Nature reviews Molecular cell biology/永不过时的热点:铁死亡

在细胞的各式花样死法中，铁死亡（ferroptosis）作为一种经典的死亡方式，一直备受大家的关注。铁死亡是一种铁依赖性的，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。今天小编分享一篇发表在《Nature reviews Molecular cell biology》杂志上的关于铁死亡的综述文章，IF:113.915，权威性不言而喻。

01

Part One

自2012年提出“铁死亡”以来，相关研究在过去几年中呈指数增长。铁死亡是铁依赖性的磷脂过氧化作用驱动的一种独特的细胞死亡方式，受到多种细胞代谢途径的调控，其中包括氧化还原稳态、铁代谢、线粒体活性和氨基酸、脂质、糖的代谢，以及各种与疾病相关的信号途径。有趣的是，具有多重药物抗药性的癌细胞，尤其是处于间充质状态且易于转移的肿瘤细胞，非常容易发生铁死亡。此外，许多器官损伤和退行性病理是由铁死亡引起的。因此，通过对诱导和抑制铁死亡对其进行药理调节，在治疗耐药性癌症、缺血性器官损伤和其他与脂质过氧化密切相关的退行性疾病上具有巨大的潜力。在本篇综述中，作者总结了当前对于铁死亡分子机制和调控网络的研究，铁死亡在肿瘤抑制和免疫监控中的潜在生理功能和病理作用，以及其靶向治疗潜能。更重要的是，正如其他所有快速发展的研究领域一样，在铁死亡的研究中，错误的观念和不恰当的实验方法也带来了巨大的挑战。因此，本综述也旨在探讨这些问题，并为铁死亡研究提供可重复且可靠的实用性指南。最后，本文也讨论了今后对于铁死亡研究的主要关注点和迫切需要解决的问题。

02

Part Two

细胞是生命的基本组织单位。因此，细胞增殖、分化以及死亡在不同的生命形式中都发挥重要作用。细胞的命运和功能受到环境和遗传因素的双重影响。决定细胞命运的最关键的轴之一是细胞对氧化应激的反应，因为大多数生物在还原/氧化的代谢过程中依赖于氧作为最终的电子受体。在导致细胞氧化应激的条件和氧源物种中，膜双分子层中脂质的氧化修饰(例如脂质过氧化)已成为整合一系列环境和遗传输入的联系，包括热和辐射暴露、代谢、氧化还原稳态、免疫监控、细胞间接触以及致癌和肿瘤抑制信号。事实上，这些看似不相干的过程紧密结合在一起，使细胞经历铁死亡，这是一种由不受限制的脂质过氧化导致的独特的细胞死亡模式(图1)。铁死亡现在被认为可能是最广泛和最古老的细胞死亡形式之一，虽然最初是在哺乳动物系统中研究的，但在进化较远的物种中也观察到类似铁死亡的细胞死亡，例如那些属于植物、原生动物和真菌王国的物种。

传统上，细胞死亡最初被认为是被动的和不受调控的，直到在1970年间发现了程序性细胞死亡(PCD)的第一种形式：细胞凋亡，其在发育过程中受到程序性调控。其他更广泛的被称为程序性细胞死亡的细胞死亡不一定与发育过程相关，但都受到各种分子机制的调控。铁死亡符合RCD标准: 铁死亡由致命的脂质过氧化作用驱动，是细胞代谢和氧化还原平衡失衡的结果，并可以通过药物或遗传手段直接阻断脂质过氧化或耗尽细胞内的铁来阻止其发生。重要的是，越来越多的证据表明铁死亡在肿瘤抑制和免疫中的潜在生理作用(图1)。最近，铁死亡也与某些真菌物种的发育和线虫的发育衰老有关。此外，铁死亡的病理生理学相关性，特别是作为癌症和缺血性器官损伤的治疗方式，也已经被证明(图1)。

尽管在2012年才新出现铁死亡这个词，但类似于铁死亡的细胞死亡在很久以前就被发现了，例如，在神经细胞中存在一种氧化应激诱导的细胞死亡方式，被称为氧化凋亡（oxytosis）。Harry Eagle在20世纪50年代和60年代的开创性工作表明，剥夺半胱氨酸/胱氨酸可以导致细胞死亡，而利用蛋氨酸和葡萄糖内源性合成半胱氨酸，即硫转化，使细胞能够抵抗这种细胞死亡。半胱氨酸是生物合成还原型谷胱甘肽(GSH)的限速底物，要么以半胱氨酸的氧化形式（胱氨酸）通过胱氨酸/谷氨酸反向转运体（Xc-系统）和依赖钠的中性氨基酸转运蛋白B(0)AT1 (SLC6A19)被细胞摄入，要么以其还原形式半胱氨酸通过中性氨基酸转运体进入细胞，或由内源产物经转硫作用生成。GSH是哺乳动物细胞中最丰富的还原剂，在铁硫簇生物发生中起重要作用，也是谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)和谷胱甘肽-s -转移酶等多种酶的辅助因子。遗传学上已经证明，GSH合成、Xc-系统和谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)都可以保护细胞免受各种氧化应激条件引起的死亡，特别是导致硫醇缺乏的条件下，包括抑制Xc-系统活性。随着GSH合成、Xc-系统和GPX4在铁死亡中作用的确立，我们现在可以将所有这些早期研究放在铁死亡的背景下。

尽管如此，从许多方面来看，铁死亡仍是一个新兴领域，只是在最近几年才由氨基酸和脂质代谢、铁稳态、氧化还原和硒生物学以及细胞死亡等相邻领域合并而来。关于铁死亡的研究论文发表数量呈指数级增长，因此需要对最近的研究进展进行全面的、批判性的审视，以便为不同领域的研究人员明确围绕这个主题的关键发现、问题和挑战。在此，我们深入分析了铁死亡的机制和调控过程，潜在的生理功能，以及在疾病和治疗中的作用。我们将讨论该领域关键性的问题和面临的挑战，并对铁死亡的研究提供切实可行的实验建议。

图1.铁死亡概述

这张示意图显示，铁死亡是由磷脂过氧化作用引起的，这一过程依赖于代谢产物活性氧(ROS)、含有多不饱和脂肪酸链(PUFA-PL)的磷脂和过渡金属铁，细胞内和细胞间信号和环境压力可通过调节细胞代谢和ROS水平影响铁死亡。图中还显示了铁死亡在疾病中的作用及其潜在的生理功能。

03

Part Three

为了方便大家理解，小编特意找出了“前言”中出现的专业名词，并做了相关解释，接下来就要直奔主题了。由于文章篇幅较长，小编将把全文分为三大部分进行解读：

（1）铁死亡的调控机制;

（2）铁死亡相关的信号通路;

（3）铁死亡相关的疾病及治疗。

近年来，人们对铁死亡机制的认识突飞猛进。随着胱氨酸/谷氨酸反向转运体-GSH-GPX4通路在抑制铁死亡中的作用被发现，目前磷脂氢过氧化物（PLOOHs，一种基于脂质的ROS形式）被确定为是铁死亡的执行者（图2）。最近又发现了GPX4非依赖性的铁死亡监控通路。此外，在铁死亡背景下，PLOOH的合成机制，特别是PUFAs（多不饱和脂肪酸，PLOOHs的前体物质）的合成与活化也已被广泛研究。重要的是，所有这些研究最终都集中在细胞代谢上，揭示出铁死亡和代谢途径之间存在密切联系。

图2.铁死亡抑制通路

(A) 在经典的铁死亡调控通路中，胱氨酸通过胱氨酸/谷氨酸反向转运体（system Xc-）进入细胞，接着在谷胱甘肽（GSH）或硫氧还蛋白还原酶1（TXNRD1）依赖的胱氨酸还原途径中还原生成半胱氨酸，促进GSH生成。GSH是一种强效的还原剂，可作为谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）的辅因子，在细胞内促进磷脂氢过氧化物（PLOOHs）还原为PLOOHs相应的醇（PLOHs）。谷胱甘肽-二硫化物还原酶（GSR）利用NADPH/H+提供的电子催化氧化型谷胱甘肽（GSSG）重新生成GSH。(B) 两项独立进行的基因筛查研究中，发现FSP1（铁死亡抑制蛋白1）/泛醌(CoQ10)系统完全可以保护细胞免受由药物抑制Gpx4或Gpx4基因敲除引起的铁死亡。与GPX4/GSH不同，FSP1通过降低脂基水平上的泛醌/α-生育酚来防止脂质过氧化和与之相关的铁死亡。(C) 其他铁死亡抑制机制，包括鲨烯介导的和二/四氢生物喋呤（BH2/BH4）介导的对脂质过氧化的抑制，尽管这一过程的化学机制仍有待研究。

为了寻找新型抗癌小分子，Stockwell团队从2001年开始进行了高通量筛选，并在2003年发现了一系列复合物，这些复合物能够诱导细胞以一种独特的、区别于细胞凋亡和细胞坏死的方式死亡。反向筛选结果表明，多种铁离子螯合剂以及亲脂性自由基捕获型抗氧化剂（RTAs）可以抑制这种类型的细胞死亡。由于铁在这种形式的细胞死亡中不可或缺，因此将这种细胞死亡形式命名为“Ferroptosis”，即铁死亡。随后在对铁死亡机制的研究中确定了两个细胞组分，Xc-系统和GPX4，利用化合物erastin和RSL3分别抑制它们的活性会诱导铁死亡发生。

GPX4是Ursini及其同事通过生化纯化发现的一种硒蛋白，是哺乳动物细胞中催化PLOOHs还原的主要酶。GPX4可将磷脂和胆固醇氢过氧化物还原为相应的醇，这个过程需要GPX4中硒代半胱氨酸残基的催化活性以及主要由GSH提供的两个电子，电子有时也可来自其他小分子硫醇，甚至蛋白质硫醇。Conrad团队曾透彻研究过第一个Gpx4条件敲除小鼠模型，发现Gpx4的缺失会诱导小鼠胚胎成纤维细胞以脂质过氧化物依赖的、非凋亡的形式死亡，并引起小鼠大脑海马区和皮质区内的神经退化。这个和其他几个小鼠模型有助于描绘出更详细的铁死亡在体内相关性的图像，这些将在下文进一步讨论。

因为GPX4是主要的PLOOH中和酶，所以出现了erastin/RSL3诱导的铁死亡机制：这两种化合物都能灭活GPX4，RSL3直接灭活GPX4，而erastin间接灭活GPX4，主要通过抑制胱氨酸进入细胞使胞内半胱氨酸耗竭（半胱氨酸是是一种必不可少的细胞抗氧化剂，也是细胞内GSH的必要组成成分）。最终的结果是，PLOOHs累积，可能导致膜结构发生快速且不可修复的损伤，从而导致细胞死亡(图2A)。从概念上讲，这些发现明铁死亡在机制上与其他已知的细胞死亡方式不同。基于此机制开发的药理学和遗传学工具使铁死亡相关研究成为可能，而且这些工具已经成为研究铁死亡必不可少的工具。

①磷脂过氧化反应

无限制的脂质过氧化是铁死亡的标志。20世纪50年代的早期研究发现，微量元素硒、维生素E和半胱氨酸可以抑制脂质过氧化。脂质过氧化的启动需要从磷脂上的多不饱和脂肪酸酰基(PUFA-PLs)中脱去两个碳碳双键之间的双烯丙基氢原子，形成以碳为中心的自由基，并与分子氧反应生成过氧自由基(图3)。如果不转化为脂质过氧化氢并还原为相应的醇，自由基介导的反应的传播将导致大量次级产物的产生，膜结构完整性被破坏，并最终导致细胞器和细胞膜破裂。因此，高PUFA-PL含量的细胞膜特别容易发生过氧化反应，已经在神经元中得到了证实。与此一致，全基因组单倍体和基于CRISPR/ cas9的筛选发现了两种膜重塑酶，脂酰辅酶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)是导致铁死亡的重要因素。ACSL4在铁死亡中发挥作用是因为它更倾向于催化长链PUFAs（包括花生四烯酸20：4和肾上腺酸22：4）和辅酶A连接。然后，这些产物会被多种LPCAT酶重新酯化为磷脂，从而增加细胞内长链PUFAs在脂质和膜结构中的掺入。ACSL4的基因缺失会导致磷脂中长链PUFA尾向短链单不饱和脂肪酰基（MUFA）尾急剧转变，其方式类似于ACSL435药物抑制处理的野生型细胞。ACSL4缺陷细胞磷脂中的这种急剧转变，使得Gpx4敲除细胞的增殖可以持续数月，这是之前从未观察到的基因拯救。与上述机制类似，据报道，外源性补充MUFAs、硬脂酰辅酶A去饱和酶（SCD1）介导的细胞内MUFA生成，以及由ACSL3依赖的膜MUFAs富集可降低细胞受铁死亡的影响。值得注意的是，在三阴性乳腺癌的一个细胞亚群中，ACSL4的表达水平与它们对于铁死亡诱导剂的敏感性相关，且在耐药的间充质癌细胞和透明细胞性肾癌细胞中观察到了类似的相关性。因此，抑制ACSL4表达或许是细胞对铁死亡脱敏的主要机制，这一过程可能受到不同的信号通路调控。相反，增加ACSL4表达或提高其活性，可能会在多种病理生理条件下促进铁死亡。

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敏感性的关键因素，但关于脂质过氧化是如何启动的仍有许多不确定因素和争论。与共轭二烯相邻的双烯丙基碳具有已知的最弱的碳氢键，这些结构的增加会提高脂类的自氧化速率，如含有PUFA的食物在环境氧张力下会腐败。可以想象，细胞自主产生的脂质烷氧自由基或羟基自由基可以启动不依赖于酶促反应的脂质过氧化，而这一过程可由铁作为催化剂的Fenton反应催化（图3）。(稍后详细说明)。

某些脂加氧酶(LOXs)是非血红素铁依赖的双加氧酶，可以直接氧化生物膜的PUFAs，提示LOXs可能介导铁死亡的诱导过程。已有一些结果支持这一可能性，如一些LOX的药理学抑制剂能够抑制铁死亡，敲除12/15-LOX或应用LOX抑制剂黄岑素（baicalein）可以保护小鼠免受缺血性脑损伤和水肿的形成。然而，在Gpx4敲除小鼠中敲除12/15-LOX并不能保护小鼠成纤维细胞免受铁死亡，也不能防止急性缺血性肾损伤或降低其致死率，也不能恢复T细胞特异性Gpx4-/-小鼠中的CD8+ T细胞。然而值得注意的是，LOXs主要与半胱氨酸缺乏诱导的铁死亡相关，而非GPX4缺失诱导的铁死亡，因此，有必要利用不同的模型进一步剖析LOXs在铁死亡中发挥的作用。这些数据表明，在ALOX15活性缺失后可能有替代机制进行了补偿，某些频繁使用的“LOX特异性”抑制剂可能作为自由基捕获型抗氧化剂（RTA）发挥了非特异性活性。事实上，最近的一项研究证实，最常用的LOX抑制剂具有RTA活性，因此对通常认为的LOX在铁死亡中的重要作用提出了挑战。此外，对人类所有LOX同工酶活性广泛下调未能阻止RSL3诱导的铁死亡，但很大程度上挽救了erastin诱导的铁死亡，这可能是因为erastin处理激活了脂氧合酶。因此，在大多数情况下LOXs可能不是铁死亡的关键驱动因素，但在某些情况下可能有助于铁死亡的启动和发展。Alox15（花生四烯酸-15-脂加氧酶）或者Alox12（花生四烯酸-12-脂加氧酶）的缺失分别在一些神经退行性或者癌症抑制小鼠模型中表现出保护作用。然而，必须强调的是，这些酶在免疫系统中本身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，它们的缺失并不一定与铁死亡直接相关。先前的发现也支持这一观点，GPX4通过所谓的“细胞过氧化物”调控制脂加氧酶和环加氧酶的活性，因为这两种二十烷酸代谢酶都需要通过脂质氢过氧化物氧化它们的铁，以捕获分子氧并将其掺入到PUFAs中。值得注意的是，有报道称ALOX12在过氧化物引发的p53依赖性铁死亡中必不可少，而且这种形式的铁死亡相当独特，因为它似乎不需要ACSL4参与；另外，据报道，磷脂酰乙醇胺结合蛋白1 (PEBP1)可与某些LOXs形成复合物，改变其对PUFA-PLs底物的特异性。

除了有争议的LOXs在铁死亡中的作用外，最近的研究表明，广泛表达的细胞色素P450氧化还原酶(POR)在启动脂质过氧化中发挥作用。NADPH作为电子供体从POR接受电子后，下游电子受体如细胞色素P450和CYB5A被还原，进而通过从PUFAs中提取亚甲基氢或还原铁直接或间接触发脂质过氧化反应。

尽管在细菌膜中普遍缺乏PUFAs，铜绿假单胞菌能够表达一种分泌型脂氧合酶(PA-LOX)。这种酶可诱导人红细胞膜脂氧化，也可诱导人支气管上皮细胞铁死亡。因此，囊性纤维化患者表现为磷脂酰乙醇胺中花生四烯酸氧化水平升高，而磷脂酰乙醇胺被报道是在铁死亡的细胞和组织中检测到的主要磷脂形式之一。这种跨生物的铁中毒诱导机制耐人寻味，值得进一步研究，以确定这一机制是否被其他低等生物利用。

图3. 磷脂过氧化的机制

②细胞代谢与铁死亡

很明显，多种代谢反应可以导致细胞产生PLOOHs，越来越多的证据表明，代谢在铁死亡中起着核心作用。Jiang团队试图确定代谢如何影响细胞命运的研究揭示了铁死亡与代谢的复杂关系。他们研究了自噬这种难以捉摸的促进细胞死亡的功能。自噬作为应对各种压力的重要生存机制，是否以及如何促进细胞死亡(即自噬细胞死亡)已经争论了几十年。出乎意料的是，他们发现在氨基酸饥饿(一种触发有效自噬的条件)时，自噬促进了一种快速的非凋亡、非坏死形式的细胞死亡，但仅仅是在细胞处于血清充足的完全培养基的前提下。他们随后发现，这种形式的细胞死亡需要铁载体转铁蛋白和血清中的氨基酸谷氨酰胺，而从细胞培养基中去除胱氨酸则足以触发细胞死亡。因此，这种类型的细胞死亡（即铁死亡）是由半胱氨酸缺乏(类似于erastin)诱导的，并依赖于转铁蛋白。在胱氨酸缺乏的情况下，自噬通过降解铁蛋白（也称为铁自噬）导致细胞内不稳定铁含量上升，从而使细胞对铁死亡敏感，诱导铁死亡（图4）。谷氨酰胺代谢或谷氨酰胺分解对半胱氨酸缺失诱导的铁死亡是必须的，从而将铁死亡与氧化代谢联系起来。谷氨酰胺分解产生α-酮戊二酸盐，能够为线粒体TCA循环（三羧酸循环）提供能量，这表明线粒体的正常代谢功能似乎与铁死亡相关，随后通过多种药理学、细胞学和遗传学分析得到了验证（图4）。值得注意的是，线粒体早前已被证明线粒体已被证明是氧化凋亡（oxytosis）的活跃参与者。

基于这些发现，人们也提出了更多的假设和问题，例如：作为线粒体TCA循环的主要燃料，葡萄糖是否调控铁死亡？的确，葡萄糖饥饿近年来被发现可以抑制铁死亡。然而，从机制上讲，这一现象似乎主要由AMPK所介导，而非通过TCA和线粒体呼吸调节（稍后详述）。相关的问题是，即使是在富含葡萄糖的条件下培养细胞，如果谷氨酰胺仅仅通过维持线粒体呼吸来发挥促进铁死亡的作用，那么谷氨酰胺如何在半胱氨酸缺乏诱导的铁死亡中起关键作用？因此，有必要对谷氨酰胺分解在铁死亡中的作用进行详细的研究。此外，线粒体代谢是否通过产生特定的脂质前体促进PLOOH合成（TCA循环的中间产物可以促进脂质合成）或通过促进ROS产生（氧化代谢反应的天然副产物）促进铁死亡？已经有研究发现线粒体活性和谷氨酰胺分解对于半胱氨酸缺乏诱导的铁死亡是至关重要的，但对于抑制GPX4诱导的铁死亡却并非必不可少，这为后一种可能性即线粒体代谢通过促进ROS产生促进铁死亡提供了更多的支持。

除了线粒体外，植物细胞拥有另一个独特的细胞器-叶绿体，可以进行一连串的氧化还原合成代谢反应。由于在植物中已经发现依赖于铁和ROS的铁死亡，一个有趣的推测是，在植物中叶绿体也可能在铁死亡的调节中发挥重要作用。

图4.铁死亡中的代谢与细胞信号传导

③铁死亡中的铁

细胞代谢的基本功能，特别是磷脂过氧化，解释了铁死亡过程为什么依赖铁。首先，参与磷脂过氧化的代谢酶LOXs和POR发挥催化活性需要铁的参与，而铁对于参与细胞活性氧生成的大量代谢酶也是必不可少的。其次，非酶催化的、铁依赖的Fenton链式反应可能对于铁死亡是必要的：PLOOHs在GPX4被抑制时会持续存在更长时间，从而引发Fenton反应，使铁死亡标志物PLOOHs的含量迅速增加（图3）。PLOOHs能够与亚铁离子和铁离子反应，分别产生自由基PLO•和PLOO•• ，这些自由基与PUFA-PLs反应，进一步促进PLOOH的生成。

考虑到铁在细胞生存和死亡中的核心作用，细胞内铁稳态受到精细控制并不奇怪。铁调节蛋白IRP1和IRP2参与了与细胞内铁储存/释放和摄入/排出相关基因的转录后调节。可以想象，许多细胞过程通过改变细胞内的不稳定铁含量而改变细胞对铁死亡的敏感性。如转铁蛋白及其受体通过将铁导入细胞而共同促进铁死亡。相反，促进细胞内铁排出已被证明使细胞对铁死亡具有更强的抵抗力。此外，血红素加氧酶1（HO-1）介导的血红素降解会释放铁，也与铁死亡相关。然而一系列相互矛盾的数据显示HO-1既可促进铁死亡也可抑制铁死亡。

最近，对小鼠模型的体内研究进一步阐明了铁调控在铁死亡中的作用。例如，敲除铁蛋白重链基因可能通过促进铁死亡导致心肌病。有趣的是，在小鼠肝细胞中特异性敲除转铁蛋白导致的表型出人意料：给敲除小鼠喂养富铁饮食增加了肝细胞的铁负荷（肝细胞是体内合成转铁蛋白的主要细胞类型），这导致小鼠更容易出现肝纤维化，亲脂性RTAs80（亲脂性自由基捕获型抗氧化剂）可改善这种情况。这项研究进一步表明转铁蛋白表达缺失后，SLC39A14（一种金属转运蛋白）在肝细胞中代偿性上调，导致铁的过量摄入。

尽管半胱氨酸/胱氨酸-GSH-GPX4轴被认为是哺乳动物中对抗铁死亡的主要系统，全基因组筛查最近发现了GPX4非依赖性的铁死亡监控机制。

①NAD(P)H/FSP1/CoQ10轴

Conrad团队和Olzmann团队分别利用基因抑制剂和CRISPR-Cas9筛选技术，鉴定出铁死亡抑制蛋白1 (FSP1)是与硫醇依赖轴不同的第二种铁死亡关键因子（GPX4非依赖性）。FSP1以前被称为AIFM2，因为它与AIFM1(凋亡诱导因子线粒体相关1)同源。AIFM1最初被认为像AIFM2一样促进凋亡，但现在发现AIFM1与线粒体膜间隙蛋白转运及正确折叠相关。此外，实际上FSP1缺乏实质性的促凋亡功能，但可以保护细胞免受GPX4基因缺失或抑制引起的铁死亡。

FSP1被肉豆蔻酰化修饰，并与包括细胞质膜、高尔基氏体和细胞核周结构在内的多种细胞膜结构相联系。突变FSP1的肉豆蔻酰修饰位点会使它丧失抗铁死亡功能。机制上讲，由于FSP1具有NADH：泛醌氧化还原酶活性，FSP1通过还原泛醌（CoQ10）/泛醌的不完全氧化产物半氢醌产生泛醇，这能够直接减少脂质自由基，终止脂质自氧化反应，或者间接的通过促进氧化型α-生育酚自由基（维生素E，一种强大的天然抗氧化剂）再生，这是脂类中最强大的天然断链抗氧化剂(图2B)。这些研究也解决了一个长期存在的谜题，即为什么在一些细胞和组织中存在大量的线粒体外泛醌，而这与泛醌在线粒体电子传递链中的经典功能是不一致的。

②GCH1/BH4/DHFR轴

利用CRISPR/ cas9筛选技术，GTP环水解酶-1 (GCH1)最近被报道可通过其代谢产物四氢生物蝶呤(BH4)和二氢生物蝶呤(BH2)抵抗铁死亡。BH4被证明可能通过双重机制，即既作为直接RTA(需要通过二氢叶酸还原酶DHFR再生)，又参与CoQ10合成，保护含有两个PUFA尾的磷脂免受氧化降解（图2C）。尽管GCH1在保护组织和器官免受铁死亡中的作用仍有待阐明，但已有基因敲除研究表明，GCH1在小鼠体内的缺失会导致小鼠在妊娠中期的心动过缓和胚胎死亡。

③鲨烯积累

除了直接调控脂双层中的过氧化物或通过一些天然的自由基捕获型抗氧化剂调节磷脂自由基外，细胞也可能通过一些其他的内在机制保护自身免受有害的脂质过氧化。关于这点，胆固醇途径中的一种代谢物鲨烯，已被报道其积累会在固醇缺陷型淋巴癌细胞系和原发肿瘤中具有抗铁死亡活性，尽管尚未证明这是癌症亚型特异性效应还是一种普遍的保护机制(图2C)。

不难想象，凡是能够调控铁死亡的生物学过程，如促进或调控这一过程的分子、氧化还原稳态和铁稳态以及细胞代谢，都可能会影响铁死亡。正如预期的那样，氧化应激反应转录因子NRF2可以通过激活多个经典靶基因的表达来缓解铁死亡。此外，越来越多的证据表明，在特定的生物学背景下，多种信号通路可以控制细胞对铁死亡的敏感性。

虽然GPX4和FSP1在抑制铁死亡方面扮演着重要的角色，但在生理和病理条件下，GPX4和FSP1是如何在转录、翻译以及同等重要的翻译后/活性水平上发挥调控作用，我们还知之甚少。目前已知的是，GPX4和FSP1似乎在某种程度上和甲羟戊酸途径相交集：甲羟戊酸途径是蛋白异戊稀化修饰方式之一，可以稳定Trsp（硒代半胱氨酸特异性tRNA），而Trsp是合成包括GPX4在内的硒酶所必需的，另外，甲羟戊酸途径的终产物之一泛醌(CoQ10)是FSP1的主要底物。

GPX4是人体内25种硒蛋白之一，其表达受到严格调控。有研究表明，增加细胞内硒含量可以协同激活转录因子TFAP2c和Sp1来促进神经元中GPX4的表达。然而值得一提的是，和真正的硒反应蛋白P（SELENOP）、GPX1和GPX3不同，GPX4可以被认为是一种在大多数组织和器官中组成性表达的管家蛋白。已报道的其他调控GPX4表达的转录因子包括肠上皮细胞中的CEBP1和C/EBPα和某些癌细胞中的NF-Y。据报道转录后，GRSF1（鸟嘌呤富含序列结合因子1）能够与线粒体型GPX4 mRNA的5’非编码区结合，促进线粒体内GPX4的翻译，从而在精子发育过程中起着重要的作用。然而，以上调控事件与铁死亡的关系尚不明确。

越来越多的证据表明，GPX4的活性和稳定性也受到调控。例如，持续的氧化应激导致GSH耗竭，这使得GPX4中硒代半胱氨酸活性位点的GSH依赖性还原受损，从而导致GPX4通过β切割过程形成无氧还活性的脱氢丙氨酸和GPX4不可逆的功能失活，此外，在亚硒酸和邻近氨基酸之间形成的硒酰胺可以保护酶发生不可逆失活。然而，在缺血-再灌注损伤(IRI)等病理条件下，这些机制是否发挥作用还需要进一步研究。尽管有研究报道称肠道缺血与较低的GPX4活性和含量有关。此外，包括RSL3在内的多个铁死亡诱导剂最终都会通过硒代半胱氨酸活性位点的共价修饰、干扰甲羟戊酸代谢以及铁依赖的氧化应激等机制导致GPX4耗竭。

作为另外一种重要的铁死亡抑制因子，FSP1最初是作为p53应答基因被发现的，因此FSP1还被称为p53应答基因3（p53-responsive gene 3，PRG3）。FSP1是转录因子NRF2、CRBP和PPARα的靶基因。有趣的是，据报道在T淋巴母细胞性淋巴瘤细胞中，长链非编码RNA MEG3（母系表达基因3）上调FSP1的表达，miR-214下调FSP1的表达，而这两种RNA也同时参与肿瘤发展。除了转录调控，几乎没有人知道FSP1的氧化还原酶活性是如何被调控的，以及FSP1的亚细胞定位如何调控其在不同生理、病理过程中的作用。但FSP1能够同时作用于还原性和氧化性底物（如NADH、NADPH、CoQ10和α-生育酚），表明其活性的调控过程较复杂。

Hippo-YAP通路具有多种生理功能，包括细胞增殖和器官大小控制。这条通路在铁死亡中的作用始于一个有趣的研究:在半胱氨酸饥饿和GPX4抑制剂的诱导下，高密度生长的细胞更能抵抗铁死亡。这一结果与更早的一些重要发现类似，如在极高密度生长的细胞或将细胞进行球体培养（有利于细胞与细胞间接触）可以提高GPX4敲除细胞的生存率。从机制上来讲，细胞密度对上皮细胞铁死亡的调控作用是由上皮细胞钙粘蛋白（E-cadherin）介导的细胞间接触所介导，这种细胞间相互作用能够通过NF2（也被称为Merlin）肿瘤抑制蛋白激活细胞内Hippo信号通路，从而抑制肿瘤蛋白YAP的核转位和转录活性。由于YAP靶向多个铁死亡调控因子，包括ACSL4、转铁蛋白受体TfR1等，因此铁死亡的发生最终依赖于Hippo通路的活性，抑制Hippo通路和激活YAP均可以促进铁死亡（图4）。与此一致，研究发现YAP的同源物TAZ在肾癌细胞（主要表达TAZ而不是YAP）中以调控细胞密度的方式促进铁死亡。

E-cadherin-NF2-Hippo-YAP通路在调控铁死亡方面所发挥的作用具有重要的意义。首先，由于该途径的多个环节在癌症中经常发生突变，诱导铁死亡可能是治疗这种类型癌症的潜在疗法，这个话题将在下面作进一步讨论。其次，在不表达E-cadherin的非上皮细胞中也观察到细胞密度依赖的铁死亡现象，说明其他类型的钙粘蛋白（cadherin）或细胞黏附因子也可能以类似的机制来抑制铁死亡。第三，Hippo-YAP通路在发育过程中起着重要的作用，并且该通路与其他信号通路相互作用，因此可以通过Hippo-YAP通路研究铁死亡与其他正常生理功能的联系。推测一下，钙粘蛋白是否在多细胞生物中进化成这样一种方式:它们不仅在物理上连接细胞，通过将信号转导到细胞内来介导细胞间的通讯，而且还作为一种古老的机制来保护细胞免受氧化应激激损伤，包括氧化应激最致命的形式–铁死亡。所有这些事件都是多细胞生物存在的必要条件。事实上，钙粘蛋白的表达可以一直追溯到原始的后生动物。

直观地说，能量和代谢应激会引起能量损失，从而导致维持体内平衡所需的系统级联失灵，例如能量依赖的跨细胞膜的离子浓度失衡，最终导致细胞死亡。此外，通过葡萄糖饥饿给予细胞代谢压力会促进细胞中ROS的产生，表明葡萄糖饥饿可能促进铁死亡。令人惊讶的是，葡萄糖饥饿反而抑制细胞铁死亡，而这种保护作用依赖于能量感应激酶AMPK的活性。因此，当葡萄糖缺乏时，AMPK被激活，启动了一种能量应激保护程序，以对抗铁死亡，这涉及到PUFAs的生物合成受损，而PUFAs是脂质过氧化诱导的铁死亡所必须(图4)。由于能量应激保护程序的激活可以保护肾脏免受缺血-再灌注损伤（IRI）。这种保护机制可能是是保护机体免受能量耗竭导致的器官损伤的第一道防线，而器官损伤往往伴随着能量衰竭。

考虑到铁死亡是由磷脂过氧化引起的，一直以来悬而未决的问题是铁死亡过程是否依赖于氧浓度。早期实验表明，在1%氧环境下erastin诱导的铁死亡并没有受到影响，这表明缺氧并不会抑制铁死亡。最近的一项研究表明，缺氧实际上可以引起细细胞对铁死亡的敏感性，如透明细胞癌对GPX4抑制剂引起的铁死亡高度敏感，这种敏感性是由HIF2α亚型通过缺氧诱导脂滴相关蛋白(HILPDA)通过PUFA脂质重塑驱动的。透明细胞癌在组织学上具有典型的清晰胞浆染色，且很难治疗，揭示这一发现的临床意义。因此推测，HIF2α-HILPDA驱动的细胞铁死亡敏感性很有可能是一种古老的消除新生低氧性肿瘤的方法。

尽管铁死亡在生理学方面的作用还不清楚，但它在人类疾病中的功能已被广泛研究。重要的是，在不同的临床前动物模型中，铁死亡的药理学调控被证明是治疗癌症和IRI（缺血-再灌注损伤）的潜在治疗方式。在这一部分，我们将重点讨论铁死亡在癌症和缺血-再灌注损伤中的作用和治疗意义，正如Box1中所讨论的那样，铁死亡与许多其他疾病的发病机制有关。

人们在癌症研究之初就发现了铁死亡与癌症的相关性。在寻找新的癌症治疗化合物的过程中，发现了铁死亡化学诱导剂。随后的机制研究表明许多癌症相关基因和信号通路都可以调控铁死亡。对凋亡和常规癌症疗法抵抗的间充质干细胞和去分化的癌细胞，以及被称为“持续细胞”的癌细胞都对铁死亡诱导高度敏感。进一步表明诱导铁死亡作为一种新的癌症治疗方法的前景。

从概念上讲，铁死亡是一种氧化应激诱导的细胞死亡形式，由于癌细胞整体代谢更活跃和ROS含量更高，因此更容易发生铁死亡。此外，有研究表明，癌细胞通常需要摄入大量的铁，这可能进一步使它们对铁死亡敏感。然而，癌细胞也可能利用遗传学或表观遗传学机制来抵抗这些代谢或氧化压力，如上调SLC7A11或者抗氧化转录因子NRF2的表达。因此，某种特定的癌细胞是对铁死亡更敏感还是更具有抵抗力是由其特定的遗传背景决定的。在发展基于铁死亡诱导的癌症疗法时，癌细胞的基因组学以及下面讨论的其他因素应当被充分考虑。

①肿瘤抑制中的铁死亡

多种肿瘤抑制因子被发现可增强细胞对铁死亡的敏感性，因此，可以合理的推断铁死亡有助于这些肿瘤抑制因子的抗肿瘤活性，也就是说，抑制肿瘤可能是铁死亡固有的生理功能。

在这些肿瘤抑制因子中，p53在铁死亡中的作用已被透彻研究。Gu等通过详细分析p53的特异性赖氨酸乙酰化位点，发现p53可以通过抑制system Xc亚基SLC7A11的转录来促进铁死亡，这一功能可能有助于p53在体内和体外的肿瘤抑制功能。此外，在非洲人群中发现一种p53的易患癌症的单核苷酸多态性P47S富集，并使癌细胞对p24更具抵抗力。虽然这些发现与铁死亡在p53介导的肿瘤抑制中的作用一致，但目前还不清楚这些特定突变除了使p53丧失促铁死亡活性外，是否还有其他功能。值得注意的是，与这些研究结果相反，p53也被报道通过调控其他转录靶点来抑制铁死亡。考虑到p53可以调节涉及各种生物学过程的大量靶基因，p53在铁死亡中的确切作用很可能取决于其所处的特定环境。

与p53类似，肿瘤抑制因子和表观遗传调节因子BAP1也可以通过下调SLC7A11的表达促进铁死亡。但与p53不同的是，p53的促铁死亡活性已被证明在体内足以抑制肿瘤发生，而BAP1的促铁死亡活性对肿瘤的抑制程度目前还不清楚。

延胡索酸酶，一种催化延胡索酸在三羧酸循环中转化为苹果酸的酶，它也是平滑肌瘤和肾乳头状细胞癌中的肿瘤抑制因子。这种代谢酶为何有看似矛盾的抑制肿瘤生长的功能，以及它为何仅在少数特定类型的癌症中发挥作用，仍不清楚。延胡索酸酶参与线粒体TCA循环的促铁死亡功能或许可以解释这一问题。在某些类型癌症的发展过程中，肿瘤细胞发生氧化应激反应，这使得这些细胞更易发生铁死亡。在这些条件下，延胡索酸酶功能的丧失会损害线粒体的氧化功能，这一方面会阻碍细胞生长，另一方面会使细胞对铁死亡更加抵抗，从而提高细胞的生存能力和癌变的可能。

②免疫监管中的铁死亡

不同于其他形式的细胞死亡，细胞凋亡、焦亡和坏死等在免疫应答中受免疫系统调节，而通过外部或内部机制诱发的铁死亡是否能起到类似的“生理作用”，在很大程度上仍不清楚。由于铁死亡的复杂性和在众多代谢途径的直接作用，免疫系统很可能靶向铁死亡过程中的某些关键步骤。Sato团队早期研究发现，干扰素-γ (IFN-γ)可抑制xc-系统的活性，而由CD8+T细胞产生的IFN-γ最近被证明可能参与了增强肿瘤细胞对铁死亡的敏感性，但免疫细胞对铁死亡的这种直接诱导机制是否具有生理意义目前还不清楚。早期研究发现，IL-4和IL-3抑制GPX4表达，同时增强ALOX15的表达，从而促进花生四烯酸代谢物的产生，全面激活免疫系统。由于GPX4可以通过降低脂质过氧化物度（lipid peroxide tone）来抑制LOXs和环加氧酶活性， 因此GPX4活性受损可能对免疫调节性脂质介质的分泌产生显著影响，这能够提醒免疫系统细胞正处于铁死亡敏感的环境中，从而促进免疫监管。

铁死亡在免疫应答中的作用不仅局限于哺乳动物。最近一项研究表明，铁死亡提高了水稻对真菌M.Oryzae4感染的宿主免疫力。在水稻中诱导类似铁死亡过程的细胞死亡与脂质过氧化有关，可被铁离子螯合剂抑制，防止真菌稻瘟病菌感染。有趣的是，M.oryzae的特定细胞发生类铁死亡为其入侵宿主和在宿主体内发育所必需。因此，这一发现也首次表明了铁死亡在发育中的潜在功能。

③与铁死亡相关的癌症生物标志物和基因突变

多种癌蛋白、肿瘤抑制因子和致癌信号转导途径可调控铁死亡。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诱导铁死亡疗法的反应。

以E-cadherin-NF2-Hippo-YAP通路为例，基于TCGA分析，肿瘤抑制因子E-cadherin功能缺失突变是乳腺小叶浸润癌（~65%）和弥漫性胃腺癌（~25%）等肿瘤的常见事件；30%的间皮瘤和所有被称为NF2疾病的良性病变中都发生了NF2功能缺失突变；同样地，在多种癌症中观察到Hippo通路成员LATS1/2肿瘤抑制因子的突变。虽然很少见到YAP基因突变，但YAP基因的过表达或翻译后激活却经常在肿瘤中发生。重要的是，这些基因的恶性突变通常会导致肿瘤细胞转移，保护癌细胞免于凋亡，并使它们对常见的癌症疗法更具有抵抗性。因此，研究发现这些突变使癌细胞对铁死亡更加敏感，不仅使这些突变成为诱导铁死亡治疗的潜在生物标志物，而且揭示了这些恶性肿瘤细胞中不寻常的致命弱点，并为通过诱导铁死亡治疗癌症提供了独特的机会。对目前缺乏有效疗法的胃癌和间皮瘤来说，这个机会极具吸引力。

④潜在的诱导铁死亡抗癌疗法

目前正在积极开展以诱导铁死亡为基础的癌症治疗。虽然检测了多种基于非靶向纳米颗粒的策略来向肿瘤细胞内输送铁、过氧化物和其他有毒物质来杀死肿瘤细胞。但是，多种调控铁死亡的酶的发现使癌症的靶向治疗成为可能，最明显的靶点可能就是GPX4，因为它在大多数癌细胞中都有表达，且对癌细胞的生存至关重要。然而，GPX4缺乏经典的小分子结合位点，而现有的GPX4抑制剂可以共价修饰GPX4和其他硒蛋白的硒代半胱氨酸残基，这会导致特异性问题和潜在毒性。另外，这些抑制剂本身具有高活性，因此不能在机体内稳定存在，不过这个问题可以通过开发可在细胞内代谢转化为其活性形式的掩蔽前药物来解决。然而，主要的障碍是GPX4在各种外周组织中是必不可少的，如肾小管细胞和小鼠的某些神经元亚群，因此，靶向GPX4可能会产生严重的副作用。

与靶向GPX4不同的是，鉴于小鼠中Slc7a11敲除不会引起显著病变，且SLC3A2和/或SLC7A11的表达与黑色素瘤和神经胶质瘤患者的临床预后呈负相关，通过抑制Xc系统限制细胞内（半）胱氨酸含量的方法极具前景。事实上，在小鼠模型中通过药理学或遗传学抑制Xc系统来阻止各种癌症发生和转移，已取得了很好的研究结果，与正常组织相比，肿瘤对Xc系统的抑制更加敏感，这可能是因为肿瘤细胞中更加活跃的代谢和其他变异使其处于持续的氧化应激，从而更容易依赖于Xc系统来缓解ROS毒性。显然，利用基于抑制Xc系统这一抗癌疗法前，需要检测患者肿瘤组织中Xc系统的关键以因子或其他生物标志物的表达并进行分类。如SLC7A11过表达可能表示癌细胞更依赖于胱氨酸来清除ROS，而这些生物标志物决定了肿瘤细胞对抑制Xc系统的敏感性。

与SLC7A11基因敲除类似，敲除FSP1基因不会导致胚胎死亡或者出现明显的病理变化，这表明靶向FSP1有望治疗癌症。此外，FSP1在多种癌细胞系中高表达，且在860种癌细胞系筛选中发现，FSP1是介导GPX4抑制剂抗性相关基因中排名最高的基因。GPX4缺失的癌细胞可以被FSP特异性抑制剂iFSP1有效清除，而在表达GPX4的癌细胞中，iFSP1可与RSL3协同诱导癌细胞铁死亡。因此，FSP1抑制剂可能会进入临床治疗，特别是针对治疗耐药性肿瘤或者表现去分化特征的肿瘤。

基于铁死亡诱导的抗癌疗法也可能与其他治疗方法相结合，例如与免疫检查点阻断治疗和放射治疗结合。与其他能够诱导肿瘤组织中的免疫原性细胞死亡治疗结合使用可以增强免疫检查点的阻断效果，因此免疫检查点阻断治疗与其他治疗方法的结合疗法一直被积极研究。有意思的是，Zou等人发现抗PDL1抗体和免疫检查点阻断治疗相结合可以增强铁死亡诱导疗法的效果。他们发现抗PDL1抗体可以刺激CD8+ T细胞分泌IFNγ，IFNg随后引起肿瘤细胞Xc系统两个亚基的下调，从而使癌细胞对铁死亡敏感。因此，免疫治疗联合诱导铁死亡是一种很有前景的治疗方法，因为这两种治疗方法可以相互促进，达到协同抗癌的效果。关于放射疗法，最近有研究发现，辐射本身可以诱导铁死亡，也可以与铁死亡诱导剂和免疫治疗协同作用，这提供了一种有效抗癌的联合治疗方案。这种方法的抗癌效果在细胞死亡水平、脂质过氧化水平、铁死亡相关基因表达变化和脂质组学变化方面、以及在细胞系、来源于患者的异种移植癌症小鼠模型和离体的患者神经胶质瘤细胞培养中均有体现。此外，有研究发现细胞质辐射(而不是核辐射)与铁死亡诱导剂具有协同抗癌作用，这提示在铁死亡中，辐射通过消耗GSH和诱导脂质过氧化的方式来促进细胞死亡，而不是通过经典的DNA损伤作用。

另一方面，放射疗法和免疫治疗联合疗法也能提高癌细胞对铁死亡的敏感性，其中，辐照与免疫治疗通过DNA损伤激活的ATM激酶和IFNγ协同降低SLC7A11水平。最后，已有研究证明放射治疗可以上调癌细胞中ACSL4水平。因此，由辐射诱导的铁死亡效应可能由多种机制介导，且依赖于胞内环境。但值得注意的是，铁死亡也被报道与一些由放射治疗引起的不良反应有关，如肺纤维化以及粒细胞-巨噬细胞造血祖细胞的死亡。

缺血后再灌注可在受累器官中诱发大规模的细胞死亡和炎症反应，导致包括脑中风、缺血性心脏病和肝肾损伤在内的重大疾病。值得注意的是，缺血性心脏病仍然是全球致死率最高的疾病。如下所述，有强力证据表明，铁死亡是IRI相关细胞死亡的主要诱因，这至少部分是由缺血引起的氧化应激所致。这些发现表明抑制铁死亡是一种治疗缺血性损伤相关疾病的潜在治疗方法。

①铁死亡对大脑及心脏的影响

多项研究已证实铁死亡在神经毒性和脑损伤中的作用，提示抑制铁死亡具有治疗潜力。大鼠海马切片培养的离体实验表明，铁死亡抑制剂ferrostatin-1可阻断谷氨酸诱导的神经元兴奋毒性细胞死亡。由于谷氨酸诱导的神经毒性与脑卒中和各种神经退行性疾病有关，且高浓度的胞外谷氨酸可以通过抑制Xc-系统功能诱导铁死亡，因此铁死亡可能是这些脑类疾病的发病机制之一。遗传学研究一致证实，小鼠条件性缺失Gpx4会引起类似神经退行性病变的症状。此外，在不同实验体系中，铁离子螯合剂和亲脂RTAs被用来测试对中风及神经退行性病变的改善。虽然全身使用铁螯合剂的副作用仍然是一个严重的问题，但这些实验证实了铁死亡在这些疾病中的重要作用。

在缺血性心脏病中，铁死亡的作用也得到了广泛的研究。在模拟小鼠心脏缺血再灌注损伤的体外系统中，研究表明铁离子螯合剂和谷氨酰胺分解抑制剂能显著减少心肌细胞死亡，缓解心脏组织损伤并改善其功能，提示了靶向铁死亡在治疗缺血性心脏病上的潜在价值，且最近的小鼠模型体内研究中也进一步证实了这一观点。

为了设计可行的铁死亡靶向疗法来治疗中风和缺血性心脏这样的致命疾病，需要考虑许多重要因素。例如，这两种疾病都是非常急性的，只允许短时间内进行干预，因此，需考虑铁死亡靶向治疗能否及时应用，从而足够迅速地发挥其效果？此外，由于铁死亡有多种代谢途径，缺血再灌注可能通过选择性地破坏特定监控途径在不同器官中诱发铁死亡，因此我们能否开发出特异性的铁死亡抑制剂，可以有效地治疗某种疾病，而对其他器官的副作用达到最小？

②铁死亡在与器官移植相关的缺血-再灌注损伤中的作用

除了大脑，在成年哺乳动物中，肾脏可能是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，这些细胞在肾移植发生IRI时处于高风险。

在缺血-再灌注损伤小鼠模型、Gpx4全身敲除小鼠和叶酸诱导急性肾损伤小鼠模型中，铁死亡抑制剂已被证明可以减轻肾小管细胞死亡和急性肾功能衰竭。这些研究表明，铁死亡会促进某些特定分子改变相关的坏死性炎症，导致固有免疫系统的激活。肝脏是另一种常见的移植器官，肝细胞特异性Gpx4敲除小鼠出生不久即会死亡，但高水平的维生素E饮食可以弥补肝脏中GPX4的缺乏，使小鼠存活。此外，Liproxstatin-1（一种强效铁死亡抑制剂）可以保护肝实质组织免受缺血再灌注损伤。同时，铁死亡也与心脏移植有关。总的来说，铁死亡抑制剂可能是有助于各类器官移植成功的有效药物。

③ 缺血再灌注损伤的潜在治疗靶点

在铁死亡代谢网络中存在多个潜在的治疗干预靶点，但在干预措施的每个节点都有其自身的风险和优势。考虑到铁死亡是由磷脂过氧化作用驱动的，那么其中一种策略就是引入阻止过氧化进程的药物。例如，可以使用亲脂性RTA（如liproxstatin 1）来防止脂质过氧化自由基的扩散。这类药物在铁死亡的细胞模型中非常有效，在某些体内环境下也是有效的，然而在考虑人体试验之前，还需要进一步改进其药理性质。

阻断脂质过氧化的第二种策略是抑制驱动脂质过氧化的酶或耗尽不稳定的铁，例如，通过使用铁螯合剂。铁螯合剂已在许多临床适应症探索，但仍存在选择性和安全性问题亟待解决。另一方面，靶向负责产生PUFA-PL和PLOOH的酶，如ACSL4、LPCAT3、LOXs和POR，可能是可行的。并且这些酶类作为已知的分子靶标，很适合以靶点为核心的药物研发，然而它们在不同组织中还具有其他功能，这会使潜在的治疗结果复杂化。

04

Part Four

铁死亡能够将铁，硒，氨基酸，脂质和氧化还原化学等细胞代谢中迥然不同的元素联系成一个整体网络（图5），这个网络在正常生理以及多种病理等广泛的生物学过程中发挥着重要作用。从我们目前掌握的资料来看，我们可以概述一下这个领域内中存在的问题、面临的挑战以及对潜在预期成果的展望。

图5.铁下垂与其他生物过程和疾病的关系

该图描述了与铁死亡跨学科领域相关的一系列领域，以及与铁死亡相关的一些疾病。漩涡代表与铁死亡有关的疾病：转移性癌症、耐药癌症、肿瘤抑制，神经退行性病变、缺血性器官损伤、心脏损伤和器官移植等。氧化还原生物学、硒、铁、脂质和氨基酸代谢(流)从不同方面影响铁死亡。

首先，讨论大家都担忧的情况。尽管人们对铁死亡的概念及其与生物学各个方面的相互联系充满研究热情，但必须小心谨慎地严格测试铁死亡在生物过程中的作用。单用一种铁死亡抑制剂抑制细胞死亡不能作为铁死亡参与某些过程的充分证据。目前对铁死亡的定义是铁耗竭和亲脂性 RTA 抑制的细胞死亡过程，例如 ferrostatin-1、liproxstatin-1、维生素 E 或 CoQ10。这两方面都至关重要，因为存在不同于铁死亡的铁依赖性致死机制，例如可能涉及溶酶体毒性，以及独立于铁的氧化应激机制。我们建议增加另一项要求：直接检测脂质过氧化(使用LC-MS/MS，荧光染料，或抗体，如1F)。最近报道的另一个潜在的标志物是TfR1的动员和上调。虽然其普遍性还有待确定，但这一新的标记可以区分氧化应激和铁死亡。其他的铁死亡标记对这一领域具有很高的价值。另一个值得关注的问题是在铁死亡研究中使用的各种不恰当的实验方法，这在任何新兴领域都是一个不可避免的问题。为了解决这个问题，Box-2和Box-3提出了一个关于铁死亡研究的实用指南，描述了在体内和体外研究铁死亡需要考虑的因素。特别地，我们列出了一些在文献中经常出现但在未来的研究中应该避免的不恰当的工具和方法。

其次，讨论目前遇到的主要挑战。尽管在理解铁死亡调控机制方面取得了相当大的进展，但我们仍然不知道细胞最终是如何死亡的。目前确定的最下游步骤是PUFA-PLs的失控过氧化，过氧化的磷脂有可能造成膜损伤甚至膜穿孔，从而损害膜的完整性。然而，最近的研究发现，含有两个PUFA尾的磷脂对于驱动铁死亡效果较好，这表明脂质交联可能是铁死亡膜损伤的原因之一。在这种情况下，脂质交联导致的膜组分流动性受限可能会导致一些膜相关的重要功能的丧失，从而导致细胞死亡(类似于在体内看到的血管硬化)。当然，还存在其他的可能性，比如PUFA-PLs氧化分解成活跃的亲电分子，然后破坏其他大分子。在这个模型中，活跃的亲电分子在铁死亡中起的作用和caspase在细胞凋亡中的作用类似—使细胞内的关键结构和功能蛋白失活。我们希望在未来几年内能明确阐明铁死亡导致细胞死亡的具体机制。

最后，我们预测了未来在铁死亡领域的一些潜在预期成果。精确鉴定铁死亡的体内生物标记，类似于用剪切型Caspase 3来指示细胞凋亡的作用，对于确定这种细胞死亡模式的生理功能和治疗潜力至关重要；找到能够在非病理学背景下触发铁死亡的潜在自然诱导剂或生理信号仍然是一个燃眉之急，相信可能会在未来几年取得突破。一些分子如谷氨酸、p53、铁、辐射和PUFA-PLs可能被认为是（或接近于）诱导铁死亡的病理生理触发物。谷氨酸是一种含量丰富的神经递质，过量的细胞外谷氨酸足以抑制system Xc–功能从而导致铁死亡。自然状态下，细胞外谷氨酸的这种作用可能被用来在发育或其他生理环境下诱导铁死亡，比如在神经回路的形成过程中消除不必要的神经元。肿瘤抑制剂p53能诱导铁死亡从而抑制肿瘤发生，在存在基底脂质过氧化物损伤的情况下诱导p53可能是一种通过铁死亡清除应激态细胞的自然方法。在不同的模型系统中，高水平的铁本身可以触发铁死亡，这就表明在某些情况下，释放铁蛋白储存的铁或增加铁的输入可能是通过铁死亡清除细胞的一种手段。低到中等剂量的电离辐射已被证明可以诱导铁死亡。在高剂量辐射或细胞的辐射保护性机制被破坏的情况下，可能会自然诱发细胞铁死亡。考虑到辐射水平，也有人猜测，火星上可能曾经有过生命，但由于星球表面的强烈辐射，生命消亡了或者转移到了地下。因此，可以推测，铁死亡是所有生命固有的，需要不断与之对抗——通过建立抗铁死亡机制网络，使生命得以生存和进化。抑制这些保护机制则是驱动铁死亡的自发性诱因。最后，在某些情况下，PUFA摄取和PUFA-PL合成可能足以诱导铁死亡，这种情况下，细胞会受到胞外环境中的PUFA（例如其他细胞或病原体释放出来的）诱导而死亡，或受到刺激后促进PUFA-PL合成酶类（LPCAT3和ACSL4）的表达，诱导细胞死亡。这其中的一些机制可能参与了组织大小的发育调控、肿瘤抑制或免疫系统对受感染细胞的清除。

总而言之，有许多可以预见的机会可用来阐明铁死亡的发生机制以及其自然用途。这些研究将扩展铁死亡在生理和病理下功能的广度。

box1 ：与铁死亡相关的疾病

除了癌症和缺血性器官损伤，铁死亡与越来越多的其他疾病的发病机制有关，如神经退行性疾病、肝和肺的纤维化、自身免疫疾病、结核分枝杆菌诱导的组织坏死、吸烟相关的慢性阻塞性肺病以及罕见的遗传性神经疾病Pelizaeus–Merzbacher。虽然这些例子说明了铁死亡调控疗法具有临床意义和治疗潜力，但铁死亡是否是这些疾病的致病因素，还需要进一步研究。如：在大多数情况下疾病组织中发生非凋亡性细胞死亡，而铁死亡抑制剂（通常是亲脂性RTA）可以缓解这种细胞死亡，并在某些情况下改变病情的严重程度。然而，脂质过氧化物可以调节免疫和炎症，而上述所列举的疾病都与免疫和炎症密切相关。因此，需要仔细区分亲脂性RTA是通过调节炎症还是铁死亡来发挥作用，或者二者皆有。进一步研究细胞死亡相关机制，包括检测体内特异性铁死亡生物标志物（这方面研究目前很缺乏），将是阐明铁死亡在疾病中作用的关键。

box2 ：铁死亡诱导模型使用中的潜在问题

细胞对铁死亡的敏感性不可避免的与其胞内和胞外的氧化还原状态有关。例如，由于培养基中缺乏半胱氨酸，在许多细胞系中都存在system Xc–亚基SLC7A11的表达上调，在离体培养的细胞和器官中该亚基的表达则会被快速诱导。在小鼠中，机体对Slc7a11敲除具有很好的耐受性，因为半胱氨酸会以还原态形式存在于体内，并被中性氨基酸转运蛋白吸收到细胞中，而在体外培养时几乎所有表达system Xc–的细胞系在敲除SLC7A11后都是致死的，这是因为体外培养时，培养基中所有的半胱氨酸均以氧化形式存在。细胞培养和体内研究中显著的氧化还原状态差异使得对仅基于体外研究的结果进行解释时要更慎重。同样重要的是，当使用system Xc–抑制剂时，需要评估SLC7A11是否在待研究的细胞系中表达。令人担忧的是，目前许多可用的抗SLC7A11的抗体都是非特异性的，不适用于确定SLC7A11的表达水平。

当干预GPX4的活性时，需要考虑GSH和其他含硫醇化合物甚至蛋白质硫醇都能够作为GPX4的底物。因此，当利用铁死亡诱导剂作用于（半）胱氨酸—system Xc–—GSH—GPX4轴的不同阶段时，GPX4的底物广泛性需要被特别考虑。值得注意的是，不同的血清含有不同含量的硒和维生素E。由于GPX4需要硒进行生物合成，而维生素E是一种能够抗磷脂过氧化的有效抗氧化剂，不同的细胞培养血清可能会对实验结果产生巨大影响。这个问题在使用Gpx4敲除小鼠时也存在，因为小鼠食物中维生素E含量（生育醇和生育三醇）可能有所不同，从而对Gpx4敲除小鼠的表型产生重要影响。因此，在今后的研究中，在使用病理模型或异种肿瘤移植时也应考虑到这一点。与此一致的是，在某些情况下补充硒和维生素E已经被证明可以促进癌症。

box3：使用药理学工具检测铁死亡时的相关实验考量

小分子工具对检测铁死亡很有价值，然而，在使用这些工具时，必须考虑一些涉及特异性、生物学相关性、药代动力学和药效动力学的问题。首先，当使用某种酶的药理抑制剂来评估该酶是否调控铁死亡时，需要确定该抑制剂本身是否是一种亲脂自由基捕获型抗氧化剂，从而具有不依赖于酶反应的铁死亡抑制效应，例如在一些涉及脂加氧酶抑制的研究中就存在类似问题。其次，需要在使用的实验体系中验证给定的小分子探针是否会影响所研究的靶点或途径。例如，在使用RSL3抑制谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）或使用erastin抑制system Xc–胱氨酸/谷氨酸反向转运体时，必须使用生化分析或相应靶点抑制的药理学标志物来检验实验设置中的探针是否确实抑制了这些靶点。此外，当在动物实验中使用小分子化合物时，首先需要确定合适的试剂配方和给药途径，以在靶组织中达到有意义的药代动力学特征和药效学反应。由于溶解性、稳定性和/或药代动力学较差，许多在细胞实验中效果好且特异性高的小分子探针在动物模型中无法应用。一些常见的方法是不合适的，并且应该避免的，在下面简单列举：

RSL3溶解度低，在小鼠体体内难以测定药代动力学，这限制了其在组织或肿瘤直接注射时的适用性；erastin，同样具有低溶解度和低代谢稳定性[值得注意的是，其衍生物咪唑酮erastin（IKE）具有良好的溶解性、高稳定性，在小鼠中具有良好的药代动力学和药效学，并已在体内研究中得到验证]；ferrostatin-1也不适用于体内研究，而liproxstatin-1和维生素E可以在体内用作铁死亡的抑制剂。

在体内实验中，使用铁离子螯合剂作为铁死亡抑制的唯一手段而获得的数据也应谨慎处理，因为耗尽铁除了抑制铁死亡外，还可能导致其他后果，且目前尚不清楚某些特定的结果是由于铁离子被螯合还是由于化合物脱靶效应所导致的。通过在培养基中添加铁（铁或亚铁）诱导或增强培养细胞铁死亡并不适用于铁死亡机制的研究，这是因为游离的铁离子遇到氧和微量脂质过氧化物（由细胞意外死亡或其他诱导剂触发的铁死亡产生）时会催化Fenton链式反应，从而放大胞外脂质过氧化作用并迅速杀死细胞。

题外话

在这篇综述发表不久后，美国德克萨斯大学MD安德森癌症中心的甘波谊教授团队在 Nature杂志发表题为“DHODH-mediated ferroptosis defence is a targetable vulnerability in cancer的文章，提出了独立于经典的GPX4信号通路的铁死亡抑制因子DHODH（二氢乳清酸脱氢酶），可以说DHODH, FSP1和GPX4在细胞中形成了三足鼎立之势来共同防御铁死亡。最近几年，有关铁死亡的研究如同雨后春笋一般涌现，铁死亡作为新兴的领域，相信未来也会有更多相关的研究出现，这对阐明铁死亡的机制具有重大意义。