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科研熱點“鐵死亡”，這些基礎知識你了解嗎？
鐵死亡（Ferroptosis）最早由哥倫比亞大學Dr. Brent R.Stockwell在2012年提出，是一種鐵依賴性的，區別于細胞凋亡、細胞壞死、細胞自噬的新型的細胞程序性死亡方式。鐵死亡的的本質是谷胱甘肽的耗竭，谷胱甘肽過氧化物酶（GPX4）活性下降，脂質氧化物不能通過GPX4催化的谷胱甘肽還原酶反應代謝，之后二價的鐵離子氧化脂質產生活性氧，從而促使鐵死亡的發生。
鐵死亡主要有以下幾個特點：
（1）細胞死亡過程中伴隨著大量的鐵離子的累積，同時還會出現脂質過氧化和ROS升高，也有一些調控鐵穩態和脂質過氧化代謝等方面的基因發生變化。
（2）在細胞的細微結構中，會出現比正常細胞小的線粒體，且線粒體膜皺縮，同時線粒體嵴減少或消失，外膜破碎，但細胞核中形態變化不明顯。
表1 鐵死亡、凋亡、自噬3種可調節細胞死亡方式特征的比較 | |||
可調節的細胞死亡 | 鐵死亡 | 凋亡 | 自噬 |
標志性特征 | 線粒體嵴減少(消失)； 線粒體外膜破裂、皺縮；線粒體顏色深染 | 染色質凝聚、 斷裂；核仁消失；細胞核固縮、碎裂；自噬體形成 | 自噬溶酶體形成 |
其他特征 | 鐵依賴性細胞核無破裂；細胞膜無破裂 | 細胞完整細胞皺縮；胞質流出胞膜空泡化 | 細胞核無變化；細胞膜無變化 |
檢測指標陽性調控因子 | ROS、PTGS2上升NADPH下降 | 細胞色素C釋放caspase活化細胞內鈣離子增高 | LC3- Ⅰ向LC3-Ⅱ轉化 |
陽性調控因子 | Erastin、RSL3、RAS、Sorafenib、p53 | p53、 Bax、Bak、TGF-B、地塞米松、放射線 | ATG家族、Beclin1 |
陰性調控因子 | GPX4、FSP1、SLC7A11、NRF2、Ferrostatin-1、Liproxstatin-1、DFO | Bcl-2、Bcd-XL、Z-VAD-FMK、IL-4 | mTOR、3-Methyladenine、Wortmannin、Spautin1 |
鐵死亡是一種受調節的細胞死亡形式，其特征在于脂質過氧化的鐵依賴性積累達到致死水平。當細胞胱氨酸運輸蛋白受到抑制（如Erastin），胞內谷胱甘肽（GSH）會被耗盡，最終導致谷胱甘肽過氧化物酶（GPX4）失活和脂質過氧化積累，達到一定程度即可誘發細胞死亡，GPX4酶受到抑制（如RSL3）也可以直接導致這一作用。鐵死亡的敏感性與許多生物過程緊密相關，包括氨基酸、鐵和多不飽和脂肪酸代謝，以及谷胱甘肽、磷脂、NADPH和輔酶Q10的生物合成。鐵死亡與哺乳動物退行性疾?。ɡ纾?span style="line-height: 150%;">阿爾茨海默氏病、亨廷頓舞蹈病和帕金森綜合征）、腫瘤、中風、腦出血、外傷性腦損傷、局部缺血-再灌注損傷和腎衰竭相關的病理性細胞死亡有關。鐵離子螯合劑可以抑制這一過程，很多抑制或緩解脂質過氧化的藥物均可抑制鐵死亡進程，包括親脂性抗氧化劑和脂質過氧化抑制劑等等，但不能被凋亡或自噬抑制劑抑制。
圖1 鐵死亡相關疾病
對鐵死亡的調控，主要集中在System Xc－、GSH代謝、調控谷胱甘肽過氧化物酶4(GPX4)活性和ROS生成等方面。
（1）System Xc－調控：System Xc－由SLC3A2和SLC7A11二聚體組成，嵌于細胞膜表面。SLC7A11是發揮功能的主要亞基，可將胱氨酸轉運入胞，用于合成GSH；因此，抑制SLC7A11表達可誘導鐵死亡發生。p53作為一種抑癌基因，就是通過下調systemXC-組分SLC7A11的表達抑制細胞對胱氨酸的攝取，導致谷胱甘肽過氧化物酶活性降低，削減細胞抗氧化能力，增強細胞對鐵死亡的敏感性。同時，研究發現，在人腫瘤細胞中SLC7A11過度表達，這種過表達能夠抑制活性氧誘導的“鐵死亡”，同時削弱p533KR介導的對腫瘤生長的抑制作用。
（2）GSH和GPX4調控：研究認為GPX4是細胞生存的關鍵，也是鐵死亡的核心調控蛋白，GPX4能降解小分子過氧化物和某些脂質過氧化物，抑制脂質過氧化。如果不能有效地被Gpx4淬滅，磷脂氫過氧化物能夠在過渡金屬（如鐵）存在的情況下引發催化反應，最終導致細胞死亡。研究發現，若細胞中GPX4表達下調則會對鐵死亡更敏感；敲降GPX4即可誘導鐵死亡發生；相反，若上調GPX4的表達，則會產生對鐵死亡的耐受。丁硫氨酸亞砜胺(BSO)可抑制GSH合成、降低GPX4活性，導致鐵死亡發生。RSL3可以直接與GPX4蛋白結合使其失活，誘導脂質ROS產生，導致細胞鐵死亡發生。另外，過表達GPX4細胞表現出對RSL3的抵抗性，抑制其誘導的細胞鐵死亡。
圖2 鐵死亡通路
（3）ROS調控：誘導鐵死亡發生均會導致細胞內脂質ROS升高，從而引起細胞死亡，這也是脂質抗氧化劑可抑制鐵死亡的原因。線粒體作為含鐵豐富（鐵是線粒體氧化呼吸鏈必需離子）、產生ROS為主的細胞器，被認為是鐵死亡發生的重要場所。它既是細胞內產生ROS的重要場所，其脂肪酸代謝又為細胞鐵死亡提供特定的脂質前體。p53也能夠通過ROS應答和“鐵死亡”抑制腫瘤生長。
參考文獻：
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[2] ZHENG Jiashuo, Conrad Marcus*. The Metabolic Underpinnings of Ferroptosis[J]. Cell Metabolism, 2020, 32(6):920-937.
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[6] FANG Xuexian , CAI Zhaoxian , WANG Hao , et al. Loss of Cardiac Ferritin H Facilitates Cardiomyopathy via Slc7a11-Mediated Ferroptosis[J]. Circulation Research, 2020.
譜領生物針對“鐵死亡”專題，推出細胞和組織中一百六十多種氧化脂肪酸代謝物（Oxylipin）檢測與氧化還原代謝物（Redox metabolites）檢測 ,
其中氧化脂肪酸代謝物（Oxylipin）檢測包含：
亞油酸（LA）、γ-亞麻酸(GLA)、dihomo-γ亞麻酸(DGLA)、花生四烯酸(AA)，α-亞麻酸（ALA），二十碳五烯酸 (EPA）和二十二碳六烯酸(DHA)及其相關的代謝途徑的七十多種氧化脂肪酸代謝物。
氧化還原代謝物（Redox metabolites）檢測包含：
還原型谷胱甘肽（GSH）、氧化型谷胱甘肽（GSSG）、還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH，還原型輔酶I）、氧化 型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+，氧化型輔酶I）、還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH，還原型輔酶II）、 氧化型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+，氧化型輔酶II）、半胱氨酸（Cysteine）、胱氨酸（Cystine）、谷氨酸（Glutamic acid）等。
