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被引480次的铁死亡综述
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铁死亡作为一种独特的细胞死亡方式,是备受科研人员青睐的研究方向。其受到包括氧化还原稳态,铁代谢,线粒体活性,氨基酸、脂质、糖的代谢,以及各种与疾病相关的信号途径等多种细胞代谢途径的调控。
2021年1月25日,美国Memorial Sloan Kettering Cancer Center的Xuejun Jiang教授、哥伦比亚大学Brent R. Stockwell教授以及德国Marcus Conrad教授在国际著名期刊、影响因子高达113.915分的Nature Reviews Molecular Cell Biology 杂志上发表题《Ferroptosis: mechanisms, biology and role in disease》的综述文章。此文章全面概括了铁死亡的机制生物学功能以及在疾病中的作用
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摘要
自2012年被提出以来,铁死亡的研究在这几年里出现了指数式增长。这种由铁依赖性磷脂过氧化驱动的独特细胞死亡方式受到多种细胞代谢途径的调节,包括氧化还原平衡、铁代谢、线粒体活性和氨基酸、脂质和糖类的代谢,以及与疾病相关的各种信号通路。众多的器官损伤和退行性病变都是由铁死亡驱动的。
有趣的是,耐药性的癌细胞,特别是那些处于间质状态并容易转移的癌细胞,非常容易受到铁死亡的影响。因此,诱导或抑制铁死亡进行药物调节,在治疗抗药性癌症、缺血性器官损伤和其他与广泛脂质过氧化有关的退行性疾病中具有巨大的潜力。本综述对目前铁死亡的分子机制和调控网络、铁死亡在肿瘤抑制和免疫监视中的潜在生理功能、其病理作用以及治疗目标的潜力进行了重要分析。
很重要的是,就像所有快速发展的研究领域一样,铁死亡领域同样因为误解和不恰当的实验方法而充满挑战性。本综述旨在解决这些问题,并为提高铁死亡研究的可重复性和可靠性提供实用指南。本文还在最后讨论了铁死亡研究中应该成为未来重点的重要概念和紧迫问题。
引言
细胞是生命的基本组织单位。因此,细胞的增殖分化、功能特征以及最终的死亡,在生命的各种表现形式中都是至关重要的。细胞的命运和功能受到环境和遗传因素的影响。细胞命运决定的最关键轴之一就是细胞如何应对氧化应激,因为大多数生物体在基于氧化还原的代谢过程中依赖氧作为最终的电子受体。在导致细胞氧化应激的因素中,膜双分子层中脂质的氧化修饰,特别是脂质过氧化已成为细胞命运的一个重要调节因素,广泛的脂质过氧化通过一种被称为铁死亡的独特细胞死亡模式使细胞死亡。
现在,铁死亡被认为可能是最广泛和最古老的细胞死亡形式之一:尽管最初是在哺乳动物系统中研究的,但在远古物种中(包括植物、原生动物和真菌)也能观察到类似铁死亡的细胞死亡。值得注意的是,脂质过氧化整合了一系列环境和遗传输入因素,包括热和辐射暴露、代谢、氧化还原稳态和细胞间接触,以及致癌和抑癌信号。
根据这些诱导细胞铁死亡的输入因素,越来越多的证据表明铁死亡在肿瘤抑制和免疫中发挥潜在的生理作用(图1)。最近,铁死亡也被发现与某些真菌的发育以及线虫的发育衰老有关。此外,铁死亡的病理生理学相关性已被证实可以作为癌症治疗和预防缺血性器官损伤的一种治疗方式(图1)。
尽管铁死亡这个术语是最近才提出的,但在2012年,但类似铁死亡的细胞死亡很早就被观察到过——例如,在20世纪中期的代谢研究中,一种氧化应激诱导的细胞死亡曾被命名为“氧死亡”。哈利·伊格尔在20世纪50年代和60年代进行的开创性工作表明,氨基酸半胱氨酸缺失可以导致细胞死亡,而半胱氨酸的内源性合成使细胞对这种死亡方式有抵抗力,这种死亡就正是我们现在所说的铁死亡。
现在,我们还了解到半胱氨酸对还原性谷胱甘肽(GSH)的生物合成具有限速作用。GSH是哺乳动物细胞中最丰富的还原剂,对铁硫簇的生物生成很重要,是多种酶(包括谷胱甘肽过氧化物酶(GPXs)和谷胱甘肽-S-转移酶)的辅助因子。对于GSH的合成,半胱氨酸可以通过中性氨基酸转运体从环境中转运吸收,也能够以氧化形式(胱氨酸)被系统xc-胱氨酸/谷氨酸逆向转运蛋白摄取(包含亚基SLC7A11和SLC3A2的跨膜蛋白复合物),或在反硫化途径中使用蛋氨酸和葡萄糖合成。
遗传学已经证明,维持GSH合成,促进系统xc-或谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)的活性,可以保护细胞不受各种氧化应激条件引发的死亡(特别是会导致硫醇缺乏的那些情况)。这些早期的研究现在都可以归到铁死亡的领域之中。
在过去,细胞死亡被认为是被动的和不受控制的,直到20世纪70年代,人们发现了第一种程序性细胞死亡——细胞凋亡。它被认为是程序性细胞死亡是因为这种细胞死亡是通过发育性程序化途径执行的。调节性细胞死亡(RCD)的更广义的解释是由分子调控的死亡程序,不一定要是发育程序通路进行调控。现在知道,铁死亡符合这种RCD的标准:它是由致命的脂质过氧化驱动的,这是细胞代谢和氧化还原不平衡的结果,并且可以通过直接阻断脂质过氧化或通过药理或遗传手段消耗铁来抑制。
尽管如此,铁死亡的领域在许多方面依旧处于起步阶段,在过去的几年中,它仅与氨基酸代谢,脂质代谢,铁稳态,氧化还原,硒生物学以及细胞死亡等邻近领域合并研究。关于铁死亡的已发表研究数量呈指数级增长,因此,为了不同的研究群体能够明确围绕这一主题,有必要对该领域的关键发现、问题和挑战的最近进展进行彻底的和批判性的研究。在此,本文深入分析了铁死亡的机制和调控机制、其潜在的生理功能及其在疾病和治疗中的作用,讨论了对该领域具有重要概念的新问题和挑战,为指导铁死亡的研究提供了实践和实验建议。
控制铁死亡的机制
近年来,人们对铁死亡发病机理的认识取得了飞速的进展。通过初步发现系统xc--GSH-GPX4通路在抑制铁死亡中的发挥作用,磷脂氢过氧化物(PLOOHs)(一种脂基活性氧(ROS)的形式)作为铁死亡执行者的作用现在已经确定(图2)。最近,GPX4非依赖性铁死亡监测途径已经被确认。此外,PLOOH的合成机制,特别是PUFAs (多不饱和脂肪酸,PLOOHs的前体)的合成和激活,已经在铁死亡的背景下得到了广泛的研究。重要的是,所有这些研究都集中在细胞代谢上,揭示了铁死亡和代谢途径之间的密切关系。
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GPX4的关键作用
为了发现新的小分子抗癌疗法,斯托克韦尔小组从2001年开始进行了高通量筛选,并在2003年发现了一系列化合物,这些化合物能够诱导一种非凋亡、非坏死的独特细胞死亡形式。经反复筛选显示,多种铁螯合剂和亲脂性自由基捕获抗氧化可以剂抑制这种细胞死亡。这种细胞死亡方式对铁的需求启发了“铁死亡”一词的产生。随后的机制研究确定了两种细胞成分,系统xc-和GPX4,它们分别被化合物erastin和RSL3抑制,诱导铁死亡。
GPX4是一种硒蛋白,最初由Ursini及其同事通过生化纯化发现,是催化哺乳动物细胞中PLOOHs减少从而降低毒性的主要酶。GPX4将磷脂和胆固醇氢过氧化物还原为相应的醇需要GPX4的催化硒半胱氨酸残基和两个通常由GSH提供的电子(有时也由其他低分子硫醇甚至蛋白质硫醇提供)。Conrad小组对第一个条件性GPX4基因敲除小鼠模型的全面研究提供了早期证据,表明GPX4的缺失会导致鼠胚胎成纤维细胞中脂质过氧化依赖性,非凋亡性细胞死亡,以及海马和大脑皮层区域的神经变性。这个模型和其他一些小鼠模型有助于更详细地描述铁死亡的体内作用,将在下文进一步讨论。
GPX4是最主要的PLOOH中和酶,erastin/RSL3诱导铁死亡的机制由此浮现了:这两种化合物都能使GPX4失活——RSL3直接使其失活,而erastin通过抑制胱氨酸的输入,从而剥夺胱氨酸细胞(GSH的一个基本的细胞组成部分)间接使其失活。因此,PLOOH产生积累,可能因此造成快速且不可修复的细胞膜损伤,从而导致细胞死亡(图2a)。从概念上讲,这些发现确立了铁死亡的机制不同于其他已知的细胞死亡方式。
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磷脂过氧化反应的驱动因素
无限制的脂质过氧化是铁死亡的标志。20世纪50年代的早期研究指出了微量元素硒、维生素E和半胱氨酸对脂质过氧化具有抑制作用。脂质过氧化的启动需要从结合到脂质双分子层中的磷脂(PUFA-PLs)中的多不饱和脂肪酸酰基部分中去除一个双烯丙基氢原子(位于两个碳-碳双键之间)。这导致了以碳为中心的磷脂自由基的形成,并随后与分子氧反应生成磷脂过氧自由基,从另一个PUFA中去除氢,形成PLOOH(图3)。
如果不被GPX4转化为相应的醇(PLOH),PLOOH和脂质自由基--特别是PLOO-和烷氧基磷脂自由基(PLO-)--将与PUFA-PLs反应,通过进一步去除氢原子、与分子氧反应和形成PLOOHs来推进PLOOH的产生(图3)。最终,这将导致无数次级产物的形成,包括脂质过氧化物(如4-羟基壬烯和丙二烯)的分解产物以及氧化和修饰蛋白质。这种连锁反应可能最终导致细胞膜完整性的破坏,并最终导致细胞器或细胞膜的破裂。
因此,含有高PUFA-PL含量的膜应该特别容易受到过氧化反应,这已在神经元的相关研究中得到证明。与铁死亡过程中发生的脂质过氧化相关的具体细胞膜是什么,是不是线粒体、内质网、过氧化物酶体、溶酶体和质膜中的细胞膜,目前尚不清楚。
基于全基因组单倍体和基于CRISPR-Cas9的筛选揭示了两种膜重构酶,酰基辅酶A合成酶长链家族成员4(ACSL4)和溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3(LPCAT3),它们是铁死亡的重要驱动因素。ACSL4在铁死亡过程中的作用是基于其连接优选长链不饱和脂肪酸——包括花生四烯酸(20:4)和肾上腺酸(22:4)——与辅酶A的能力,随后它们可以通过各种LPCAT酶在磷脂中重新酯化。
ACSL4的基因缺失或被药物抑制可以导致磷脂中长链PUFA尾部向短链单不饱和脂肪酸酰基(MUFA)尾部的急剧转变。ACSL4的基因缺失或其药理抑制导致磷脂中长链PUFA尾向短链单不饱和脂肪酸酰基(MUFA)尾巴的急剧转变。ACSL4缺陷细胞可以使其在GPX4敲除后增殖数月,使这些细胞免于铁死亡。同样,外源性补充MUFAs、硬脂酰辅酶A去饱和酶1(SCD1)介导的细胞MUFA产生和ACSL3依赖的膜富集可以降低细胞死于铁死亡的倾向。
值得注意的是,ACSL4在三阴性乳腺癌细胞系中的表达水平与它们对铁死亡诱导剂的敏感性相关,这种相关性似乎与治疗耐药的间充质癌细胞和透明细胞肾癌细胞相同。因此,抑制ACSL4的表达可能是细胞对铁死亡脱敏的主要机制,铁死亡可能受到多种信号通路的调控,包括来自细胞-细胞和细胞-细胞外基质粘附的信号,这两种信号在肿瘤发展过程中都经常受到影响。相反,增加表达或ACSL4的活性可能在各种病理生理环境下促进铁死亡,如缺血再灌注(一种与铁死亡诱导密切相关的病理组织环境),以及对辐射的反应。
毫无疑问,脂质双分子层的不饱和程度是决定细胞对铁死亡的敏感性的关键,但关于脂质过氧化作用是如何实际启动的,仍存在许多不确定性和争论。分离一对二烯的双烯丙基碳是已知的最弱的C-H键之一,增加这些结构数量使脂类的自氧化速率增加,这在环境氧张力下含PUFA的食物的变质中很明显。可以想象,脂质过氧化的非酶启动可以由脂质自由基的自发生成或羟基自由基(-OH)的生成引发,羟基自由基是最活跃的ROS形式之一,一旦在本地产生(由于其接近扩散控制的速率),就会攻击大多数的有机分子,可能由使用铁作为催化剂的Fenton反应驱动(图3)(会在下文详细介绍)。
某些脂氧合酶(LOXs)是以PUFAs为靶点的非血红素铁依赖性双加氧酶,可以直接氧化生物膜中含PUFAs和含PUFA的脂质,这就引出了LOXs可能介导铁死亡诱导的可能性。研究结果发现,LOX的一些药理抑制剂可以抑制铁死亡,而敲除ALOX15或应用LOX抑制剂黄芩素可以保护小鼠免受缺血性脑损伤。
尽管如此,在GPX4敲除背景下去除ALOX15基因并不能防止小鼠成纤维细胞的铁死亡,也不能防止急性缺血性肾损伤和体内实验中的相关死亡,也不能恢复T细胞特异性GPX4-/-小鼠中因铁死亡而丢失的CD8+T细胞数量;然而,值得注意的是,LOXs主要涉及半胱氨酸饥饿引起的铁死亡,而不是GPX4缺失引起的铁死亡,因此需要使用不同的模型进一步解剖LOXs在铁死亡中的作用。
这些数据表明,替代机制可能会补偿ALOX15活性的丧失,LOXs可能只参与铁死亡的某些情况,和/或经常使用的"LOX特异性"抑制剂作为捕获自由基的抗氧化剂发挥了非特异性的活性,并能够通过这种活性防止铁死亡。事实上,最近的一项研究证实,大多数经常使用的LOX抑制剂具有捕获自由基的抗氧化活性,因此对LOXs在铁死亡中的普遍作用提出了挑战。
此外,尽管联合下调LOX同工酶对erastin诱导的铁死亡提供了实质性的挽救(可能是因为治疗erastin与LOX酶的激活有关),但这并不能防止RSL3诱导性铁死亡发生。因此,在大多数情况下,氧化可能不是铁死亡的关键驱动因素,但它在某些情况下可能有助于损伤的起始和传播。与此相一致的是,ALOX15或ALOX12的缺失分别在神经退行性变或癌症抑制的特定小鼠模型中显示出保护作用。
然而,需要强调的是,这些酶在免疫系统中发挥着重要的生理作用,通过产生促炎和抗炎分子,直接调节神经炎症过程和肿瘤微环境。因此,它们的缺失产生的的有益作用不一定与铁死亡直接相关。与这一概念同样相关的是一项之前的研究结果:GPX4通过所谓的细胞过氧化物调控LOXs的活动以及环氧化酶的活动——即持续维持细胞内过氧化物的低水平——因为这两种酶都需要通过脂质过氧化物氧化其铁,以捕获分子氧并纳入PUFAs中。
值得注意的是,有报道称,ALOX12对于过氧化物引发的p53依赖性铁死亡是必不可少的,而这种形式的铁死亡是相当独特的,因为它似乎独立于ACSL4。这意味着p53-ALOX12驱动的铁死亡可能通过不同的脂质发挥作用,并不是由GPX4缺失或半胱氨酸饥饿驱动。此外,据报道,磷脂酰乙醇胺结合蛋白1(PEBP1)与某些LOXs形成复合物,改变了它们对PUFA-PLs的底物特异性。
有趣的是,尽管在细菌膜中普遍缺乏PUFAs,但铜绿假单胞菌却表达了一种分泌的脂氧合酶(PA-LOX)。该酶被证明可以诱导人红细胞的膜脂质氧化,并能够诱导人支气管上皮细胞的铁死亡。因此,囊性纤维化患者磷脂酰乙醇胺中氧化花生四烯酸水平升高,据报道乙醇胺是铁死亡的细胞和组织中检测到的主要磷脂物种之一。这种跨生物体的铁死亡诱导机制是有趣的,值得进一步的研究,以确定这种机制是否被其他低等生物体利用。
除了LOXs在铁死亡中的作用尚不清楚外,最近的研究结果表明,广泛表达的细胞色素P450氧化还原酶(POR)在启动脂质过氧化过程中起作用。在使用NADPH作为电子供体接受POR的电子后,下游电子受体,如细胞色素P450和CYB5A,可以通过从PUFAs中去除氢或还原铁直接或间接触发脂质过氧化(图3);铁和亚铁之间的循环对芬顿反应和脂质过氧化至关重要。
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铁死亡中的铁
从名称本身就可以明显看出,铁死亡依赖于铁。首先,非酶的、铁依赖的芬顿链反应可能对铁死亡至关重要:当GPX4被抑制时,PLOOHs可以持续更长时间,启动芬顿反应以快速扩增PLOOHs,这是铁死亡的标志(图3)。PLOOHs可以与亚铁离子和铁离子反应,分别生成自由基PLO和PLOO,从而驱动破坏性过氧化链反应。然而,需要注意的是,至少在铁催化的链式反应起始阶段,亚铁离子可能更占优势,因为铁离子的溶解度相当差,由此导致它在细胞中的生物利用度也相当差。此外,LOXs和POR需要铁来催化。铁对于大量基于氧化还原的代谢过程也是必不可少的。
鉴于铁在细胞活性和死亡中的核心作用,细胞铁稳态主要通过铁调节蛋白IRP1和IRP2,参与细胞内铁储存或释放,以及输入或输出相关基因的转录后调控。许多细胞过程通过改变细胞不稳定的铁含量来改变细胞对铁死亡的敏感性。例如,通过铁储存蛋白铁蛋白的自噬降解来增加细胞内铁的可用性,从而促进铁死亡。类似地,转铁蛋白及其受体通过将铁导入细胞,共同作用,促进铁死亡。相反,增强细胞铁输出的机制已被证明会使细胞对铁死亡更有抵抗力。此外,通过血红素加氧酶1(HO-1)介导的血红素降解释放铁也与铁死亡有关。
最近的研究使用小鼠体内模型进一步阐明了铁调节在铁死亡中的作用。例如,铁蛋白重链的基因缺失可能通过增强铁死亡来促进心肌病。有趣的是,肝细胞特异性敲除小鼠体内的转铁蛋白编码基因导致了一种相当意想不到的表型:用富含铁的饮食喂养敲除小鼠会增加肝细胞中的铁负荷——肝细胞通常在体内合成转铁蛋白。这使得小鼠更容易发生肝纤维化,而亲脂性自由基捕获抗氧化剂可以改善肝纤维化,这表明铁死亡参与了这种肝脏病理。该研究进一步表明,在缺乏转铁蛋白表达的情况下,肝细胞会代偿性地上调金属转运体SLC39A14的表达,导致铁的过量输入,从而导致铁死亡。
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死亡的代谢输入
铁、脂质种类、ROS和(半)胱氨酸在铁死亡中的作用表明,这种细胞死亡方式和细胞代谢之间有很强的相关性。Jiang和他的同事们进行了多项研究,试图确定代谢是如何有助于决定细胞命运的,这些研究揭示了铁死亡与代谢之间的复杂关系。自噬的分解代谢过程是应对各种应激的关键生存机制,但自噬是否能促进细胞死亡,以及如果能又是如何促进细胞死亡的(即“自噬细胞死亡”),已经被争论了几十年。他们发现,在氨基酸饥饿(一种触发强大自噬的条件)下,自噬促进一种快速的非凋亡、非坏死形式的细胞死亡,但只有当培养基提供全血清时这种情况才会发生。
研究发现,血清中的铁载体转铁蛋白和氨基酸谷氨酰胺是这种形式的细胞死亡所必需的,从细胞培养基中特异性剥夺胱氨酸就足以触发细胞死亡。对铁的依赖和胱氨酸的保护作用表明,铁死亡是这些条件下细胞死亡的一种机制。自噬在胱氨酸剥夺诱导性铁死亡中起到的作用是通过铁蛋白的自噬降解(也称为铁蛋白自噬)实现的,这导致细胞不稳定铁含量的增加,从而使细胞对铁死亡敏感(图4)。
谷氨酰胺剥夺诱导的铁死亡需要谷氨酰胺代谢或谷氨酰胺分解,这将铁死亡与氧化代谢联系起来。谷氨酰胺是一种关键的衰老代谢物,为线粒体三羧酸(TCA)循环提供燃料,增加线粒体呼吸速率,从而增强了ROS生成的潜力。因此,线粒体的正常代谢功能似乎与铁死亡有关的——这一结论随后也通过各种药理、细胞和遗传学分析得到验证(图4)。值得注意的是,线粒体早前被证明是活跃的活跃参与者。除了线粒体外,植物细胞还拥有另一种独特的细胞器可以进行一系列的氧化-还原-合成代谢反应——叶绿体。由于在植物中观察到铁腐细胞的死亡,一个有趣的推测是叶绿体也可能在植物铁腐病的调控中发挥重要作用。
基于这些发现,人们还可以提出过多的假设和问题。例如,线粒体三羧酸循环的主要燃料葡萄糖会调节铁死亡吗?事实上,葡萄糖饥饿在最近已被证明可以抑制铁死亡。然而,从机制上讲,这似乎主要是由于关键能量传感器AMP激活激酶(AMPK)介导的信号传导,而不是TCA和线粒体呼吸的调节,这表明铁死亡的多种代谢输入是目前难以捉摸的。此外,观察到线粒体活动和谷氨酰胺分解对半胱氨酸剥夺诱导的铁死亡至关重要,但对GPX4抑制诱导的铁死亡则是可有可无的,这更支持了后一种可能性。
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GPX4独立的监测途径
虽然(半)胱氨酸-GSH-GPX4轴被认为是抑制哺乳动物铁死亡的主要系统,但全基因组筛选最近发现了GPX4独立的铁死亡监测机制。
第一种机制涉及铁死亡抑制蛋白1(FSP1;也被称为AIFM2)。AIFM1是FSP1的同源物,最初被认为是促进凋亡的((如FSP1/AIFM2),现在与线粒体膜间蛋白的运输和适当折叠有关。同样,FSP1缺乏实质性的促凋亡功能,但实际上可以保护细胞免受GPX4抑制或基因缺失引起的铁死亡。FSP1被肉豆蔻酰化,并与多种细胞膜结构有关(包括质膜、高尔基体和核周结构)。肉豆蔻酰化位点的突变破坏了其抗铁死亡功能。
从机制上讲,由于其NADH:泛醌氧化还原酶的活性,FSP1通过还原泛醌(或其部分氧化产物半氢醌)产生泛醌,从而抑制脂质过氧化和铁中毒,而泛醌又可能直接还原脂质自由基以终止脂质自氧化,或间接通过再生氧化的α-生育酚自由基(维生素E),它是一种强大的天然抗氧化剂(图2b)。泛素的这种保护作用揭示了一个长期存在的谜团,即为什么一些细胞和组织(如高代谢活跃的肝细胞)含有大量的线粒体外泛素,这与它在线粒体电子传递链中的典型作用不一致。
另一项研究发现,GTP环水解酶1(GCH1)通过其代谢产物四氢生物蝶呤(BH4)和二氢生物蝶呤(BH2)来避免铁死亡。研究表明,BH4可以保护含有两个PUFA尾巴的磷脂抗氧化降解,可能涉及双重机制:作为直接自由基捕获抗氧化剂,参与泛素合成(图2c)。
虽然GCH1在保护组织和器官免受铁死亡侵袭方面的作用仍有待阐明,但敲除研究表明,小鼠中Gch1的缺失会导致妊娠中期的心动过缓和胚胎死亡。除了这些系统直接作用于脂质双分子层中的过氧化物,或通过自然发生的自由基捕获抗氧化剂作用于磷脂自由基外,还可能存在其他细胞内在机制来防止有害的脂质过氧化。在这种情况下,据报道,角鲨烯(胆固醇途径的一种代谢物)的积累在胆固醇缺乏的淋巴瘤细胞系和原发性肿瘤中具有抗铁死亡的活性,尽管这是一种癌症亚型的特异性效果还是一种普遍的保护机制仍有待于证明。
控制铁死亡的调节
可以想象,调节铁死亡促进或监测分子、氧化还原和铁稳态以及细胞代谢的生物过程可能会影响铁死亡。正如预期的那样,氧化应激反应转录因子NRF2可以通过刺激其多个典型靶基因的表达来缓解铁死亡。此外,越来越多的证据表明,在特定的生物背景下,多种信号通路可以决定细胞对铁死亡的易感性。
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铁死亡抑制因子的调控
尽管GPX4和FSP1在限制铁死亡方面具有重要意义,但关于细胞如何在生理和病理条件下调节其抗铁死亡潜能,我们知之甚少。然而,似乎GPX4和FSP1,至少在某种程度上,与甲羟戊酸途径有交集:该途径的输出之一,异戊烯化,稳定硒半胱氨酸特异性tRNA(Trsp),这是包括GPX4在内的硒酶的合成所需要的,而且泛醌作为甲羟戊酸途径的最终代谢物之一,还是FSP1的主要底物。
GPX4是人类25种硒蛋白之一,因此其表达受细胞硒可用性的调控。例如,在出血性中风小鼠模型中,补充硒可以通过协调激活转录因子TFAP2c和SP1来促进神经元中GPX4的表达,从而保护组织损伤。
然而,应该注意的是,GPX4可被视为管家蛋白,在大多数组织和器官中是组成性表达的,与真正的硒反应蛋白(如硒蛋白P(SELENOP)、GPX1和GPX3)是有区别的。其他已被报道调节GPX4表达的转录因子包括肠上皮细胞中的C/EBPα和一些癌细胞中的NF-Y98。据报道,转录后,鸟呤序列结合因子1(GRSF1)结合到Gpx4 mRNA线粒体形式的5’非翻译区,导致线粒体GPX4翻译增加,GPX4在精子发育过程中发挥重要作用。然而,这些调节事件与铁死亡的相关性仍不明确。
越来越多的证据表明,GPX4在活性和稳定性水平上也受到调控。例如,由于持续的氧化应激和伴随的GSH缺失,活性位点硒半胱氨酸的减少可能通过形成氧化还原死亡的脱氢丙氨酸造成GPX4的不可逆失活,这一过程称为β裂解。低水平的GSH也可能触发硒酸和邻近氨基酸之间的硒酰胺的形成,从而保护该酶在急性氧化应激条件下免受不可逆的失活。
然而,这些机制是否在缺血-再灌注损伤等病理条件中发挥作用还有待进一步探索;据报道,肠缺血与较低的GPX4活性和水平有关。此外,包括RSL3在内的一些成熟铁死亡诱导剂,会通过活性位点硒半胱氨酸的共价修饰、甲戊酸代谢的破坏和一般的铁依赖性氧化应激等机制,最终导致GPX4的活性、合成和稳定性受损。
FSP1作为一种显著的铁死亡抑制因子,最初被描述为p53应答基因,因此最初被称为p53应答基因3(PRG3)。FSP1是转录因子NRF2、CRBP和PPARα的靶点。有趣的是,在T细胞淋巴瘤细胞中,FSP1的表达被长的非编码RNA母体表达3(MEG3)上调,并被miR-214抑制,这是两个参与肿瘤发展的调节RNA。除了转录调控外,关于FSP1的氧化还原酶活性是如何被调控的,以及其亚细胞定位如何影响其在不同的生理和病理生理过程中的作用,我们几乎一无所知。但FSP1对还原和氧化底物(包括NADH、NADPH、泛素和α-生育酚)的混杂性表明其活性受到复杂的调控。
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铁死亡中的Hippo–YAP信号传递
Hippo-YAP通路参与了无数的生物学功能,包括细胞增殖和器官大小的控制。对这一途径在铁死亡中作用的研究始于一项观察,即高密度生长的细胞往往对半胱氨酸剥夺和GPX4抑制引起的铁死亡更有抵抗力。这一观察发现让人想起了早期的研究所报道的重要发现,包括在极高密度的培养或作为球体(细胞-细胞接触有利的地方)培养可以促进GPX4敲除细胞的存活。
在机制上,细胞密度对上皮细胞铁死亡的影响是由上皮细胞钙粘蛋白介导的细胞-细胞接触介导的,该接触通过NF2(也称为Merlin)肿瘤抑制蛋白激活Hippo信号,从而抑制核易位和转录共同调控因子YAP的活性。由于YAP针对铁死亡的多个调控因子,包括ACSL4、转铁蛋白受体TfR1和其他可能的基因,铁死亡的易感性将不可避免地依赖于Hippo通路的活性,而Hippo抑制和YAP激活增加了敏感性(图4)。与这一发现相一致的是,YAP的密切同源物TAZ也被证明在主要以表达TAZ而不是YAP的肾癌细胞中以细胞密度调节的方式增强铁死亡。
上皮细胞钙粘蛋白-NF2-Hippo-YAP/TAZ通路在决定铁死亡敏感性中的作用具有重要意义。
首先,由于该通路的多个成分在癌症中经常发生突变,主要导致YAP/TAZ表达和/或活性的增加,铁死亡诱导可能作为治疗这些特定癌症的潜在治疗方法。
第二,由于在不表达上皮细胞钙粘蛋白的非上皮细胞中也观察到这种细胞密度依赖性的铁死亡,因此应该考虑到其他钙粘蛋白或细胞粘附分子也可能介导类似的铁死亡抑制机制。
第三,Hippo-YAP通路在发育过程中非常重要,并与其他各种信号通路相互作用,从而在铁死亡和正常细胞生物学之间提供了过多的潜在联系。
最后,很容易推测出,钙粘蛋白的原始功能(其表达可以追溯到一些原始的后生动物物种)可能是保护细胞免受氧化应激挑战及其最具破坏性的后果——铁死亡。
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AMPK信号和铁死亡
直观地说,能量和代谢应激会导致能量的损失,从而导致维持稳态所需系统的级联失效(如细胞膜上的能量依赖离子梯度),最终导致细胞死亡。此外,葡萄糖饥饿的代谢应激细胞增加了ROS的产生,这表明葡萄糖饥饿会促进铁死亡。令人惊讶的是,葡萄糖饥饿会阻断铁死亡的发生。这种保护作用被发现依赖于能量感应激酶AMPK的活性。当葡萄糖缺失时,AMPK被激发活性,启动针对铁死亡的能量应激保护程序,涉及PUFAs生物合成受损,这对脂质过氧化驱动的铁死亡至关重要(图4)。
这一发现具有实际应用价值,因为研究发现激活这种能量应激程序可以对肾缺血-再灌注损伤起到保护作用。更广泛地说,这种保护机制可能是作为防止器官损伤的第一道防线而存在的,这种损伤可能与能量衰竭有关。
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缺氧信号传导和铁死亡
鉴于铁质细胞死亡是由磷脂过氧化驱动的,那就有一个问题长期存在着,即它是否依赖于氧气浓度,因为分子氧可以被各种酶首先代谢为超氧阴离子(O--),然后经过分解形成过氧化氢(H2O2)。然而,一项关于铁死亡的早期研究表明,在1%的氧中,erastin诱导的铁死亡敏感性几乎没有受损,这表明缺氧并不能抑制铁死亡。事实上,有证据表明缺氧会促进铁死亡。首先,应该考虑到缺氧与线粒体复合体III产生的ROS增加有关,这可能通过破坏线粒体膜直接导致脂质过氧化,导致细胞内H2O2水平升高以支持芬顿反应和/或通过压倒细胞的抗氧化能力发挥作用。
此外,缺氧驱动缺氧诱导因子(HIFs)的激活。最近一项关于透明细胞癌的研究发现,这些细胞对GPX4抑制诱导的铁死亡的高敏感性是由HIF2α亚型驱动的。在这种情况下,HIF2α被证明负责缺氧诱导的脂滴相关蛋白(HILPDA)的表达,然后驱动多不饱和脂质的富集。透明细胞癌在组织学染色上具有明显的透明细胞质染色,难以治疗,提示这一发现具有临床意义。此外,也很容易推测出,HIF2α-HILPDA驱动的对铁死亡的致敏作用可能是一种消除新生缺氧肿瘤的古老手段。
铁死亡的生物学功能
铁死亡的机制表明了它潜在的进化起源:自从地球上的生物体开始利用氧气来驱动新陈代谢,基本上是通过一系列的化学氧化还原反应来完成的,过渡金属铁已经成为催化这些反应的主要因素。这种依赖铁的、基于氧化还原的代谢,有一个不可避免的副产物是ROS,包括PLOOHs。当PLOOHs细胞水平超过一定阈值时,细胞死于铁死亡。可以想象,多种监测机制(如GPX4和FSP1)已经进化到保护细胞免受铁死亡。因此,据推测,铁死亡可能是在富含铁和氧的环境中出现的一种最古老的调节细胞死亡形式。
但是铁死亡有任何有益的生理相关作用吗?在理论上,可能是有的。一个相关的例子可能是ROS和脂质氢过氧化物。这些物种最初被认为仅仅是新陈代谢的有毒“副产物”,但我们现在知道它们具有重要的生理功能(例如细胞信号传递和免疫),它们被故意在几个亚细胞位点产生,以调节细胞生理事件。也可能被调整为完成对生命有益的作用。越来越多的证据(尽管是间接证据)表明,铁死亡在肿瘤抑制和免疫监测中具有功能。
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肿瘤抑制中的铁死亡
研究已经证明了多种肿瘤抑制因子能使细胞对铁死亡敏感。因此,一个合理的假设是,铁死亡有助于这些肿瘤抑制因子的抗肿瘤活性;也就是说,肿瘤抑制可能是铁死亡的一种先天生理功能。
在这些肿瘤抑制因子中,p53在铁死亡中的作用已被深入研究。通过对p53特异性赖氨酸乙酰化位点的详细分析发现,p53可以通过抑制系统xc-、亚基SLC7A11的转录来增强铁死亡,该功能可能有助于p53在体外和体内的抑瘤功能。此外,p53的单核苷酸多态性导致P47S氨基酸取代,导致癌细胞对铁死亡的抗性。然而,目前尚不清楚p53促进铁死亡活性的丧失是否是这些特定突变引起的唯一功能后果。值得注意的是,与这些研究结果相反,有研究报道p53可以通过调节它的其他转录靶点来预防铁死亡。鉴于p53可以调节大量参与各种生物过程的靶基因,其在铁死亡中的确切作用很可能取决于具体情境。
与p53类似,肿瘤抑制因子和表观遗传调控因子BAP1也可以通过下调SLC7A11的表达来促进铁死亡。但两者不同的是,p53本身的铁死亡促进活性就足以抑制体内肿瘤发生,目前却尚不清楚BAP1的铁死亡促进活性对其肿瘤抑制功能有多显著。
富马酸酶是一种在三羧酸循环中催化富马酸转化为苹果酸的酶,在平滑肌瘤和乳头状肾细胞癌中是一种真正的肿瘤抑制因子。这种酶对于TCA循环的活动以及细胞能量和代谢物的产生至关重要,但它如何反直觉地抑制肿瘤的生长,以及它如何只在少数特定的癌症类型中起作用,一直令人费解。研究发现富马拉酶参与线粒体三羧酸循环促铁死亡功能,为这些问题找到了答案。癌症的发展经常与线粒体ROS产生的增加有关,这为这些细胞发生铁死亡提供了条件。富马酸酶功能的丧失会影响线粒体的氧化功能,这一方面会损害细胞的生长能力,但另一方面会使细胞对铁死亡更有抵抗力,从而提高它们的存活率和癌变的潜力。
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免疫检测中的铁死亡
与其他形式的调节性细胞死亡(如细胞凋亡、热凋亡和坏死)不同,它们显然是由免疫系统参与调节免疫反应的,但通过外在或内在的机制感化或触发铁死亡是否能发挥类似的 "生理作用",在很大程度上仍不清楚。有一些初步证据表明,铁死亡可能在诱导免疫细胞死亡中起重要作用。一份报告表明,系统xc-的表达被干扰素-γ(IFNγ)抑制,CD8+T细胞产生该细胞因子最近被证明参与了肿瘤细胞对铁死亡的敏感。这种免疫细胞诱导铁死亡的直接机制是否具有生理意义尚不清楚。
另一份报告指出,IL-4和IL-13抑制GPX4在某些细胞(包括肾脏、肺、脾脏和心脏)中的表达,与ALOX15的表达增加相吻合,从而允许花生四烯酸代谢产物的高效产生,花生四烯酸代谢产物是关键的炎症中间产物。由于已知GPX4通过降低过氧化脂质的基调来抑制LOXs和环氧化酶的活动,因此GPX4的活动受损可能对免疫调节脂质介质的分泌产生深远的影响,而这又可能告知免疫系统有处于铁死亡敏感状态的细胞存在,从而有助于免疫监控(检测损伤或恶性肿瘤)。
铁死亡在免疫反应中的潜在功能并不局限于哺乳动物系统,也可能与植物有关。最近的一份报告表明,在水稻中,诱导类似铁死亡的细胞死亡(与脂质过氧化有关,并受到铁螯合剂的抑制)发生,可以从而通过清除受感染的细胞和防止病原体扩散来防止真菌Magnaporthe oryzae的感染。有趣的是,稻瘟病菌的特定细胞的铁死亡则是其在宿主中发育所必需的。因此,这一发现也首次暗示了铁死亡的潜在发展作用。
铁死亡在疾病中的影响
虽然铁死亡在生理中的作用仍不清楚,但它在许多人类病理中的作用已被广泛记录。这一节将重点讨论铁死亡在癌症和缺血-再灌注损伤中的作用,这是被研究得最透彻的一个领域。重要的是,在不同的临床前动物模型中,铁死亡的药理学调节已被证明是一个有前途的治疗途径。然而,正如Box 1所讨论的那样,铁死亡和其他疾病之间的联系也正在出现,这表明铁死亡对健康具有广泛的影响。
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癌症中的铁死亡
铁死亡研究领域的开始就与癌症息息有关:最初铁死亡化学诱导剂的发现是寻找新的癌症治疗化合物的结果。随后的机制研究表明,许多与癌症相关基因和信号通路调节铁死亡,如前文所述。一方面,已经观察到间充质和去分化癌细胞(通常对凋亡和普通治疗剂具有抗性),以及所谓的“治疗持久性”癌细胞,对铁死亡诱导物高度敏感。由于铁死亡是一种氧化应激诱导的细胞死亡形式,与细胞代谢紧密交织,因此,鉴于癌细胞整体上新陈代谢更活跃和ROS负荷更高,认为癌细胞可能更容易发生铁死亡是合理的。
除此之外,已有研究表明,癌细胞通常需要大量的铁供应,这可能进一步使它们对铁死亡敏感。然而,癌细胞也可能利用额外的遗传或表观遗传机制来对抗这些代谢和氧化负担(如SLC7A11表达的增加或抗氧化转录因子NRF2的上调),从而降低对铁死亡的易感性。因此,一个特定的癌症是否对铁死亡诱导更敏感或更耐受,是由其特定的遗传背景所决定的。癌症的基因组学,以及下面讨论的各种其他参数,都应该被考虑用于开发基于铁蛋白诱导的癌症疗法。
1.  癌细胞对铁死亡的敏感性
多种癌蛋白、肿瘤抑制因子和致癌信号转导途径可以调节铁死亡。因此,它们在癌症中的变化可以作为生物标志物来预测癌细胞对铁死亡诱导治疗的反应性。
以上皮细胞钙粘蛋白-NF2-Hippo-YAP通路为例,结合TCGA的数据:在其他癌症中,肿瘤抑制因子上皮细胞钙粘蛋白功能突变的缺失是乳腺小叶浸润性癌和扩散性胃腺癌中常见的事件;NF2功能突变缺失发生在大于30%的间皮瘤和被称为NF2的良性疾病中;同样,Hippo成分LATS1/2肿瘤抑制因子的突变也发生在各种癌症中。
虽然YAP的基因突变很罕见,但在癌症中经常观察到其过表达和翻译后激活。重要的是,这些基因的恶性突变通常会驱动转移,保护癌细胞免于凋亡,并使它们对常见的癌症治疗更具耐受性。除了上皮细胞钙粘蛋白-NF2-Hippo-YAP通路的突变外,我们预计在不久的将来会发现更多指导铁蛋白诱导癌症治疗的生物标志物。
2.  潜在的铁死亡诱导的抗癌疗法
基于铁死亡诱导的癌症疗法正在被积极开发中。在这一领域,已经测试了几种基于非靶向纳米粒子的策略,以释放铁、过氧化物和其他有毒物质来杀死肿瘤细胞。此外,控制铁死亡的多种酶也有助于人们开发出有针对性的方法。也许最显眼的靶点是GPX4,因为它在大多数癌症细胞系中表达,对它们的生存很重要。
然而,GPX4缺乏一个经典的小分子结合口袋,现有的GPX4抑制剂共价修饰GPX4以及其他硒蛋白的硒半胱氨酸残基,导致了特异性和潜在毒性的问题。这些抑制剂同时还是高度反应性的,因此不稳定,但这可能通过开发可在细胞内代谢转化为其活性形式的掩蔽原药来克服。尽管如此,主要的注意事项仍然是,GPX4对各种外周组织是必不可少的,如小鼠的肾小管细胞和某些神经元亚群,因此针对GPX4可能会引起大量的副作用,除非治疗药物可以被只传递给肿瘤细胞。
与靶向GPX4不同,通过抑制系统xc-来限制细胞半胱氨酸的可用性的方法是非常有希望的,因为小鼠的Slc7a11基因敲除不会导致重大病变,而且SLC3A2和SLC7A11的表达与黑色素瘤和胶质瘤患者的临床结果呈负相关。事实上,通过抑制系统xc-来抑制各种类型癌症的肿瘤生长和肿瘤转移的研究,无论在药理学研究还是基因学研究,都在小鼠模型中发现了非常有希望的结果,它们显示出有效性和低毒性。
各种肿瘤对系统xc-抑制的能力比正常组织要强,这可能是由于肿瘤的新陈代谢更加活跃和其他变化,使它们容易受到持续的氧化压力,因此更依赖系统xc-功能的活性氧解毒。很明显,为了应用抑制系统xc-的疗法,需要对病人的肿瘤组织进行仔细的分层,以检查系统xc-的表达(例如,SLC7A11过表达可能表明癌细胞依赖胱氨酸活性氧清除)和其他生物标志物。
与Slc7a11的缺失类似,敲除Fsp1不会导致胚胎死亡或明显的病理,这表明靶向Fsp1的治疗窗口很广。此外,Fsp1在大量的癌细胞系中大量表达,并且在860个癌细胞系中是与GPX4抑制剂耐药性相关的最高等级基因。缺乏GPX4的癌细胞可以被FSP特异性抑制剂iFSP1有效地杀死,而在GPX4充足的癌细胞中,iFSP1与RSL3协同诱导铁死亡。因此,FSP1抑制剂可能会进入临床应用,特别是针对治疗耐受性肿瘤或具有分化特征肿瘤的临床应用。
以铁死亡诱导为基础的治疗也可能与其他治疗方法相结合,如免疫检查点阻断和放疗。人们一直在积极寻求将免疫检查点阻断疗法与其他疗法相结合。这么做的原因之一是,这些其他疗法可能会诱导肿瘤组织中的免疫细胞死亡,以增强免疫检查点阻断的效力。有趣的是,最近有证据表明,使用抗PDL1抗体的免疫检查点阻断治疗可以增强铁死亡诱导治疗。
具体来说,抗PDL1抗体刺激CD8+T细胞分泌IFNγ,IFNγ抑制靶癌细胞的系统xc活性,从而使其对铁死亡敏感。因此,免疫治疗联合铁死亡诱导是一种很有前途的治疗策略,因为这两种治疗方式相互增强,从而产生协同抗癌效果。至于辐射,最近的证据表明,它可以单独诱导铁死亡,也可以与铁死亡诱导剂以及免疫疗法协同作用,提供潜在的有效治疗组合方案。在细胞死亡、脂质过氧化、铁死亡相关基因表达变化和脂质组变化水平,以及在细胞系和患者来源的异种移植癌模型和新鲜分离的患者胶质瘤切片培养水平上,均观察到这种效应。
此外,研究发现细胞质辐射而非核辐射与铁死亡诱导剂协同作用,这表明在这些治疗方案中,辐射通过消耗GSH和诱导脂质过氧化的作用促进细胞死亡,而不是通过其典型的DNA损伤作用。放射和免疫治疗的结合也提高了对铁死亡的敏感性。在这种情况下,照射与免疫治疗协同作用,下调由DNA损伤激活激酶ATM和IFNγ介导的SLC7A11。最后,辐射已被证明会在癌症中上调ACSL4,从而导致脂质过氧化反应和铁死亡升高。这里涉及的机制尚不清楚,但可能涉及激活同时介导辐射反应和铁中毒的转录调节器,如p53和BAP1。
因此,辐射的铁死亡效应可能是由多种机制介导的,并可能是与环境相关的。值得注意的是,铁死亡被认为是一些辐射不良事件的原因,如肺纤维化和粒细胞-巨噬细胞造血祖细胞的死亡。
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缺血损伤中的铁死亡
缺血后再灌注可引起受影响器官的大量细胞死亡和炎症反应,导致破坏性的脑中风、缺血性心脏病和肝脏肾脏损伤等疾病。值得注意的是,缺血性心脏病仍然是导致全球死亡率最高的疾病。如下文所详述的有力证据表明,铁死亡是缺血-再灌注损伤相关细胞死亡的主要因素,至少部分是由于缺血引起的氧化应激。这些发现表明,抑制铁死亡是治疗与缺血损伤相关的疾病的一种潜在的治疗方法。
1.  对大脑和心脏中缺血性细胞死亡的作用
已有多项研究确定了铁死亡在神经元死亡(包括中风和其他脑损伤)中的作用。使用大鼠海马切片培养的体外实验表明,谷氨酸诱导的神经元兴奋性毒性细胞死亡可以被自由基诱捕的抗氧化剂铁他素1阻断。由于谷氨酸诱导的神经毒性参与了中风和各种神经退行性疾病,而高浓度的细胞外谷氨酸可通过抑制系统xc功能1诱发铁死亡,因此铁死亡可能参与了这些脑疾病的发病机制。对小鼠遗传学的研究一致证实,GPX4缺失可导致类似神经退行性变的症状。此外,铁螯合剂和亲脂性自由基捕获抗氧化剂已经在不同的实验系统中被测试用于减轻中风和神经退行性变。
铁死亡在缺血性心脏病中的作用也已被广泛研究。在体外系统模拟缺血再灌注损伤小鼠心脏的研究表明,铁螯合剂和谷氨酰胺分解抑制剂显著减轻心肌细胞死亡,减少损伤心脏组织和改善其功能,表明铁死亡靶向治疗缺血性心脏病的潜在治疗价值。最近,一项体内小鼠模型研究进一步证实了这一观点。
为了设计可行的铁死亡靶向治疗方法来治疗中风和缺血性心脏损伤,需要考虑许多重要的因素。例如,这两种疾病都可能是非常急性的,而且只能在很短的时间窗口内进行干预。此外,由于存在多个铁死亡监测途径,缺血-再灌注可能通过选择性地破坏这些监测途径之一来诱导不同器官的铁死亡。
2.  器官移植相关缺血再灌注损伤中的作用
除了大脑之外,肾脏可能是成年哺乳动物体内对铁死亡最敏感的器官。近端肾小管细胞的存活依赖于功能性GPX4,这些细胞在缺血-再灌注时易发生细胞死亡,这是肾移植的常见并发症。在缺血-再灌注损伤小鼠模型、诱导全身GPX4缺失的遗传模型和叶酸诱导的急性肾损伤模型中,铁死亡抑制剂已被证明可减轻肾小管细胞死亡和急性肾功能衰竭。这些研究表明,由于铁死亡的促炎性质,导致先天免疫系统的激活,这可能通过介导移植排斥反应进一步损害移植的成功。
另一个经常被移植的器官是肝脏。肝细胞特异性消减Gpx4的小鼠会在新生儿期死亡,而高膳食维生素E可以补偿肝脏中GPX4的缺乏。此外,使用捕获自由基的抗氧化剂可以保护肝实质免受缺血再灌注损伤。最后,铁死亡也与心脏移植有关。总的来说,铁死亡抑制剂可能是支持各种器官移植成功的有效药物。
3.  在缺血-再灌注损伤中阻断铁死亡的潜在靶向
在铁死亡网络中有几个潜在的治疗干预点,尽管每个干预节点都有其各自的风险和优势。鉴于铁死亡是由磷脂过氧化驱动的,一种治疗策略是引入防止过氧化过程的药物,例如,通过使用亲脂性自由基捕获抗氧化剂(如脂肪酶抑制剂1),来阻止脂质过氧自由基的传播。这些药物在铁死亡的细胞模型中非常有效,在某些体内实验中也展现了效果。但在考虑进行人体试验之前,它们的药理特性还需要进一步改进。
另一种方法是使用化学上抗过氧化反应的多不饱和脂肪酸,例如通过在通常容易发生过氧化反应的双烯丙基碳上掺入氘。这种氘化多不饱和脂肪酸已被证明是铁死亡和各种慢性铁死亡相关退行性疾病的有效抑制剂,尽管其效力低于铁转运蛋白1和脂肪酶抑制剂1。同样,MUFAs的供应已被证明可以抑制铁死亡,并可作为一种潜在的治疗方法。
阻断脂质过氧化的第二种策略是要么耗尽不稳定的铁池(例如通过使用铁螯合剂),要么抑制驱动脂质过氧化的酶。铁螯合剂已在许多临床适应症中被探索,但由于这些药剂的潜在脱靶效应,以及更重要的是铁的基本生物功能,还有不少安全问题需要解决。靶向负责生成PUFA-PLs和PLOOHs的酶(如ACSL4、LPCAT3、LOXs和POR),可能是可行的,而且作为确定的分子靶点,从以靶点为中心的药物发现角度看,它们是比较好的。然而,它们在各种组织中也有其他功能,使潜在的治疗结果复杂化。
总结
铁死亡是一种独特的细胞死亡方式,将以前不相干的细胞代谢元素汇集成一个紧密的网络,涉及铁、硒、氨基酸、脂类和氧化还原化学(图1)。随着铁死亡研究的进展,我们开始认识到这一网络在广泛的生物过程中发挥着作用,包括正常的生理学和异常的病理学。下面,本文想与大家分享一些铁死亡领域中备受关注的问题和挑战,以及预测在这一令人振奋的领域中可能会有的发现。
首先,我们要提出一些担忧。尽管人们越来越多地认识到铁死亡与生物学各个方面存在着交叉,但必须注意实施严格实验探究铁死亡在生物过程中的作用。通过单一的铁死亡抑制剂来抑制细胞死亡不能被视为有充分的证据证明铁死亡参与了生物过程。目前铁死亡的定义是有铁消耗和亲脂性自由基捕获抗氧化剂抑制(如铁蛋白1、脂肪酶抑制剂1、维生素E或泛素)参与的细胞死亡过程。
这两种要求都是至关重要的,因为一方面有铁依赖的致死机制不等同于铁死亡,它可能涉及其它方面(例如,溶酶体毒性),另一方面,独立于铁的氧化应激机制已经被确立。
我们建议增加定义铁死亡的另一个要求:直接检测脂质过氧化(使用质谱仪、荧光染料或抗体,如1F83)。转铁蛋白受体(TfR1)的激活和上调是最近报道的铁死亡的另一个潜在标志物,它可以区分涉及氧化应激和铁死亡的情况。
不过,有更多的铁死亡标志物将对该领域仍然很有价值。除了定义,该领域的另一个重要问题是使用不适合解决预期问题的实验方法——这是任何新兴领域不可避免的问题。为了解决这些问题,Box 2和Box 3提出了一些实用的铁死亡调查指南,其中描述了有关铁死亡体内研究和体外研究的重要考虑。
其次,需要注意到该领域的一个有待解决的大问题。人们尽管在了解铁死亡的机制方面取得了相当大的进展,但仍然不知道是什么确切的分子事件导致铁死亡。PUFA-PLs不受控制的过氧化是已确定的最下游步骤;可能是过氧化磷脂导致膜损伤甚至孔形成,损害膜的完整性。
然而,最近的一份报告发现,含有两个PUFA尾巴的磷脂是铁死亡特别有效的驱动因素,这表明脂质交联可能是铁死亡引起膜损伤的一些方面之一。在这种情况下,可能是通过交联脂质限制膜成分的流动性,导致与膜相关的一些重要功能失效,从而导致细胞死亡。然而,也存在其他的可能性,如氧化的PUFA-PLs分解成活性亲电试剂,然后破坏其他大分子。活性亲电物质在铁死亡中的作用与caspases在细胞凋亡中的作用相同——使细胞内的关键结构和功能蛋白失活。希望在未来几年内,铁死亡的执行机制将得到明确的阐明。
最后,可以预测铁死亡领域未来的一些潜在发现。识别铁死亡的精确体内生物标记物,即裂解的caspase 3对细胞凋亡的作用,对于确定这种细胞死亡方式的生理功能和治疗潜力的重要性是根本上的。识别在非病理情况下触发铁死亡的神秘自然触发器或生理信号也仍然是一个紧迫的挑战,但这可能会在未来几年取得突破。
一些可能被认为是或接近于铁死亡的病理生理学触发因素的分子包括,谷氨酸、p53、铁、辐射和PUFA-PLs。
谷氨酸是一种丰富的神经递质,过量的细胞外谷氨酸足以抑制系统xc-,导致铁死亡。自然界可能会利用细胞外谷氨酸的这种作用,在发育或其他生理环境中诱导铁死亡,例如在神经回路中消除不必要的神经元。
肿瘤抑制因子p53诱导铁死亡发生来抑制肿瘤的发展;在基础脂质过氧化损伤存在的情况下,诱导p53可能是通过铁死亡消除应激细胞的一种自然手段。
在不同的模型系统中,高浓度的铁元素单独就可以触发铁死亡,这表明,在某些情况下,释放铁蛋白储存的铁或增加铁的输入可能是通过铁死亡消除细胞的一种手段。低到中等剂量的电离辐射已被证明会引起铁死亡。因此,丰富的辐射或辐射保护细胞机制受损的情况可能是自然诱导铁死亡的情况。在这种情况下,也有猜测认为,火星上可能曾经有过生命,由于火星表面的强烈辐射,生命要么已经消失,要么转移到了地下。因此,可以推测,铁死亡是所有生命固有的,需要通过建立反铁死亡机制网络来生存和进化;下调这些保护机制将成为驱动铁死亡的自然触发器。
最后,在某些情况下,PUFA摄取和PUFA-PL合成可能诱导铁死亡;在这种情况下,细胞外环境中存在多不饱和脂肪酸(如其他细胞或病原体释放),或刺激促进PUFA-PL合成的LPCAT3和ACSL4等酶的表达,可诱导细胞铁死亡。其中一些机制可能参与了组织大小的发育和调节、肿瘤抑制或免疫系统清除感染细胞。
总之,有大量可预见的研究来阐明铁死亡的执行机制和这种死亡形式被自然利用的背景。这些研究将阐明铁死亡生理和病理作用的广度。我们还预测,在不久的将来,在使用特定的生物标志物和精确评估患者的发病背景的指导下,新的基于铁死亡的疗法将在不久的将来被开发出来并应用于临床。
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END
撰文丨沫郢天
排版丨豨莶

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