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Cell Metabolism 綜述 | 鐵死亡的代謝基礎

瀏覽次數：2117　發(fā)布日期：2021-6-18　來源：本站　僅供參考，謝絕轉載，否則責任自負

鐵死亡小知識

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

■ 谷胱甘肽的耗竭，谷胱甘肽過氧化物酶（GPX4）活性下降，細胞抗氧化能力降低，致使脂質過氧化與代謝功能障礙，脂質活性氧（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，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，并與哺乳動物退行性疾病、腫瘤、中風、腦出血、外傷性腦損傷、局部缺血-再灌注損傷和腎衰竭相關的病理性細胞死亡有關。

作為一種新的細胞死亡機制，近年來，鐵死亡引起了學術界的廣泛關注。2020年12月一篇發(fā)表在《Cell Metabolism》的綜述，詳細介紹了細胞內幾種可直接影響脂質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，并總結了目前發(fā)現的三個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)展預防治療方面的應用。

一、影響細胞對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）是哺乳動物細胞中主要的抗氧化劑，也是GPX4的首選底物。導致谷胱甘肽耗盡的條件直接影響GPX4的活性和穩(wěn)定性，從而使細胞更易發(fā)生鐵死亡。GSH的消耗也可以通過限制細胞內半胱氨酸（GSH生物合成的限速底物）來實現。內源性半胱氨酸主要是通過GSH-或硫氧還蛋白還原酶1 (TXNRD1)介導的胱氨酸還原而產生的，胱氨酸主要通過Xc^-系統(tǒng)從細胞外空間輸入。

細胞內半胱氨酸至少可以通過轉硫途徑提供。在肝細胞中同時缺乏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，卻因為通過轉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胞中，通過誘導轉硫途徑逐漸對胱氨酸的缺乏產生應答，在一些腫瘤細胞中，轉硫作用通路不斷被激活。轉硫途徑的酶，包括甘氨酸N-甲基轉移酶（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)，都使腫瘤細胞對鐵死亡敏感并延緩體內腫瘤生長。

硫氧還蛋白(TXN)是第二個關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的細胞漿系統(tǒng)經常被激活，同時抑制GSH和TXN通路是有效觸發(fā)細胞死亡的既定途徑。最近的一項研究表明，殺鐵劑（一種TXN的抑制劑）確實會誘導癌細胞的鐵死亡，這表明TXN系統(tǒng)至少在某些細胞環(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)可能通過清除脂質自由基或自由基中間體，使M1型巨噬細胞和小膠質細胞對鐵死亡產生抵抗。

細胞內鐵代謝：玩火者

顧名思義，鐵死亡需要鐵依賴的脂質過氧化和細胞破裂，鐵螯合劑確實可以抑制鐵死亡，而用納米顆粒加載的鐵可誘導腫瘤細胞發(fā)生鐵死亡。生理條件下，位于質膜上的鐵傳遞蛋白受體TFR1以內吞的方式攝入運載鐵傳遞蛋白，因此TFR1被認為是鐵死亡發(fā)生的標志蛋白。細胞中的鐵儲存在鐵蛋白中，其蛋白量特別是重鏈的表達減少會增加鐵池和細胞對鐵死亡的敏感程度。相反，通過抑制鐵蛋白的自噬性降解則能使細胞抵抗鐵死亡。

細胞內鐵輸出由質膜上與多銅鐵氧化酶（如銅藍蛋白）偶聯的鐵輸出蛋白FPN1介導�；蛘�，含鐵蛋白的多泡體和外泌體也可以向細胞外排鐵。其他與鐵相關的蛋白包括多聚胞嘧啶結合蛋白PCBP1和血紅素氧合酶HO-1也參與了鐵死亡的調節(jié)。有研究發(fā)現小鼠肝細胞特異性缺失PCBP1會導致鐵池增加，并加劇肝臟中的鐵死亡。近年來，GSH在調控細胞內鐵穩(wěn)態(tài)方面受到廣泛關注，Fe²⁺與GSH的復合物被認為是鐵池中鐵的主要形式，鐵與PCBP1的結合也依賴于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和膽固醇的產生，對鐵死亡有多方面影響。阻斷該途徑限速酶的他汀類藥物會干擾GPX4的有效翻譯，從而增加細胞對鐵死亡的敏感性；角鯊烯被認為至少在癌細胞中具有抵抗鐵死亡的活性；膽固醇也參與了鐵死亡，外源性膽固醇氫過氧化物以劑量依賴性方式誘導細胞死亡，而GPX4活性的降低加劇了這一過程，而GPX4的過表達能極大地提高細胞對氫過氧化膽固醇誘導的氧化性細胞死亡的抵抗力。膽固醇，特別是7-脫氧膽固醇（膽固醇前體）是脂質過氧化和鐵化作用的潛在調節(jié)劑。

圖1. 影響細胞對鐵死亡易感性的代謝過程

鐵死亡中線粒體的角色

目前，學術界對于線粒體究竟是否直接參與鐵死亡仍存在一些爭議。最近一項研究提出線粒體對erastin或胱氨酸剝奪引起的鐵死亡是不可或缺的，而對于RSL3引起的鐵死亡可有可無。研究人員認為，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效應可能歸因于線粒體呼吸產生的ROS，但線粒體呼吸作用為何會失控呢？一方面，系統(tǒng)Xc^-抑制或胱氨酸剝奪可導致GSH銳減，從而削弱其對ROS的清除能力；另一方面，系統(tǒng)Xc^-的失活可導致細胞內谷氨酸的蓄積，并轉化生成α-酮戊二酸（α-KG），后者通過促進TCA循環(huán)，導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可恢復細胞死亡；反過來，胱氨酸存在的情況下，補充α-KG也不能引發(fā)鐵死亡。表明線粒體呼吸失調是抗氧化系統(tǒng)和由谷氨酰胺分解引起的TCA循環(huán)兩者此消彼長的結果。

對谷氨酰胺分解或TCA循環(huán)的調節(jié)可能會影響細胞對鐵死亡的敏感性。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敲低的癌細胞可以抵抗胱氨酸剝奪誘導的鐵死亡。

NADPH：預防鐵死亡

NADPH對鐵死亡的重要性不單單只是供應GSH和TXN系統(tǒng)這么簡單，它對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、動關大局的存在。NADPH的基礎水平可用作生物標志物衡量各種癌細胞系對鐵死亡的敏感性，NADPH的耗竭會促進細胞發(fā)生鐵死亡。

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

多不飽和脂肪酸代謝—死神油膩的一面

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

在鐵死亡情況下，脂質過氧化影響的主要是酯化的PUFA，而非游離的PUFA。細胞除了依靠磷脂酶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)將飽和脂肪酸轉化為MUFAs�？傊�，磷脂中的PUFAs充足是鐵死亡插手細胞命運的先決條件。

脂質過氧化—鐵死亡的主要特征

目前，學術界仍在為究竟磷脂PUFA氧化物（PLOOH）是如何引發(fā)鐵死亡而爭論不休�；蛘哒f，脂質過氧化究竟是酶催化的還是非酶促的自氧化？究竟誰才是驅動鐵死亡發(fā)生的始作俑者？酶促派的研究反復強調脂氧合酶LOX家族（尤其是ALOX15）在脂質過氧化和鐵死亡中起核心作用，然而非酶促派多項研究的質疑致使LOX家族在鐵死亡的主導地位不穩(wěn)。首先，敲除ALOX15并不能挽救GPX4缺失引起的鐵死亡及其嚴重病理后果。其次，對多種LOX亞型（5-LOX、p12-LOX和15-LOX-1）過表達的研究指出，無論LOX對PLOOH的原初蓄積有等何貢獻，脂質的非酶促自氧化才是鐵死亡的真正誘因。

鐵在參與脂質過氧化上非常積極，但是它如何促成這一過程仍然難以評估。含鐵酶促的活性依賴鐵的參與，鐵也可以通過芬頓反應促進脂質的非酶促自氧化。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）的共翻譯整合機制。敲除這一至關重要的活性位點會導致小鼠胚胎死亡，而用半胱氨酸代替Sec的小鼠在斷奶前就會自發(fā)癲癇并死亡。

NAD(P)H/FSP1 /CoQ10系統(tǒng)

盡管FSP1對鐵死亡的抑制作用最近才被發(fā)現（圖2），但早在20年前就有報道這個與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胞死亡，而由于通過攝取半胱氨酸可以抑制這種細胞死亡，因此后來被認為正是鐵死亡。

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)的一個分支，催化與復合體I同樣的反應，只是不泵送質子。FSP1主要定位于脂滴和質膜，是一種清除有害脂質過氧化物的系統(tǒng)。從機制上講，線粒體外泛醌被FSP1從CoQ10還原而來，既可直接捕獲脂質自由基，也可以通過回收α-生育酚來間接充當抗氧化的角色（圖3）。

圖3. FSP1對細胞死亡和生理狀態(tài)的影響

GCH1/BH4/DHFR系統(tǒng)

近期一項研究通過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)揮誘導鐵死亡的作用。此外，BH4還可以通過將苯丙氨酸轉化為酪氨酸來促進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. 鐵死亡對不同疾病患者的作用

退行性疾病

由于目前缺乏強有力的的生物標志物，鐵死亡與人類疾病之間的聯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的缺失導致早期胚胎死亡，肝細胞或神經元中GPX4的特異性敲除也會導致圍產期或出生后死亡。他莫昔芬誘導的GPX4神經元特異性敲除會導致神經退行性病變和行為功能障礙。條件性敲除GPX4的其他類型的細胞也都表現出功能缺陷或細胞死亡。

在疾病模型中驗證鐵死亡的干預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。事實上，脂質過氧化和鐵積累是許多神經退行性疾病的特征，包括阿爾茨海默病、帕金森病、亨廷頓病、肌萎縮側索硬化癥、多發(fā)性硬化癥等。鐵死亡抑制劑已成功應用到多種動物模型的組織損傷，如腦、心臟、腸、腎臟、肝臟和缺血/再灌注相關病理變化等。

癌癥的抑制

鐵死亡誘導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細胞淋巴瘤、腎臟和卵巢透明細胞癌、胰腺導管腺癌、肝細胞癌、神經母細胞瘤、腎上腺皮質癌、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，因其細胞的分化狀態(tài)與對鐵死亡誘導劑的敏感性之間似乎存在負相關。

在接受免疫、放療和化療的癌癥患者中也檢測到鐵死亡， CD8⁺T細胞分泌的干擾素γ被證明能抑制Xc^-系統(tǒng)的兩個亞單元，從而增加癌細胞對鐵死亡的敏感性。而存在于發(fā)生鐵死亡的腫瘤細胞上的鈣網蛋白也能促進樹突狀細胞的成熟和細胞毒性T細胞的浸潤。鐵死亡誘導劑已被證明可以增強放療的抗腫瘤作用，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值得進一步研究的關鍵問題。

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隨著多種臨床疾病中廣泛地發(fā)現鐵死亡，大量關于鐵死亡與相關脂質過氧化過程的研究揭示了這樣一條思路，即細胞命運決定的分子和代謝基礎或能被用來改變機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的檢測服務：

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