细胞铁死亡发生与调控机制的研究进展*

康传杰， 张相彤， 马 威

(哈尔滨医科大学附属第一医院神经外科急诊绿色通道，黑龙江 哈尔滨 150001)

细胞铁死亡发生与调控机制的研究进展*

康传杰， 张相彤△， 马 威

(哈尔滨医科大学附属第一医院神经外科急诊绿色通道，黑龙江 哈尔滨 150001)

细胞死亡无论在生理还是在病理条件下都是无法避免的重要环节。传统意义上细胞死亡主要分为凋亡(apoptosis)和坏死(necrosis)两大主要类型，但近年来却发现在诸多病理生理情况下亦有自噬(autophagy)、胀亡(oncosis)、副凋亡(paraptosis)、焦亡(pyroptosis)等多种方式参与其中。越来越多细胞死亡方式的发现为进一步明确疾病的发生机制以及为研究人员寻找新的疾病治疗方法提供科学的理论依据。2012年Dixon等[1]首次发现并报道了这一新型细胞死亡方式——铁死亡(ferroptosis)，其确切机制尚有待深入研究。

本文将对铁死亡的特征、调控机制及与其它细胞死亡方式的区别作一综述，以期进一步加深对这一细胞死亡方式的认识，并对相关疾病靶向治疗药物的研发提供新思路。

1 铁死亡的提出

铁死亡是一种依赖于脂质过氧化反应驱动的非凋亡性细胞死亡方式；其发生过程需要细胞内富含可利用的铁。2012年Dixon等[1]首次发现并报道了这一新型细胞死亡方式。第一个铁死亡诱导复合物erastin和RSL3是通过小分子文库高通量筛查发现的[1-2]。这些复合物诱导的细胞死亡是非凋亡性的，因为erastin和RSL3处理后细胞发生的死亡缺乏caspase激活等凋亡特征[3]。进一步研究发现，铁螯合剂和一些亲脂性抗氧化剂(如维生素E和β-胡萝卜素)均能强烈抑制erastin和RSL诱导的这种细胞死亡，然而这种与铁密切相关的死亡形式在细胞形态学、生物化学等方面与坏死、凋亡、自噬等均有明显的不同。综合这些发现，研究者提出这种与铁含量增多相关的细胞死亡是一种先前未被认识的类型，并命名为铁死亡[1, 4]。

2 铁死亡的特征及与凋亡、自噬、焦亡的区别

铁死亡是一个全新的细胞死亡模式，它在形态学、生物化学及遗传学方面与凋亡、焦亡、自噬等有着明显的不同，见图1、表1。在形态学方面，发生铁死亡的细胞主要表现为线粒体体积缩小，双层膜密度增加，线粒体嵴减少或消失[1, 3]。在生化方面，谷胱甘肽(γ-glutamylcysteinylglycine，GSH)耗竭，谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPX4)活性下降，脂质氧化物不能经GPX4催化的谷胱甘肽还原反应代谢，继而二价铁离子以类似Fenton反应的方式氧化脂质产生大量活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)，促使细胞发生铁死亡[3, 5]。在遗传学方面，对于铁死亡的发生及调控机制研究尚处于起始阶段，目前发现铁死亡是多基因调控的，主要涉及铁稳态及脂质过氧化代谢等方面的基因改变。

Figure 1.Morphological characteristics of different cell death types. A: normal; B: ferroptosis (shrunken mitochondria); C: apoptosis (chromatin condensation); D: necrosis (cytoplasmic and organelle swelling,plasma membrane rupture); E: autophagy (formation of double-membrane vesicles)[1].

表1 铁死亡、凋亡、自噬和焦亡的特征

凋亡是一种在生理性或病理性刺激下由基因调控的程序性细胞死亡(programmed cell death，PCD)。其形态学特征主要为:细胞皱缩，染色质浓缩，核裂解成碎片，之后细胞膜内陷将细胞分割形成多个具有膜包裹的凋亡小体。凋亡细胞及其凋亡小体由周围吞噬细胞或邻近的细胞清除，这一过程依赖caspase-3的活化，不发生线粒体、溶酶体及细胞膜的破裂，无内容物外溢，所以不引起炎症反应[6]。

自噬分为大自噬、小自噬及分子伴侣介导的自噬，其形态学变化主要为：首先胞浆内包裹胞质及变性坏死细胞器的双层膜结构形成，即自噬空泡；继而与溶酶体膜相融合，形成自噬溶酶体；之后溶酶体中的水解酶水解自噬溶酶体内容物；最终自噬溶酶体破裂水解，水解产生的氨基酸等营养成分可被细胞再利用[7]。

焦亡是一种特殊的程序性细胞死亡，兼有凋亡和坏死的特点。其发生过程主要是由NLRP3(NACHT, LRR and PYD domains-containing protein 3)等炎症小体活化及下游caspase-1的激活所介导[8]。

3 铁内稳态的调控及意义

铁参与体内多种重要的生理生化过程，包括氧的转运，作为核糖核苷酸还原酶参与DNA的生物合成，作为线粒体电子传递链某些蛋白的辅助因子参与ATP的合成等。体内铁稳态的维持需要一个非常复杂的调控过程，在哺乳动物体内铁的主要储存器官是肝脏，它能感知血清中铁的含量，从而调节铁代谢的核心激素——铁调素的分泌，调控机体铁稳态。铁调素通过与小肠绒毛的上皮细胞、巨噬细胞和肝细胞膜上的膜铁转运蛋白(ferroportin，Fpn/SLC40A1)结合,介导Fpn的内化降解,进而调控十二指肠吸收铁进入血液循环以及巨噬细胞循环再利用铁,从而维持机体的铁稳态[9]。Fpn是目前已知的唯一细胞内铁流出泵。铁调素的表达与血清及细胞内铁的状态有直接的关系，而细胞内铁稳态主要受铁代谢相关基因通过铁反应元件-铁调控蛋白系统进行转录后调控，如铁蛋白(ferritin;包括重链FTH1和轻链FTL)、转铁蛋白(transferrin，TF)、转铁蛋白受体1、二价金属离子转运体1(divalent metal-ion transporter-1，DMT1/SLC11A2)等，以及近年来被发现的一些新的细胞内铁摄取及利用的关键蛋白，如锌铁调控蛋白(ZRT/IRT-like proteins，ZIP)家族等[10]。

铁是生命所必需的微量元素之一，铁代谢失衡会引起多种病变的发生。如铁能抑制富丝氨酸/精氨酸剪接因子7(serine/arginine-rich splicing factor 7，SRSF7)与细胞死亡受体Fas的mRNA前体结合，随后外显子6排除，导致突变的促凋亡的Fas亚型表达增加[11]。在遗传性血色素沉着症患者中，ZIP14可能是一个促进肝细胞死亡的因子，其通过介导铁的转运，增强促凋亡蛋白Fas亚型的表达发挥促凋亡作用[10]。

4 铁死亡在相关疾病中的作用机制

目前已发现铁死亡参与多种疾病的发生发展，且机制复杂，某些化合物如erastin或临床药物如柳氮磺胺吡啶、索拉菲尼均能诱导癌细胞和某些正常的细胞(如肾小管细胞、神经元、纤维母细胞、T细胞)触发铁死亡[12]。此过程是在铁的参与下脂质过氧化产物和致命性反应ROS积聚导致的，在药理学上能被铁螯合剂去铁胺以及脂质过氧化抑制剂ferrostatin-1、liproxstatin-1或zileuton所抑制(图2)。GPX4、热休克蛋白β-1(heat shock protein β-1，HSPB1)和核因子E2相关因子2(nuclear factor E2-related factor 2，NRF2)分别通过限制ROS产物和降低细胞内铁的摄取对ferroptosis发挥负性调控作用(图2)。

4.1 肿瘤 索拉菲尼广泛用于晚期肝癌的治疗，研究发现Rb蛋白状态是索拉菲尼诱发肝癌细胞发生铁死亡敏感性的一个重要参数，Rb蛋白缺失使癌细胞更容易发生铁死亡[13]。另有研究表明核转录因子NRF2在肝细胞癌中有抑制铁死亡发生的作用[14]。 NRF2的表达促进抗氧化相关基因NAD(P)H:醌氧化还原酶1[NAD(P)H：quinone oxidoreductase 1, NQO1]和血红素加氧酶1(heme oxygenase-1，HO-1)，以及铁代谢相关基因(如FTH1)表达上调，继而调控铁代谢及脂质过氧化反应，抑制铁死亡的发生(图2)。而敲除NRF2及其靶基因能增强索拉菲尼的活性，抑制肝癌细胞增殖[14]。另外，对乙酰氨基酚过量是目前引起急性肝衰竭最常见的原因。另外对乙酰氨基酚已被证明可以诱导原代肝癌细胞发生铁死亡，ferrostatin-1能抑制对乙酰氨基酚诱导的这种死亡[15]。

癌基因K-Ras重新编码使胰导管腺癌细胞对凋亡产生强烈抵抗作用。在胰腺癌细胞株中青蒿酯特异性诱导ROS和溶酶体铁依赖的死亡。而且通过分析胰腺癌病人mRNA表达情况发现癌细胞内存在抗氧化失衡以及细胞对游离的细胞内铁敏感性增加。癌细胞获得最强的细胞毒性需组成性激活型K-Ras的存在，但青蒿酯对非瘤型人类胰腺导管腺癌细胞株没有影响[16]。

在铁死亡敏感的纤维母细胞瘤细胞中转铁蛋白受体1表达上调，而铁蛋白重链和铁蛋白轻链表达下调[3](图2)，表明铁贮备对铁死亡的发生也有明显影响。HO-1启动血红素分解代谢，释放一氧化碳、铁、胆绿素，用erastin孵育瘤细胞时，HO-1缺失的纤维肉瘤细胞死亡减少，而HO-1过表达加速癌细胞的死亡，进一步研究发现在erastin诱导的铁死亡发生过程中HO-1可能通过增加细胞内的铁及脂质过氧化发挥作用[17](图2)。

NADPH氧化酶(NADPH oxidases，NOX)是细胞内一组具有氧化活性的蛋白，其主要的生物学功能是产生ROS。NOX抑制剂二甲基苯碘在人肺癌中能部分抑制erastin诱导的铁死亡的发生[1]。磷酸戊糖途径是与糖酵解产生NADPH和戊糖相平行的代谢途径。利用6-氨基烟酰胺抑制磷酸戊糖途径或者敲除磷酸戊糖途径的2个关键酶葡萄糖-6-磷酸脱氢酶和磷酸甘油酸脱氢酶也能部分保护人肺癌细胞避免erastin诱导的铁死亡的发生[1]。

在横纹肌肉瘤中由于致瘤性的RAS突变体异常表达抑制了抗氧化防御系统对ROS的解毒作用，使横纹肌肉瘤RMS13细胞对氧化应激产生抵抗，细胞对erastin诱导铁死亡发生的耐药性增加，这涉及多种不同的抗氧化防御通路，包括GSH系统、硫氧化还原蛋白系统等[18]。

在胶质瘤中低浓度柳氮磺胺吡啶不影响胶质瘤细胞的活性，但柳氮磺胺吡啶在高浓度时能诱发胶质瘤细胞发生铁死亡，并缓解病灶周围水肿。同时SAS能增强标准化疗和自噬诱导剂替莫唑胺的疗效[19]。

Figure 2． Ferroptosis-related signaling pathway．Ferroptosis is caused by iron-dependent lipid oxidative damage，which is mainly related to the regulation of iron metabolism and intracellular antioxidant ability． In the presence of sulfasalazine，glutamate and other conditions，the cystine /glutamate antiporter，system，is suppressed and then the content of GSH is reduced，which leads to the decrease in intracellular antioxidant capacity． In the meantime，the process of lipid peroxidation is enhanced in the existence of iron ion，and lipid ROS increases． The iron-dependent cell death，ferroptosis，is triggered eventually．

4.2 神经系统 包括胶质瘤在内的神经系统抗肿瘤药物疗效的发挥也与铁死亡相关[19]。利用谷氨酸培养HT22海马神经元细胞发现细胞死亡数量显著升高，5-脂氧合酶抑制剂zileuton能部分通过抑制铁死亡的发生而保护海马神经元细胞免受谷氨酸氧化毒性损害[20]。

脑室周围白质软化通常是由于发育中的少突胶质细胞死亡所致。研究显示在本病中少突胶质细胞的死亡是铁依赖性的，并伴随脂质ROS的升高[21]。Ferrostatins(如ferrostatin-1)能有效保护少突胶质细胞免受胱氨酸耗竭的损害[22]。

在1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶(1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine，MPTP)诱导的帕金森病动物模型中，MPTP对多巴胺能神经元的毒性作用能被ferrostatin-1抑制，进一步研究发现在多巴胺能神经元中蛋白激酶Cα(protein kinase Cα，PKCα)激活，继而活化丝裂原激活蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)，并以Ras非依赖的方式触发铁死亡。在神经退行性变中铁螯合剂、ferrostatin-1和PKC抑制剂对铁死亡发生的信号通路均具有强效抑制作用[23]。

而在周围神经系统，敲除GPX4能引起脂质过氧化及线粒体功能紊乱从而使快速运动神经元发生铁死亡，导致小鼠瘫痪，而对成年大鼠皮质神经元的影响相对较小[24]。

4.3 缺血再灌注损伤 Ferrostatins在急性肾损伤模型新鲜孤立肾小管中起到保护作用，阻止发生致命性损害[22]，这表明在急性肾衰竭中可能存在铁死亡介导的细胞死亡。利用第3代ferrostatins抑制铁死亡能削弱缺血再灌注损伤引起的急性肾衰[25]。

谷氨酰胺代谢被认为是铁死亡发生的重要因素之一，利用野生型小鼠离体心脏模型使其发生缺血再灌注应激反应，在再灌注开始时用去铁胺处理离体心脏，发现与对照组相比去铁胺组心脏的心功能有明显增强。再灌注期间去铁胺能显著抑制心脏损伤另一指标乳酸脱氢酶的释放。这些数据表明通过控制谷氨酰胺代谢进而抑制铁死亡的发生缓解缺血再灌注损伤对离体心脏起保护作用[26]。

另外小鼠肝缺血损害也与铁死亡相关，铁死亡抑制剂liproxstatin-1可完全阻断脂质过氧化作用，改善小鼠缺血再灌注引起的肝损伤[5]。

5 展望

目前研究发现许多疾病的发生发展都涉及多种不同的细胞死亡类型，如坏死、凋亡、自噬等。然而针对这些过程的靶向治疗效果却不尽如人意，表明其它未被发现的死亡过程在这些病理过程可能同样起到十分重要的作用。研究结果显示铁死亡在多种癌症、神经毒性、肝肾损害等病变的演变过程中发挥重要作用。铁死亡的研究尚处于初期阶段，尚存在大量未解决的问题，如具体哪些脂类物质被氧化？体内其它代谢过程是否存在铁死亡的发生等都需要更进一步的研究。对铁死亡的深入研究将有助于更加充分认识多种疾病的发生进展机理并为临床防治提供新思路。

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(责任编辑： 陈妙玲， 罗 森)

Progress in occurrence and development of ferroptosis

KANG Chuan-jie, ZHANG Xiang-tong, MA Wei

(DepartmentofEmergencyandNeurosurgery,TheFirstAffiliatedHospital,HarbinMedicalUniversity,Harbin150001,China.E-mail:zgxgtg@sina.com)

With the development of modern medical research, it has been found that there are many forms of cell death under lots of physiological or pathological conditions. Among them, necrosis and apoptosis are the 2 main forms of cell death. In recent years, varieties of new cell death patterns, such as autophagy, oncosis and paraptosis, have been discovered. In 2012, Dixon et al first discovered and reported a new form of iron-dependent cell death, ferroptosis. In this review, we try to expound the morphological and biochemical features of ferroptosis and its related diseases in detail, so as to deepen our understanding of cell death, thus providing new ideas for the prevention and treatment of clinically relevant diseases.

细胞死亡； 铁死亡； 铁； 脂质; 活性氧簇

Cell death; Ferroptosis; Iron; Lipids; Reactive oxygen species

1000- 4718(2017)03- 0567- 05

2016- 09- 05

2016- 11- 03

国家自然科学基金资助项目(No. 81571108)

△通讯作者 Tel: 0451-85555109； E-mail: zgxgtg@sina.com

R363

A

10.3969/j.issn.1000- 4718.2017.03.032