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科研热点“铁死亡”，这些基础知识你了解吗？
铁死亡（Ferroptosis）最早由哥伦比亚大学Dr. Brent R.Stockwell在2012年提出，是一种铁依赖性的，区别于细胞凋亡、细胞坏死、细胞自噬的新型的细胞程序性死亡方式。铁死亡的的本质是谷胱甘肽的耗竭，谷胱甘肽过氧化物酶（GPX4）活性下降，脂质氧化物不能通过GPX4催化的谷胱甘肽还原酶反应代谢，之后二价的铁离子氧化脂质产生活性氧，从而促使铁死亡的发生。
铁死亡主要有以下几个特点：
（1）细胞死亡过程中伴随着大量的铁离子的累积，同时还会出现脂质过氧化和ROS升高，也有一些调控铁稳态和脂质过氧化代谢等方面的基因发生变化。
（2）在细胞的细微结构中，会出现比正常细胞小的线粒体，且线粒体膜皱缩，同时线粒体嵴减少或消失，外膜破碎，但细胞核中形态变化不明显。
表1 铁死亡、凋亡、自噬3种可调节细胞死亡方式特征的比较 | |||
可调节的细胞死亡 | 铁死亡 | 凋亡 | 自噬 |
标志性特征 | 线粒体嵴减少(消失)； 线粒体外膜破裂、皱缩；线粒体颜色深染 | 染色质凝聚、 断裂；核仁消失；细胞核固缩、碎裂；自噬体形成 | 自噬溶酶体形成 |
其他特征 | 铁依赖性细胞核无破裂；细胞膜无破裂 | 细胞完整细胞皱缩；胞质流出胞膜空泡化 | 细胞核无变化；细胞膜无变化 |
检测指标阳性调控因子 | ROS、PTGS2上升NADPH下降 | 细胞色素C释放caspase活化细胞内钙离子增高 | LC3- Ⅰ向LC3-Ⅱ转化 |
阳性调控因子 | Erastin、RSL3、RAS、Sorafenib、p53 | p53、 Bax、Bak、TGF-B、地塞米松、放射线 | ATG家族、Beclin1 |
阴性调控因子 | GPX4、FSP1、SLC7A11、NRF2、Ferrostatin-1、Liproxstatin-1、DFO | Bcl-2、Bcd-XL、Z-VAD-FMK、IL-4 | mTOR、3-Methyladenine、Wortmannin、Spautin1 |
铁死亡是一种受调节的细胞死亡形式，其特征在于脂质过氧化的铁依赖性积累达到致死水平。当细胞胱氨酸运输蛋白受到抑制（如Erastin），胞内谷胱甘肽（GSH）会被耗尽，最终导致谷胱甘肽过氧化物酶（GPX4）失活和脂质过氧化积累，达到一定程度即可诱发细胞死亡，GPX4酶受到抑制（如RSL3）也可以直接导致这一作用。铁死亡的敏感性与许多生物过程紧密相关，包括氨基酸、铁和多不饱和脂肪酸代谢，以及谷胱甘肽、磷脂、NADPH和辅酶Q10的生物合成。铁死亡与哺乳动物退行性疾病（例如：阿尔茨海默氏病、亨廷顿舞蹈病和帕金森综合征）、肿瘤、中风、脑出血、外伤性脑损伤、局部缺血-再灌注损伤和肾衰竭相关的病理性细胞死亡有关。铁离子螯合剂可以抑制这一过程，很多抑制或缓解脂质过氧化的药物均可抑制铁死亡进程，包括亲脂性抗氧化剂和脂质过氧化抑制剂等等，但不能被凋亡或自噬抑制剂抑制。
图1 铁死亡相关疾病
对铁死亡的调控，主要集中在System Xc－、GSH代谢、调控谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)活性和ROS生成等方面。
（1）System Xc－调控：System Xc－由SLC3A2和SLC7A11二聚体组成，嵌于细胞膜表面。SLC7A11是发挥功能的主要亚基，可将胱氨酸转运入胞，用于合成GSH；因此，抑制SLC7A11表达可诱导铁死亡发生。p53作为一种抑癌基因，就是通过下调systemXC-组分SLC7A11的表达抑制细胞对胱氨酸的摄取，导致谷胱甘肽过氧化物酶活性降低，削减细胞抗氧化能力，增强细胞对铁死亡的敏感性。同时，研究发现，在人肿瘤细胞中SLC7A11过度表达，这种过表达能够抑制活性氧诱导的“铁死亡”，同时削弱p533KR介导的对肿瘤生长的抑制作用。
（2）GSH和GPX4调控：研究认为GPX4是细胞生存的关键，也是铁死亡的核心调控蛋白，GPX4能降解小分子过氧化物和某些脂质过氧化物，抑制脂质过氧化。如果不能有效地被Gpx4淬灭，磷脂氢过氧化物能够在过渡金属（如铁）存在的情况下引发催化反应，最终导致细胞死亡。研究发现，若细胞中GPX4表达下调则会对铁死亡更敏感；敲降GPX4即可诱导铁死亡发生；相反，若上调GPX4的表达，则会产生对铁死亡的耐受。丁硫氨酸亚砜胺(BSO)可抑制GSH合成、降低GPX4活性，导致铁死亡发生。RSL3可以直接与GPX4蛋白结合使其失活，诱导脂质ROS产生，导致细胞铁死亡发生。另外，过表达GPX4细胞表现出对RSL3的抵抗性，抑制其诱导的细胞铁死亡。
图2 铁死亡通路
（3）ROS调控：诱导铁死亡发生均会导致细胞内脂质ROS升高，从而引起细胞死亡，这也是脂质抗氧化剂可抑制铁死亡的原因。线粒体作为含铁丰富（铁是线粒体氧化呼吸链必需离子）、产生ROS为主的细胞器，被认为是铁死亡发生的重要场所。它既是细胞内产生ROS的重要场所，其脂肪酸代谢又为细胞铁死亡提供特定的脂质前体。p53也能够通过ROS应答和“铁死亡”抑制肿瘤生长。
参考文献：
[1] Brent R. Stockwell*, José Pedro Friedmann Angeli, Hülya Bayir, et al. Ferroptosis: A Regulated Cell Death Nexus Linking Metabolism, Redox Biology, and Disease[J]. Cell, 2017, 171(2):273-285.
[2] ZHENG Jiashuo, Conrad Marcus*. The Metabolic Underpinnings of Ferroptosis[J]. Cell Metabolism, 2020, 32(6):920-937.
[3] José Pedro Friedmann Angeli, Dmitri V. Krysko, Marcus Conrad. Ferroptosis at the crossroads of cancer-acquired drug resistance and immune evasion[J]. Nature Reviews Cancer, 2019, 19(7):405-414.
[4] Wan Seok Yang, Rohitha SriRamaratnam, Brent R. Stockwell*, et al. Regulation of Ferroptotic Cancer Cell Death by GPX4[J]. Cell, 2014, 156(1-2):317-331.
[5] GAO Minghui, Prashant Monian, PAN Qiuhui, et al. Ferroptosis is an autophagic cell death process.[J]. Cell research, 2016, 26(9):1021-1032.
[6] FANG Xuexian , CAI Zhaoxian , WANG Hao , et al. Loss of Cardiac Ferritin H Facilitates Cardiomyopathy via Slc7a11-Mediated Ferroptosis[J]. Circulation Research, 2020.
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还原型谷胱甘肽（GSH）、氧化型谷胱甘肽（GSSG）、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH，还原型辅酶I）、氧化 型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+，氧化型辅酶I）、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH，还原型辅酶II）、 氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+，氧化型辅酶II）、半胱氨酸（Cysteine）、胱氨酸（Cystine）、谷氨酸（Glutamic acid）等。
