综述 铁死亡产生机制、生理功能和治疗应用

       细胞正常代谢中一方面产生过氧化脂质的底物和氧化剂，一方面产生阻止脂质过氧化的抑制剂。铁死亡发生：特定脂质必须经历氧化并阻止过氧化（天然防御机制受损），如上图。

一、脂代谢：ACSL4和LPCAT3是产生铁死亡的脂质底物

       脂质过氧化的倾向取决于碳氢键的强度。发现多不饱和脂肪酸活化并掺入膜脂，产生致命性过氧化物驱动铁死亡，故① 驱动细胞死亡的特定脂质和② 促进生成和掺入细胞膜的酶，是过去十年铁死亡研究的重要发现。

       单倍体细胞系KBM7插入诱变筛选及CRISPRi筛选等实验发现：ACSL4（乙酰辅酶A合成酶长链家族成员4）和LPCAT3（溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3）是第一个确定的促进铁死亡的基因，促进多不饱和脂肪酸掺入膜脂发挥作用，如上图。ACSL4参与正反馈调节促进铁死亡（PKCbII，蛋白激酶Cβ同工型2感知初始脂质过氧化并磷酸化ACSL4使其激活），信号通路（E-钙黏蛋白通过Merlin-Hippo-YAP通路）调节ACSL4水平也可调节铁死亡。其他ACSL4酶家族蛋白也可调节铁死亡。

       氧化的多不饱和脂肪酸尾部必须保留在膜上，才能促进铁死亡发生。故铁死亡不是一般类型的氧化应激，而是发生于细胞膜的致命脂质过氧化物的积累。当然并非所有含多不饱和脂肪酸的膜定位脂质都会导致铁死亡。磷脂有两个脂肪酰基尾，一个通常衍生自饱和脂肪酸，另一个衍生任何类型脂肪酸（但不饱和、多不饱和、饱和脂肪酸），两个多不饱和脂肪酸尾的磷脂与铁死亡高度相关。

       总之，含多不饱和脂肪酸且位于细胞膜的脂质是铁死亡的驱动因素，也包括磷脂、醚脂和其他甘油衍生的脂质。

二、ROS生物学

1. GPX4和谷胱甘肽（GSH）抑制脂质ROS积累

       Erastin和RSL3代表I类和II类铁死亡诱导化合物（ferroptosis inducers，FIN）→分类及原理见后面铁死亡诱导剂部分。

       消耗GSH可使细胞对铁死亡敏感：多药耐药基因MDR1通过调节GSH外排；CDO1（cys分解代谢酶cys双加氧酶1）通过消耗cys降低GSH水平；Glu-cys连接酶通过合成GSH抵抗铁死亡，转化Glu为g-谷氨酰肽抑制而提升铁死亡抗性，故Glu促进铁死亡。

       GPX4降解（非抑制）可促进铁死亡，如化合物FIN56介导GPX4降解，且通过加强甲羟戊酸途径促进铁死亡。伴侣蛋白介导自噬诱导GPX4降解促进铁死亡。

 2. 不依赖GPX4脂质ROS积累调控

       发现三种不依赖铁死亡中枢抑制因子GPX4的系统：

  ① 铁死亡抑制蛋白1（FSP1）/CoQ10，即维生素Q10或泛醌。FSP1通过消耗NADPH，还原再生还原形式的辅酶Q10。NADPH是预测NCI60癌细胞系对铁死亡抗性的生物标志物；

  ② 二氢乳清酸脱氢酶DHODH，通过还原线粒体CoQ10发挥作用；

  ③ 环GTP水解酶1（GCH1）/四氢生物蝶呤（BH4），GCH1通过产生亲脂性抗氧化剂BH4防止脂质过氧化，或介导脂质膜环境重塑增加还原CoQ10丰度，抑制铁死亡。还有其他独立于上述机制的铁死亡抑制机制。

 3. 铁调节：铁驱动的脂质过氧化

       含多不饱和脂肪酸的脂膜过氧化是通过① 不稳定铁池促进Fenton反应促进脂质过氧化和② 铁依赖性酶（如ALOX）启动Fenton反应底物的脂质氢过氧化物驱动的。15-脂氧合酶、12-脂氧合酶和细胞色素P450氧化还原酶（POR）也有助于铁死亡过程中脂质过氧化。

       通过铁自噬（ferritinophagy）调控铁蛋白水平并进一步调节游离铁峰度可调控铁死亡，如激酶共济失调毛细血管扩张症（ATM）。其他方式，如铁出胞或外泌体耗竭不稳定铁池及诱导脂质过氧化能力，驱动动物细胞对铁死亡抵抗。

       内过氧化物与铁反应引发铁死亡。FINO2为第四类FIN，发生Fenton反应，Fe(II)氧化为Fe(III)，引发脂质过氧化的烷氧基自由基，也可能是Fe(III)使脂氧合酶等激活。因此内源性内过氧化物（如前列腺素）可作为铁死亡的天然触发因素。

       Fe(II)以不稳定铁池形式存在于细胞，与包括GSH在内的低分子量化合物结合，使GPX4失活，并为Fenton反应提供游离Fe(II)，促进脂质过氧化物传播并导致铁死亡。铁蛋白中铁储存形成GSH-铁复合物，通过PCBP1将铁传递给铁蛋白，因此GSH消耗促进不稳定铁的可用性。

 4. 整合代谢、活性氧生物学和铁调控的抗铁死亡机制

       至少三种机制：抗氧化调节器NRF2、转硫途径及mTOR。NRF2是抗氧化反应的主要调节因子，驱动抑制铁死亡转录响应（因细胞和环境而异）。转硫途径通过从蛋氨酸代谢中产生半胱氨酸增强对铁死亡抗性，克服系统xc-被抑制产生的半胱氨酸饥饿。同型半胱氨酸也可独立作为半胱氨酸来源发挥作用。mTOR通路通过增加GPX4合成和增加甾zāi醇反应元件结合蛋白（SREBP）介导的脂肪合成促进细胞对铁死亡的抵抗。

       铁死亡通过积累过氧化脂质积累引起的。如下图。近年来对含有氧化脂质的亚细胞膜，阐明不同细胞器对铁死亡的贡献。

 1. 质膜破裂是铁死亡的晚期事件。ESCRT III复合物可修复质膜损伤而缓解铁死亡。铁死亡信号向邻近细胞传播，可能通过胞外囊泡释放氧化脂质，引发邻近细胞铁死亡。FSP1可通过还原定位于质膜的CoQ10发挥铁死亡的防御功能。

 2. 内质网是铁死亡中脂质过氧化重要部位。带有标记的铁死亡抑制剂发现在溶酶体、线粒体和内质网积累，主要定位于内质网，表明内质网是铁死亡过程中脂质过氧化的最关键部位，如上图。内质网黏度在铁死亡期间增加，可能由于多不饱和脂肪酸-磷脂聚集导致内质网变硬。

 3. 线粒体作为半胱氨酸饥饿诱导的铁死亡的引发剂（initiator）和放大器（amplifier），如线粒体DHODH和CoQ10。抑制线粒体的电子传递链、耗竭线粒体功能可减轻由半胱氨酸饥饿引起的铁死亡。电子传递链作用可能由于电子泄漏从而产生超氧化物和H2O2，与Fe(II)反应驱动Fenton反应和脂质过氧化。

 4. 过氧化物酶体可通过醚脂过氧化作用驱动铁死亡。过氧化物酶体产生的H2O2可能引发脂质过氧化，此过程需要过氧化物酶体Fe(II)参与。

 5. 溶酶体是铁储存库，可引发铁死亡。溶酶体通常不会导致铁死亡，通过内质网参与将FINO2型过氧化物重新定位到溶酶体可引发铁死亡，溶酶体蛋白前皂苷的敲除导致脂褐质积累，及随后神经元铁死亡。

 6. 高尔基体应激促进铁死亡。布雷菲德菌素A（brefeldin A）等药物触发高尔基体应激引发铁死亡，Tf受体蛋白1（TfR1）通过内体循环将细胞内定位从高尔基体转移到质膜，且不依赖ROS的铁死亡标志物，通过额外摄取Tf进一步增强铁死亡。

       总之，内质网是驱动脂质过氧化的中心枢纽，而脂质过氧化以铁死亡形式促进细胞死亡。

       铁死亡的生物过程的关键步骤就是检测铁死亡标记物，如检测脂质过氧化，线粒体，特定基因表达，TfR1上调等。

 1. 肿瘤抑制和免疫功能。许多肿瘤因子通过诱导铁死亡发挥部分肿瘤抑制功能，如下图。如抑癌基因p53抑制溶质载体家族7成员11（SLC7A11），或激活ALOX12促进脂质过氧化等驱动铁死亡。p53密码子突变导致GSH和CoA积累，及铁积累和感染风险增加。小鼠皮肤MLL4、BAP1、NFB1等也通过调节铁死亡发挥作用，如下图。饮食中多不饱和脂肪酸可减轻小鼠HCT116异种移植肿瘤生长，胆固醇会导致CD8+T细胞上CD36表达增加，使细胞摄取多不饱和脂肪酸并发生铁死亡。

       CD8+ T细胞通过分泌干扰素γ，下调SLC7A11导致肿瘤细胞铁死亡而抑制肿瘤。来自CD8+ T细胞的花生四烯酸+干扰素γ可能是第一个确定的天然铁死亡触发因素。滤泡CD4+辅助T细胞（Yfh）促进持久的免疫B细胞反应，数量受GPX4控制，通过补充硒提高GPX4丰度可增加接种流感疫苗后的抗体反应。

2. 发育和衰老

       抗体HNEJ-1可识别被脂质过氧化的终产物HNE修饰的蛋白质，识别铁死亡细胞。抑制铁死亡导致红细胞去核延迟。SAMP8小鼠品系铁死亡标志物增加，自然表现出加速衰老的特征。如上图。线虫衰老与铁水平升高、GSH消耗及对铁死亡敏感性增加有关。

       触发铁死亡特定细胞和分子的病理生理机制，及触发铁死亡导致的病理后遗症机制在许多情况下未知。

 1. 铁过载疾病。主要由于铁在驱动脂质过氧化中有关键作用。高铁饮食的遗传性血色素沉积症的小鼠会出现铁死亡标志的肝损伤，注射氯化铁到大鼠躯体感觉皮质导致癫痫发作，认知功能降低。Ferrostatin-1可挽救铁过载的影响。

 2. Sedaghatian型脊柱干骺段发育不良（SSMD）。罕见新生儿疾病，主要表现为呼吸窘迫、干骺端软骨发育不良等。四个SSMD相关的GPX4截断突变使其功能丧失，与新生儿出生不久的死亡有关。

 3. 器官损伤。5 μm微塑料，2.5 μm颗粒物，脓毒血症期间血管渗漏使多器官损伤，镰状细胞病，多器官功能障碍综合症（MODS）等都与铁死亡相关，铁死亡导致肾脏修复缺陷和炎性近端肾小管细胞形成。

 4. 视网膜变性。普鲁士蓝纳米颗粒可减少亚铁离子带来的铁死亡；全反式视黄醛清除机制受损，感光细胞死亡，抑制铁死亡可阻止其死亡。

 5. 神经退行性疾病。铁死亡与亨廷顿病（HD）、阿尔兹海默症（AD）、帕金森病（PD）、肌萎缩侧索硬化症（ALS）有关。Glu引发的神经元中的氧化性细胞死亡称之为氧化性死亡（oxytosis），可能涉及铁死亡。

 6. 传染性疾病。铁死亡与细胞对感染因子的反应有关。许多病毒能影响宿主铁的代谢、转运、活性氧的产生及抗氧化防御系统，如丙型肝炎病毒宿主细胞受脂肪酸去饱和酶2（FADS2）调控下发生铁死亡。去饱和程度更高的多不饱和脂肪酸（如亚油酸、α-亚麻酸等）通过过氧化反应敏感性促进细胞铁死亡。SARScoV-2、COVID-19等与铁死亡有关。斑马鱼中海分歧杆菌、结核分枝杆菌、铜绿假单胞菌、锥虫等也与铁死亡有关。

 7. 自身免疫病。系统性红斑狼疮患者血清通过CaMKIV-CREMa介导的GPX4下调，诱发铁死亡，促进中性粒细胞死亡。15-脂氧合酶使人气道上皮细胞铁死亡，与线粒体DNA释放和随之而来的哮喘恶化有关。

 8. 肿瘤发生。如硒蛋白是癌症风险的预测因子，硒的丰度在肿瘤组织中升高，表明GPX4丰度和活性与肿瘤发生有关。淋巴环境（含高水平油酸、单不饱和脂肪酸等）保护侵袭性黑色素瘤细胞逃避铁死亡，增加肿瘤细胞转移扩散。

 9. 应对环境热应激。热应激在许多生物体中诱导铁死亡，包括植物拟南芥和光合蓝藻细菌等。

       检测脂质过氧化丰度是识别铁死亡进展的一种方法，如下图。检测脂质过氧化的方法有硫代巴比妥酸反应物质测定法（TBARS）、LC-MS/MS（液相色谱-串联质谱）检测异前列腺素或脂质过氧化产物、C11-BODIPY荧光探针检测脂质氧化物水平、抗体检测脂质过氧化的产物或产物的加合物（如抗HNE FerAb抗体、HNEJ-1抗体、抗丙二醛加合物1F83抗体、3F3-FMA抗体等抗TfR1抗体）等。

       CHAC1、PTGS2、SLC7A11和ACSL4等基因在铁死亡发生过程上调，RGS4下调，可进行qPCR检测。某些应激条件仍可以激活其中一些标志物而不激活铁死亡。因此检测多个标志物很重要。

 1. 铁死亡诱导剂。铁死亡可清除存在问题的细胞，如癌细胞、炎症细胞或活化的成纤维细胞等。四种诱导铁死亡的机制：① 抑制xc-系统（I型FIN），抑制逆向转运蛋白等多种小分子抑制剂，如erastin、柳氮磺胺吡啶和Glu等；② 抑制/降解/失活GPX4（II型FIN）；③ 消耗还原型辅酶Q10（III型FIN），如甲羟戊酸途径抑制CoQ10或使CoQ10还原酶失活；④ 过氧化物、过量铁或多不饱和脂肪酸过载方式诱导脂质过氧化（IV型FIN）。四种机制相对特异。许多情况如传染病和纤维化，铁死亡诱导剂可能是有益的，可消除各种类型癌细胞，可单独或与免疫疗法联用作为放射增敏剂。

       许多标志物可用于筛选可能对铁死亡诱导抗癌疗法的最佳反应的患者，如低水平转硫代谢物、低水平NADPH、光动力诱导脂质过氧化敏感性、PI3K/mTOR通路活性缺失、Hippo/YAP通路突变、多不饱和脂肪酸生物合成基因ELOVL5和FADS1表达、MDM2/MDMX通路及癌细胞的透明细胞形态等。

 2. 铁死亡抑制剂。三种抑制铁死亡的调控点：① 直接→阻断过氧化过程，如ferrostatin-1和liproxstatin作为活性氧自由基的捕获剂抑制脂质过氧化的传播，在Glu毒性模型、HD、室性早发性白质软化、肾损伤和肝损伤有效；② 间接→补充硒上调GPX4丰度；③ 控制脂质生物合成和ACSL4作用产生的，用于过氧化的底物脂质；④ 控制铁的可用性。necrostatin-1（nec-1）是抑制坏死性凋亡的RIPL1抑制剂，但高浓度可能脱靶。硒可抑制中风期间铁死亡。线粒体靶向氮氧化物XJB-5-131可抑制细胞凋亡和铁死亡，是创伤性脑损伤和HD模型有效治疗方法。

 3. 饮食控制铁死亡。摄入多不饱和脂肪酸促进秀丽隐杆线虫铁死亡；膳食维生素E缓解GPX4缺失的影响；硒、铁水平也影响机体对铁死亡的敏感性。

       基于以上研究，理解铁死亡的六个关键方面对于充分了解此种细胞死亡形式的调控机制有重要意义，如下图。① 铁死亡不只是ROS普遍性积累，因为没有铁死亡也可以产生ROS，且铁死亡通常涉及特定脂质的氧化；② 需要寻找各种情况下促进铁死亡的特定脂质；③ 铁的积累不等同于铁死亡，且铁的氧化状态也很重要：Fe(II)促进铁死亡，Fe(III)通常是惰性储存在铁蛋白中。④ 铁死亡多大程度属于坏死性死亡仍不确定，铁死亡与细胞凋亡、细胞焦亡、程序性坏死和不受调节的坏死明显不同；⑤ 铁死亡在不同情况下与验证和/或免疫原性关联程度仍不清楚；⑥ 新陈代谢（解释铁死亡关键底物如何产生和重塑）、铁代谢的调控（如何控制Fe(II)可用性）和ROS防御系统（脂质过氧化的内源性防御如何发挥作用）共同调控细胞对铁死亡的敏感性。因此扰乱新陈代谢、铁稳态和活性氧水平，是调节细胞对铁死亡敏感性的关键手段。

       三个未解决关键问题：① 铁死亡的执行机制？铁死亡由特定细胞器中特定含多不饱和脂肪酸的脂质过氧化驱动，导致细胞死亡的方式、位置和时间未知；② 确定铁死亡不同触发因素将阐明这种细胞死亡形式在生理和病理水平发生的机制和背景。如现已知Glu、铁的过载、SLC7A11的抑制、GPX4的耗竭和多不饱和脂肪酸的摄取可作为铁死亡的触发因素；③ 选择性调控铁死亡的机制和方法很难摸索。特定组织、细胞、疾病背景的选择性激活和抑制可能对铁死亡的理论转化为治疗方法至关重要。

（完）