本文選自molecular cell biology
摘要：自2012年該術語被創(chuàng)造出來以來徘溢，在過去的幾年里瘪贱，鐵死亡的研究領域經(jīng)歷了指數(shù)級的增長妥色。這種由鐵依賴性磷脂過氧化作用驅(qū)動的獨特的細胞死亡方式受多種細胞代謝途徑的調(diào)節(jié)，包括氧化還原穩(wěn)態(tài)盯桦、鐵代謝雪猪、線粒體活性和氨基酸栏尚、脂質(zhì)和糖的代謝，以及與疾病相關的各種信號通路只恨。許多器官損傷和退行性病變是由鐵死亡引起的译仗。有趣的是，對治療有抵抗力的癌細胞官觅，尤其是那些處于間質(zhì)狀態(tài)并易于轉(zhuǎn)移的細胞纵菌，非常容易出現(xiàn)鐵死亡。因此休涤，通過誘導和抑制對鐵死亡進行藥理學調(diào)節(jié)咱圆，在治療耐藥性癌癥、缺血性器官損傷和與廣泛脂質(zhì)過氧化相關的其他退行性疾病方面具有巨大潛力功氨。在這篇綜述中序苏，我們提供了對目前鐵死亡的分子機制和調(diào)節(jié)網(wǎng)絡、鐵死亡在腫瘤抑制和免疫監(jiān)測中的潛在生理功能捷凄、其病理作用以及治療靶向的潛力的批判性分析忱详。重要的是，在所有快速發(fā)展的研究領域纵势，由于誤解和不適當?shù)膶嶒灧椒獍ⅲ魬?zhàn)是存在的。本綜述還旨在解決這些問題钦铁，并為提高鐵死亡研究的可重復性和可靠性提供實用指南。最后才漆，我們討論了重要的概念和迫切的問題牛曹，應該是未來鐵死亡研究的重點。
細胞代表生命的基本組織單位醇滥。因此黎比，細胞增殖超营、分化和功能特征，以及最終的細胞死亡在生命的無數(shù)表現(xiàn)中至關重要阅虫。細胞的命運和功能受到環(huán)境和遺傳因素的影響演闭。決定細胞命運的最關鍵的軸之一是細胞如何對氧化應激反應，因為大多數(shù)生物在基于還原/氧化(氧化還原)的代謝過程中依賴氧作為最終的電子受體颓帝。在導致細胞氧化應激的因素中米碰，膜雙層中脂質(zhì)的氧化修飾——特別是脂質(zhì)過氧化——已成為細胞命運的重要調(diào)節(jié)因素，廣泛的脂質(zhì)過氧化通過一種稱為鐵死亡的獨特細胞死亡模式使細胞死亡」撼牵現(xiàn)在吕座，鐵死亡被認為可能是最廣泛和最古老的細胞死亡形式之一:雖然最初是在哺乳動物系統(tǒng)中研究的，但鐵死亡樣細胞死亡也在進化上遙遠的物種中觀察到瘪板，例如那些屬于植物吴趴、原生動物和真菌的物種。值得注意的是侮攀，脂質(zhì)過氧化整合了一系列環(huán)境和遺傳背景锣枝，包括熱和輻射暴露、代謝兰英、氧化還原穩(wěn)態(tài)和細胞間接觸撇叁，以及致癌和腫瘤抑制信號。根據(jù)對鐵死亡的誘導箭昵，越來越多的證據(jù)表明鐵死亡在腫瘤抑制和免疫中的潛在生理作用(圖1)税朴。最近，鐵死亡還與某些真菌物種的正常發(fā)育和線蟲的發(fā)育老化有關家制。此外正林，鐵死亡的病理生理學相關性，特別是作為癌癥治療和預防缺血性器官損傷的治療模式颤殴，已經(jīng)令人信服地建立觅廓。
? ? ? ? 雖然鐵死亡這個術語是最近才被提出來的，但在2012年涵但，鐵死亡的一些方面或特殊形式很久以前就被觀察到了——例如杈绸，在20世紀中期的代謝研究中，一種氧化應激誘導的神經(jīng)元細胞死亡被稱為“氧化病”矮瘟。哈里·伊格爾在20世紀50年代和60年代進行的關于我們現(xiàn)在所理解的鐵死亡的開創(chuàng)性工作表明瞳脓，氨基酸半胱氨酸的缺失會導致細胞死亡妻坝，半胱氨酸的內(nèi)源性合成使細胞對這種細胞死亡具有抗性√阑眨現(xiàn)在，我們意識到半胱氨酸是還原型谷胱甘肽的生物合成是限速的厌漂。
? ? ? ? 谷胱甘肽是哺乳動物細胞中最豐富的還原劑，對鐵硫簇的生物生成很重要烧栋，并且是多種酶的輔因子写妥，包括谷胱甘肽過氧化物酶(GPXs)和谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶。對于谷胱甘肽的合成审姓，半胱氨酸可以通過中性氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白從環(huán)境中吸收珍特，也可以通過xc-胱氨酸/谷氨酸鹽反轉(zhuǎn)運蛋白系統(tǒng)(一種包含亞單位SLC7A11和SLC3A2的跨膜蛋白復合物)以氧化形式(胱氨酸)吸收。在本文中被稱為系統(tǒng)xc)-或在反式硫化途徑中使用甲硫氨酸和葡萄糖合成魔吐。已經(jīng)從遺傳學上證明扎筒，維持谷胱甘肽合成或促進系統(tǒng)xc-或谷胱甘肽過氧化物酶4 (GPX4)的活性可以保護細胞免受各種氧化應激條件引發(fā)的死亡，特別是那些導致硫醇剝奪的條件画畅，將這些早期研究與鐵死亡的機制聯(lián)系起來砸琅。
? ? ? ? 從歷史上看，細胞死亡被認為是被動的和不受調(diào)節(jié)的——直到20世紀70年代發(fā)現(xiàn)凋亡是編程性細胞死亡的第一種形式轴踱，因為它是由發(fā)育編程的途徑執(zhí)行的症脂。調(diào)節(jié)性細胞死亡的更廣泛類別指的是分子調(diào)節(jié)的死亡程序，但不一定是發(fā)育程序淫僻。我們現(xiàn)在知道诱篷，鐵死亡符合這一受調(diào)節(jié)的細胞死亡標準:它是由致命的脂質(zhì)過氧化作用驅(qū)動的——這是細胞代謝和不平衡的氧化還原穩(wěn)態(tài)的結果——并且可以通過直接阻斷脂質(zhì)過氧化作用或通過藥物或遺傳手段消耗鐵來抑制（鐵死亡是一種RCD）。
? ? ? 盡管如此雳灵，在許多方面棕所，鐵死亡的領域仍然是新生的，在過去的幾年里悯辙，它只是從氨基酸和脂類代謝琳省、鐵穩(wěn)態(tài)、氧化還原和硒生物學以及細胞死亡等鄰近領域中融合而來躲撰。已發(fā)表的關于鐵死亡的研究數(shù)量呈指數(shù)級增長针贬，因此有必要對最近的進展進行徹底和批判性的審視，以便為不同的研究人員群體明確圍繞這一主題的關鍵發(fā)現(xiàn)拢蛋、問題和挑戰(zhàn)桦他。在此，我們提供了對鐵死亡的機制和調(diào)節(jié)谆棱、其潛在的生理功能及其在疾病和治療中的作用的深入分析快压。我們討論對該領域具有重要概念的新問題和挑戰(zhàn)。我們還提供了實用的實驗建議垃瞧，以指導鐵死亡的研究蔫劣。
Mechanisms governing ferroptosis
近年來，在對鐵死亡的機理理解方面取得了快速進展个从。通過系統(tǒng)xc–GSH–GPX4途徑在抑制鐵死亡中的作用的初步發(fā)現(xiàn)拦宣，磷脂氫過氧化物(一種基于脂質(zhì)的活性氧(ROS)形式)作為鐵死亡的執(zhí)行者的作用現(xiàn)已確立(圖2)。最近信姓，已經(jīng)確定了GPX4非依賴性鐵死亡監(jiān)測途徑鸵隧。此外，多不飽和脂肪酸合成的機制——特別是多不飽和脂肪酸(多不飽和脂肪酸的前體)的合成和活化——已經(jīng)在鐵死亡的背景下進行了廣泛的研究意推。重要的是豆瘫，所有這些研究都集中在細胞代謝上，并揭示了鐵死亡和代謝途徑之間的密切關系（鐵死亡與代謝為起始階段）菊值。
The key role of GPX4
? ? ? ? 為了發(fā)現(xiàn)新的小分子抗癌療法外驱，Stockwell 小組從2001年開始進行高通量篩選，并于2003年公布了一系列能夠誘導一種獨特形式的非凋亡腻窒、非壞死性細胞死亡的化合物昵宇。反篩選顯示多種鐵螯合劑和親脂性自由基捕獲抗氧化劑抑制這種類型的細胞死亡。在這種細胞死亡模式中對鐵的需求激發(fā)了術語“鐵死亡”的誕生儿子。隨后的機制研究確定了兩種細胞成分瓦哎，系統(tǒng)xc–和GPX4，它們分別被化合物erastin和RSL3抑制柔逼，從而導致鐵死亡蒋譬。? ? ? ? ? ? ? ?GPX4，一種最初由Ursini和他的同事通過生化純化發(fā)現(xiàn)的硒蛋白愉适，是催化哺乳動物細胞中PLOOHs還原(從而解毒)的主要酶犯助。GPX4將磷脂和膽固醇氫過氧化物還原成相應的醇需要GPX4的催化硒代半胱氨酸殘基和兩個電子，通常由GSH提供维咸，但有時也由其他低分子硫醇剂买，甚至蛋白質(zhì)硫醇提供“┍停康拉德小組對第一個條件性Gpx4敲除小鼠模型的徹底研究提供了早期證據(jù)——在鐵死亡被認為是一種獨特的細胞死亡方式之前——表明Gpx4的缺失導致小鼠胚胎成纖維細胞脂質(zhì)過氧化依賴的非凋亡細胞死亡瞬哼，以及海馬和大腦皮質(zhì)區(qū)域的神經(jīng)退化。這種和其他幾種小鼠模型有助于描繪鐵死亡體內(nèi)相關性的更詳細的圖像费坊，如下文進一步討論的倒槐。
? ? ? ?由于GPX4是主要的PLOOH中和酶，erastin/RSL3誘導的鐵死亡的一般機制出現(xiàn)了:兩種化合物都直接滅活GPX4-RSL3附井，erastin通過抑制胱氨酸的輸入間接滅活GPX4-RSL3讨越，從而剝奪細胞中的半胱氨酸，半胱氨酸是谷胱甘肽的重要細胞組成部分永毅。因此把跨，PLOOHs 積累，可能導致快速和不可修復的膜損傷沼死，導致細胞死亡(圖2a)着逐。從概念上講，這些發(fā)現(xiàn)確立了鐵死亡是一種細胞死亡方式，其機制不同于其他已知的死亡過程耸别。
Drivers of phospholipid peroxidation
無限制的脂質(zhì)過氧化是鐵死亡的標志健芭。20世紀50年代的早期研究指出了微量元素硒以及維生素E和半胱氨酸對脂質(zhì)過氧化的抑制作用。脂質(zhì)過氧化反應的啟動需要從結合到脂質(zhì)雙層中的磷脂(PUFA-PLs)中的多不飽和脂肪跣憬悖基部分慈迈，去除雙烯丙基氫原子(位于兩個碳-碳雙鍵之間)。這導致形成以碳為中心的磷脂自由基省有，隨后與分子氧反應生成磷脂過氧自由基痒留，從另一個PUFA中除去氫，形成磷脂過氧自由基(圖3)蠢沿。如果未被GPX4轉(zhuǎn)化為相應的醇(PLOH)伸头，PLOO和脂質(zhì)自由基——特別是PLOO和烷氧基磷脂自由基(PLO)——將與PUFA-PLs反應，通過進一步除去氫原子舷蟀、與分子氧反應和形成PLOOH來促進PLOOH的產(chǎn)生恤磷。最終，這將導致次級產(chǎn)物的形成雪侥，包括脂質(zhì)過氧化物(如4-羥基壬烯醛和丙二酸二酯)的分解產(chǎn)物以及氧化和修飾的蛋白質(zhì)碗殷。這種連鎖反應可能最終導致膜完整性的破壞，并最終導致細胞器和/或細胞膜的破裂速缨。因此锌妻，含有高PUFA-PL含量的膜特別容易受到過氧化作用的影響，這在神經(jīng)元中已有證明旬牲。與鐵死亡過程中發(fā)生的脂質(zhì)過氧化作用相關的精確細胞膜仿粹，如線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)原茅、過氧化物酶體吭历、溶酶體和質(zhì)膜中的膜，目前尚不清楚擂橘。
? ? ? ?基于全基因組單倍體和CRISPR-Cas9的篩選揭示了兩種膜重塑酶晌区，酰基輔酶a合成酶長鏈家族成員4(ACSL4)和溶血磷脂酰膽堿跬ㄕ辏基轉(zhuǎn)移酶3(LPCAT3)朗若，是鐵死亡的重要驅(qū)動因素。ACSL4在鐵代謝過程中的作用是基于其將長鏈多不飽和脂肪酸(包括花生四烯酸(20:4)和腎上腺酸(22:4))與輔酶a連接的能力昌罩。然后這些產(chǎn)物可以通過各種脂多糖酶重新酯化成磷脂哭懈，從而增加長鏈多不飽和脂肪酸在細胞中向脂質(zhì)和膜中的結合。ACSL4的遺傳缺失或其藥理學抑制導致磷脂中長鏈PUFA尾顯著轉(zhuǎn)變?yōu)槎替満蛦尾伙柡椭觉茎用；?MUFA)尾遣总。ACSL4缺陷細胞的磷脂膜的這種變化使得它們在Gpx4敲除后能夠增殖數(shù)月睬罗，從而將這些細胞從鐵死亡中拯救出來。據(jù)報道旭斥，外源性補充多不飽和脂肪酸容达、硬脂酰輔酶a去飽和酶1(SCD1)介導的細胞MUFA產(chǎn)物和ACSL3依賴性膜多不飽和脂肪酸富集可降低細胞鐵死亡的傾向。值得注意的是琉预，ACSL4在三陰性乳腺癌細胞亞群中的表達水平與其對鐵死亡缺乏誘導劑的敏感性相關董饰，這種相關性似乎與耐治療的間充質(zhì)癌細胞和透明細胞腎癌細胞共有。因此圆米，抑制ACSL4表達可能是細胞對鐵死亡抵抗的主要機制，抗鐵死亡可能受多種信號通路的調(diào)節(jié)啄栓，包括來自細胞間和細胞外基質(zhì)粘附的信號娄帖，這兩種信號在腫瘤發(fā)展中經(jīng)常受到影響。相反昙楚，ACSL4表達和/或活性的增加可能在各種病理生理環(huán)境下促進鐵死亡近速，如缺血-再灌注(一種與鐵死亡誘導密切相關的疾病)和對輻射的反應。
盡管毫無疑問堪旧，脂質(zhì)雙層的不飽和度是決定細胞對鐵死亡敏感性的關鍵削葱，但關于脂質(zhì)過氧化實際上是如何引發(fā)的，仍有許多不確定性和爭論淳梦。分隔一對二烯的雙烯丙基碳是已知的最弱的碳氫鍵之一析砸，這些結構數(shù)量的增加會加快脂質(zhì)的自氧化速度，這在環(huán)境氧張力下含PUFA的食物的變質(zhì)中是顯而易見的爆袍∈追保可以想象，脂質(zhì)過氧化的非酶引發(fā)可以由脂質(zhì)自由基的自發(fā)產(chǎn)生或羥基自由基的產(chǎn)生引發(fā)(羥基自由基是活性氧的最具反應性的形式之一陨囊，其攻擊大多數(shù)有機分子弦疮，一旦局部產(chǎn)生(由于其接近擴散控制的速率)，可能由使用鐵作為催化劑的芬頓反應驅(qū)動(圖3)蜘醋。
某些脂氧合酶(LOXs)是針對多不飽和脂肪酸的非血紅素鐵依賴性雙加氧酶胁塞，可直接氧化生物膜中的多不飽和脂肪酸和含PUFA的脂質(zhì)，提高了LOXs可能介導鐵死亡誘導的前景压语。這種可能性得到了以下觀察結果的支持:lox的一些藥理學抑制劑可以抑制鐵死亡敏感性啸罢，Alox15敲除或應用LOX抑制劑黃芩素可以保護小鼠免受缺血性腦損傷。盡管如此无蜂，在Gpx4敲除背景上遺傳性去除Alox15未能防止小鼠成纖維細胞的鐵死亡伺糠，也未能防止急性缺血性腎損傷和體內(nèi)相關的致死性，也未能恢復因T細胞特異性Gpx4-/-小鼠中的鐵死亡而損失的CD8+ T細胞群斥季。然而训桶，值得注意的是累驮，lox主要與半胱氨酸饑餓誘導的鐵死亡有關，而不是由GPX4缺失誘導的鐵死亡舵揭，因此有必要使用不同的模型進一步剖析lox在鐵死亡中的作用谤专。這些數(shù)據(jù)表明，替代機制可能補償ALOX15活性的損失午绳，LOXs可能僅涉及鐵死亡的某些情況置侍，和/或常用的“LOX特異性”抑制劑作為自由基捕獲抗氧化劑發(fā)揮非特異性活性，并能夠通過這種活性防止鐵死亡拦焚。事實上蜡坊，最近的一項研究證實，最常用的LOX抑制劑具有自由基捕獲抗氧化活性赎败，從而挑戰(zhàn)了LOXs在鐵死亡中的普遍作用秕衙。此外，所有人LOX同功酶的聯(lián)合下調(diào)未能防止RSL3誘導的鐵死亡僵刮，盡管它對erastin誘導的鐵死亡提供了實質(zhì)性的拯救据忘，這可能是因為erastin治療與LOX酶活性有關。因此搞糕，LOXs在大多數(shù)情況下可能不是鐵死亡的關鍵驅(qū)動因素勇吊，但在某些情況下可能會導致?lián)p傷的發(fā)生和/或傳播。與此相一致窍仰，Alox15或Alox12的缺失分別在神經(jīng)變性或癌癥抑制小鼠模型中顯示出保護作用汉规。然而，應該強調(diào)的是辈赋，這些酶通過產(chǎn)生促炎和抗炎分子直接調(diào)節(jié)(神經(jīng))炎癥過程和腫瘤微環(huán)境鲫忍，在免疫系統(tǒng)中發(fā)揮重要的生理作用；因此钥屈，其損失的有益效果不一定與鐵死亡直接相關悟民。與這一概念同樣相關的是以前的發(fā)現(xiàn)，即GPX4通過所謂的細胞過氧化物酶活性(即細胞中低水平過氧化物的持續(xù)維持)控制LOXs的活性和環(huán)氧化酶的活性篷就，因為這兩種酶都需要通過脂質(zhì)氫過氧化物氧化其鐵來捕獲分子氧并將其結合到PUFAs中射亏。值得注意的是，據(jù)報道竭业，ALOX12對于由過氧化物觸發(fā)的p53依賴性鐵死亡是必需的智润，并且這種形式的鐵死亡是相當獨特的，因為它似乎獨立于ACSL4未辆，這意味著p53-ALOX12驅(qū)動的鐵死亡可能通過不同的脂質(zhì)起作用窟绷，而不是由GPX4缺失或半胱氨酸缺乏驅(qū)動的鐵死亡。此外咐柜，據(jù)報道磷脂酰乙醇胺結合蛋白1(PEBP1)與某些lox復合兼蜈，改變了它們對PUFA-PLs的底物特異性攘残。
除了LOXs在鐵死亡中的作用尚不清楚，最近的發(fā)現(xiàn)表明普遍表達的細胞色素P450氧化還原酶(POR)在啟動脂質(zhì)過氧化中起作用为狸。在使用NADPH作為電子供體接受來自POR的電子后歼郭，下游電子受體，如細胞色素P450和CYB5A被還原辐棒，這隨后可以通過從多不飽和脂肪酸中除去氫或通過將三價鐵(Fe3+)還原成亞鐵形式(Fe2+)(圖3)直接或間接觸發(fā)脂質(zhì)過氧化反應病曾；如下所述，鐵和亞鐵之間的循環(huán)對于芬頓反應和脂質(zhì)過氧化是至關重要的漾根。
