 Chen等[34]研究证实，在心力衰竭模型中，自噬铁死亡是同时发生的。激活的自噬与铁死亡与心力衰竭的发生发展密切相关。而Baba等[35]在心肌梗死的研究中得出了不同的结论，认为雷帕霉素机制靶点(mTOR)可以抑制心脏细胞中铁死亡的发生，从而发挥保护性作用。与此同时，mTOR介导的对铁死亡的抑制过程中并没有伴随着自噬标志物的改变，这提示铁死亡可独立于自噬发生。

4.3 铁死亡与自噬在肿瘤中的研究 香蒲新苷(typhaneoside)是一种可显著降低急性髓系白血病(acute myeloid leukemia，AML)细胞活力的药物。研究表明，香蒲新苷可通过作用于AMP活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)信号通路激活自噬，从而进一步激活自噬依赖的铁蛋白的降解，最终诱导铁死亡的发生，而抑制自噬后则可以抑制这种细胞死亡方式[36]。这充分说明在香蒲新苷促进AML细胞发生铁死亡的过程是依赖于自噬的激活的。该研究再次为铁死亡和自噬的相互关系提供了充分的实验依据。而铁死亡与自噬在乳腺癌中的研究得出了不一样的结论。联合使用西拉米辛和拉帕替尼可以显著诱导乳腺癌细胞发生铁死亡，也可诱导细胞发生自噬性死亡。但是Ma等[37]通过实验证实这种联合用药诱导乳腺癌细胞发生自噬性死亡在时间上是落后于铁死亡的。这表明在西拉米辛和拉帕替尼治疗乳腺癌的过程中，铁死亡与自噬是独立发生的。铁死亡的发生并不总是依赖于自噬，铁死亡与自噬的关系仍未明确，其内在联系更为复杂，需要学者们更多的研究与探索。

5 小 结

铁死亡作为一种新型的细胞死亡方式，与多种疾病的发生发展密切相关。自噬作为一种保守的大分子或细胞器的降解过程，在病理情况下也会导致细胞的死亡。关于铁死亡与自噬的关系，目前尚无统一结论。虽然越来越多的研究证实铁死亡的发生伴随着自噬的激活，但是也有不少的研究表明铁死亡可独立于自噬的激活而存在。铁死亡与自噬的关系目前仍有许多未知的问题，且它们在疾病中的关系也处在研究的初级阶段，未来将在进一步的研究中深入揭示两者间的联系。