国自然热点│铁死亡机制及检测方法

什么是铁死亡？

铁死亡（ferroptosis）是细胞在小分子物质诱导下发生的氧化性细胞死亡，具有铁离子依赖性。研究发现，铁死亡与神经退行性疾病、肿瘤、动脉硬化、糖尿病、急性肾损伤等多种疾病相关，致病机理复杂，并可通过激活或抑制铁死亡来干预疾病的发展，因此铁死亡成为近年来的研究热点。

 

图1 铁死亡发生机制^[1]

 

铁死亡发生机制

铁死亡是亚铁离子和活性氧（reactive oxygen species，ROS）依赖的脂质过氧化物累积引起的。铁死亡的发生机制如图1：其上游通路是通过直接或间接影响谷胱甘肽过氧化物酶（glutathioneperoxidase，GPXs）的活性，降低细胞抗氧化能力，致使脂质过氧化反应增加，脂质活性氧增多，引起铁死亡的发生。此外，在亚铁离子或酯氧合酶的作用下，催化细胞膜上高表达的不饱和脂肪酸，发生脂质过氧化，从而诱导细胞死亡。铁死亡的本质是谷胱甘肽的耗竭，谷胱甘肽过氧化物酶（GPX4）活性下降，脂质氧化物不能通过GPX4催化的谷胱甘肽还原酶反应代谢，之后亚铁离子氧化脂质产生活性氧，从而促使铁死亡的发生。

 

铁死亡形态特征

目前，研究较多的细胞死亡方式包括铁死亡（ferroptosis）、细胞凋亡（apoptosis） 、细胞坏死（necrosis）和细胞自噬（autophagy），它们在形态上的区别如图2。铁死亡：线粒体皱缩、膜密度增加、线粒体嵴减少或消失。细胞凋亡：染色质凝集、核固缩、碎裂；形成凋亡小体、线粒体形态无明显变化。细胞坏死：细胞器肿胀、质膜损坏、细胞裂解、细胞内容物溢出、组织损伤。细胞自噬：双层膜自噬体（内含胞浆成分，如线粒体、内质网、核糖体等）或单层膜自噬溶酶体（胞浆成分已降解）形成。

图2 细胞铁死亡、凋亡、坏死和自噬的形态症状^[2]

 

铁死亡的调节通路

研究表明，铁死亡可以被多种化合物诱导（表1），其发生受胱氨酸谷氨酸转运受体 ()、p53、GPX4、电压依赖性阴离子通道 (voltage-dependent anion channels，VDACs)等通路的调节。此外，诱导脂质过氧化反应也可导致铁死亡；血红素加氧酶 1（heme oxygenase-1，HO-1）、转铁蛋白是细胞内铁的来源，它们也参与了铁死亡的调节过程^[3]。

 

表1 铁死亡诱导剂和抑制剂

 

铁死亡的判断与检测

细胞发生铁死亡，其在生化特征上表现为铁积累、脂质过氧化、线粒体膜电位降低等。因此可以通过检测以下特异性元素：GPX4和GSH、ROS和脂质过氧化、铁离子水平、线粒体活性等多方向，尽可能全面地验证铁死亡^[4]。

GPX4和GSH检测方法：（1）比色测定法评估GPX4 活性；（2）通过抗 GPX4 的抗体检测

ROS与脂质过氧化检测方法：（1）特异性荧光探针（如 DCHF-DA）进行半定量分析；（2）ELISA和TBAR 检测脂质ROS下游副产物（如 4-HNE 蛋白质加合物和MDA）；(3) 抑制剂：利用特异性抗氧化性铁死亡抑制剂，如 Ferrostatin-1 协同分析。

铁离子水平：（1） 可通过使用例如菲洛嗪等化合物的比色反应来检测铁离子水平，该化合物与铁结合时能显色；（2） 影响铁离子浓度的螯合剂或基因操纵（如转铁蛋白受体、铁蛋白和线粒体铁蛋白）也会影响铁死亡。

线粒体检测：（1）观测线粒体发生铁死亡特征性形态改变:：线粒体膜密度增加，嵴减少，膜电位降低；（2）GPX4 功能降低后几个小时会有细胞碎裂的现象，可使用线粒体标记物如 MitoScene Green I检测线粒体的形态。

铁死亡作为新型程序性细胞死亡方式，近年来在疾病研究中的重要作用逐渐被揭示。虽然目前对其特点、发生机制有了初步的了解，但依旧有许多问题亟待解答，比如进一步揭示铁死亡在各种疾病中的详细调控机制，开发新的铁死亡特异性标志物检测技术等。

 

参考文献：

[1]周文博,孔晨飞,秦高伟,等.铁死亡发生机制的研究进展[J].生物化学与生物物理进展, 2018, 45(1):7.

[2]Dixon SJ, Lemberg KM, Lamprecht MR, et al. Ferroptosis: an iron-dependent form of nonapoptotic cell death[J]. Cell, 2012, 149( 5): 1060-1072.

[3]Gao M, Monian P, Quadri N, et al. Glutaminolysis and transferrin regulate ferroptosis. Mol Cell, 2015, 59(2): 298-308.

[4]孙悦,付松波,李亦兰.心肌细胞铁死亡及其检测方法[J].心血管病学进展, 2023, 44(2):167-171.

 

本期小爱推荐

铁死亡诱导剂：

货号	品名	CAS号	规格
abs810466	Cisplatin	15663-27-1	50mg
abs810744	Erastin	571203-78-6	5mg
abs811256	BAY 87-2243	1227158-85-1	10mg
abs813393	Sulfasalazine	599-79-1	1g
abs814525	FIN56	1083162-61-1	5mg
abs816204	RSL3	1219810-16-8	5mg
abs816675	Artesunate	88495-63-0	10mg
abs817880	Sorafenib	284461-73-0	10mg

 

铁死亡抑制剂：

货号	品名	CAS号	规格
abs47006920	Glutathione	70-18-8	20mg
abs810754	Liproxstatin-1	950455-15-9	5mg
abs812898	Deferoxamine Mesylate	138-14-7	100mg
abs813072	Ferrostatin-1	347174-05-4	10mg
abs813448	Zileuton	111406-87-2	100mg
abs814552	PD-146176	4079-26-9	10mg
abs817234	Deferasirox	201530-41-8	2mg
abs817347	Trolox	53188-07-1	50mg

 

铁死亡研究相关抗体/蛋白：

货号	品名	规格
abs126100	Rabbit anti-4 Hydroxynonenal Polyclonal Antibody	100μL
abs136221	Rabbit anti-GPX4 Polyclonal Antibody	50μg
abs154673	Mouse anti-GSTO1 Monoclonal Antibody(JMMR-2558)	100μL
abs154718	Rabbit anti-GSTP1 Monoclonal Antibody(JRMR-10123-28)	100μL
abs156086	Rabbit anti-CD71/Transferrin Receptor Monoclonal Antibody	50μL
abs159872	Rabbit anti-Transferrin Receptor 1 Monoclonal Antibody(6H2)	100μL
abs44077956	重组人转铁蛋白	100mg
abs47014917	牛转铁蛋白	100mg

 

铁死亡研究检测试剂盒：

货号	品名	规格
abs580011	丙二醛 (MDA)检测试剂盒	96T
abs580105	铁离子检测试剂盒	96T
abs580145	硫代巴比妥酸反应产物(TBARS)检测试剂盒	96T
abs580006	谷胱甘肽检测试剂盒	96T
abs580042	谷胱甘肽还原酶检测试剂盒	96T
abs580136	谷胱甘肽过氧化物酶检测试剂盒	96T

 

铁死亡研究荧光探针与染料：

货号	品名	CAS号	规格
abs42007826	菲啰嗪一钠盐（铁离子检测指示剂）	69898-45-9	1g
abs42197174	DCFH-DA（ROS探针）	4091-99-0	100mg
abs45153746	TMRM Perchlorate（线粒体染料）	115532-50-8	25mg
abs47047744	JC-10 线粒体膜电位荧光探针	—	1mg
abs47048146	4-Di-1-ASP（线粒体染料）	68971-03-9	20mg
abs47048147	MitoScene Green I（线粒体绿色荧光染料）	201860-17-5	50μg

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