铁死亡及其与细胞适应性调节的关系研究进展

黄江姗，晏馥霞

(中国医学科学院阜外医院麻醉科，北京 100037)

细胞死亡是一个基本的生物过程，活细胞有多重死亡形式。其中，被动死亡包括细胞坏死等，主动死亡包括细胞凋亡等。2012年，一种新型的细胞死亡形式——铁死亡被定义[1]。铁死亡是一种铁依赖的受调控的细胞死亡形式，以脂质过氧化反应为特征。铁死亡过程涉及细胞代谢功能失调，胞质和胞膜同时产生的自由基致使细胞发生脂质过氧化损伤。铁死亡在形态、生化和遗传上均与凋亡、坏死和自噬等细胞死亡形式存在区别[1]。铁死亡的独特形态学特征是线粒体体积缩小、膜密度增高、外膜破裂和嵴变少或消失，细胞增大，质膜破裂，胞核正常，但染色质缺乏聚集[2-4]；生化特征是谷胱甘肽(glutathione，GSH)耗竭，GSH过氧化物酶(GSH peroxidase，GPX)4活性降低，脂质过氧化物不能通过基本的代谢途径(GPX4催化的GSH还原酶反应)代谢，亚铁离子(Fe2+)水平增高，氧化脂质导致自由基大量堆积；此外，在调控铁稳态和脂质过氧化代谢方面，细胞的基因水平也发生了相应变化[5]。

研究表明，不同疾病过程中均存在铁死亡，调控铁死亡可能成为相关疾病的新型治疗方式[6]。在肿瘤治疗中，诱导肿瘤细胞铁死亡可以达到抑制肿瘤的目的；在神经退行性疾病治疗中，抑制神经细胞铁死亡可以延缓疾病进展；在器官缺血再灌注损伤治疗中，抑制铁死亡可减轻器官的缺血再灌注损伤[7-8]。现就铁死亡及其与细胞适应性调节的关系研究进展予以综述。

1 铁死亡的发生

铁是维持生命的重要微量元素，参与细胞氧转运、ATP和DNA合成。在人体，血液中游离的Fe3+结合转铁蛋白形成的复合物可通过结合细胞膜上的转铁蛋白受体，将Fe3+转运入细胞内并形成内涵体。Fe3+在内涵体中被前列腺跨膜上皮抗原3还原为Fe2+，随后Fe2+通过二价金属离子转运体1进入细胞质。细胞中的Fe2+被储存在胞质的铁蛋白中，而多余的Fe2+则被氧化成Fe3+并泵出细胞[9]。有研究指出，培养基中加入转铁蛋白可导致细胞内铁超载，使小鼠胚胎成纤维细胞广泛死亡[10]。去铁胺是一种铁螯合剂，可与游离铁结合阻断铁死亡；而不稳定的Fe2+水平升高会使细胞对铁死亡敏感[11]。可见，铁稳态失调是细胞发生铁死亡的基础。

脂质过氧化在铁死亡的发生中起核心作用。在各种脂质中，多不饱和脂肪酸是细胞发生脂质过氧化反应诱导铁死亡的关键底物。在病理条件下，细胞铁代谢紊乱导致铁超载，细胞内过量的Fe2+可通过Fenton反应直接催化脂质自由基生成[12]，细胞膜、质膜等由于含有多不饱和脂肪酸易与脂质自由基发生过氧化反应[13]，从而引发细胞铁死亡。最终，细胞质膜上形成纳米级直径的孔隙，从而介导细胞发生破裂。在细胞破裂之前，铁死亡诱导信号以独特的波状扩散方式在细胞间传播，此过程依赖于铁和脂质过氧化作用的持续存在[14]。

2 铁死亡的调控

目前认为，铁死亡主要受到体内两个抗氧化系统的严格调控：GPX4系统和铁死亡抑制蛋白1(ferroptosis suppressor protein 1，FSP1)系统[14]。GPX是一种人体内广泛存在的重要过氧化物分解酶。正常情况下，GPX可通过氧化GSH降低细胞内过氧化氢和过氧化物的含量，保护细胞膜的结构及功能，使其不受过氧化物的干扰和损害。GSH还原酶反应途径代谢受GPX4催化。GPX4是铁死亡的重要调节因子，可将有毒的脂质过氧化物转化为无毒的脂质醇，抑制铁死亡的发生。同时，GPX4的活性受GSH影响。胱氨酸/谷氨酸反向转运体(cystine/glutamate antiporter，system Xc-)是一种存在于细胞膜上的Na+依赖的氨基酸反向转运体，可摄取细胞外的胱氨酸，排出细胞内的谷氨酸，对GSH的合成至关重要[15]。当GSH耗竭时，GSH依赖的GPX4活性下降，脂质过氧化物不能通过GPX4催化的GSH还原酶反应途径代谢，导致铁死亡发生[16]。

同时，活化转录因子3、溶质载体家族7成员11(solute carrier family 7 member 11，SLC7A11)、抑癌基因p53、半胱氨酰-tRNA合成酶(cysteinyl-tRNA synthetase，CARS)也参与GSH的合成代谢，对细胞铁死亡有调控作用。活化转录因子3可以抑制system Xc-，耗尽细胞内GSH，从而促进Erastin(一种铁死亡激活剂)诱导的铁死亡；SLC7A11编码的轻链是system Xc-特有的亚基，因此SLC7A11的表达水平与system Xc-的活性呈正相关[17]。p53通过抑制SLC7A11降低system Xc-的活性，随后细胞摄取胱氨酸过程受阻，细胞铁死亡发生。值得注意的是，只有乙酰化致突变的p53可以调节SLC7A11，进而调节细胞铁死亡[18]；CARS是GSH合成的限速剂，参与半胱氨酸代谢。在抑制CARS后，细胞内半胱氨酸增加，GSH增加，从而使GPX4活性得以维持。且抑制CARS还可通过活化转硫途径阻止脂质自由基的产生，但CARS不改变体内的铁稳态[19]。

FSP1是一种最近新发现的铁死亡抑制剂。辅酶Q10是一种脂溶性的抗氧化剂，其还原形式可以抵抗介导脂质过氧化过程的自由基，保护细胞免受自由基的损害。辅酶Q2是催化辅酶Q10生物合成的酶。研究发现，在正常人纤维肉瘤HT1080细胞中，FSP1过表达可有效抑制铁死亡，而在敲除辅酶Q2的HT1080细胞中其无上述作用。另外，FSP1单独使用以及FSP1与还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸联合使用均不能有效抑制脂质过氧化反应；而辅酶Q10可以剂量依赖方式延缓自氧化[20]。且FSP1的作用不受GPX4抑制剂的影响[21]。故认为，还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸/FSP1/辅酶Q10抗氧化系统可独立于GPX4系统抑制细胞脂质过氧化和铁死亡。研究铁死亡的抗氧化代谢途径可能为探索铁死亡在各种疾病中的病理作用提供新的见解。

3 铁死亡与细胞适应性调节

细胞适应性调节是细胞针对各种刺激因子和环境的改变以及细胞生存的需求而进行的自动调节，包括能量应激和细胞器应激调节等，它们参与人类疾病的不同过程。适度的应激调节帮助细胞恢复功能适应环境，而过度的应激调节则会加重损伤，导致细胞死亡。铁死亡是一种受调控的新型细胞死亡形式，与多种细胞适应性反应存在相互关联，并受其调控。

3.1能量应激 正常的细胞需要足够的营养和能量的维持，营养和能量的消耗会引起细胞能量应激。细胞能量应激的特征是细胞内ATP的消耗和AMP水平的升高[22]。在细胞发生能量应激时，肝激酶B1(liver kinase B1,LKB1)-AMP活化的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)通路激活并通过调节细胞能量代谢维持细胞的正常功能。细胞内的能量感受器——AMPK能够准确识别细胞能量水平，调整细胞内的能量平衡。AMPK由催化亚基α和调节亚基β、γ组成。当细胞受到饥饿、低氧等刺激时，细胞内能量被消耗，AMP/ATP比例升高。此时，AMP与AMPK的γ亚基结合，使AMPK发生变构而活化。活化后的AMPK既能减少脂肪酸、胆固醇、糖原和蛋白质等合成代谢，也能加快葡萄糖摄入、糖酵解等分解代谢，以补充细胞能量[2]。LKB1由LKB1基因编码产生，可以调节细胞能量代谢、抑制生长增殖和维持细胞极性，在多种细胞过程中发挥作用。LKB1能够直接与AMPK及其亚家族的12种激酶发生反应，通过磷酸化激酶激活区域(T环)的苏氨酸(Thr)而使其活化[23]。LKB1可磷酸化AMPK α亚基的Thr-172位点，并被AMP与AMPK γ亚基结合后发生的变构所强化[24]。细胞发生能量应激后，LKB1与AMP协同激活AMPK。

能量应激介导的AMPK通路可以通过抑制铁死亡减轻肾缺血再灌注损伤，其调控过程与AMPK介导的乙酰辅酶A羧化酶(催化乙酰辅酶A合成丙二酰辅酶A的酶)磷酸化以及多不饱和脂肪酸合成的调控相关[25]。另有研究认为，LKB1-AMPK通路可通过抑制脂肪酸合成进而抑制铁死亡[26]。但目前能量应激与铁死亡之间的关系尚不完全明确。葡萄糖是细胞存活和维持氧化还原动态平衡的重要营养物质，葡萄糖的缺乏导致自由基产生增加[27]。而细胞发生铁死亡由自由基介导的脂质损伤引起，因此在理论上，葡萄糖缺乏可促发铁死亡。但研究证实，葡萄糖缺乏引起的能量应激却起到抑制铁死亡和脂质过氧化反应的作用[25-26]。

AMPK对肿瘤存在双重作用，既可以通过抑制生物合成(如蛋白质或脂肪酸的生物合成)抑制肿瘤，也可以通过调节新陈代谢帮助肿瘤细胞应对应激环境[28]。肿瘤的发展受到药物诱导的铁死亡的抑制[29]，能量应激介导的AMPK对铁死亡的调节可能在肿瘤生物学中起重要作用。未来，AMPK途径调节铁死亡的过程与肿瘤生物学过程之间的关联可能是肿瘤疾病防治研究的新方向。

3.2溶酶体应激 目前，纳米颗粒作为药物传递系统大大扩展了药物载体的范围。有研究认为，纳米颗粒作为活性物质可通过纳米-生物相互作用诱发生物效应[30]。羧基聚苯乙烯纳米颗粒(carboxylpolystyrene nanoparticles，CPS)具有高度稳定性和良好的生物相容性，被广泛用作生物大分子的载体。CPS可以通过大胞饮作用进入细胞，然后含有CPS的大胞饮小体与溶酶体融合，以依赖空泡型质子泵和水通道蛋白的方式扩张成溶酶体样大空泡，这些大空泡是溶酶体应激的信号，表明CPS能够启动细胞溶酶体应激[31]。溶酶体是一种细胞器，蛋白质和多糖在溶酶体内通过自噬机制降解和循环。受损的生物聚合物和细胞器被自噬小体吞噬，随后与溶酶体融合，产生氨基酸和单糖[32]。溶酶体应激是溶酶体对刺激物(病原体、药物、分子等)的适应，并利用选择性自噬和转录反应机制，尝试恢复溶酶体功能。溶酶体应激诱导哺乳动物雷帕霉素靶蛋白失活，导致转录因子EB核易位，随后溶酶体相关基因表达增加，促进了溶酶体的生物合成和功能恢复[33]。转录因子EB依赖的溶酶体蛋白和超氧化物歧化酶表达增加，最终导致自由基减少，铁死亡受到抑制。有研究发现，敲除转录因子EB可增强Erastin引发的铁死亡，消除CPS对自由基和铁死亡的影响[31]，提示CPS可启动溶酶体应激，并以转录因子EB依赖的方式减少自由基并抑制铁死亡。此外，溶酶体中的另一条途径——分子伴侣介导的自噬(一种细胞溶酶体介导的降解机制)也参与铁死亡的执行。但只有溶酶体途径抑制剂能够抑制谷氨酸或Erastin诱导的GPX4降解，提示GPX4的降解可能发生在溶酶体中[34]。由此可见，分子伴侣介导的自噬可促进GPX4的降解，并最终参与铁死亡。

神经退行性疾病的发病机制可能与铁死亡相关。应激环境下，功能障碍的溶酶体与多种神经退行性疾病有关，包括阿尔茨海默病和帕金森病等[35-37]。在阿尔茨海默病和帕金森病等神经退行性疾病患者中可观察到铁死亡特征，且给予小分子铁死亡抑制剂后，患者的临床症状和神经损伤可显著减轻[38-40]。因此，诱导适度的溶酶体应激，可能在恢复溶酶体功能的同时抑制细胞铁死亡，这有望成为未来神经系统退行性疾病的治疗方向。

3.3内质网应激 内质网是在内质网伴侣蛋白的辅助下合成和折叠分泌蛋白、膜蛋白的细胞器，随后正确折叠的蛋白质到达高尔基体进行下一步加工，而未折叠或错误折叠的蛋白质则被内质网相关降解因子降解。当错误折叠蛋白的水平超过内质网降解容量时，内质网应激被触发，错误折叠或未折叠蛋白在内质网管腔中积累[41-42]。未折叠蛋白反应因此被激活，并导致内质网折叠蛋白的翻译停止和基因表达增加[43]。未折叠蛋白反应使内质网伴侣蛋白和内质网相关降解因子表达增加，并通过增加分泌蛋白或膜蛋白的合成来恢复功能[44]。

目前，内质网应激与铁死亡之间的关系尚不明确。有证据显示，马钱子碱通过激活内质网应激诱导活化转录因子3上调，上调的活化转录因子3使过氧化氢产生增加和铁超载，从而导致胶质瘤细胞铁死亡[45]。在糖尿病患者心肌缺血再灌注损伤模型中，抑制内质网应激可以减轻其铁死亡损伤[46]。另有研究显示，遗传和化学抑制锌转运蛋白7(一种新发现的铁死亡遗传决定因子)可触发内质网应激，保护细胞免受铁死亡[47]。锌转运蛋白7可能通过维持内质网内稳态在铁死亡中发挥作用。

内质网应激还可能是帕金森病的治疗靶点。脑星形胶质细胞源性神经营养因子通过与未折叠蛋白反应传感器肌醇需求酶1α直接结合，在多巴胺神经元和帕金森病动物模型中发挥促存活作用。靶向未折叠蛋白反应在各种临床前帕金森病动物模型中起神经保护和神经修复作用[48]。因此，明确内质网应激与铁死亡的关联可能为帕金森病的治疗提供新依据。

此外，铁死亡通常还与其他细胞死亡类型有共同途径。研究表明，铁死亡诱导剂介导的内质网应激在细胞铁死亡与细胞凋亡之间的串扰中起重要作用[49]。Erastin和青蒿琥酯等铁死亡诱导剂可以诱导内质网应激[50]，并通过内质网应激介导的真核细胞起始因子2α/转录激活因子4/C/EBP同源蛋白途径上调p53上调凋亡调控因子的表达。C/EBP同源蛋白信号通路介导的p53上调凋亡调控因子的表达参与了铁死亡与细胞凋亡[49]，表明内质网应激介导的C/EBP同源蛋白信号通路可能是铁死亡和细胞凋亡的共同途径。另有研究显示，铁死亡诱导剂Erastin可能上调p53上调凋亡调控因子以及抗凋亡B细胞淋巴瘤-2家族蛋白(如抗凋亡蛋白髓样细胞白血病-1蛋白)，以维持它们之间的平衡；然而，Erastin联合肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体治疗会引发p53上调凋亡调控因子和B细胞淋巴瘤/白血病-2家族蛋白之间的失衡，从而促进细胞凋亡[51]。但这种可能性需要进一步探究。

3.4高尔基体应激 内质网合成并折叠蛋白，分泌蛋白和膜蛋白在高尔基体中接受各种修饰，包括糖基化和硫酸化，修饰后的蛋白被囊泡有选择性地运输到细胞的特定位置或分泌到细胞外。大量蛋白质的分泌导致高尔基体糖基化和囊泡运输等功能负荷时会引发高尔基体应激反应。在高尔基体应激反应中，糖化酶和囊泡运输成分的表达增加可补偿细胞器能力不足[44]。

一项新的研究发现，布雷菲尔德菌素A等高尔基体应激源可以诱导自由基产生，并导致细胞发生铁死亡，而铁死亡抑制剂可以逆转布雷菲尔德菌素A对高尔基体蛋白质分泌的抑制作用，保护高尔基体的形态和功能。需要注意的是，亚致死剂量的铁死亡诱导剂Erastin能够抑制而不是促进布雷菲尔德菌素A诱导的脂质过氧化反应，并部分恢复高尔基体的平衡[52]。作为抑制铁死亡的机制，转硫途径可能在氧化应激后供应半胱氨酸，以发挥代偿作用[19]。高尔基体可能通过控制细胞氧化还原反应防治细胞铁死亡。

4 小 结

近年来，铁死亡受到研究者的广泛关注，对其调控机制的认识也不断加深。铁死亡存在于肿瘤、神经退行性疾病、器官缺血再灌注损伤等疾病的发生发展过程中，因此调控铁死亡可能是治疗上述疾病的新方向。目前，关于铁死亡与其他生物过程的研究多集中于自噬、氧化应激等方面，对于铁死亡与细胞器应激等细胞适应性反应的研究仍较少，尤其是能量应激相关研究。未来对铁死亡相关的能量应激和细胞器应激之间的关系及其相关疾病、生物过程的深入研究，将为全面认识铁死亡提供有价值的参考，并对铁死亡相关联疾病的防治有深远意义。