细胞死亡&细胞功能：铁死亡【Ferroptosis】

时间：2021-06-30 11:23:51 浏览次数：1973

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一、铁死亡介绍

铁死亡，是一种调节细胞死亡的方式，主要是铁超载和活性氧（ROS）依赖的脂质过氧化物累积引起的。主要表现为，与正常线粒体相比膜密度更致密，体积更小，嵴减少或消失，外膜破裂。线粒体是铁利用、分解代谢和合成代谢途径的主要细胞器，在铁代谢、物质代谢和能量代谢中起着中心作用。线粒体脂质代谢的关键调节因子(如ASCF2和CS)、铁稳态(如铁蛋白、mitoferrin1/2和NEET蛋白)、谷氨酰胺代谢和其他信号通路的干扰会对铁敏感产生影响。

二、铁死亡相关疾病

铁死亡在神经系统疾病、心脏疾病、肝脏疾病、胃肠道疾病、肺部疾病、肾脏疾病、胰腺疾病等多种系统疾病中起着重要作用。

铁死亡与哺乳动物退行性疾病（例如：阿尔茨海默氏病、亨廷顿舞蹈病和帕金森综合征）、肿瘤、中风、脑出血、外伤性脑损伤、局部缺血-再灌注损伤和肾衰竭相关的病理性细胞死亡也有关联。铁离子螯合剂可以抑制这一过程，很多抑制或缓解脂质过氧化的药物均可抑制铁死亡的过程，包括亲脂性抗氧化剂，脂质过氧化抑制剂等等，但不能被凋亡或自噬抑制剂抑制。

三、铁死亡相关特征

形态学特征	超微结构显示，铁死亡时细胞膜断裂和出泡，线粒体萎缩、线粒体脊减少甚至消失、膜密度增加、细胞核形态正常，但缺乏染色质凝集；电镜下观察到胞内线粒体变小、双层膜密度增高。
生物学特征	活性氧（ROS）增加、铁离子聚集，激活丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）系统，通过降低胱氨酸的摄取、耗竭谷胱甘肽，抑制ystem Xc-和增加还原型酰腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶，释放花生四烯酸等介质。
免疫学特征为损伤相关分子模式	（damage-associatedmolecular patterns molecules，DAMPs）释放前炎症介质（如高迁移率族蛋白B1等）。
基因水平	主要受核糖体蛋白L8（ribosomalprotein L8，RPL8），铁反应元件结合蛋白（ironresponse element binding protein 2，IREB2），ATP合成酶F0复合体亚基C3（ATP synthase F0 complex subunit C3，ATP5G3），三四肽重复结构域35（tetratricopeptide repeat domain 35，TTC35），柠檬酸合成酶(citratesynthase，CS），酰基辅酶A合成酶家族成员2(acyl-CoAsynthetase family member 2，ACSF2）以及受代谢、储存基因TFRC、ISCU、FTH1、FTL、SLC11A2的调节。

四、几种死亡之形式比较铁死亡、凋亡、自噬

	铁死亡	凋亡	自噬
形态学特征	Small mitochondria with increasedmitochondrial membranedensities,reduction or vanishing ofmitochondria Crista, outer mitochondrial membrane Rupture and normal nucleus	Cellular and nuclear volume reduction, chromatin agglutination,nuclearfragmentation, formation of apoptotic bodiesand cytoskeletal disintegration, no significant changes in mitochondrial structure	Formation of double-mem braned autolysosomes, including macroautophagy, microautophagy and chaperone- mediated autophagy
生物学特征	Iron accumulation and lipid peroxidation	DNA fragmentation	Increased lysosomal activity
调控通路	Xc- /GPX4, MVA, sulfur transfer pathway, P62-Keap1-NRF2 pathway, P53/SLC7A11,ATG5-ATG7-NCOA4pathway,P53-SAT1-ALOX15pathway, HSPB1-TRF1,FSP1-COQ10-NAD(P)Hpathway	Death receptor pathway, mitochondrionpathway and endoplasmic reticulum pathway;Caspase, P53, Bcl-2 mediated signaling pathway	mTOR, Beclin-1, P53 signaling pathway
关键基因	GPX4, TFR1, SLC7A11, NRF2, NCOA4, P53,HSPB1, ACSL4, FSP1	Caspase, Bcl-2, Bax, P53, Fas	ATG5, ATG7, LC3, Beclin-1, DRAM3, TFEB
检测指标阳性调控因子	ROS、PTGS2上升NADPH下降	细胞色素C释放caspase活化细胞内钙离子增高	LC3-Ⅰ向LC3-Ⅱ转化
阳性调控因子	Erastin、RSL3、RAS Sorafenib、p53	p53、 Bax、Bak、TGF-B 地塞米松、放射线	ATG家族、Beclin1
阴性调控因子	GPX4、FSP1、SLC7A11、NRF2、Ferrostatin-1、Liproxstatin-1、DFO	Bcl-2、Bcd-XL Z-VAD-FMK、IL-4	mTOR3-Methyladenine, Wortmannin,Spautin1

五、铁死亡的发生涉及的主要信号通路

作为新兴的死亡方式，越来越多的研究者致力于对铁死亡机制的研究。多不饱和脂肪酸是细胞膜的组成部分，并且参与调节多种生物学功能，包括炎症、免疫、突触可塑性和细胞生长。但是多不饱脂肪酸双烯丙基处的C-H键极易被氧化攻击，因此其也是铁死亡过程中的重要底物，大量积累的脂质过氧化物以及其毒性代谢物会导致细胞的死亡。在此过程中，ACSL4、脂氧合酶、芬顿反应、活性氧等的存在都会促进铁死亡的进一步发展。

细胞存在着高效的抗氧化机制将脂质过氧化物降解形成脂质醇，以维持细胞内的氧化稳态。这个平衡是由多种氧化还原活性酶参与，涉及脂质代谢，铁代谢以及氨基酸代谢等。其中，GSH-GPX4和FSP1-CoQ10是抗铁死亡的两条主要通路。此外，机体内还存在着NRF2调控的抗氧化通路以及维他命E等内源性抗氧化物。

六、铁死亡的调控

（1）抑制GPX4诱导铁死亡：GPX4 能降解小分子过氧化物和某些脂质过氧化物，抑制脂质过氧化。研究发现，若细胞中 GPX4 表达下调则会对铁死亡更敏感；相反，若上调 GPX4 的表达，则会产生对铁死亡的耐受。因此，将GPX4抑制后将诱导细胞发生铁死亡。

（2）抑制胱氨酸谷氨酸转运受体 (systemXC-)诱导铁死亡：通过systemXC-，谷氨酸与胱氨酸以1:1比例交换，因此，谷氨酸的水平会影响到systemXC- 的功能。细胞外高浓度的谷氨酸会抑制systemXC-从而诱导铁死亡。敲除systemXC-的小鼠由于细胞外谷氨酸水平减少，可以防止神经毒性损伤。

（3）p53介导铁死亡：p53是一种抑癌基因，通过下调systemXC-组分SLC7A11的表达抑制细胞对胱氨酸的摄取，导致谷胱甘肽过氧化物酶活性降低，削减细胞抗氧化能力，增强细胞对铁死亡的敏感性。同时，研究发现，在人肿瘤细胞中SLC7A11过度表达，这种过表达能够抑制活性氧诱导的“铁死亡”，同时削弱p53KR介导的对肿瘤生长的抑制作用。

（4）ROS调控：诱导铁死亡发生均会导致细胞内脂质ROS升高，从而引起细胞死亡，这也是脂质抗氧化剂可抑制铁死亡的原因。线粒体作为含铁丰富(铁是线粒体氧化呼吸链必需离子)、ROS产生为主的细胞器，被认为是铁死亡发生的重要场所。它既是细胞内产生ROS的重要场所，其脂肪酸代谢又为细胞铁死亡提供特定的脂质前体。p53也能够通过ROS应答和"铁死亡"抑制肿瘤生长。

（5)Erastin在铁下垂、细胞凋亡、增殖和分化中的作用。Erastin可通过直接与VDAC2或VDAC3结合引起线粒体氧化损伤，或通过与SLC7A5结合引起谷胱GSH缺失而诱导铁下垂。在某些情况下，erastin介导的TP53上调可诱导线粒体凋亡通路。Erastin也被证明通过抑制BMP2、BMP4、BMP6和BMP7的表达，促进人外周血单个核细胞向B细胞和NK细胞的增殖和分化。

铁死亡相关检测抗体

铁死亡相关化合物

七、铁死亡的相关检测方法

特征	方法学	说明
细胞活性	CCK-8	细胞活力检测
铁水平检测	PGSK探针	流式细胞术或共聚焦显微镜检测细胞内铁含量的细胞膜透性染料，结果表明，在铁死亡的细胞中，PGSK的绿色荧光会减弱
活性氧水平	C11-BODIPY	其中COX2、ACSL4、PTGS2、NOX1在铁死亡细胞中表达上调，GPX4、FTH1在铁死亡细胞中表达下调
铁死亡相关的蛋白	qRT-PCR/WB检测TGS2、NOX1、 FTH1、COX2、GPX4、ACSL4	通过电镜或者流式细胞术，在铁死亡细胞中，探针会由红色转化为绿色

Representative flow cytometry analysis of the4,4-difluoro-5-(4-phenyl-1,3-butadienyl) -4-bora-3a,4a-diaza-s-indacene-3-undecanoic acid (C11-BODIPY) fluorescence intensity (A–F) and the percentage of the relative mean fluorescence intensity of C11-BODIPY of bmMSCs.

WB案例

KRAS突变CRC细胞经过β-elemene和西妥昔单抗联合治疗处理，观察铁死亡相关蛋白的变化。The expression ofpositive regulatory proteins for ferroptosis (HO-1 and transferrin) and the negative regulatory proteins for ferroptosis (GPX4, SLC7A11, FTH1, glutaminase, and SLC40A1)were detected by western blotting after the treatment (β-elemene 125 µg/ml, cetuximab 25 µg/ml) for 24 h.

八、引用文献

1. Xin Chen , Jingbo Li , Rui Kang , Daniel J. Klionsky & Daolin Tang (2020): Ferroptosis: Machinery and Regulation, Autophagy

2. Tang, D., Chen, X., Kang, R., & Kroemer, G. (2020). Ferroptosis: molecular mechanisms and health implications. Cell Research.

3. Borong, Zhou, Jiao, et al. Ferroptosis is a type of autophagy-dependent cell death.[J]. Seminars in Cancer Biology, 2019.

4. Li J , Cao F , Yin H L , et al. Ferroptosis: past, present and future[J]. Cell Death & Disease, 2020, 11(2):88.

5. Mou Y , Wang J , Wu J , et al. Ferroptosis, a new form of cell death: opportunities and challenges in cancer[J]. Journal of Hematology & Oncology, 2019, 12(1).

6. Tang R , Xu J , Zhang B , et al. Ferroptosis, necroptosis, and pyroptosis in anticancer immunity[J]. Journal of Hematology & Oncology, 2020, 13(1).

7. Chen X , Yu C , Kang R , et al. Iron Metabolism in Ferroptosis[J]. Frontiers in Cell and Developmental Biology, 2020, 8.

8. Wang H , Liu C , Zhao Y , et al. Mitochondria Regulation in Ferroptosis[J]. European Journal of Cell Biology, 2019, 99(1):151058.

9. Wang Y , Wei Z , Pan K , et al. The function and mechanism of ferroptosis in cancer[J]. Apoptosis, 2020, 25(11-12).

10. Sun Y , Chen P , Zhai B , et al. The emerging role of ferroptosis in inflammation[J]. Biomedicine & Pharmacotherapy, 2020, 127:110108.

11. X Lin, Ping J , Wen Y , et al. The Mechanism of Ferroptosis and Applications in Tumor Treatment[J]. Frontiers in Pharmacology, 2020, 11.

12. Xu S , Min J , Wang F . Ferroptosis: an emerging player in immune cells (News&Views)[J]. Science Bulletin, 2021(2731–44).

13. Xu S , He Y , Lin L , et al. The emerging role of ferroptosis in intestinal disease[J]. Cell Death & Disease.

14. Chen X , Kang R , Kroemer G , et al. Broadening horizons: the role of ferroptosis in cancer[J]. Nature Reviews Clinical Oncology, 2021.

15. Liu P , Feng Y , Li H , et al. Ferrostatin-1 alleviates lipopolysaccharide-induced acute lung injury via inhibiting ferroptosis[J]. Cellular & Molecular Biology Letters, 2020, 25(1).

16. X Li, Zeng J , Liu Y , et al. Inhibitory Effect and Mechanism of Action of Quercetin and Quercetin Diels-Alder anti-Dimer on Erastin-Induced Ferroptosis in Bone Marrow-Derived Mesenchymal Stem Cells[J]. Antioxidants, 2020, 9(3):205-.

17. Chen P , Li X , Zhang R , et al. Combinative treatment of β-elemene and cetuximab is sensitive to KRAS mutant colorectal cancer cells by inducing ferroptosis and inhibiting epithelial-mesenchymal transformation[J]. Theranostics, 2020, 10(11):5107-5119.

不同细胞死亡形式总结

铁死亡系列文章介绍

不同死亡形式的比较（形态、特征、检测方法、抑制剂）

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