汪 洋，宋紫燁，徐夢菲，何 燦 綜述，蔡紅兵 審校

(武漢大學(xué)中南醫(yī)院婦瘤科/湖北省腫瘤醫(yī)學(xué)研究中心/腫瘤生物學(xué)行為湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071)

細(xì)胞死亡是指細(xì)胞生命過程不可逆的終止，且該過程對機(jī)體生存、發(fā)展有重要意義。常見的死亡形式有多種，包括壞死和凋亡。以往學(xué)界認(rèn)為只有凋亡才屬于程序性死亡形式，但隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)存在更多的程序性死亡形式，包括半胱氨酸蛋白酶1(caspase-1)依賴的細(xì)胞凋亡，受體相互作用蛋白激酶1(receptor-interacting protein kinase 1，RIPK1)依賴的壞死性凋亡等[1-3]。近年來又發(fā)現(xiàn)了一種新的程序性死亡形式即鐵死亡，它是一種鐵依賴的脂質(zhì)活性氧(ROS)累積所致的細(xì)胞死亡過程，目前認(rèn)為鐵死亡與多種疾病的發(fā)生、發(fā)展相關(guān)，其中與腫瘤之間的關(guān)系密切[4-5]，但其相關(guān)機(jī)制還有待進(jìn)一步闡明，因此鐵死亡成為近年來腫瘤領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

1 鐵死亡的影響因素

鐵死亡由STOCKWELL等學(xué)者于2012年提出，其在形態(tài)、生化和基因調(diào)控方面不同于凋亡、壞死和自噬等死亡形式，特征性的形態(tài)學(xué)表現(xiàn)為線粒體比正常細(xì)胞小，且膜密度增加，外膜破裂，但細(xì)胞核的形態(tài)不發(fā)生改變[4]。鐵死亡中脂質(zhì)ROS的生成依賴于細(xì)胞內(nèi)鐵，而脂質(zhì)ROS的清除主要由谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPX4)完成。當(dāng)胞內(nèi)鐵含量增加時，脂質(zhì)ROS生成增加，若此時GPX4合成減少，則使脂質(zhì)ROS的產(chǎn)生和清除失平衡，導(dǎo)致細(xì)胞鐵死亡，故可認(rèn)為鐵、脂質(zhì)ROS和GPX4是鐵死亡的3個重要影響因素[4,6]。以下從腫瘤領(lǐng)域出發(fā)對上述3個重要因素進(jìn)行介紹。

1.1腫瘤細(xì)胞內(nèi)鐵含量增加 鐵是人體維持正常生理活動所必需的元素。研究發(fā)現(xiàn)鐵與多種腫瘤細(xì)胞的生物學(xué)行為密切相關(guān)，如卵巢癌細(xì)胞中鐵可促進(jìn)基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)和白細(xì)胞介素-6(IL-6)的合成，二者均可促進(jìn)腫瘤細(xì)胞侵襲、轉(zhuǎn)移，并且IL-6可促進(jìn)腫瘤新生血管的形成及化學(xué)治療抵抗，此外，Wnt/β-catenin信號通路的激活也依賴于細(xì)胞內(nèi)亞鐵的存在[7-10]。

研究報道腫瘤細(xì)胞中的鐵含量增加[8]，其機(jī)制主要包括：(1)鐵調(diào)節(jié)蛋白(iron regulatory protein，IRP)通過結(jié)合鐵蛋白和鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白mRNA 5′ UTR上的鐵反應(yīng)元件(iron-response elements，IREs)，阻斷二者的翻譯，從而抑制細(xì)胞內(nèi)鐵的儲存和流出；它也可以結(jié)合轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1(transferrin receptor 1，TFR1) mRNA 3′ UTR 上的IREs，穩(wěn)定 mRNA，增加TFR1的翻譯，從而增加鐵的流入，使細(xì)胞內(nèi)鐵含量增加[8]。(2)缺氧誘導(dǎo)因子1(hypoxia inducible factor 1，HIF1)對腫瘤細(xì)胞適應(yīng)低氧環(huán)境非常重要。HIF1可誘導(dǎo)TFR1的表達(dá)，使細(xì)胞攝鐵增加[11-12]。HIF1也可誘導(dǎo)血紅素加氧酶1的表達(dá)，即可通過降解血紅素來釋放鐵離子，使細(xì)胞內(nèi)鐵循環(huán)利用增加[12]。(3)RAS基因是腫瘤中常常突變的致癌基因，它既可通過上調(diào)TFR1增加鐵的攝入，也可通過下調(diào)鐵蛋白重鏈1和鐵蛋白輕鏈減少鐵的儲存[13]，以此增加細(xì)胞內(nèi)鐵池含量。(4)此外，腫瘤微環(huán)境中的M2型巨噬細(xì)胞的鐵蛋白含量降低，但鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)較高，使鐵輸出增加，從而為腫瘤細(xì)胞提供鐵，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞生長[14]。

通過上述機(jī)制，增加了腫瘤細(xì)胞中鐵含量，細(xì)胞內(nèi)鐵含量增加雖可促進(jìn)腫瘤生長，但同時也可增加腫瘤細(xì)胞發(fā)生鐵死亡的風(fēng)險。

1.2脂質(zhì)ROS生成 研究表明，鐵死亡過程可被脂氧合酶(lipoxygenase，LOX)抑制劑和還原型輔酶Ⅱ(NADPH)氧化酶(NADPH oxidase，NOX)抑制劑抑制，說明這兩類酶參與鐵死亡過程[4,15]。腫瘤細(xì)胞中LOX表達(dá)增加，而NOX屬于專門生成ROS的酶家族[16-17]。目前發(fā)現(xiàn)包含花生四烯酸(arachidonic，AA)或腎上腺酸(adrenic acid，AdA)的磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamines，PE)是鐵死亡中脂質(zhì)氧化的首選底物，而且過氧氫-PE(hydroperoxy-phosphatidylethanolamines，OOH-PE)目前被認(rèn)為是發(fā)生鐵死亡的信號[18-19]。

正常情況下，15-LOX一般以多不飽和脂肪酸為底物，但在鐵死亡中，它可與磷脂酰乙醇胺結(jié)合蛋白1(PEBP1)結(jié)合形成復(fù)合物，然后以多不飽和PE為底物，從而產(chǎn)生OOH-PE。因?yàn)镻EBP1可與游離的AA結(jié)合，減少游離AA成為15-LOX底物的可能，而且該復(fù)合物還可直接與已經(jīng)結(jié)合到細(xì)胞膜上的磷脂的多不飽和脂肪酸尾發(fā)生反應(yīng)[18]。?；o酶合成酶長鏈家族成員4(acyl-CoA synthetase long-chain family member 4，ACSL4)的缺乏可導(dǎo)致AA-PE或AdA-PE含量減少，這表明ACSL4可通過改變細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)組分來增加細(xì)胞對鐵死亡的易感性[19]。目前發(fā)現(xiàn)氧化的AA-PE和AdA-PE片段可存在于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中[20]，但其具體的作用目前還不得而知。鐵死亡中脂質(zhì)ROS的產(chǎn)生依賴于細(xì)胞內(nèi)鐵，因?yàn)槭褂描F清除劑可以阻斷ROS的生成，但其介導(dǎo)生成ROS的機(jī)制還未明了，目前有報道稱，ROS的產(chǎn)生可來自鐵介導(dǎo)的Fenton 反應(yīng)[4,20]，但需要進(jìn)一步探索。

1.3調(diào)節(jié)GPX4合成 通過對上述內(nèi)容的描述，認(rèn)識到導(dǎo)致鐵死亡的兩大重要因素在腫瘤細(xì)胞中的含量都增加。目前研究發(fā)現(xiàn)，GPX4是腫瘤細(xì)胞逃避鐵死亡的一個關(guān)鍵酶，是唯一可清除OOH-磷脂類的酶，它可將有毒的OOH-PE轉(zhuǎn)變?yōu)闊o毒的羥基代謝物，從而阻止腫瘤細(xì)胞發(fā)生鐵死亡[18]。

GPX4是一種硒代半胱氨酸酶，其合成過程需要胱氨酸-谷氨酸逆轉(zhuǎn)錄體(system c-)，它將合成原料胱氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)，再經(jīng)谷胱甘肽-半胱氨酸連接酶合成GPX4。system c-由SLC3A2和SLC7A11兩部分組成，可攝入胱氨酸而排出谷氨酸，其中SLC7A11是一個12次跨膜蛋白，SLC3A2(CD98)是它的結(jié)合蛋白[21]。在多種腫瘤中SLC7A11高表達(dá)，增加胱氨酸的攝入，以此來增加細(xì)胞內(nèi)GPX4的合成，即可減少細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激，避免發(fā)生鐵死亡，從而促進(jìn)腫瘤生長[22]。那么腫瘤細(xì)胞如何調(diào)節(jié)GPX4合成，分析如下。

腫瘤是機(jī)體內(nèi)源性和外源性因素共同參與所致的一類疾病，并被認(rèn)為是多種基因突變累積的結(jié)果，如癌基因、抑癌基因和DNA修復(fù)基因等[23]。研究表明，上述基因可參與細(xì)胞鐵死亡過程。P53作為抑癌基因，它可通過增強(qiáng)亞精胺/精胺N1-乙酰轉(zhuǎn)移酶1(SAT1)的表達(dá)來增加ROS的生成，也可通過結(jié)合ALC7A11啟動子上的位點(diǎn)來抑制ALC7A11的表達(dá)從而減少GPX4的合成，共同促進(jìn)腫瘤細(xì)胞鐵死亡；但它也可直接抑制二肽基肽酶4(dipeptidyl peptidase 4，DPP4)活性，削弱其與NOX1的結(jié)合，減少ROS的生成或通過誘導(dǎo)細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑1A(CDKN1A)/p21、谷氨酰胺酶2(glutaminase 2，GLS2)的表達(dá)來增加谷胱甘肽的合成，促進(jìn)對脂質(zhì)過氧化物的清除從而抑制鐵死亡[24-25]。在腫瘤中P53往往發(fā)生突變，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)P53發(fā)生乙?；毕莸耐蛔儠r，它仍充分保留抑制ALC7A11表達(dá)的能力[25]，但突變后的P53對其他靶點(diǎn)的作用目前還不清楚。轉(zhuǎn)錄因子P63屬于P53家族，它具有抑癌和致癌兩種亞型，ΔNp63α是P63的致癌亞型，可促進(jìn)谷胱甘肽的合成，增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞抗氧化能力，且此效應(yīng)不受P53的影響[26]，而作為抑癌基因亞型的TAp63，既可通過調(diào)節(jié)GLS2來發(fā)揮抗氧化功能，也可增加ROS的產(chǎn)生發(fā)揮促氧化功能[27]。另外，核因子相關(guān)因子2(NF-E2-related factor 2，NRF2)/Kelch-like ECH相關(guān)蛋白1(Kelch-like ECH-associated protein 1，Keap1)系統(tǒng)是機(jī)體的一個氧化還原敏感的轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)。正常情況下，即細(xì)胞不存在氧化應(yīng)激時，NRF2與Keap1結(jié)合，并不斷被泛素酶降解；但當(dāng)細(xì)胞存在氧化應(yīng)激或者Keap1泛素化連接酶突變時，Keap1構(gòu)象發(fā)生改變，NRF2不被降解而轉(zhuǎn)移到核內(nèi)與抗氧化反應(yīng)元件(antioxidant responsive element，ARE)結(jié)合，促進(jìn)抗氧化相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄與翻譯，其中包含了增加system c-的表達(dá)，從而增加細(xì)胞內(nèi)GPX4的含量，降低細(xì)胞內(nèi)ROS水平[28-29]。RAS作為致癌基因，可通過RAS-RAF-MEK-ERK-JUN-NRF2通路增加NRF2的轉(zhuǎn)錄及其與ARE的結(jié)合活性，從而提高NRF2的抗氧化能力[30]。但有研究發(fā)現(xiàn)，mTORC2作為多種腫瘤的生長因子受體信號通路，可以使ALC7A11上的第26位絲氨酸磷酸化，使其失活，減少胱氨酸的攝入，隨之減少GPX4的合成[31]。由此可見，腫瘤細(xì)胞調(diào)節(jié)鐵死亡的過程錯綜復(fù)雜，還有待進(jìn)一步研究。

2 鐵死亡與腫瘤的關(guān)系

隨著研究的深入，目前發(fā)現(xiàn)鐵死亡參與機(jī)體多種疾病的發(fā)生、發(fā)展，如帕金森、哮喘和腫瘤等[5,18,32]，本文主要概括鐵死亡與腫瘤之間的關(guān)系。研究表明，鐵死亡可抑制腫瘤生長，但僅限于細(xì)胞實(shí)驗(yàn)和動物實(shí)驗(yàn)[33]。目前已經(jīng)有一些藥物表現(xiàn)出有致腫瘤細(xì)胞鐵死亡的能力。

2.1肝癌 索拉菲尼是一種針對晚期肝癌的藥物，可誘導(dǎo)肝癌細(xì)胞發(fā)生氧化應(yīng)激，從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞發(fā)生鐵死亡[34]；氟哌啶醇為σ1受體(sigma 1 receptor，S1R)的拮抗劑，而S1R在肝臟中的含量豐富，且與氧化應(yīng)激有關(guān)，給予氟哌啶醇可增加肝癌細(xì)胞系對erastin和索拉菲尼誘導(dǎo)鐵死亡的敏感性，通過增加細(xì)胞內(nèi)亞鐵含量和脂質(zhì)ROS的產(chǎn)生，以及促進(jìn)GSH的消耗[35]；低密度脂蛋白二十二碳六烯酸納米分子可通過鐵死亡途徑來殺傷肝癌細(xì)胞[36]。

2.2膠質(zhì)瘤 土荊皮乙酸B(pseudolaric acid B，PAB)在動物和細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出有抑制膠質(zhì)瘤細(xì)胞生長的功能，因?yàn)樗稍黾蛹?xì)胞內(nèi)亞鐵的含量，并且細(xì)胞內(nèi)鐵可調(diào)節(jié)NOX4的表達(dá)，從而增加細(xì)胞內(nèi)過氧化氫和脂質(zhì)ROS的生成；PAB還可通過活化P53，從而抑制SLC7A11的功能，減少細(xì)胞內(nèi)GPX4的含量，導(dǎo)致脂質(zhì)ROS在細(xì)胞中累積，最終使膠質(zhì)瘤細(xì)胞發(fā)生鐵死亡[37]。

2.3其他腫瘤 青蒿素是一種抗瘧疾的藥物，但也有抗腫瘤的作用，它可促進(jìn)ROS產(chǎn)生，用青蒿素處理卵巢癌細(xì)胞系可致細(xì)胞死亡，但該過程可被鐵死亡特異性抑制劑ferrostatin-1所抑制，表明青蒿素的抗癌特性部分是通過誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞鐵死亡而發(fā)揮作用的[33]。有研究用青蒿素衍生物處理60種癌癥細(xì)胞系時發(fā)現(xiàn)，青蒿素衍生物可改變鐵相關(guān)基因，導(dǎo)致細(xì)胞鐵死亡[38]。二氫青蒿素(dihydroartemisinin，DHA)是青蒿素的衍生物和活性代謝物，用它處理頭頸部鱗狀細(xì)胞癌細(xì)胞系可通過增加細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)ROS的產(chǎn)生及減少GPX4的含量,誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞鐵死亡[39]。

3 小 結(jié)

鐵死亡是近年來發(fā)現(xiàn)的一種新的細(xì)胞死亡形式，而與鐵死亡關(guān)系密切的3個重要因素，即細(xì)胞內(nèi)鐵、脂質(zhì)ROS和GPX4，都與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展相關(guān)，因此可以推斷出腫瘤與鐵死亡之間的關(guān)系緊密[15,40-41]。但目前關(guān)于鐵死亡過程的研究還存在許多問題有待被解決，如細(xì)胞內(nèi)鐵依賴何種途徑生成脂質(zhì)ROS，除了GPX4清除脂質(zhì)ROS，是否還存在清除能力更強(qiáng)大的酶等。此外，隨著有關(guān)鐵死亡與腫瘤關(guān)系的研究開展越來越多，認(rèn)識到腫瘤細(xì)胞調(diào)節(jié)鐵死亡的過程相當(dāng)復(fù)雜，僅從常見的原癌和抑癌基因著手分析，便可看出其在不同的腫瘤細(xì)胞中作用機(jī)制并不一致。為了更加全面地了解腫瘤細(xì)胞調(diào)節(jié)鐵死亡這一龐大的網(wǎng)絡(luò)體系，需要對鐵死亡做更多更加深入的研究以揭示其相關(guān)機(jī)制，為靶向鐵死亡治療腫瘤提供更充足的證據(jù)。