不可撼动的C位！通过大佬研究，一文带你吃透「铁死亡」

铁死亡是2012年由哥伦比亚大学Brent. R. Stockwell实验室发现的一种铁依赖性的新型细胞程序性死亡方式，在二价铁或酯氧合酶的作用下，催化细胞膜上高表达的不饱和磷脂发生脂质过氧化，从而诱导细胞死亡。

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。2023年通过的国自然标书数目更是勇创新高，已经超过了500项。

（来源：ZCOOL国自然项目查询系统）

小编也是经常看各种与铁死亡相关的文献，但总感觉自己所接收到的信息非常碎片化，不便于系统理解和作进一步的研究。

今天小编通过2篇综述，带大家系统吃透铁死亡。

一篇是2021年1月铁死亡研究大佬Marcus Conrad 发表在《Nature reviews Molecular cell biology》杂志上的关于铁死亡的综述文章“Ferroptosis: mechanisms, biology, and role in disease”（if：112.7）。

在这篇综述中，作者系统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。此外，综述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。

（DOI: 10.1038/s41580-020-00324-8）

另外一篇是2022年7月7日，顶级铁死亡专家Brent R. Stockwell教授（铁死亡概念的提出者和铁死亡机制的主要贡献者）在Cell杂志在线发表了一篇重磅综述。该综述从新陈代谢、活性氧生物学和铁生物学等方面系统阐述了铁死亡的关键调控因子，重点介绍了铁死亡领域的关键概念和主要未解问题。

（DOI: 10.1016/j.cell.2022.06.003）

（DOI: 10.1038/s41580-020-00324-8）

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。

铁死亡执行系统包括多不饱和脂肪酸的磷脂 (PUFA-PL)的合成和过氧化，以及铁代谢。

（1）PUFA-PL合成与过氧化

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）促进多不饱和脂肪酸 (PUFA) 掺入磷脂中形成多不饱和脂肪酸的磷脂 (PUFA-PLs)。PUFA-PLs 易受脂氧合酶 (ALOXs) 介导的自由基引发的氧化作用。这种氧化作用最终会导致脂质双层的破坏并影响膜功能，从而促进铁死亡。

乙酰辅酶A羧化酶 (ACC) 催化的乙酰辅酶A羧化生成丙二酰辅酶A，这是合成一些 PUFA以及执行铁死亡所必需的。

多不饱和脂肪酸需要合成、活化并整合到膜PLs中才能参与这一致死过程，这需要两种关键酶，ACSL4和LPCAT3。ACSL4能够催化长链多不饱和脂肪酸与辅酶A（CoA）的连接，LPCAT3促进这些产物的酯化和并入膜磷脂。

ACSL4、LPCAT3或ACC的失活或减弱均可阻断铁死亡。此外，POR或ALOXs介导的酶促反应也可促进脂质过氧化。

（2）铁代谢

Fe³⁺经转铁蛋白（TF）及转铁蛋白受体（TFR1）摄取，被STEAP3还原为Fe²⁺，后经DMT1、铁代谢调节因子锌铁调控蛋白家族中的两种蛋白（ZIP8/14）转运进入胞质不稳定铁池（LIP）。多余部分Fe²⁺则由膜铁转运蛋白（FPN）转出细胞。当过量的二价铁离子在细胞内积累时，会因为芬顿反应（Fenton reaction）使细胞膜上的不饱和脂肪酸发生脂质过氧化，产生大量ROS，从而诱导细胞死亡。

铁不仅通过芬顿反应（Fenton reaction）来直接过氧化 PUFA-PL，还是脂质过氧化酶（如 ALOX 和 POR）的必需辅助因子。

（DOI: 10.1016/j.cell.2022.06.003）

由于磷脂过氧化是细胞正常代谢和各种应激反应中自发产生，因此生理条件下，细胞需要监测机制来防止不必要的铁死亡。

谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）被认为是关键的抗氧化酶，直接作用于消除脂质双层中的氢过氧化物并防止致命脂质ROS的积累。

除了GPX4通路，目前还有另外三种机制参与铁死亡调控：FSP1/CoQ10/NADPH途径，DHODH途径以及GCH1/BH4途径。

（1）经典的GPX4调控铁死亡机制（Cyst(e)ine/GSH/GPX4轴）

在经典的铁死亡调控通路中，胱氨酸（Cystine）经嵌于细胞膜表面的胱氨酸/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），失去其过氧化物的活性。

多年来，GPX4通路被认为是调节铁死亡的唯一机制，而且基因敲除和抑制GPX4活性仍然是引发铁死亡最经典的方法。GPX4具有三种亚细胞定位，即细胞溶质、线粒体和核GPX4，其中细胞溶质GPX4在防御铁死亡中发挥重要作用。

然而，在GPX4失活后，一些癌细胞系仍能抵抗铁死亡，这表明存在额外的铁死亡防御机制。

（2）GPX4非依赖性铁死亡调控机制

■ NAD(P)H/FSP1/CoQ10轴

2019年，Marcus Conrad博士及其研究团队在Nature上发表文章“FSP1 is a glutathione-independent ferroptosis suppressor”，确定了一种新型的、强有力的铁死亡抑制蛋白1（FSP1），可以将CoQ10还原为对苯二酚，并且通过豆蔻酰化修饰发挥抗铁死亡功能。

近些年的研究显示，FSP1具有平行于Cyst(e)ine-GSH-GPX4轴的抗铁死亡机制。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。

■ GCH1/BH4/DHFR轴

一种不依赖于GPX4的铁死亡抑制基因，即鸟苷三磷酸环水解酶GCH1，它是合成四氢生物蝶呤BH4的限速酶。BH4是一种颇具实力的自由基捕获抗氧化剂，但它的回收再利用需要二氢叶酸还原酶DHFR的参与，因此如果阻断二氢叶酸还原酶DHFR，则可协同GPX4抑制剂发挥诱导铁死亡的作用。

此外，BH4还可以通过将苯丙氨酸转化为酪氨酸来促进CoQ10的合成，这是它发挥抗氧化作用的另一种方式。

■ DHODH途径

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）。

DHODH可以通过产生线粒体内膜中CoQH2从而在线粒体中抑制铁死亡，这是因为CoQH可以作为一种自由基捕获型抗氧化剂来阻止脂质过氧化，从而抑制铁死亡。

（DOI: 10.1038/s41580-020-00324-8）

尽管铁死亡的生理功能仍然不清楚，但它在大量人类疾病中的作用已被广泛记录。

（DOI: 10.1038/s41419-020-2298-2）

在过去的几年里，铁死亡被认为是阿尔茨海默病和许多其他疾病中急性器官损伤的驱动因素。预防细胞的铁死亡，被认为是治疗许多退行性疾病的一种非常有前景的方法，因此，许多科学家们正在广泛地探索调控铁死亡的新机制和化合物。

在Marcus Conrad综述中，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。

（1）铁死亡与癌症

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。

（2）铁死亡与缺血-再灌注损伤（IRI）

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。

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。

（DOI: 10.1038/s41580-020-00324-8）

（1）线粒体特征

超微形态学特征显示细胞膜断裂，线粒体变小、膜密度增高、线粒体脊减少或消失、线粒体外膜断裂，细胞核大小正常、但缺乏染色质凝聚。电镜下表现为细胞内线粒体变小及双层膜密度增高。

（ DOI: 10.3389/fnins.2018.00214）

（2）脂质过氧化Marker：硫代巴比妥酸反应底物（TBARS）检测；C11-BODPY荧光探针检测；LC-MS/MS脂质组学检测；anti-HNE FerAb 抗体检测；anti-MDA加成底物抗体（1F83）检测；

（3）基因水平特征变化（qPCR/Western Blot检测），如上调基因：CHAC1，PTGS2，SLC7A11，ACSL4；下调基因：RGS4。

（DOI: 10.1038/cdd.2015.158）

（4）TfR1亚细胞定位变化检测：高尔基体到细胞质膜的定位变化。

鉴定是否发生铁死亡的标准：上述Marker至少需要做三种以上的Marker的检测（这些Marker需要在细胞发生死亡之前进行检测）；脂质过氧化必须要检测。

（DOI: 10.1016/j.cell.2022.06.003）

（1）存在的问题

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。

■ 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，Marcus Conrad综述中的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。

（2）面临的挑战

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。

（3）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（Cleaved 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。