Cell Metabolism 綜述 | 鐵死亡的代謝基礎(chǔ)

瀏覽次數(shù)：2019　發(fā)布日期：2021-6-18　來源：本站　僅供參考，謝絕轉(zhuǎn)載，否則責(zé)任自負(fù)

鐵死亡小知識(shí)

■ 異常代謝和生化過程導(dǎo)致的急性和慢性細(xì)胞應(yīng)激可能觸發(fā)普遍的非凋亡形式的細(xì)胞死亡，即鐵死亡，最早于2012年被Scott J Dixon提出，一種鐵依賴的，區(qū)別于細(xì)胞凋亡、細(xì)胞壞死和細(xì)胞自噬的新的細(xì)胞程序性死亡模式，但有關(guān)如今描述的具有鐵死亡特征的細(xì)胞死亡的報(bào)道可以追溯到上世紀(jì)50年代。

■ 谷胱甘肽的耗竭，谷胱甘肽過氧化物酶（GPX4）活性下降，細(xì)胞抗氧化能力降低，致使脂質(zhì)過氧化與代謝功能障礙，脂質(zhì)活性氧（ROS）增多，從而引發(fā)鐵死亡。鐵死亡的敏感性與許多生物過程緊密相關(guān)，包括氨基酸、鐵和多不飽和脂肪酸代謝，以及谷胱甘肽、磷脂、NADPH和輔酶Q10的生物合成，并與哺乳動(dòng)物退行性疾病、腫瘤、中風(fēng)、腦出血、外傷性腦損傷、局部缺血-再灌注損傷和腎衰竭相關(guān)的病理性細(xì)胞死亡有關(guān)。

作為一種新的細(xì)胞死亡機(jī)制，近年來，鐵死亡引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。2020年12月一篇發(fā)表在《Cell Metabolism》的綜述，詳細(xì)介紹了細(xì)胞內(nèi)幾種可直接影響脂質(zhì)過氧化和鐵死亡敏感性的代謝途徑，如(硒)硫醇代謝、脂肪酸代謝、鐵處理、甲戊酸途徑和線粒體呼吸等，并總結(jié)了目前發(fā)現(xiàn)的三個(gè)主要鐵死亡抑制系統(tǒng)，最后探討了鐵死亡在人類疾病發(fā)展預(yù)防治療方面的應(yīng)用。

一、影響細(xì)胞對(duì)鐵死亡易感性的代謝過程

巰基依賴的氧化還原系統(tǒng)

含硫醇的三肽谷胱甘肽（GSH）是哺乳動(dòng)物細(xì)胞中主要的抗氧化劑，也是GPX4的首選底物。導(dǎo)致谷胱甘肽耗盡的條件直接影響GPX4的活性和穩(wěn)定性，從而使細(xì)胞更易發(fā)生鐵死亡。GSH的消耗也可以通過限制細(xì)胞內(nèi)半胱氨酸（GSH生物合成的限速底物）來實(shí)現(xiàn)。內(nèi)源性半胱氨酸主要是通過GSH-或硫氧還蛋白還原酶1 (TXNRD1)介導(dǎo)的胱氨酸還原而產(chǎn)生的，胱氨酸主要通過Xc^-系統(tǒng)從細(xì)胞外空間輸入。

細(xì)胞內(nèi)半胱氨酸至少可以通過轉(zhuǎn)硫途徑提供。在肝細(xì)胞中同時(shí)缺乏Txnrd1和谷胱甘肽二硫還原酶(GSR)的小鼠，盡管在減少胱氨酸方面效率低下，卻因?yàn)橥ㄟ^轉(zhuǎn)硫化的膳食蛋氨酸提供了半胱氨酸。用erastin處理多日的卵巢癌細(xì)胞中，通過誘導(dǎo)轉(zhuǎn)硫途徑逐漸對(duì)胱氨酸的缺乏產(chǎn)生應(yīng)答，在一些腫瘤細(xì)胞中，轉(zhuǎn)硫作用通路不斷被激活。轉(zhuǎn)硫途徑的酶，包括甘氨酸N-甲基轉(zhuǎn)移酶（GNMT)、S腺苷同型半胱氨酸水解酶(SAHH)、胱硫醚β合酶(CBS)和胱硫醚γ裂解酶(CTH)，都使腫瘤細(xì)胞對(duì)鐵死亡敏感并延緩體內(nèi)腫瘤生長(zhǎng)。

硫氧還蛋白(TXN)是第二個(gè)關(guān)鍵的硫氧依賴抗氧化系統(tǒng)。在已建立的惡性腫瘤中，依賴于TXN的細(xì)胞漿系統(tǒng)經(jīng)常被激活，同時(shí)抑制GSH和TXN通路是有效觸發(fā)細(xì)胞死亡的既定途徑。最近的一項(xiàng)研究表明，殺鐵劑（一種TXN的抑制劑）確實(shí)會(huì)誘導(dǎo)癌細(xì)胞的鐵死亡，這表明TXN系統(tǒng)至少在某些細(xì)胞環(huán)境中可能作為一種替代的鐵死亡抑制因子。值得一提的是，一氧化氮(NO)可能通過清除脂質(zhì)自由基或自由基中間體，使M1型巨噬細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)鐵死亡產(chǎn)生抵抗。

細(xì)胞內(nèi)鐵代謝：玩火者

顧名思義，鐵死亡需要鐵依賴的脂質(zhì)過氧化和細(xì)胞破裂，鐵螯合劑確實(shí)可以抑制鐵死亡，而用納米顆粒加載的鐵可誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞發(fā)生鐵死亡。生理?xiàng)l件下，位于質(zhì)膜上的鐵傳遞蛋白受體TFR1以內(nèi)吞的方式攝入運(yùn)載鐵傳遞蛋白，因此TFR1被認(rèn)為是鐵死亡發(fā)生的標(biāo)志蛋白。細(xì)胞中的鐵儲(chǔ)存在鐵蛋白中，其蛋白量特別是重鏈的表達(dá)減少會(huì)增加鐵池和細(xì)胞對(duì)鐵死亡的敏感程度。相反，通過抑制鐵蛋白的自噬性降解則能使細(xì)胞抵抗鐵死亡。

細(xì)胞內(nèi)鐵輸出由質(zhì)膜上與多銅鐵氧化酶（如銅藍(lán)蛋白）偶聯(lián)的鐵輸出蛋白FPN1介導(dǎo)�；蛘�，含鐵蛋白的多泡體和外泌體也可以向細(xì)胞外排鐵。其他與鐵相關(guān)的蛋白包括多聚胞嘧啶結(jié)合蛋白PCBP1和血紅素氧合酶HO-1也參與了鐵死亡的調(diào)節(jié)。有研究發(fā)現(xiàn)小鼠肝細(xì)胞特異性缺失PCBP1會(huì)導(dǎo)致鐵池增加，并加劇肝臟中的鐵死亡。近年來，GSH在調(diào)控細(xì)胞內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)方面受到廣泛關(guān)注，F(xiàn)e²⁺與GSH的復(fù)合物被認(rèn)為是鐵池中鐵的主要形式，鐵與PCBP1的結(jié)合也依賴于GSH。

甲羥戊酸途徑-多功能代謝物的寶貴來源

甲羥戊酸途徑包括異戊烯焦磷酸（IPP）、角鯊烯、CoQ₁₀和膽固醇的產(chǎn)生，對(duì)鐵死亡有多方面影響。阻斷該途徑限速酶的他汀類藥物會(huì)干擾GPX4的有效翻譯，從而增加細(xì)胞對(duì)鐵死亡的敏感性；角鯊烯被認(rèn)為至少在癌細(xì)胞中具有抵抗鐵死亡的活性；膽固醇也參與了鐵死亡，外源性膽固醇?xì)溥^氧化物以劑量依賴性方式誘導(dǎo)細(xì)胞死亡，而GPX4活性的降低加劇了這一過程，而GPX4的過表達(dá)能極大地提高細(xì)胞對(duì)氫過氧化膽固醇誘導(dǎo)的氧化性細(xì)胞死亡的抵抗力。膽固醇，特別是7-脫氧膽固醇（膽固醇前體）是脂質(zhì)過氧化和鐵化作用的潛在調(diào)節(jié)劑。

圖1. 影響細(xì)胞對(duì)鐵死亡易感性的代謝過程

鐵死亡中線粒體的角色

目前，學(xué)術(shù)界對(duì)于線粒體究竟是否直接參與鐵死亡仍存在一些爭(zhēng)議。最近一項(xiàng)研究提出線粒體對(duì)erastin或胱氨酸剝奪引起的鐵死亡是不可或缺的，而對(duì)于RSL3引起的鐵死亡可有可無。研究人員認(rèn)為，線粒體可能通過其他未知因素或者代謝途徑參與鐵死亡。

線粒體的鐵死亡促進(jìn)效應(yīng)可能歸因于線粒體呼吸產(chǎn)生的ROS，但線粒體呼吸作用為何會(huì)失控呢？一方面，系統(tǒng)Xc^-抑制或胱氨酸剝奪可導(dǎo)致GSH銳減，從而削弱其對(duì)ROS的清除能力；另一方面，系統(tǒng)Xc^-的失活可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)谷氨酸的蓄積，并轉(zhuǎn)化生成α-酮戊二酸（α-KG），后者通過促進(jìn)TCA循環(huán)，導(dǎo)致線粒體膜電位超極化。在缺乏谷氨酰胺的情況下，僅胱氨酸饑餓不能觸發(fā)鐵死亡，而提供α-KG可恢復(fù)細(xì)胞死亡；反過來，胱氨酸存在的情況下，補(bǔ)充α-KG也不能引發(fā)鐵死亡。表明線粒體呼吸失調(diào)是抗氧化系統(tǒng)和由谷氨酰胺分解引起的TCA循環(huán)兩者此消彼長(zhǎng)的結(jié)果。

對(duì)谷氨酰胺分解或TCA循環(huán)的調(diào)節(jié)可能會(huì)影響細(xì)胞對(duì)鐵死亡的敏感性。例如抗腫瘤藥物大黃素甲醚8-氧-β-葡萄糖苷可升高谷氨酸酶GLS2的水平而促進(jìn)鐵死亡。此外，富馬酸水合酶突變或者α-KG脫氫酶E3敲低的癌細(xì)胞可以抵抗胱氨酸剝奪誘導(dǎo)的鐵死亡。

NADPH：預(yù)防鐵死亡

NADPH對(duì)鐵死亡的重要性不單單只是供應(yīng)GSH和TXN系統(tǒng)這么簡(jiǎn)單，它對(duì)甲羥戊酸生物合成和脂肪酸的從頭合成和延伸都是舉足輕重、動(dòng)關(guān)大局的存在。NADPH的基礎(chǔ)水平可用作生物標(biāo)志物衡量各種癌細(xì)胞系對(duì)鐵死亡的敏感性，NADPH的耗竭會(huì)促進(jìn)細(xì)胞發(fā)生鐵死亡。

NADPH在鐵死亡調(diào)控中具有雙重作用。許多途徑都可生成NADPH，如磷酸戊糖途徑（PPP）、NADH磷酸化途經(jīng)以及從異檸檬酸轉(zhuǎn)化的α-KG途徑等，其中PPP正向調(diào)控鐵死亡，另外兩個(gè)則相反。這種看似矛盾的結(jié)果可能歸因于各自途徑中酶的亞細(xì)胞分布不同，以及各途徑所生成的產(chǎn)物不同。

多不飽和脂肪酸代謝—死神油膩的一面

最初研究認(rèn)為含花生四烯酸（AA）或腎上腺酸的磷脂酰乙醇胺（PE）是鐵死亡中磷脂/脂質(zhì)過氧化的主要底物，而近期數(shù)據(jù)則指向廣泛的多不飽和脂肪酸（PUFAs）。哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的PUFAs主要為食源性必需脂肪酸（亞油酸和α-亞麻酸）經(jīng)去飽和酶和延伸酶的協(xié)同作用轉(zhuǎn)化而來。去飽和酶2敲低的肝癌細(xì)胞能夠抵抗RSL3誘導(dǎo)的脂質(zhì)過氧化，與PUFAs延伸有關(guān)的丙二酰輔酶A的合成途徑對(duì)鐵死亡起關(guān)鍵性的正向調(diào)控，此外，丙二酰輔酶A對(duì)脂肪酸β氧化的抑制作用也將促進(jìn)鐵死亡的發(fā)生。總之，操縱PUFA的合成或降解過程將最終影響細(xì)胞對(duì)鐵死亡的敏感性。

在鐵死亡情況下，脂質(zhì)過氧化影響的主要是酯化的PUFA，而非游離的PUFA。細(xì)胞除了依靠磷脂酶PLA2和溶血磷脂酰絲氨酸脂酶ABHD12水解磷脂上的PUFA來避免脂質(zhì)過氧化，也可以利用外源性單不飽和脂肪酸（MUFA）取代磷脂PUFA。此外，MUFA生物合成需要硬脂酰CoA去飽和酶(SCD)將飽和脂肪酸轉(zhuǎn)化為MUFAs�？傊字械腜UFAs充足是鐵死亡插手細(xì)胞命運(yùn)的先決條件。

脂質(zhì)過氧化—鐵死亡的主要特征

目前，學(xué)術(shù)界仍在為究竟磷脂PUFA氧化物（PLOOH）是如何引發(fā)鐵死亡而爭(zhēng)論不休。或者說，脂質(zhì)過氧化究竟是酶催化的還是非酶促的自氧化？究竟誰才是驅(qū)動(dòng)鐵死亡發(fā)生的始作俑者？酶促派的研究反復(fù)強(qiáng)調(diào)脂氧合酶LOX家族（尤其是ALOX15）在脂質(zhì)過氧化和鐵死亡中起核心作用，然而非酶促派多項(xiàng)研究的質(zhì)疑致使LOX家族在鐵死亡的主導(dǎo)地位不穩(wěn)。首先，敲除ALOX15并不能挽救GPX4缺失引起的鐵死亡及其嚴(yán)重病理后果。其次，對(duì)多種LOX亞型（5-LOX、p12-LOX和15-LOX-1）過表達(dá)的研究指出，無論LOX對(duì)PLOOH的原初蓄積有等何貢獻(xiàn)，脂質(zhì)的非酶促自氧化才是鐵死亡的真正誘因。

鐵在參與脂質(zhì)過氧化上非常積極，但是它如何促成這一過程仍然難以評(píng)估。含鐵酶促的活性依賴鐵的參與，鐵也可以通過芬頓反應(yīng)促進(jìn)脂質(zhì)的非酶促自氧化。反正不管哪種方式，鐵螯合劑都是阻擋脂質(zhì)過氧化和鐵死亡的有效方法。

二、鐵死亡三大抑制系統(tǒng)

圖2. 控制鐵死亡的三大系統(tǒng)

（半）胱氨酸/GSH/GPX4軸

多年來，胱氨酸/GSH/GPX4系統(tǒng)被認(rèn)為是防御鐵死亡的唯一手段（圖2），而且基因敲除和抑制GPX4活性仍然是引發(fā)鐵死亡最經(jīng)典的方法。GPX4是一種硒蛋白，其生物合成依賴于硒代半胱氨酸（Sec）的共翻譯整合機(jī)制。敲除這一至關(guān)重要的活性位點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致小鼠胚胎死亡，而用半胱氨酸代替Sec的小鼠在斷奶前就會(huì)自發(fā)癲癇并死亡。

NAD(P)H/FSP1 /CoQ10系統(tǒng)

盡管FSP1對(duì)鐵死亡的抑制作用最近才被發(fā)現(xiàn)（圖2），但早在20年前就有報(bào)道這個(gè)與GPX4同樣具有潛在的“NADH氧化酶功能”的未知基因所編碼的蛋白可抑制細(xì)胞死亡，而由于通過攝取半胱氨酸可以抑制這種細(xì)胞死亡，因此后來被認(rèn)為正是鐵死亡。

FSP1屬于II型NADH:醌氧化還原酶NDH-2家族，是傳統(tǒng)線粒體呼吸系統(tǒng)的一個(gè)分支，催化與復(fù)合體I同樣的反應(yīng)，只是不泵送質(zhì)子。FSP1主要定位于脂滴和質(zhì)膜，是一種清除有害脂質(zhì)過氧化物的系統(tǒng)。從機(jī)制上講，線粒體外泛醌被FSP1從CoQ10還原而來，既可直接捕獲脂質(zhì)自由基，也可以通過回收α-生育酚來間接充當(dāng)抗氧化的角色（圖3）。

圖3. FSP1對(duì)細(xì)胞死亡和生理狀態(tài)的影響

GCH1/BH4/DHFR系統(tǒng)

近期一項(xiàng)研究通過CRISPR全基因組篩選并確定了一種不依賴于GPX4的鐵死亡抑制基因，即鳥苷三磷酸環(huán)水解酶GCH1（四氫生物蝶呤BH4合成的限速酶）。如果阻斷二氫葉酸還原酶DHFR，可協(xié)同GPX4抑制劑發(fā)揮誘導(dǎo)鐵死亡的作用。此外，BH4還可以通過將苯丙氨酸轉(zhuǎn)化為酪氨酸來促進(jìn)CoQ10的合成，從而發(fā)揮抗氧化作用。

三、鐵死亡與人類疾病

圖4. 鐵死亡對(duì)不同疾病患者的作用

退行性疾病

由于目前缺乏強(qiáng)有力的的生物標(biāo)志物，鐵死亡與人類疾病之間的聯(lián)系仍未得到很好的闡述。因此，本文主要探討Gpx4基因敲除的小鼠以及其他具備鐵死亡特征的病理模型。GPX4的缺失導(dǎo)致早期胚胎死亡，肝細(xì)胞或神經(jīng)元中GPX4的特異性敲除也會(huì)導(dǎo)致圍產(chǎn)期或出生后死亡。他莫昔芬誘導(dǎo)的GPX4神經(jīng)元特異性敲除會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)退行性病變和行為功能障礙。條件性敲除GPX4的其他類型的細(xì)胞也都表現(xiàn)出功能缺陷或細(xì)胞死亡。

在疾病模型中驗(yàn)證鐵死亡的干預(yù)手段將有助于我們更好地理解鐵死亡參與到這些疾病中的作用。事實(shí)上，脂質(zhì)過氧化和鐵積累是許多神經(jīng)退行性疾病的特征，包括阿爾茨海默病、帕金森病、亨廷頓病、肌萎縮側(cè)索硬化癥、多發(fā)性硬化癥等。鐵死亡抑制劑已成功應(yīng)用到多種動(dòng)物模型的組織損傷，如腦、心臟、腸、腎臟、肝臟和缺血/再灌注相關(guān)病理變化等。

癌癥的抑制

鐵死亡誘導(dǎo)劑已被證明在抑制幾種類型的癌癥方面特別有效，包括三陰性乳腺癌、彌漫性大B細(xì)胞淋巴瘤、腎臟和卵巢透明細(xì)胞癌、胰腺導(dǎo)管腺癌、肝細(xì)胞癌、神經(jīng)母細(xì)胞瘤、腎上腺皮質(zhì)癌、順鉑耐藥頭頸部癌和耐藥急性髓系白血病。由于黑色素瘤較為特殊，因其細(xì)胞的分化狀態(tài)與對(duì)鐵死亡誘導(dǎo)劑的敏感性之間似乎存在負(fù)相關(guān)。

在接受免疫、放療和化療的癌癥患者中也檢測(cè)到鐵死亡， CD8⁺T細(xì)胞分泌的干擾素γ被證明能抑制Xc^-系統(tǒng)的兩個(gè)亞單元，從而增加癌細(xì)胞對(duì)鐵死亡的敏感性。而存在于發(fā)生鐵死亡的腫瘤細(xì)胞上的鈣網(wǎng)蛋白也能促進(jìn)樹突狀細(xì)胞的成熟和細(xì)胞毒性T細(xì)胞的浸潤(rùn)。鐵死亡誘導(dǎo)劑已被證明可以增強(qiáng)放療的抗腫瘤作用，而鐵死亡抑制劑也可開發(fā)用于緩解放療引起的肺損傷/纖維化和骨髓型放射病。因此，如何調(diào)節(jié)鐵死亡通路，從而在放射治療中獲得最大的臨床效益是一個(gè)值得進(jìn)一步研究的關(guān)鍵問題。

繪譜幫你測(cè)

隨著多種臨床疾病中廣泛地發(fā)現(xiàn)鐵死亡，大量關(guān)于鐵死亡與相關(guān)脂質(zhì)過氧化過程的研究揭示了這樣一條思路，即細(xì)胞命運(yùn)決定的分子和代謝基礎(chǔ)或能被用來改變機(jī)體生存和死亡之間的平衡狀態(tài)。麥特繪譜可提供與鐵死亡研究密切相關(guān)的檢測(cè)服務(wù)：

■ 游離脂肪酸：基于LC-MS/MS平臺(tái)可定性定量檢測(cè)多種生物樣本中的50+種游離脂肪酸，包括飽和脂肪酸、單不飽和脂肪酸和多不飽和脂肪酸；

■ 脂質(zhì)組：MRM模式，同位素內(nèi)標(biāo)矯正可定量檢測(cè)2000+種脂質(zhì)，包括脂肪酰類、甘油酯類、甘油磷脂類、鞘脂類、固醇類等極性和非極性脂質(zhì)。