国自然热点 | 铁死亡机制及检测方法

什么是铁死亡？

铁死亡（ferroptosis）是细胞在小分子物质诱导下发生的氧化性细胞死亡，具有铁离子依赖性。研究发现，铁死亡与神经退行性疾病、肿瘤、动脉硬化、糖尿病、急性肾损伤等多种疾病相关，致病机理复杂，并可通过激活或抑制铁死亡来干预疾病的发展，因此铁死亡成为近年来的研究热点。

图1 铁死亡发生机制[1]

铁死亡发生机制

铁死亡是亚铁离子和活性氧（reactive oxygen species，ROS）依赖的脂质过氧化物累积引起的。铁死亡的发生机制如图1，其上游通路是通过直接或间接影响谷胱甘肽过氧化物酶（glutathioneperoxidase，GPXs）的活性，降低细胞抗氧化能力，致使脂质过氧化反应增加，脂质活性氧增多，引起铁死亡的发生。此外，在亚铁离子或酯氧合酶的作用下，催化细胞膜上高表达的不饱和脂肪酸，发生脂质过氧化，从而诱导细胞死亡。铁死亡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，之后亚铁离子氧化脂质产生活性氧，从而促使铁死亡的发生。

铁死亡形态特点

目前，研究较多的细胞死亡方式包括铁死亡（ferroptosis）、细胞凋亡（apoptosis） 、细胞坏死（necrosis）和细胞自噬（autophagy），它们在形态上的区别如图2。

铁死亡：线粒体皱缩、膜密度增加、线粒体嵴减少或消失；细胞凋亡：染色质凝集、核固缩、碎裂；形成凋亡小体、线粒体形态无明显变化；细胞坏死：细胞器肿胀、质膜损坏、细胞裂解、细胞内容物溢出、组织损伤；细胞自噬：双层膜自噬体（内含胞浆成分，如线粒体、内质网、核糖体等）或单层膜自噬溶酶体（胞浆成分已降解）形成。

图2 细胞铁死亡、凋亡、坏死和自噬的形态症状[2]

铁死亡的调节通路

研究表明，铁死亡可以被多种化合物诱导（表1），其发生受胱氨酸谷氨酸转运受体（System xc-）、p53、GPX4、电压依赖性阴离子通道（voltage-dependent anion channels，VDACs）等通路的调节。此外，诱导脂质过氧化反应也可导致铁死亡；血红素加氧酶1（heme oxygenase-1，HO-1）、转铁蛋白是细胞内铁的来源，它们也参与了铁死亡的调节过程[3]。

表1 铁死亡诱导剂和抑制剂

铁死亡的判断与检测

细胞发生铁死亡，其在生化特征上表现为铁积累、脂质过氧化、线粒体膜电位降低等。因此可以通过检测以下特异性元素：GPX4和GSH、ROS和脂质过氧化、铁离子水平、线粒体活性等多方向，尽可能全面地验证铁死亡[4]。

1、GPX4和GSH检测方法：

1）比色测定法评估GPX4活性；

2）通过抗GPX4的抗体检测。

2、ROS与脂质过氧化检测方法：

1）特异性荧光探针（如DCHF-DA）进行半定量分析；

2）ELISA和TBAR检测脂质ROS下游副产物（如4-HNE蛋白质加合物和MDA）；

3）抑制剂：利用特异性抗氧化性铁死亡抑制剂，如Ferrostatin-1协同分析。

铁离子水平：

1） 可通过使用例如菲洛嗪等化合物的比色反应来检测铁离子水平，该化合物与铁结合时能显色；

2） 影响铁离子浓度的螯合剂或基因操纵（如转铁蛋白受体、铁蛋白和线粒体铁蛋白）也会影响铁死亡。

线粒体检测：

1）观测线粒体发生铁死亡特征性形态改变，线粒体膜密度增加，嵴减少，膜电位降低；

2）GPX4功能降低后几个小时会有细胞碎裂的现象，可使用线粒体标记物如MitoScene Green I检测线粒体的形态。

铁死亡作为新型程序性细胞死亡方式，近年来在疾病研究中的重要作用逐渐被揭示。虽然目前对其特点、发生机制有了初步的了解，但依旧有许多问题亟待解答，比如进一步揭示铁死亡在各种疾病中的详细调控机制，开发新的铁死亡特异性标志物检测技术等。

参考文献

[1] 周文博,孔晨飞,秦高伟,等.铁死亡发生机制的研究进展[J].生物化学与生物物理进展, 2018, 45(1):7.

[2] Dixon SJ, Lemberg KM, Lamprecht MR, et al. Ferroptosis: an iron-dependent form of nonapoptotic cell death[J]. Cell, 2012, 149( 5): 1060-1072.

[3] Gao M, Monian P, Quadri N, et al. Glutaminolysis and transferrin regulate ferroptosis. Mol Cell, 2015, 59(2): 298-308.

[4] 孙悦,付松波,李亦兰.心肌细胞铁死亡及其检测方法[J].心血管病学进展, 2023, 44(2):167-171.