十年铁死亡：双向调控与药物开发

最近，复旦大学附属肿瘤医院邵志敏教授团队在Cell Metabolism发表文章，阐述了铁死亡与三阴乳腺癌（TNBC）治疗策略。研究者发现TNBC的腔内雄激素受体（luminal androgen receptor，LAR）亚型对铁死亡诱导剂，特别是GPX4抑制剂非常敏感，为联合GPX4抑制剂和免疫疗法提供依据。

Cell Metabolism,2022,34, 1–17

十年铁死亡研究

十年前，Stockwell提出了铁死亡（Ferroptosis）的概念。不同于细胞凋亡、细胞坏死和细胞自噬，铁死亡是一种铁依赖性脂质过氧化的新型细胞程序性死亡方式。

自铁死亡被定义以来，多种生物系统中均能检测到铁死亡作为器官损伤的驱动因素存在。过去十年中，大量基于铁死亡的文献涌出，为这一机制领域的完善添砖加瓦。

铁死亡研究的发展历程

Cell. 2022

正向调控：促进铁死亡

铁死亡建立在这三者的基础上：

• 氨基酸和脂质代谢机制是铁死亡机制的基础，驱动铁死亡发生。

• 活性氧(ROS)相关的氧化应激反应，可调控以内源性抑制铁死亡。

• 铁的生物学和代谢调节机制，可控制铁死亡敏感性。

铁死亡相关机制

Cell. 2022 

（1）氨基酸与脂质代谢机制

特定膜脂的过氧化作用是铁死亡的驱动基础。脂质发生过氧化的倾向取决于其碳氢键的强度。鉴定驱动细胞死亡的特定脂质，以及促进它们生成和掺入细胞膜的酶，一直是过去十年铁死亡研究的重要发现之一。

含 PUFA 的膜定位脂质是铁死亡的驱动因素：

PUFA被发现对过氧化高度敏感。不过，游离PUFA并非关键驱动因素，而是需要需要将脂肪酸掺入膜结合的脂质中。

研究证据包括：

• 磷脂酶iPLA2β通过通过从磷脂(PL)中去除氧化的PUFA尾来抑制p53驱动的铁死亡。

• 一旦从PL上切割下来，氧化的PUFA尾就不再驱动细胞死亡。

• 并非所有含 PUFA 的膜定位脂质都会导致铁死亡。特定的PL，如具有一个花生四烯基(20:4)或一个肾上腺素(22:4)PUFA尾的磷脂酰乙醇胺(PEs)具有更高的铁死亡相关性。

•  除PL外，醚脂质和其他甘油衍生的脂质也可以作为铁死亡的脂质基础。

PUFA 生物合成本身就是调节对铁死亡敏感性的一种手段：能量应激通过激活一磷酸腺苷活化蛋白激酶 (AMPK) 来驱动对铁死亡的抵抗力，并通过控制乙酰辅酶A羧化酶(ACC)来限制 PUFA 生物合成。

ACSL4和LPCAT3是第一个确定的促铁死亡基因产物：

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)的失活使细胞对两种GPX4抑制剂（RSL3和ML162）具有抗性。

将脂肪酸活化为CoA酯是铁死亡的关键调控步骤。

• ACSL4和LPCAT3参与激活和整合PUFA；

• ACSL4还积极参与前馈循环以实现铁死亡：蛋白激酶Cβ同工型2(PKCβII)感知初始脂质过氧化事件并磷酸化Thr328上的ACSL4以驱动磷酸化ACSL4(pACSL4)激活并促进PUFA掺入进入PLs并驱动随后的细胞死亡。

• ACLS4还可通过信号通路调节铁死亡：E-钙粘蛋白通过Merlin-Hippo-YAP 通路发挥作用，调节ACSL4响应细胞间接触的表达，达到控制对铁死亡的敏感性的作用。

• 其他 ACSL 酶也可以调节铁死亡：如ACSL1可发挥一些共轭亚麻酸的促铁死亡活性；ACSL3可使单不饱和脂肪酸(MUFA)发挥抗铁死亡作用。

（2）活性氧ROS生物学

GPX4和谷胱甘肽抑制脂质ROS积累：

GPX4是一种铁死亡的中枢抑制剂。

• Erastin和RSL3代表的两类铁死亡诱导化合物，分通过抑制system xc-和 GPX4的胱氨酸摄取作用。

正常情况下，胱氨酸经system xc-进入质膜内被氧化成半胱氨酸(cys)。半胱氨酸和谷氨酸可合成还原性谷胱甘肽。GPX4利用还原性谷胱甘肽将活性的PUFA磷脂氢过氧化物(PUFA-PL-OOH)还原为非活性和非致死性的PUFA磷脂醇(PUFA-PL-OH)。

• 多药耐药基因MDR1通过引起GSH外流来提高对铁死亡的敏感性。

• cys分解代谢酶CDO1通过消耗cys进而消耗GSH来驱动对铁死亡的敏感性。

• 谷氨酸(Glu)-cys连接酶不仅通过合成GSH，而且通过其转化限制Glu水平来促进抗铁死亡γ-谷氨酰肽，表明Glu可以促进铁死亡。

• 除了酶抑制方法，GPX4降解剂也可以促进铁死亡。

不依赖GPX4的脂质ROS积累系统：

已确定的几种不依赖GPX4的铁死亡抑制系统包括：

• 铁死亡抑制蛋白1(FSP1)/CoQ10；

• 二氢乳清酸脱氢酶(DHODH)；

• GTP环化水解酶1(GCH1)/四氢生物蝶呤(BH4)。

• GCH1。

CoQ10是防止导致铁死亡脂质过氧化的第二种内源性机制，存在于整个细胞的不同膜中。内源性代谢物BH4与CoQ10的功能类似。

DHODH则被鉴定为铁死亡的线粒体抑制因子，通过减少线粒体CoQ10发挥作用，类似于FSP1在线粒体外膜中的功能。

GCH1则通过两个方面的机制抑制铁死亡。(a)GCH1产生亲脂性抗氧化剂BH 4，以防止脂质过氧化。(b)GCH1引起脂质膜环境的重塑以增加还原的CoQ10，并消耗驱动对铁死亡敏感性的PUFA-PL。

GCH1或DHODH高表达的细胞对铁死亡的抵抗力更强，而低表达的细胞对铁死亡更敏感。

最新研究发现还存在与以上机制无关的铁死亡抑制系统，可能通过脂质过氧化所需的自由基中间体或通过控制调节脂质过氧化的基因的表达来类似地抑制铁死亡。如氨基酸氧化酶interleukin-4-induced-1(IL4i1)。

（3）铁调节：铁驱动的脂质过氧化

铁死亡的脂质过氧化是由促进芬顿反应的不稳定铁池驱动的。几种含铁酶具有促进导致铁死亡的脂质过氧化的能力。如15-脂氧合酶、12-脂氧合酶和细胞色素P450氧化还原酶等。

铁蛋白的可用性决定了不稳定铁池的大小。因此，可通过控制铁储存蛋白来控制铁蛋白吞噬，从而调节铁丰度，影响细胞对铁死亡的敏感性。

内过氧化物与铁的反应也会引发铁死亡。例如：FINO2将二价Fe氧化为三价Fe，不抑制system xc-，也不消耗GSH，而是直接抑制GPX4或诱导GPX4降解。同类型的反应物还包括青蒿素相关化合物等。

GSH的消耗不仅可以使GPX4失活，还可以调动二价Fe，促进脂质过氧化物的传播并最终导致铁死亡。此外，铁蛋白中的铁储存需要形成GSH-铁复合物。但GSH耗竭不是铁死亡的必要条件。

负向调控：抑制铁死亡

铁死亡抗性可以通过控制铁稳态、活性氧丰度和代谢来产生。已确定的三种抗铁死亡主要机制为：

• 抗氧化调节剂NRF2；

• 转硫途径；

• 雷帕霉素(mTOR)。

NRF2是抗氧化反应的主要调节因子，驱动抑制铁死亡的转录反应。其介导的保护机制因细胞和组织环境而异。

• 胰腺癌中：NRF2通过激活微粒体GSH S-转移酶1 (MGST1) 抑制ALOX5来抑制铁死亡；

• 肝癌中：NRF2通过控制铁蛋白来驱动对铁死亡的抵抗。

转硫途径通过从蛋氨酸产生半胱氨酸来驱动对铁死亡的抗性，克服由system xc-产生的半胱氨酸缺乏。当在培养基中补充转硫途径代谢物同型半胱氨酸时，它会增强铁死亡而不是驱动对铁死亡的抵抗力，这表明同型半胱氨酸可以独立于作为半胱氨酸的来源而发挥作用。

mTOR通路促进对铁死亡的抵抗的机制包括：

• 增加GPX4蛋白合成；

• 增加甾醇反应元件结合蛋白(SREBP)介导的脂肪生成。

主要细胞器在铁死亡中的贡献也因其膜上氧化脂质的不同存在差异。

• 质膜破裂发生在铁死亡晚期，可能影响铁死亡向邻近细胞的传播：

  铁死亡向邻近细胞的传播可能取决于具有完整质膜的氧化脂质通过胞外囊泡释放，引发邻近细胞的铁死亡。研究人员认为质膜脂质过氧化是铁死亡的重要后期步骤。

• 内质网是铁死亡过程中脂质过氧化的核心部位：

  受激拉曼散射(SRS)显微镜定位成像显示，铁死亡抑制剂在溶酶体、线粒体和内质网 (ER) 中积累。通过影响脂质过氧化来调节铁死亡的化合物主要定位于ER，这表明 ER是铁死亡过程中脂质过氧化的最关键部位。

• 线粒体可以引发和放大半胱氨酸缺乏而诱导的铁死亡：

  线粒体影响的是半胱氨酸饥饿和谷胱甘肽耗尽机制。线粒体DHODH和线粒体CoQ10可抑制此种铁死亡机制。抑制线粒体电子传递链或者线粒体消耗也可以减轻由半胱氨酸饥饿引起的铁死亡。

• 过氧化物酶体可通过醚脂的过氧化作用驱动铁死亡：

  尽管过氧化物酶体ROS在铁死亡过程中没有被直接确认过，但过氧化物酶体中产生的 过氧化氢可能会引发脂质过氧化，从而与过氧化物酶体二价Fe结合。

• 溶酶体是铁的储存库：

  溶酶体中有铁抑素(Ferrostatins)聚集，但其实际引发铁死亡的机制与此无关，而是通过将FINO2重新定位到溶酶体引发，且需要内质网的辅助。

  此外，敲除溶酶体蛋白皂苷可造成脂褐质积累，从而驱动溶酶体铁和活性氧的积累，导致神经元铁死亡。

• 高尔基体应激可促进铁死亡：

  在某些情况下，布雷菲德菌素A等蛋白转运抑制剂药物触发高尔基体压力会引发铁死亡。

  此外，在铁死亡过程中，Tf受体蛋白1(TfR1)的定位从其位于高尔基体和密切相关的内体循环隔室中转移到质膜。这种重新定位可用作铁死亡的ROS非依赖性标志物，还可以通过促进摄取额外的铁负载Tf，作为进一步增强铁死亡的杀伤力调控。

主要细胞器和器官在铁死亡中的作用

 Cell. 2022

铁死亡中的ROS和脂质过氧化物如何在细胞器之间运输还有很大的探索空间。

此外，脂质过氧化物最终如何破坏细胞膜并导致细胞死亡的机制尚不明确。

参考资料：

Yang et al., Ferroptosis heterogeneity in triple-negative breast cancer reveals an innovative immunotherapy combination strategy, Cell Metabolism 2022,34, 1–17

Beatty, A., Singh, T., Tyurina, Y.Y., Tyurin, V.A., Samovich, S., Nicolas, E., Maslar, K., Zhou, Y., Cai, K.Q., Tan, Y., et al. (2021). Ferroptotic cell death triggered by conjugated linolenic acids is mediated by ACSL1. Nat. Commun. 12, 2244.

Jiang, X., Stockwell, B.R., and Conrad, M. (2021). Ferroptosis: mechanisms, biology and role in disease. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 22, 266–282.

Stockwell BR. Ferroptosis turns 10: Emerging mechanisms, physiological functions, and therapeutic applications. Cell. 2022 Jul 7;185(14):2401-2421. doi: 10.1016/j.cell.2022.06.003. PMID: 35803244; PMCID: PMC9273022.

来源： 闲谈 Immunology 2022-10-22