一篇高分Cell带你深入了解科研热门方向—铁死亡

Ferroptosis（铁死亡）这一热门研究方向的起源作者Brent R. Stockwell，为铁死亡10周年写了一篇研究进展综述，发表在影响因子66.85（2022年）高分期刊《Cell》里。中标这一方向的国自然基金项目和金额正在逐年攀升，相关研究论文也是屡屡登顶CNS正刊！（图1）

图1.随着时间的推移，铁死亡文献中的关键里程碑和增长

下面我们为大家概述这篇文章，让实验灵感迸发！

铁死亡（Ferroptosis）是一种 铁依赖性 脂质过氧化 的细胞死亡形式。这可以在细胞培养中通过测试铁螯合剂和亲脂性抗氧化剂是否抑制细胞死亡来评估。

一、铁死亡三大研究领域板块基础—代谢机制、控制活性氧、铁调节

1.氨基酸和脂质代谢机制为铁死亡提供了基础

氧化的胱氨酸(cystine)减少会导致谷胱甘肽(GSH) 依赖的细胞死亡，并且可以通过维生素 E治疗来预防。磷脂 (PLs)，膜的关键组成部分，当存在于膜脂中时，PUFA 部分可作为铁死亡的必要过氧化底物。

2.研究人员阐明了生物分子氧化损伤的生物学意义

System Xc-作为输入胱氨酸的反转运蛋白，这是 GSH 的关键氨基酸组成部分，它会阻止过氧化氢等氧化剂引起的“氧化应激”， 谷胱甘肽过氧化物酶4 (GPX4)，这是一种硒蛋白，GPX4 是一种铁死亡的中枢抑制剂。可作为一种 GSH 依赖性过氧化物酶来对抗膜中脂质的氧化。erastin 通过阻断System Xc-摄取胱氨酸来诱导铁死亡，导致 cys 和 GSH 的消耗，并且 RSL3 的分子靶标是 GPX4，控制非凋亡形式的氧化性细胞死亡。

3.铁的重要性和铁调节

Fenton报道铁盐与过氧化物反应生成羟基自由基，提出了现在以他的名字命名的反应（Fe2+ + HOOH → Fe3++ OH- + OH⋅ )。以转铁蛋白 (Tf) 形式进行的铁转运的主要机制。DMT1铁转运蛋白的发现源于发现小鼠对细胞内病原体的抗性由称为“天然抗性相关巨噬细胞蛋白”是小鼠小红细胞性贫血的遗传原因，连同铁输出蛋白ferroportin的发现，这些研究为我们理解铁稳态奠定了基础。

二、铁死亡机制

图 2 铁死亡的机制

酰基辅酶 A (CoA) 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) 的失活使这些细胞对两种不同的 GPX4抑制剂具有抗性——RSL3和ML162。ACSL4 的过表达对铁死亡敏感。ACSL 酶家族对铁死亡至关重要，将脂肪酸激活为CoA酯类是铁死亡的关键调控步骤。PUFA 的生物合成本身就是一种调节对铁死亡敏感性的手段：通过激活一磷酸腺苷活化蛋白激酶 (AMPK) 来驱动对铁死亡的抵抗力，并通过控制乙酰辅酶 A 羧化酶 (ACC) 来限制 PUFA 生物合成。总之，含 PUFA 的膜定位脂质是铁死亡的驱动因素，其中包括 PL、醚脂质和其他甘油衍生的脂质。

单不饱和脂肪酸 (MUFA)，如油酸，需要 ACSL3发挥抗铁死亡作用。

多药耐药基因MDR1通过 引起 GSH 的流失 来提高对铁死亡的敏感性，而 cys 分解代谢酶cys 双加氧酶1（CDO1）通过分解 cys 进而消耗 GSH 来提高对铁死亡的敏感性。

化合物FIN56可诱导 GPX4 的降解，并且在甲羟戊酸途径通过过度消耗辅酶Q10 (CoQ10)来提高对铁死亡的敏感性。

GPX4独立控制脂质ROS积累。然而，在过去几年中，已经确定了三种不依赖 GPX4 的抑制铁死亡的系统。铁死亡抑制蛋白 1 (FSP1)/CoQ10、二氢乳清酸脱氢酶(DHODH) 和GTP 环化水解酶1 (GCH1)/四氢生物蝶呤 (BH4) 独立于 GPX4 来抑制铁死亡。GCH1或DHODH高表达的细胞对铁死亡的抵抗力更强，而低表达的细胞对铁死亡的敏感性更高。

氨基酸氧化酶interleukin-4-induced-1 (IL4i1)最初是在 B 细胞中作为响应 IL-4 诱导的基因而发现的，它产生代谢物 indole-3-pyruvate (In3Py)，通过自由基抑制铁死亡清除机制，并通过协调减弱铁死亡的基因表达谱。

含有 PUFA 的脂质的过氧化是由细胞内铁池驱动的，活跃的铁引发Fenton 反应，Fenton 反应引发脂质过氧化。以及铁依赖性酶，如花生四烯酸脂氧合酶(ALOXs) ，引发脂质过氧化物的形成，这些脂质过氧化物是芬顿反应的底物。15-脂氧合酶可以与 PE 结合蛋白1 (PEBP1) 复合，特异的将酶的底物从游离 PUFA 催化为PUFA- PL。此外，p53依赖性铁死亡需要12-脂氧合酶。细胞色素 P450 氧化还原酶(POR)也有助于铁死亡过程中的脂质过氧化，这表明几种含铁酶具有促进脂质过氧化的能力，从而导致铁死亡。

控制细胞中铁丰度的其他机制影响细胞对铁死亡的敏感性：通过ferroportin或prominin-2 (prom2) 介导的含铁蛋白多泡体(MVB) 输出铁，增强细胞对铁死亡的抵抗力，因为这会耗尽细胞中的铁以降低脂质过氧化的能力。

Erastin和 RSL3 代表前两类诱导铁死亡的化合物，分别通过抑制通过System Xc-和 GPX4 的胱氨酸摄取起作用，FIN56作为第三类化合物诱导 GPX4 的降解，FINO2代表第四类铁死亡诱导化合物，FINO2将 Fe(II) 氧化为Fe(III)：铁螯合剂更有效地抑制其致死活性。FINO2处理细胞后检测到的氧化脂质分布比用erastin 处理后更广泛，这表明FINO2与Fe(II) 发生芬顿反应，产生直接引发脂质过氧化的烷氧基自由基。

三种抗铁死亡的主要机制已被确定——抗氧化调节剂 NRF2、转硫途径和雷帕霉素(mTOR)的机制靶点。

三、铁死亡的生理功能

图3.铁死亡的生理功能

寻找涉及铁死亡的生物过程的一个关键进展是发现了用于检测铁死亡的标记物。鉴于铁死亡是由铁依赖性脂质过氧化作用驱动的，因此在铁死亡期间检测此类脂质过氧化事件是必不可少的（图4）。此外，线粒体在铁死亡期间通常表现出萎缩、密集的形态。可以检测到特定的基因表达变化；TfR1 上调和向质膜移动标志着铁死亡细胞。使用这些标记，已经发现了这种古老的细胞死亡形式的许多自然生理功能。

图4. 铁死亡的标志物

四、涉及铁死亡的病理背景

除了上述铁死亡的正常生理功能外，铁死亡还与许多病理有关（图5）。

图5. 细胞器和器官在铁死亡中的作用

1.铁过载疾病

最近的一份报告发现，喂食高铁饮食的小鼠和具有与遗传性血色素沉着症相关突变的小鼠会出现铁死亡标志物的肝损伤，而这种情况被 ferrostatin-1 抑制剂所逆转

2.器官损伤

最近的一项研究报告称，多器官功能障碍综合征 (MODS) 在重症监护病房 (ICU) 的危重患者中很常见，它涉及铁死亡。176 名危重成年患者血浆中催化铁和丙二醛（脂质过氧化的标志物）的水平与患者序贯器官衰竭评估（SOFA）评分呈正相关。此外，给小鼠服用硫酸铁会导致多器官损伤，提高肾脏、肝脏、肌肉、心脏和血浆的损伤标志物，而铁死亡抑制剂（如维生素 E ）可以减轻这种损伤。因此，抑制铁死亡可能是预防重症监护环境中多器官损伤的可行策略。

3.视网膜变性

视网膜色素上皮细胞在视网膜疾病（例如与年龄相关的黄斑变性）期间经历变性和死亡。普鲁士蓝纳米颗粒可以抑制这些细胞的死亡。

4.神经变性

大量报告表明铁死亡与多种神经退行性疾病有关，包括亨廷顿病 (HD)、阿尔茨海默病 (AD)、PD 和肌萎缩侧索硬化症(ALS)。一种临床前和临床有效的 ALS 治疗方法，即 CuII(atsm)，可抑制铁死亡。

5.传染性疾病

丙型肝炎是肝病的主要原因，丙型肝炎病毒复制受到宿主细胞中铁死亡的激活的限制。

严重急性呼吸综合征冠状病毒 2 (SARS-CoV-2) 可能在感染期间激活铁死亡。

斑马鱼中的海分枝杆菌感染受到血红素加氧酶 1 (HMOX1) 的抑制，该酶可调节血红素中铁的可用性，并通过 ferrostatin-1 的治疗。

铁死亡会增强铜绿假单胞菌感染。

6.自身免疫性疾病

系统性红斑狼疮(SLE) 是一种自身免疫性疾病，与中性粒细胞中的铁死亡激活有关。哮喘，它涉及免疫反应的过度激活，因此可能由释放免疫原性线粒体 DNA 的气道上皮细胞中的铁死亡触发或恶化。铁死亡，当它发生在中性粒细胞或气道上皮细胞中时，会导致过度的免疫激活，导致自身免疫性疾病

7.肿瘤

尽管据报道铁死亡作为一种肿瘤抑制机制发挥作用，但铁死亡的丧失可以驱动肿瘤发生。硒蛋白是癌症风险的预测因子，并且硒在肿瘤组织中升高，这表明 GPX4 丰度和肿瘤发生中的活性升高。

五、铁死亡的治疗应用

目前，监测脂质过氧化是识别铁死亡存在的一种方法；检测脂质过氧化的方法包括使用硫代巴比妥酸反应物质 (TBARS) 测定法，通过 LC-MS/MS、C11-BODIPY荧光探针检测异前列腺素的氧化或脂质过氧化产物，以及与检测脂质过氧化产物形成的加合物的抗体反应，例如anti-HNE FerAb 抗体、HNEJ-1 抗体，和anti-malondialdehyde (MDA) adduct 1F83抗体、3F3-FMA 抗体以及其他anti-TfR1 抗体来检测。几个基因，如CHAC1、PTGS2、SLC7A11和ACSL4，在铁死亡过程中被诱导，而RGS4在铁死亡期间被下调；这些基因的表达改变可以通过 qPCR 检测为铁死亡的指标。

1.铁死亡的促进剂

作为一种细胞死亡方式，ferroptosis 可以潜在地用于消除有问题的细胞类型，例如癌细胞、炎症细胞或活化的成纤维细胞。已经确定了四种诱导铁死亡的广泛机制：(1) System Xc-的抑制，(2) GPX4 的抑制/降解/失活，(3) 还原型 CoQ10的消耗，和 (4) 脂质的诱导通过过氧化物、铁或多不饱和脂肪酸超载而发生过氧化。

抑制System Xc-是诱导铁死亡的有效机制——这种反转运蛋白的多种结构不同的小分子抑制剂，如erastin、sulfasalazine和 Glu，抑制System Xc-并诱导铁死亡;

胱氨酸的降低去除了System Xc-的细胞外底物，并且还诱导了铁死亡。

GPX4 的基因失活或小分子介导的抑制或降解会在许多细胞类型中诱导铁死亡。

通过甲羟戊酸途径抑制 CoQ10生物合成，CoQ10还原酶（例如AIFM2/FSP1 或 DHODH）的失活或失活会诱导铁死亡。

通过用过量的铁、PUFA 或过氧化物（如 tBOOH 或 FINO2 ）处理可诱导铁死亡。

2.铁死亡抑制剂

ferrostatin-1 和 liproxstatin 作为自由基捕获剂来抑制脂质过氧化的传播。

降胆固醇药物probucol可抑制铁死亡并在 Glu 毒性模型中有效。

necrostatin-1 (nec-1) 是一种抑制坏死性凋亡的RIPK1抑制剂。

硒输送可抑制中风期间的铁死亡。

线粒体靶向氮氧化物XJB-5-131 抑制细胞凋亡和铁死亡。