溫 雪，郝長來

（承德醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院血液科，河北承德 067000）

細(xì)胞死亡一詞于1842年首次被提及，描述了活細(xì)胞中所有基本細(xì)胞過程的最終結(jié)束。然而，在某些條件下，包括質(zhì)膜和其他細(xì)胞成分的物理和化學(xué)損傷，細(xì)胞無法控制細(xì)胞死亡過程，因此通常被稱為“意外/爆炸”或壞死細(xì)胞死亡。與這種不受控制的細(xì)胞死亡形式相比，大自然已經(jīng)進(jìn)化出了多種高度受控的細(xì)胞死亡模式—調(diào)節(jié)細(xì)胞死亡(regulated cell death, RCD)，它確保在正常發(fā)育和組織穩(wěn)態(tài)過程中，生命與死亡的最終決定被合理安排[1]。近幾年發(fā)現(xiàn)的一種非凋亡調(diào)節(jié)細(xì)胞死亡—鐵死亡，它在形態(tài)和生化上都不同于已知的細(xì)胞死亡類型[2]。目前，鐵死亡已經(jīng)成為腫瘤領(lǐng)域的研究熱點之一。本文針對鐵死亡的提出、特征、主要的調(diào)控機(jī)制及其與其他細(xì)胞死亡方式的區(qū)別作一綜述。

1 鐵死亡的提出

在2003年的一項研究中，Stockwell等[3]通過大規(guī)模篩選實驗探索了多種化合物對腫瘤細(xì)胞的殺傷作用，發(fā)現(xiàn)了一種新的化合物erastin，它可以導(dǎo)致ras突變的腫瘤細(xì)胞以不同于傳統(tǒng)的方式死亡。2012年，erastin誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡最終被定義為鐵依賴的RCD，命名為“鐵死亡”[4]。在他們最初的研究中，鐵死亡與其他類型的RCD(如凋亡、壞死和自噬細(xì)胞死亡)在形態(tài)學(xué)、生化和遺傳水平上有顯著的不同[5]。鐵死亡是一種依賴于鐵和脂肪毒性的非凋亡細(xì)胞死亡的獨特形式，由非酶(Fenton反應(yīng))和酶機(jī)制[脂氧合酶(LOXs)]所引發(fā)的鐵催化的脂質(zhì)過氧化反應(yīng)觸發(fā)[6]。鐵死亡描述了一種調(diào)控細(xì)胞死亡的形式，是由致命的脂質(zhì)過氧化引起的。鐵螯合劑、親脂性抗氧化劑、脂質(zhì)過氧化抑制劑和多不飽和脂肪酸(PUFAs)的消耗可以抑制僅由鐵死亡引起的細(xì)胞死亡，并與脂質(zhì)過氧化標(biāo)志物的積累相關(guān)[7]。

2 鐵死亡的特征

鐵死亡是一種非凋亡的、依賴鐵的細(xì)胞死亡形式，其特征是致命的脂質(zhì)活性氧(ROS)的鐵依賴性積累[8]，可通過自然刺激和合成藥劑在癌細(xì)胞中激活。定義鐵死亡的三個基本特征是:磷脂過氧化氫過氧化物酶GPX4喪失脂質(zhì)過氧化物修復(fù)能力，氧化還原活性鐵的可用性，以及含多不飽和脂肪酸(PUFA)的磷脂的氧化[9]。脂質(zhì)過氧化物、PTGS2水平升高、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)降低可被認(rèn)為是鐵死亡的生物標(biāo)志物[2]。鐵死亡形態(tài)學(xué)特征包括：發(fā)生鐵死亡的細(xì)胞具有典型的壞死形態(tài)，伴有小的畸形線粒體，嵴減少，膜濃縮，外膜破裂，沒有凋亡的標(biāo)志[6]。

3 鐵死亡的調(diào)控機(jī)制

3.1 鐵死亡的調(diào)節(jié)途徑

3.1.1 甲羥戊酸途徑 甲羥酸（MVA）途徑調(diào)控硒蛋白的生物合成。GPX4作為GSH過氧化物酶的一員，是一種以硒半胱氨酸為活性中心的硒蛋白，可以減少細(xì)胞中脂質(zhì)過氧化物并幫助細(xì)胞存活，GPX4失去活性可促進(jìn)鐵死亡。但是由于硒半胱氨酸的遺傳密碼是UGA，與終止密碼子相同，所以，需要一個特異的轉(zhuǎn)運(yùn)體將硒半胱氨酸插入GPX4中[10]。硒半胱氨酸-tRNA[tRNA(Sec)]是機(jī)制的關(guān)鍵組成部分之一，并控制人類所有25種硒蛋白的生物合成，在成熟過程中,tRNA(Sec)在特定的腺嘌呤位點經(jīng)歷脂質(zhì)修飾(異戊烯化)，這是Sec有效融入硒蛋白所必需的[11]。然而，硒半胱氨酸t(yī)RNA的成熟需要tRNA-異戊烯基轉(zhuǎn)移酶催化異戊烯基焦磷酸(IPP)的異戊烯基團(tuán)轉(zhuǎn)移到硒半胱氨酸t(yī)RNA前體的特定腺嘌呤位點[10]。由于IPP是MVA途徑的重要產(chǎn)物，MVA途徑抑制劑(如他汀類藥物)可抑制硒半胱氨酸t(yī)RNA的成熟和GPX4的合成。因此，MVA途徑可以通過調(diào)節(jié)GPX4的豐度和活性來調(diào)控鐵死亡[7]。

3.1.2 轉(zhuǎn)硫途徑 蛋氨酸是一種含硫氨基酸，含硫蛋白質(zhì)在哺乳動物細(xì)胞中非常重要，是人體必需的，只能從食物中獲得。通過硫在體內(nèi)的轉(zhuǎn)移途徑，蛋氨酸可以轉(zhuǎn)化為同型半胱氨酸和半胱氨酸的中間產(chǎn)物[10]。半胱氨酸是一種非必需氨基酸，轉(zhuǎn)硫途徑可以將蛋氨酸轉(zhuǎn)化為同型半胱氨酸和半胱氨酸的中間產(chǎn)物，因為一些哺乳動物細(xì)胞能夠通過經(jīng)轉(zhuǎn)硫途徑合成半胱氨酸，除了重新合成半胱氨酸，細(xì)胞還可以利用轉(zhuǎn)運(yùn)體如system xc-和EAATs(興奮性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體)以氧化二硫化合物的形式吸收細(xì)胞外的半胱氨酸，提供蛋白質(zhì)合成和氧化應(yīng)激解毒所需的半胱氨酸。然而，哺乳動物細(xì)胞通常只依賴其中一種模式作為半胱氨酸的主要來源,當(dāng)攝取模式被抑制時，轉(zhuǎn)硫途徑提供半胱氨酸的代償來源[12]。體內(nèi)的半胱氨酸主要用于合成谷胱甘肽、抗氧化肽、硫氧還蛋白(Trx)等,其中谷胱甘肽是維持細(xì)胞氧化還原平衡的關(guān)鍵因素。GSH通過GPX4介導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)醇類脂質(zhì)過氧化物和有機(jī)過氧化氫產(chǎn)物的還原，從而使GPX4在鐵死亡調(diào)控中發(fā)揮核心作用。最近的研究表明，通過上調(diào)轉(zhuǎn)硫途徑的基因表達(dá)，半胱氨酸- tRNA合成酶(CARS)的缺失可以抑制erastin誘導(dǎo)的鐵死亡，但不能抑制RSL3-或BSO誘導(dǎo)的鐵死亡。這說明，在細(xì)胞中，轉(zhuǎn)硫途徑通過調(diào)節(jié)GPX4而對鐵死亡發(fā)揮調(diào)控作用[10]。

3.1.3 HSF1-HSPB1途徑 熱休克蛋白(heat-shock proteins,HSPs)被認(rèn)為是調(diào)節(jié)和控制細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)的分子伴侶，并穩(wěn)定異常折疊蛋白[10]。熱休克蛋白根據(jù)其分子大小，可分為6個不同的亞家族:HSP100、HSP90、HSP70、HSP60、小HSP和HSP10。其中HSPB1(小HSPs成員)和HSPA5(HSP70成員，ER主要伴侶)是鐵死亡的負(fù)調(diào)節(jié)因子[13]。熱休克因子(heat-shock factors, HSFs)是調(diào)節(jié)HSP合成的轉(zhuǎn)錄因子。HSPB1也被稱為小鼠HSP25或人類HSP27。最近的研究發(fā)現(xiàn)，erastin可以提高HSPB1 mRNA和蛋白的表達(dá)，HSF1-HSPB1通路可以負(fù)調(diào)控erastin誘導(dǎo)的人宮頸癌細(xì)胞、骨肉瘤細(xì)胞和前列腺癌細(xì)胞的鐵死亡。抑制HSF1和HSPB1可以增加細(xì)胞內(nèi)鐵和ROS的濃度，最終抑制腫瘤細(xì)胞的生長，而蛋白激酶C (PKC)調(diào)節(jié)的HSPB1磷酸化可以通過阻斷細(xì)胞骨架介導(dǎo)的鐵攝取和隨后的ROS生成來防止細(xì)胞的鐵死亡[5,10]。

3.1.4 鐵死亡的其他調(diào)節(jié)途徑 另外，其他途徑也參與調(diào)控細(xì)胞的鐵死亡。p62-Keap1-NRF2通路通過調(diào)節(jié)NRF2的表達(dá)，調(diào)控肝癌細(xì)胞對鐵死亡的易感性。谷氨酸和轉(zhuǎn)鐵蛋白可以通過谷氨酰胺分解途徑和細(xì)胞表面的轉(zhuǎn)鐵蛋白受體調(diào)控細(xì)胞內(nèi)鐵離子和ROS的形成，并在鐵死亡中發(fā)揮調(diào)控作用[10]。在ATG5-ATG7-NCOA4通路中，NCOA4介導(dǎo)的鐵蛋白相關(guān)自噬過程可以增加細(xì)胞中不穩(wěn)定鐵的含量，從而促進(jìn)鐵死亡的增強(qiáng)[15]。

3.2 鐵死亡的正調(diào)節(jié)因子

3.2.1 p53 P53作為SLC7A11的轉(zhuǎn)錄抑制因子參與了鐵死亡，影響半胱氨酸的導(dǎo)入并促進(jìn)鐵死亡的起始[16]。在某些癌細(xì)胞中，p53的激活被發(fā)現(xiàn)是需要的。這個過程依賴于對SLC7A11的直接轉(zhuǎn)錄抑制，SLC7A11是system Xc-的關(guān)鍵組成部分[5]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，P53通過下調(diào)SLC7A11的表達(dá)，抑制system Xc-攝取胱氨酸，從而影響GPX4的活性，導(dǎo)致抗氧化能力降低、ROS積累和鐵死亡下降。P53-P21軸可以負(fù)向調(diào)控癌細(xì)胞內(nèi)的鐵死亡發(fā)生[15]。p53在鐵死亡中具有雙重調(diào)控功能，p53在人類結(jié)直腸癌(CRC)中抑制鐵死亡，而在其他癌癥細(xì)胞中，p53是鐵死亡的正向調(diào)控因子[2]。

3.2.2 RAS RAS激活可以通過增加轉(zhuǎn)鐵蛋白受體的表達(dá)和細(xì)胞內(nèi)鐵水平來增強(qiáng)鐵死亡的敏感性。MAPK相對活化程度最高的NSCLC細(xì)胞系對胱氨酸缺失誘導(dǎo)的鐵死亡最敏感，這與最初的觀察一致，RAS/MAPK通路的激活使單個細(xì)胞系對鐵死亡敏感[9]。

3.2.3 血紅素氧合酶1 (HO-1) HO-1是一種細(xì)胞保護(hù)酶，可誘導(dǎo)細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)。HO1主要催化血紅素降解為膽綠素、一氧化碳(CO)和Fe2+，然后助力LIP增強(qiáng)鐵死亡[17]。

3.3 鐵死亡的負(fù)調(diào)節(jié)因子

3.3.1 GPX4 GPX4是GSH過氧化物酶的一員，可以減少細(xì)胞中脂質(zhì)過氧化物并幫助細(xì)胞存活，GPX4失去活性可促進(jìn)鐵死亡[18]。GPX4將還原的谷胱甘肽轉(zhuǎn)化為氧化的谷胱甘肽(GSSG)，同時將脂質(zhì)過氧化氫轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的醇或?qū)⒂坞x的過氧化氫轉(zhuǎn)化為水[5]。過表達(dá)GPX4可抵抗ros誘導(dǎo)的腫瘤細(xì)胞死亡，沉默GPX4可使腫瘤細(xì)胞對ros誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡敏感[14]。當(dāng)谷胱甘肽耗盡，直接抑制或間接滅活GPX4時，它是一種特異而健壯的鐵死亡的中央調(diào)控因子[19]。

3.3.2 System Xc? System Xc?是一種異二聚體胱氨酸/谷氨酸的反轉(zhuǎn)運(yùn)載體，由兩個關(guān)鍵成員組成，包括催化亞基溶質(zhì)載體家族7成員11 (SLC7A11)和溶質(zhì)載體家族3成員2 (SLC3A2) 。System Xc?負(fù)責(zé)通過引入胱氨酸來維持氧化還原內(nèi)穩(wěn)態(tài)，然后將其還原為半胱氨酸并用于合成主要的抗氧化劑GSH5。System Xc?是鐵死亡過程中的上游分子,靶向SLC7A11和阻斷胱氨酸攝取的藥物可誘導(dǎo)鐵死亡。SLC7A11可以與BECN1相互作用，進(jìn)一步誘導(dǎo)鐵死亡[14]。如前所述，p53通過抑制SLC7A11的表達(dá)，是某些癌細(xì)胞上的一種正調(diào)控因子，從而抑制System Xc?活性[5]。

3.3.3 NRF2 NRF2被認(rèn)為是鐵死亡的重要調(diào)節(jié)因子，其活性受到Keap1的嚴(yán)格調(diào)控[17]。NRF2通過增加參與鐵和ROS代謝的靶基因的表達(dá)，如醌氧化還原酶1(NQO1)和HO1，抑制鐵死亡[2]。p62與kelch樣的ECH相關(guān)蛋白1(Keap1)的NRF2結(jié)合位點相互作用，競爭性地抑制Keap1-NRF2相互作用，后者負(fù)責(zé)在用FINs(如erastin、sorafenib和BSO)處理后的NRF2蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性[5]。Nrf2在線粒體的生物發(fā)生和功能中起關(guān)鍵作用，并進(jìn)一步調(diào)控鐵死亡的過程[17]。

一些基因(如p62、CISD1、HSF1和HSPB1)是癌細(xì)胞鐵死亡的負(fù)調(diào)控因子。在癌細(xì)胞中，通過RNA干擾敲除這些基因可促進(jìn)鐵死亡，增加抗腫瘤活性[20]。

3.4 鐵代謝調(diào)控鐵死亡

鐵是一種氧化還原活性金屬，可參與自由基的形成和脂質(zhì)過氧化的傳播[17]。細(xì)胞內(nèi)鐵處于微妙的調(diào)控下，以維持鐵穩(wěn)態(tài)。鐵調(diào)節(jié)蛋白(IRP1和IRP2)調(diào)節(jié)細(xì)胞Fe2+濃度，各種蛋白調(diào)節(jié)鐵的輸入、儲存、釋放和輸出[21]。鐵的吸收、輸出、利用和貯存都受到鐵死亡的影響。胞內(nèi)Fe2+的水平上調(diào)響應(yīng)鐵死亡激活劑[18]。在哺乳動物細(xì)胞中，部分細(xì)胞鐵分布于線粒體、胞漿、細(xì)胞核和溶酶體中，雖然量少，但細(xì)胞對鐵的濃度很敏感，濃度稍有波動就會引起很大的反應(yīng)[21]。細(xì)胞質(zhì)鐵被保留為鐵蛋白，鐵蛋白由鐵蛋白重鏈(FtH)和鐵蛋白輕鏈(FtL)組成。鐵死亡是通過Fenton反應(yīng)介導(dǎo)的，F(xiàn)e2+與過氧化氫反應(yīng)生成ROS。ROS破壞DNA的穩(wěn)定性，促進(jìn)細(xì)胞死亡。ROS誘導(dǎo)的鐵死亡可能有多種來源。除了鐵依賴的ROS積累，NADPH依賴的脂質(zhì)過氧化和谷胱甘肽消耗也被認(rèn)為是引起鐵死亡的原因[22]。綜上所述，鐵穩(wěn)態(tài)的失調(diào)參與了鐵死亡的發(fā)生，通過上調(diào)鐵水平誘導(dǎo)鐵死亡可能成為一種新的抗腫瘤策略[14]。

4 鐵死亡與其他細(xì)胞死亡方式的區(qū)別

在過去的10年里，人們對細(xì)胞的死亡方式有了深刻的了解。隨著我們對壞死一詞的理解，出現(xiàn)了幾種不同的細(xì)胞死亡形式[23]。細(xì)胞死亡是細(xì)胞的最后階段，它是由外源性或內(nèi)源性物質(zhì)的細(xì)胞毒性引起的。細(xì)胞死亡有多種形式，最初是根據(jù)細(xì)胞形態(tài)來定義和分化的[10]。除了細(xì)胞凋亡和自噬外，還發(fā)現(xiàn)了其他程序性細(xì)胞死亡，如程序性壞死。鐵死亡、壞死作用、依賴性細(xì)胞死亡和焦亡作用都屬于程序性壞死，程序性壞死是由基因編碼的細(xì)胞機(jī)械的特定程序以有序方式摧毀細(xì)胞完成的[24]。鐵死亡細(xì)胞表現(xiàn)出非常明顯的生物能量和形態(tài)特征，包括細(xì)胞內(nèi)的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)耗盡，但ATP沒有耗盡，以及膜完整性的損失，伴隨著腫瘤病形態(tài)正常細(xì)胞核和線粒體減少，顯示膜密度增加,線粒體外膜破裂?；谶@些特征，鐵死亡很容易區(qū)別于其他細(xì)胞死亡模式，包括凋亡(caspase依賴、染色質(zhì)凝結(jié)、膜“出芽”)和自噬(自噬體的形成)[1]。鐵死亡是一種依賴鐵的非凋亡的細(xì)胞死亡模式，其特征是脂質(zhì)活性氧(ROS)的積累。在細(xì)胞形態(tài)和功能上，與壞死、凋亡、自噬明顯不同。它沒有典型的壞死的形態(tài)特征，如腫脹的細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞器以及細(xì)胞膜的破裂；也沒有傳統(tǒng)的細(xì)胞凋亡的特點，如染色體收縮、染色質(zhì)凝結(jié)和外周化，以及圓形或卵圓形的細(xì)胞質(zhì)碎片形成。與自噬相反，鐵死亡不形成經(jīng)典的封閉雙層膜結(jié)構(gòu)(自噬泡)[10,15]。形態(tài)學(xué)上，鐵死亡細(xì)胞線粒體較小，線粒體膜密度較高，線粒體嵴消失，線粒體外膜破裂，這是一個不同于其他細(xì)胞死亡方式的過程[2]。不同類型的小分子（如erastin、SAS、RSL3等）均可誘導(dǎo)鐵死亡，但不能被誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡和壞死的物質(zhì)誘導(dǎo)，提示其機(jī)制不同于細(xì)胞凋亡和壞死[10]。6個線粒體基因RPL8、IREB2、ATP5G3、CS、TTC35、ACSF2參與鐵死亡的遺傳調(diào)控。研究證實，這6個基因與鐵死亡密切相關(guān)，但與細(xì)胞凋亡、壞死或自噬等其他形式的細(xì)胞死亡無關(guān)，提示鐵死亡的遺傳調(diào)控機(jī)制與凋亡、壞死完全不同[10]。

5 結(jié)語

本文對近些年研究發(fā)現(xiàn)的鐵死亡調(diào)節(jié)途徑及鐵死亡的正負(fù)調(diào)控因子進(jìn)行了綜述，然而鐵死亡的調(diào)控機(jī)制遠(yuǎn)比之前認(rèn)為的更為復(fù)雜，雖然最近有許多研究進(jìn)展和新的發(fā)現(xiàn)，但鐵死亡的詳細(xì)調(diào)控機(jī)制仍不清楚。未來的研究應(yīng)關(guān)注鐵死亡相關(guān)基因的診斷和預(yù)后價值，還需要對其調(diào)控機(jī)制進(jìn)行更深入的研究，以期為相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)制及治療提供更好的依據(jù)。我們相信，在不久的將來，鐵死亡的調(diào)控機(jī)制會研究得越來越透徹，鐵死亡將成為目前尚無成功治療方案的腫瘤性疾病的一種新的治療策略。