李 維， 呂占云， 李道靜， 李燕新綜述， 郝延磊審校

鐵死亡(Ferroptosis)是一種非凋亡形式的細(xì)胞死亡，其具有明確的鐵依賴性且與脂質(zhì)過氧化相關(guān)，谷胱甘肽過氧化物酶4(Glutathione peroxidase 4,GPX4)是鐵死亡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)基因。目前已知鐵死亡參與多種疾病的發(fā)生發(fā)展，如組織缺血再灌注損傷、神經(jīng)系統(tǒng)疾病和癌癥等。研究發(fā)現(xiàn)，鐵死亡細(xì)胞通過釋放炎癥相關(guān)的損傷相關(guān)分子從而觸發(fā)固有免疫系統(tǒng),免疫細(xì)胞通過識別不同模式細(xì)胞死亡的機(jī)制來激發(fā)炎癥反應(yīng)。脂氧合酶(lipoxygenase,LOX)和環(huán)氧化(Cyclooxygenase,COX)產(chǎn)物在炎癥反應(yīng)中發(fā)揮重要作用，其可能與鐵死亡密切相關(guān)。本文就鐵死亡的最新研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，淺析鐵死亡與炎癥免疫之間關(guān)系。

1 鐵死亡途徑

胱氨酸/谷氨酸逆向轉(zhuǎn)運(yùn)體(xc-系統(tǒng))是一個廣泛分布在磷脂雙分子層的氨基酸逆向轉(zhuǎn)運(yùn)體，由輕鏈xCT(SLC7A11)和重鏈4F2(SLC3A2)組成[1]。胱氨酸與谷氨酸以1∶1的比例通過xc-系統(tǒng)在細(xì)胞內(nèi)外進(jìn)行交換。在細(xì)胞內(nèi)，胱氨酸被谷胱甘肽(GSH)或硫氧還蛋白還原酶1還原為半胱氨酸，在γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶和谷胱甘肽合成酶的作用下進(jìn)一步合成谷胱甘肽(GSH)。GSH是谷胱甘肽過氧化物酶4(GPX4)的主要底物，GPX4是鐵死亡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子[2]，它可以將過氧化物還原成相應(yīng)的醇。(1S,3R)-RSL3(RSL3)[3]，ML162[4]和altretamine[5]為GPX4抑制劑。GPX4的抑制導(dǎo)致大量的脂質(zhì)過氧化物聚集，成為鐵死亡的標(biāo)志[6]?；ㄉ南┧?Arachidonic acid,AA)、含有磷脂酰乙醇胺的腎上腺素酸酯化為磷脂的量將影響磷脂氫過氧化物的生成，磷脂氫過氧化物是鐵死亡的重要特征。多種酶促途徑包括GPX4功能障礙、脂氧合酶(LOX)介導(dǎo)的氧化，以及非酶促途徑如自由基介導(dǎo)的自動氧化等均可以促進(jìn)磷脂氫過氧化物在細(xì)胞內(nèi)積累[7]。鐵死亡機(jī)制(見圖1)。

2 鐵死亡途徑的影響因素

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Gpx4敲除的小鼠會出現(xiàn)與鐵死亡有關(guān)的急性腎功能衰竭，Alox15作為LOX亞型之一，單純Alox15缺失無法抑制體內(nèi)Gpx4基因敲除引起的急性腎功能衰竭，因此認(rèn)為不是單個而是多個LOX亞型參與的多不飽和脂肪酸(Polyunsaturated fatty acid,PUFA)過氧化反應(yīng)最終導(dǎo)致小鼠腎臟細(xì)胞中的鐵死亡[8]。Lip1、Ferrostatin-1(Fer1)以及維生素E家族(生育酚和生育三烯酚)和黃酮類化合物在一些情況下可以抑制LOX的活性，可作為鐵死亡抑制劑。

?；o酶A合成酶長鏈家族成員4(acyl-CoA synthetase long-chain family member4,ACSL4)和溶血磷脂酰膽堿酰基轉(zhuǎn)移酶3(Lysophosphatidylcholine Acyltransferase 3,LPCAT3)，參與磷脂酰乙醇胺的生物合成和重塑，影響多不飽和脂肪酸的跨膜，降低其表達(dá)可減少脂質(zhì)過氧化的底物在細(xì)胞內(nèi)聚集從而抑制鐵死亡。因此，ACSL4和LPCAT3的遺傳缺失抑制了鐵死亡[6]。以胰島素增敏劑羅格列酮和吡格列酮為代表的噻唑烷二酮類化合物有效抑制ACSL4，因此可以抑制鐵死亡[9,10]。

甲羥戊酸途徑也與鐵死亡的調(diào)節(jié)有關(guān)。輔酶Q10是線粒體電子傳遞鏈的一部分，經(jīng)甲羥戊酸途徑代謝合成，可作為鐵死亡的內(nèi)源性抑制劑[10]。鐵死亡誘導(dǎo)劑FIN56可能會激活角鯊烯合成酶(SQS)導(dǎo)致輔酶Q10耗盡。此外，他汀類藥物為HMG-CoA還原酶抑制劑，可能是通過消耗輔酶Q10或通過其對硒代半胱氨酸t(yī)RNA的異戊烯化作用，增加細(xì)胞對FIN56誘導(dǎo)鐵死亡的敏感性而發(fā)揮作用。

鐵自噬(Ferritinophagy)是一種由核受體共激活因子4(NCOA4)[11]介導(dǎo)調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)鐵代謝的選擇性自噬[12]。鐵以三價鐵(Fe3+)的形式進(jìn)入血液循環(huán)，與轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合后以轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合鐵的形式存儲，然后通過與轉(zhuǎn)鐵蛋白受體結(jié)合進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的內(nèi)涵體，繼而通過鐵還原酶還原為Fe2+。最后，F(xiàn)e2+從內(nèi)涵體釋放到細(xì)胞質(zhì)內(nèi)不穩(wěn)定的鐵池中，從動態(tài)鐵池釋放的Fe2+通過Fenton反應(yīng)將膜氧化成PL-OOH，誘發(fā)鐵死亡[10]。最近報道，F(xiàn)INO2及其類似物為新的一類鐵死亡發(fā)起者，F(xiàn)INO2通過直接鐵氧化，磷脂的廣泛過氧化和GPX4間接失活的式誘導(dǎo)鐵死亡，具體過程仍不了解。

3 鐵死亡與炎癥反應(yīng)

炎癥反應(yīng)是機(jī)體根據(jù)細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境變化做出的免疫應(yīng)答,適度的免疫反應(yīng)對于機(jī)體具有保護(hù)作用，過度的免疫應(yīng)答會對機(jī)體造成傷害。鐵死亡的過程則多伴炎癥性的表現(xiàn)。使用晶體(草酸鹽)和葉酸誘導(dǎo)的急性腎損傷(AKI)模型以及他莫昔芬誘導(dǎo)的全身GPX4缺失的基因敲除小鼠模型，在其腎臟中可觀察到與鐵死亡相關(guān)的壞死性炎癥[13]。在他莫昔芬誘導(dǎo)的Gpx4fl/fl-RosaCreERT2小鼠中，大量腎小管細(xì)胞死亡導(dǎo)致急性腎功能衰竭和敲除小鼠的早期死亡。在組織病理水平上，可以觀察到破裂的細(xì)胞釋放細(xì)胞碎片、線粒體甚至細(xì)胞核進(jìn)入腎小管腔。這很可能與經(jīng)典損傷相關(guān)分子模式(DAMP)有關(guān)系[14]。在鐵死亡組織中，通過F4/80免疫熒光染色顯示有顯著激活巨噬細(xì)胞[8]，釋放促炎物質(zhì)，引發(fā)一系列炎癥反應(yīng)。以上表明了鐵死亡與炎癥免疫有密切聯(lián)系。

鐵死亡組織中存在某些過氧化物代謝和花生四烯酸代謝產(chǎn)生的炎性介質(zhì)?；ㄉ南┧岽x產(chǎn)生炎性介質(zhì)的途徑有:通過酯氧化酶(LOX)途徑生成白三烯以及其他脂質(zhì)過氧化物以及通過環(huán)氧化酶(COX)途徑生成前列腺素(PG)[15]。在LOX通路中，LOX除在氧化酯化PUFAs中作為鐵死亡過程的信號外，還通過LOX衍生的促炎因子代謝物(包括白三烯、HETEs和oxoeicosanoids)激活先天免疫細(xì)胞，間接地促進(jìn)了鐵死亡，實(shí)驗(yàn)證明LOX亞型12/15-LOX特異性抑制劑可以抑制由他莫昔芬誘導(dǎo)Gpx4缺失導(dǎo)致的細(xì)胞死亡。在另一條通路，AA經(jīng)COX通路生成PGE，PGE在免疫系統(tǒng)中扮演重要角色。PGE可以調(diào)節(jié)炎癥過程中免疫細(xì)胞的分化(可以促進(jìn)Naiive T細(xì)胞向T輔助細(xì)胞Thl或者Th2分化)以及促進(jìn)細(xì)胞因子的表達(dá)(PGE的刺激能夠誘導(dǎo)樹突狀細(xì)胞中TNF超家族分子的分泌，進(jìn)一步激活T細(xì)胞)，促進(jìn)炎癥反應(yīng)的發(fā)生[16]。

固有免疫系統(tǒng)的細(xì)胞通過分泌白三烯、hepoxilins等使COX和LOX與炎癥狀態(tài)持續(xù)存在，并且最終通過分泌resolvins和lipoxin來消除炎癥。這種自發(fā)放大循環(huán)既能發(fā)生在損傷的組織和衰竭的器官中，也發(fā)生在包括壞死性凋亡等具有免疫反應(yīng)的背景下。LOX和COX家族在受損組織和先天免疫細(xì)胞中在對鐵死亡致敏和DAMP釋放過程中的時空表達(dá)和活化是多層次的，具體機(jī)制仍需探索。

圖1 鐵死亡的機(jī)制

圖中縮略詞：TF：轉(zhuǎn)鐵蛋白；TFR：轉(zhuǎn)鐵蛋白受體；Fenton reaction：芬頓反應(yīng)；PUFA(PE):多不飽和脂肪酸(磷脂乙醇胺)；Xc-系統(tǒng)：胱氨酸/谷氨酸逆向轉(zhuǎn)運(yùn)體，由細(xì)胞膜上SLC7A11和SLC3A2兩個亞基組成；ACSL4:?；o酶A合成酶長鏈家族成員4；LPCAL3：溶血磷脂酰膽堿?；D(zhuǎn)移酶3；LOX：脂氧合酶；GSH:還原性谷胱甘肽；GSSH:氧化型谷胱甘肽：GPX4：谷胱甘肽過氧化物酶；L-OOH(L-OH):脂質(zhì)過氧化物(及其相對應(yīng)的醇)；CoQ10:輔酶Q10；VE:VE家族；flavonoids：黃酮類化合物；鐵死亡抑制劑：Lip1、Fer1、RSL3、ML162、altretamine(阿曲明)；Mevalonate pathway：甲羥戊酸途徑：Selenocysteine：硒代半胱氨酸

4 鐵死亡與炎癥的相關(guān)性在疾病中的研究

4.1 神經(jīng)退行性病變 神經(jīng)炎癥是指發(fā)生在中樞及周圍神經(jīng)系統(tǒng)中由促炎因子介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)。大量的研究發(fā)現(xiàn)，多種神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生與神經(jīng)炎癥密切相關(guān)，如阿爾茨海默病(Alzheimer disease,AD)、帕金森病(Parkinson’s disease,PD)、亨廷頓病(Huntington disease,HD)等[17,18]。相關(guān)研究表明，Toll樣受體(Toll-like receptors,TLR)家族成員在炎性免疫細(xì)胞周圍表達(dá)顯著升高，其中TLR2和TLR4參與了由脂質(zhì)過氧化物引起的神經(jīng)細(xì)胞凋亡的過程。同時，許多退行性疾病與鐵死亡有關(guān)，通過敲除小鼠GPX4可促進(jìn)脂質(zhì)過氧化、胞內(nèi)活性氧的堆積、神經(jīng)元丟失以及星形膠質(zhì)細(xì)胞激活，而GPX4是鐵死亡發(fā)生的關(guān)鍵調(diào)控者，因此我們推測在神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病中，鐵死亡與神經(jīng)炎癥存在一定聯(lián)系。

PD的典型病變?yōu)檎{(diào)節(jié)運(yùn)動功能的黑質(zhì)致密區(qū)中的神經(jīng)元缺失。PD的運(yùn)動癥狀通常表現(xiàn)為：靜止性震顫、肌強(qiáng)直、運(yùn)動遲緩、姿勢障礙等[19]。在PD患者腦組織標(biāo)本中通?？梢杂^察到GSH耗竭，脂質(zhì)過氧化、ROS水平以及致密區(qū)鐵升高。實(shí)驗(yàn)表明，銅藍(lán)蛋白基因缺失的小鼠在大腦中出現(xiàn)鐵的沉積，且出現(xiàn)與PD相類似的臨床表現(xiàn)，而鐵螯合劑的應(yīng)用可以減少鐵的沉積，改善PD的運(yùn)動癥狀[20]。研究發(fā)現(xiàn)，鐵死亡是多巴胺能神經(jīng)元的關(guān)鍵細(xì)胞死亡途徑，通過體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)Fer-1可減少神經(jīng)元死亡。因此，鐵死亡與PD的病理過程密切相關(guān)。

AD是由學(xué)習(xí)和記憶所需的神經(jīng)元變性引起的退行性疾病。在AD患者的尸檢的腦組織標(biāo)本中可以觀察到脂質(zhì)過氧化和鐵質(zhì)失調(diào)。在最近的一項(xiàng)研究中，具有特定大腦皮質(zhì)和海馬神經(jīng)元GPX4敲除的小鼠在水迷宮測試中顯示出明顯的認(rèn)知障礙，以及海馬神經(jīng)元的變性[21]。一項(xiàng)研究表明，tau的過度表達(dá)和過度磷酸化誘導(dǎo)了神經(jīng)細(xì)胞發(fā)生鐵死亡，α-硫辛酸通過下調(diào)鐵轉(zhuǎn)鐵蛋白受體，降低磷酸化P38水平，上調(diào)xCT和GPX4表達(dá)來挽救神經(jīng)元[22]。這些研究表明，鐵死亡可能會影響對學(xué)習(xí)和記憶有重要意義的神經(jīng)元。由此我們推斷，鐵死亡與AD的病理過程有關(guān)。

HD是另一種進(jìn)行性神經(jīng)退行性疾病。在HD動物模型和HD患者中已經(jīng)注意到運(yùn)動和癡呆[23]、氧化損傷、脂質(zhì)氧化[24]、鐵積累、GSH失調(diào)和GPX活性降低。鐵螯合劑的使用已被證明可以改善HD小鼠的認(rèn)知功能。以上證據(jù)表明鐵死亡可能在HD的進(jìn)行性神經(jīng)變性中起作用。

4.2 腫瘤 鐵死亡首先在非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞系HT-1080中被發(fā)現(xiàn)。盡管許多研究證實(shí)鐵死亡與多種腫瘤發(fā)病相關(guān)，但鐵死亡在中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤中的作用少有研究。鐵死亡途徑相關(guān)的脂質(zhì)代謝酶在腫瘤的發(fā)病過程中扮演重要角色。相對于正常細(xì)胞，腫瘤細(xì)胞內(nèi)ROS水平通常較高[25]，由于腫瘤細(xì)胞中抗氧化作用較弱，許多化療藥物就是通過鐵死亡途徑的氧化應(yīng)激產(chǎn)生ROS對腫瘤細(xì)胞進(jìn)行殺傷。許多物質(zhì)可以通過抑制xc-系統(tǒng)間接增加過氧化導(dǎo)致鐵死亡，研究發(fā)現(xiàn)高濃度(>200 μmol)柳氮磺胺吡啶是一種抑制膠質(zhì)瘤生長的xc-系統(tǒng)抑制劑，通過誘導(dǎo)膠質(zhì)瘤細(xì)胞死亡，降低腫瘤體積[26]。在肺癌細(xì)胞系、膀胱癌細(xì)胞和其他癌細(xì)胞系中研究發(fā)現(xiàn)AFT4、Nrf2可通過上調(diào)xCT表達(dá)以及Nrf2信號傳導(dǎo)的激活來增加瘤細(xì)胞系對鐵死亡的抵抗[27]。因此，腫瘤與鐵死亡關(guān)系密切。脂氧合酶(LOX)是一類能夠催化花生四烯酸等多不飽和脂肪酸生成有具有生物活性的代謝產(chǎn)物的過氧化物酶,它主要參與機(jī)體的炎癥反應(yīng)和免疫反應(yīng)，同時也是鐵死亡的必備條件[28]。

近年研究發(fā)現(xiàn)5-LOX、12-LOXs在多種腫瘤細(xì)胞中高表達(dá)，其代謝通路產(chǎn)物參與腫瘤細(xì)胞增殖、侵襲、轉(zhuǎn)移等過程。由于LOX在鐵死亡和炎癥中均起到重要作用，因此，腫瘤與鐵死亡以及炎癥反應(yīng)密切相關(guān)。

5 結(jié) 論

綜上所述，鐵死亡作為一種與鐵離子有關(guān)依賴脂質(zhì)過氧化的的程序性細(xì)胞死亡形式，它與多種疾病的病因病機(jī)存在密切關(guān)系。越來越多的證據(jù)表明，鐵死亡的過程多伴有炎癥的表現(xiàn)，細(xì)胞通過鐵死亡分泌強(qiáng)烈激活固有免疫系統(tǒng)的因子，發(fā)揮調(diào)控細(xì)胞炎癥、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和細(xì)胞生長的作用，當(dāng)炎癥反應(yīng)超過一定限度時，大量釋放的促炎細(xì)胞因子，將導(dǎo)致機(jī)體損害。鐵死亡與壞死性炎癥的研究仍處于早期階段，還有很多問題等待解決，如：鐵死亡細(xì)胞釋放的DAMP的機(jī)制是什么？導(dǎo)致免疫細(xì)胞活化的機(jī)制是什么？在發(fā)生鐵死亡前受損的GSH/GPX4軸是否通過增加的LOX/PTGS信號促進(jìn)固有免疫系統(tǒng)的激活？對鐵死亡的深入研究將有助于更加充分認(rèn)識多種疾病的發(fā)生進(jìn)展機(jī)制并治提供新思路。