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        「青蓮聚焦」Cell Metabolism綜述：鐵死亡的代謝基礎
        

    
        
        
        2022-04-22 11:13:18
        
        
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        生物體生長發育及眾多生理病理過程中，細胞程序性死亡必不可少。它屬于細胞可調節性死亡的范疇，過度會對組織細胞造成不可逆性損傷，適度則可清除受損細胞起到修復和維持自身穩態的作用。除經典的細胞凋亡，越來越多的細胞程序性死亡形式逐一被發現，例如壞死性凋亡、自噬、細胞焦亡、鐵死亡等，其中鐵死亡在形態學、遺傳學和生物化學上不同于其他形式，主要表現為氧化還原體系失衡，脂質過氧化物的過度蓄積等。是一種在鐵離子的參與下，因鐵依賴性活性氧（ROS）的異常堆積而導致氧化還原平衡失調，導致細胞死亡的新型死亡方式。接下來這篇綜述，描述了細胞內幾種可直接影響細胞對脂質過氧化和鐵死亡敏感性的代謝途徑，如硫醇代謝、脂肪酸代謝、甲羥戊酸途徑和線粒體呼吸等。并總結了目前發現的主要的鐵死亡抑制系統。之后，作者還討論了鐵死亡在人類疾病發展預防治療方面的應用。
        圖片

        標題：The Metabolic Underpinnings of Ferroptosis.
        期刊：Cell Metabolism  (IF =21.567)
        時間：2020.12
        圖片


        影響細胞對鐵死亡易感性的代謝過程


        一

        硫醇依賴性氧化還原系統








        含巰基的GSH是哺乳動物細胞中的主要抗氧化劑，也是GPX4的底物，因此GSH供應不足將直接影響GPX4發揮功能，從而使細胞發生鐵死亡。半胱氨酸（cysteine）是合成GSH的原料，主要由胱氨酸（cystine）還原而來，而胱氨酸進入細胞則依賴胱氨酸/谷氨酸逆轉運蛋白SLC7A11（也寫作system xc-）。因此，SLC7A11被視作鐵死亡的關鍵的上游調節因子之一。近年來研究發現，包括p53在內的一些腫瘤抑制基因以及干擾素γ被發現能夠抑制SLC7A11相關的表達和轉運活性。另一方面，腫瘤細胞也可利用與壓力相關的轉錄因子（如ETS-1、ATF4、NRF2等）上調SLC7A11的表達來抵抗鐵死亡。食物中的蛋氨酸也可以通過轉硫途徑在一定程度上為細胞供應半胱氨酸。在一些腫瘤細胞中，轉硫途徑甚至可以不斷被激活。經erastin（SLC7A11抑制劑）給藥數天的卵巢癌細胞可逐漸增強轉硫作用以彌補胱氨酸的缺乏。新的研究證實，破壞轉硫途徑相關酶均可延緩腫瘤生長。

        二

        細胞內鐵代謝








        鐵死亡自發現以來，圍繞鐵代謝紊亂和脂質過氧化這兩大基本特征展開了大量研究，因此顧名思義，鐵死亡中的脂質過氧化和細胞膜破裂需要鐵的參與。所以鐵螯合劑可以抑制鐵死亡，而通過納米顆粒將鐵裝入腫瘤細胞中可誘導腫瘤細胞發生鐵死亡。在生理條件下，細胞鐵的吸收主要由質膜蛋白轉鐵蛋白受體（TFR1）控制，該蛋白通過受體介導的內吞作用攜帶轉鐵蛋白結合的鐵進入細胞，因此TFR1被認為是鐵死亡發生的標志蛋白，通過敲除 TFR1 來阻斷這一過程可防止鐵死亡。細胞的鐵存儲在鐵蛋白中，其蛋白量特別是重鏈的表達減少會增加鐵池與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。
        目前認為細胞中鐵的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主宰。另外，含有鐵蛋白的多泡小體和外泌體也可以在一定程度上向細胞外排鐵。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。PCBP1負責鐵的運送，有研究報道小鼠肝細胞特異性缺失PCBP1導致鐵增加，并加劇肝臟中的鐵死亡。但目前為止學者們并未對HO-1在鐵死亡中的作用達成共識。
        近年來，GSH在調節細胞內鐵穩態中的作用引起了廣泛的關注。結合于GSH的亞鐵離子被認為是鐵池中鐵的主要形式。鐵與PCBP1的結合也依賴于GSH。

        三

        甲羥戊酸途徑








        甲羥戊酸途徑生成的異戊烯焦磷酸（IPP）、 角鯊烯、CoQ10和膽固醇能夠從各個方面影響鐵死亡。其中IPP是角鯊烯和CoQ10的前體。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。有研究提出角鯊烯也能被癌細胞當成抵抗鐵死亡的有力工具。但角鯊烯合成酶SQS的激動劑FIN56卻能夠誘導鐵死亡，這可能是CoQ10消耗所致，后者被證實在鐵死亡進程中參與保護機制。有意思的是， 基因篩選數據顯示，之前為人們所知的線粒體相關凋亡誘導因子AIFM2，通過利用CoQ10阻止脂質自氧化而躋身為繼GPX4之后的第二大鐵死亡抑制因子陣營，并由此被重新命名為鐵死亡抑制蛋白FSP1。
        基于膽固醇在真核細胞質膜中的普遍存在及其對羥基自由基等氧化劑的內在敏感性，人們也被認為膽固醇參與了鐵死亡。GPX4是已知的能夠直接清除膽固醇過氧化物的酶，GPX4活性降低會加劇外源性膽固醇誘導的細胞死亡，而GPX4的過表達能極大地提高細胞對過氧化膽固醇的抵抗力。但實際上并沒有確鑿證據能夠證實膽固醇的氧化真的助力鐵死亡。相比之下，膽固醇的前體，7－脫氫膽固醇的氧化還原活性甚至更勝一籌，它的經典自由基氧化反應速度比膽固醇和花生四烯酸（AA）分別高出200倍和20倍。但無論膽固醇抑或是7－脫氫膽固醇，它們對脂質過氧化和鐵死亡的潛在調節作用仍需進一步探索。

        四

        線粒體在鐵死亡中的角色








        線粒體在鐵死亡中的作用仍是有爭議的，學者們認為，線粒體可能通過其他未知因素或者代謝途徑參與鐵死亡。有研究指出，線粒體促進鐵死亡的作用可能歸因于線粒體呼吸產生的活性氧 (ROS)，使得線粒體呼吸鏈復合酶受損，但是為什么線粒體呼吸會失控？一方面，SLC7A11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，SLC7A11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，后者通過促進TCA循環，導致線粒體膜電位超極化。即線粒體呼吸作用紊亂是抗氧化系統和由谷氨酰胺分解助燃的TCA循環系統這兩大勢力此消彼長的結果。而RSL3并不促進谷氨酰胺分解，因此線粒體對于RSL3誘導的鐵死亡不起作用。

        五

        NADPH—預防鐵死亡








        NADPH的基礎水平被認為是幾種癌細胞系中鐵死亡敏感性的生物標志物，NADPH的匱乏將促進細胞發生鐵死亡。但NADPH也可被NADPH氧化酶利用產生超氧陰離子，對這一過程的激活或抑制也可能決定細胞是否發生鐵死亡。同時許多途徑都可生成NADPH，例如磷酸戊糖途徑（PPP）、NADH磷酸化途徑以及從異檸檬酸轉化的α－酮戊二酸途徑等。以上途徑只有磷酸戊糖途徑正向調控鐵死亡，其余二者則反向調控。因此，盡管研究更傾向于認為NADPH的抗鐵死亡作用要勝過其促鐵死亡作用，但NADPH實際可能在鐵死亡調控中發揮雙重作用。

        六

        多不飽和脂肪酸（PUFA）








        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）是鐵死亡中的磷脂/脂質過氧化的主要底物，而后續的數據則指向范圍更廣的多種PUFA。操縱PUFA的合成或降解過程將影響細胞對鐵死亡的敏感性。目前在鐵死亡中脂質過氧化作用影響的主要是酯化的PUFA，而非游離的PUFA。因此，減少長鏈脂肪酸水解酶ACSL4（ACSL4優先催化長鏈脂肪酸成?；o酶A酯）與使AA重新?；扇苎字?/span>LPCAT3將顯著增加細胞的鐵死亡抗性。過氧化物酶體是合成多不飽和醚磷脂的位點，因此也能使細胞對鐵死亡敏感。與PUFA酯化相關的還包括低氧誘導的脂滴相關蛋白HILPDA、磷脂酶PLA2和溶血磷脂酰絲氨酸脂酶ABHD12等，均展示出對鐵死亡正向和負向調控的作用。除了靠PLA2和ABHD12水解磷脂上的PUFA，細胞還具備另一種避免脂質過氧化的途徑—利用外源性單不飽和脂肪酸（MUFA）取代磷脂PUFA。研究顯示，突變的KRAS肺癌細胞和淋巴中的黑色素瘤細胞的存活和增殖均依賴于ACSL3。上述研究一致認為，磷脂中的PUFA充足是鐵死亡插手細胞命運的先決條件。

        七

        鐵死亡的標志—脂質過氧化








        磷脂PUFA氧化物（PLOOH）是如何引發鐵死亡一直存在爭論。主要針對的是脂質過氧化究竟是酶催化的還是非酶促的自氧化？酶促的研究強調脂氧合酶LOX家族（尤其是ALOX15）在脂質過氧化和鐵死亡中起核心作用。非酶促項研究質疑了LOX 在鐵死亡起始過程中的主要作用。首先，敲除ALOX15并不能挽救GPX4缺失引起的鐵死亡。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的初始積累有何貢獻，脂質的非酶促自氧化才是鐵死亡的真正誘因。主張非酶促驅動的研究稱，氫過氧化物（LOOH）的臨界水平（約20 μM）可能是多種細胞系中鐵死亡發生的閾值。但酶促反應對于誘導鐵死亡的作用仍然是毋庸置疑的，因為如果沒有酶促的貢獻，PLOOH就可能無法達到臨界值，尤其細胞內還具備強大的抗氧化劑體系以隨時清除PLOOH。非酶促派也必須承認，LOX某些亞型或細胞色素P450氧化還原酶（POR）的缺失的確可以明顯緩解GPX4缺乏引起的不良后果。
        鐵積極參與脂質過氧化的啟動，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?？傊还苣姆N方式，鐵螯合劑都是阻擋脂質過氧化和鐵死亡的主要手段。


        主要的鐵死亡抑制機制

        一

        Cyst(e)ine/GSH/GPX4機制








        多年來，Cyst(e)ine/GSH/GPX4系統被認為是調節鐵死亡的機制。抑制胱氨酸－谷氨酸逆向轉運或GSH的生成、降低GPX4表達水平或活性均可直接影響鐵死亡的發生發展。GPX4作為一種硒蛋白，其生物合成依賴于硒代半胱氨酸的共翻譯結合。

        二

        NAD(P)H/FSP1/CoQ10機制








        FSP1被認為在某些特定條件下具有促凋亡作用，FSP1可經細胞質或線粒體轉位進入細胞核，從而觸發DNA降解。近些年的研究顯示，FSP1具有平行于Cyst(e)ine-GSH-GPX4軸的抗鐵死亡機制。FSP1通過NAD(P)H，還原CoQ10，進而還原脂質自由基，從而抑制脂質過氧化。 

        三

        GCH1/ BH4/DHFR 機制








        科研人員通過CRISPR全基因組篩選并確定了一種不依賴于GPX4的鐵死亡抑制：GCH1/ BH4/DHFR 機制。BH4是一種自由基捕獲抗氧化劑，但它的回收再利用需要二氫葉酸還原酶DHFR的參與，因此如果阻斷二氫葉酸還原酶DHFR，則可協同GPX4抑制劑發揮誘導鐵死亡的作用。
        圖片

        鐵死亡在人類疾病中的意義

        由于缺乏針對鐵死亡的強有力的生物標記物，鐵死亡和人類疾病之間的聯系仍然沒有得到充分的探索。因此，目前對這一方向的理解主要是基于使用條件gpx4敲除小鼠和再現鐵死亡特征的病理模型的研究。對疾病模型中鐵死亡抑制劑的治療特征與治療效果的驗證有助于理解鐵死亡在某些疾病環境中的參與。鐵死亡誘導劑已被證明在殺死幾種類型的癌癥方面特別有效。在接受免疫治療、放療和化療的癌癥患者中也檢測到了鐵死亡現象。因此，誘導性鐵死亡可以作為治療這些難治性癌癥的新方法。鐵死亡誘導劑已被證明可以增強輻射的抗腫瘤作用，但如何調節鐵死亡通路，從而在放射治療中獲得較大的臨床效益仍是一個需要進一步研究的關鍵問題。
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        鐵死亡
        
    
        

    
        本文網址：http://www.luobotuitui.com/news/676.html
        

    
        
        
        
    
        

        



        
    
        
        
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