Nature综述|铁死亡在疾病中的发病机制、生物学和作用

时间:2021年10月25日
来源:medicaltrend

编辑推荐:

一篇发表在NATURE REVIEWS | MOLECULAR CELL BIOLOGY上的综述系统阐述了铁死亡的分子机制和调控网络,以及铁死亡在抑制肿瘤和免疫监测中的生理功能、病理作用和靶向治疗的潜力;讨论了一些重要概念和亟待解决的问题。这些是未来铁死亡研究的重点。简要介绍如下:

广告
   X   

自2012年铁死亡一词被提出以来,铁死亡引起了人们的广泛关注。这种独特的细胞死亡程序由依赖铁的磷脂过氧化驱动,并受多种细胞代谢途径(包括氧化还原稳态、铁代谢、线粒体活性、氨基酸、脂质和糖代谢)和各种与疾病相关的信号途径的调节。

大多数器官损伤和退行性疾病都是由铁死亡引起的。耐药肿瘤细胞,特别是间充质状态的、易转移的肿瘤细胞,极易发生铁死亡。

因此,通过药理学调控诱导和抑制铁死亡在治疗耐药肿瘤、缺血性器官损伤等与广泛脂质过氧化相关的退行性疾病方面具有很大的潜力。

10201fee1.webp (1).jpg

2021年,一篇发表在NATURE REVIEWS | MOLECULAR CELL BIOLOGY上的综述系统阐述了铁死亡的分子机制和调控网络,以及铁死亡在抑制肿瘤和免疫监测中的生理功能、病理作用和靶向治疗的潜力;讨论了一些重要概念和亟待解决的问题。这些是未来铁死亡研究的重点。简要介绍如下:

在引起细胞氧化应激的因素中,脂质双分子层中的脂质氧化修饰,特别是脂质过氧化,已成为决定细胞命运的重要调节因子。广泛的脂质过氧化细胞死亡的方式称为铁死亡。

脂质过氧化受到环境和基因的影响,包括热、辐射、代谢、氧化还原稳态和细胞间接触,以及致癌和肿瘤抑制信号。与引起铁死亡的因素一样,越来越多的证据表明铁死亡在肿瘤抑制和免疫中发挥着潜在的生理作用。

同时,铁死亡也影响某些真菌的发育和线虫的衰老。研究明确了铁死亡的病理生理关系,这在治疗肿瘤和预防器官缺血性损伤方面尤为重要。

从1950年到1960年,哈里·伊格尔观察到了这种类似铁的死亡现象。缺乏半胱氨酸可导致细胞死亡,内源性合成半胱氨酸可抵抗细胞死亡。半胱氨酸是减少谷胱甘肽(GSH)生物合成的限速因子。

对于谷胱甘肽的合成,半胱氨酸可以通过中性氨基酸转运体或X-c-胱氨酸/谷氨酸反向转运体(含有SLC7A11和SLC3A2亚单位的跨膜蛋白复合物,以下简称为X-c-系统)被氧化并从环境中吸收,或通过蛋氨酸和葡萄糖的转硫途径合成。

现有研究表明,GSH合成或增强的X-c-系统或活性GPX4可使多种细胞免受氧化应激,特别是在没有硫醇引起的细胞死亡的情况下,这些早期研究揭示了铁的死亡机制。

10201fee22.webp.jpg


铁死亡的机制

早期研究表明,X-c-系统-GSH-GPX4的铁死亡途径受到抑制,而过氧化磷脂(PLOOHs)是一种基于活性氧(ROS)形式的脂质,是铁死亡被抑制的关键。

已经发现了依赖GPX4的铁死亡监测途径,PLOOH的合成机制,特别是PLOOH前体多不饱和脂肪酸(PUFAs)的合成和激活也受到了广泛关注。

这些研究集中在细胞代谢方面,揭示了铁死亡与代谢途径之间的密切联系。GPX4是PLOOH的主要中和酶,其主流机制是erastin/RSL3诱导铁死亡。

这一机制说明GPX4-RSL3的失活直接诱导铁死亡,而erastin抑制胱氨酸的转移使细胞失去半胱氨酸,而半胱氨酸是GSH的基本细胞成分,间接诱导铁死亡。

PLOOHs的积累会对细胞膜造成快速且不可修复的损伤,导致细胞死亡。因此,这些研究将铁死亡定义为一种细胞死亡过程,其机制不同于其他已知的死亡过程。

1021fee3.webp.jpg


磷脂过氧化的驱动因素

无限制的脂质过氧化是铁死亡的特征。1950年的早期研究表明,微量元素硒、维生素E和半胱氨酸可能抑制脂质过氧化。

脂质过氧化的激活需要从磷脂(PUFA-PLs)中去除一个双烯丙基氢原子(位于两个碳碳双键之间),该磷脂含有脂质双分子层中的多不饱和脂肪酸酰基。然后形成以碳为中心的磷脂基团(PL),再与氧反应生成磷脂过氧化氢自由基(PLOO),并从另一个PUFA中除去一个氢形成PLOOH。

如果GPX4、PLOOH和脂质自由基(特别是PLOO和烷氧基磷脂自由基PLO)不能转化为相应的醇(PLOH),这些物质将通过在远端去除PUFA-PLs而被去除。氢原子反应生成PLOOH,与氧分子反应生成PLOOHs。

最终,这会产生许多产物,包括脂质过氧化物的分解产物(如4-羟基壬烯酸和丙二醛)以及氧化和修饰的蛋白质。

这种连锁反应可能最终破坏细胞膜的完整性,导致细胞器和/或细胞膜破裂。神经元相关研究表明,PUFA-PL含量较高的膜易发生过氧化。现有研究尚不清楚哪种脂质过氧化细胞膜(如线粒体、内质网、过氧化物酶体、溶酶体和细胞膜)与铁死亡有关。

细胞对铁死亡的敏感性取决于脂质双分子层的不饱和程度,但脂质过氧化是如何发生的仍不清楚。脂质自由基或羟基自由基(OH)的产生可以触发非酶性脂质过氧化反应,这可能是由铁作为催化剂的芬顿反应驱动的。

某些脂加氧酶(LOXs)是针对PUFAs的非依赖性血红素双加氧酶,可以直接氧化生物膜上的PUFAs和含pufa的脂质,提示LOXs可能可以诱导铁死亡。LOXs在铁死亡中的作用尚不清楚,最新研究表明泛表达的细胞色素P450氧化还原酶(POR)也在脂质过氧化中发挥作用。

NADPH通过POR提供电子,下游的电子受体(如细胞色素P450和CYB5A)接受电子并相应降低。这可能是由于PUFAs的脱氢或三价铁的还原转化为二价铁直接或间接触发脂质过氧化。

1021fee4.webp.jpg

铁死亡代谢

铁、脂类、ROS和半胱氨酸在铁死亡中的作用表明,细胞死亡方式与细胞代谢密切相关。Xuejun Jiang教授的研究试图探索新陈代谢是如何决定细胞命运的,以进一步揭示铁死亡和新陈代谢之间的复杂关系。

自噬的分解代谢过程是应对各种胁迫的重要生存机制,但自噬是否能促进细胞死亡(即“自噬细胞死亡”)以及如何促进细胞死亡一直是争论的焦点。

研究发现,当培养基中有完整的血清且缺乏氨基酸(触发自噬的状态)时,自噬促进非凋亡、非坏死的细胞死亡。

血清中的转铁蛋白和谷氨酰胺是这种形式的细胞死亡所必需的,特别是剥夺细胞培养基中的半胱氨酸可以触发细胞死亡。铁和半胱氨酸依赖性的保护作用表明,铁死亡是在这些条件下细胞死亡的一种机制。

在缺乏半胱氨酸引起的铁死亡中,自噬是通过铁蛋白(也称为铁自噬蛋白)的自噬降解实现的,这增加了细胞中不稳定的铁含量,使铁死亡更加敏感。

由于缺乏半胱氨酸,谷氨酰胺代谢或谷氨酰胺分解是铁死亡的必要条件,而半胱氨酸将铁死亡与氧化代谢联系起来。

谷氨酰胺是促进线粒体三羧酸循环(TCA)的关键补充代谢产物,TCA增加线粒体的呼吸频率,促进ROS的产生。

因此,线粒体的正常代谢功能与铁死亡有关——这一结论已通过药理学、细胞学和遗传学分析得到证实。

 


不依赖GPX4的监控通道

最近,一项全基因组筛查揭示了一种不依赖GPX4的铁死亡监测机制。第一种机制涉及铁死亡抑制蛋白1 (FSP1;也被称为AIFM2)。AIFM1最初被认为是FSP1的同源物,可以促进细胞凋亡(如FSP1/AIFM2)。

现在认为这与线粒体膜之间蛋白质的运输和正确折叠有关。FSP1缺乏实质性的促凋亡功能,但实际上可以保护细胞免受GPX4基因抑制或缺失引起的铁死亡。

FSP1是肉豆蔻酰化的,与多种细胞膜结构(包括细胞膜、高尔基体和核周结构)有关。豆蔻酰化位点的突变将失去抗铁死亡功能。

由于NADH的泛素氧化还原酶活性,FSP1通过还原泛素(或其部分氧化产物半对苯二酚)产生泛素来抑制脂质过氧化和铁死亡,从而降低脂质过氧化和铁死亡,从而直接降低脂质自由基并终止脂质自氧化,或通过再生和氧化维生素E(一种强大的天然抗氧化剂)间接阻止脂质自氧化(见上面图2)。另一项研究表明,GTP环水解酶1 (GCH1)通过其代谢产物四氢生物terophyllin (BH4)和二氢生物terocancer (BH2)阻止铁死亡。

BH4对含有两个PUFA尾部的磷脂具有抗氧化降解作用,这可能涉及一个双重机制:直接捕获抗氧化自由基并参与泛素酮的合成(见上面图2c)。

虽然GCH1在保护组织和器官免受铁死亡方面的作用尚不清楚,但基因敲除研究表明,缺乏GCH1基因的小鼠在妊娠中期会发生心动过缓和胚胎死亡。

除了直接作用于脂质双分子层的过氧化物或通过捕获抗氧化自由基作用于磷脂的自由基外,可能还有其他机制可以保护细胞免受脂质过氧化损伤。

角鲨烯是胆固醇代谢的代谢物。它对胆固醇缺乏的淋巴瘤细胞系和原发肿瘤有抗铁死亡作用。然而,这是一种肿瘤亚型特异性效应还是一种常见的保护机制尚待验证(图2c)。


Hippo–YAP信号通路在铁死亡中的作用

Hippo–YAP信号通路参与多种生物学功能,包括控制细胞增殖和器官大小。研究人员已经研究了这一途径在铁死亡中的作用,并观察到高密度细胞往往更能抵抗由缺乏半胱氨酸和GPX4抑制引起的铁死亡。

在机制上,上皮细胞铁死亡的细胞密度效应是由E-cadherin介导的细胞-细胞接触介导的,通过NF2(又称Merlin)肿瘤抑制蛋白激活Hippo信号通路。因此,抑制核转位和转录共同调节YAP因子的活性。

YAP以多种铁死亡调控因子(ACSL4、转铁蛋白受体和其他调控因子)为靶标,而铁死亡的易感性取决于Hippo通路的活性,Hippo的活性随着Hippo的抑制和YAP的激活而增加(文章图4)。

在主要表达TAZ而不是YAP的肾癌细胞中,发现YAP类似物TAZ通过调节细胞密度促进铁死亡。E-cadherin–NF2–Hippo–YAP/TAZ通路在决定铁死亡敏感性中起重要作用。

首先,该通路的多个成分在肿瘤中经常发生突变,可增强YAP/TAZ的表达和/或活性,诱导铁死亡可能成为某些特定肿瘤的潜在治疗方法。其次,在不表达E-cadherin的非上皮细胞中也观察到细胞密度依赖性铁死亡。

研究人员认为,其他钙粘蛋白或细胞粘附分子也可能通过类似机制抑制铁死亡。第三,Hippo–YAP通路在发育过程中非常重要。

它与多种信号通路相互作用,铁死亡与正常细胞生物学之间可能存在联系。最后,研究人员推测钙粘蛋白的原始功能可能是保护细胞免受氧化应激和铁死亡。

1021fee5.webp.jpg


AMPK信号通路在铁死亡中的作用

细胞代谢应激和葡萄糖缺乏增加了ROS的产生,表明葡萄糖缺乏促进铁死亡。然而,一些研究认为,缺乏葡萄糖可以抑制铁死亡。这种保护依赖于腺苷酸激活蛋白激酶(AMPK)的活性。在缺乏葡萄糖的情况下,AMPK被激活,能量应激保护程序被激活,通过扰乱PUFAs的生物合成来对抗铁死亡,PUFAs是脂质过氧化导致铁死亡的必要条件(文章图4)。


肿瘤抑制中的铁死亡

研究表明,多种肿瘤抑制因子可使细胞对铁死亡敏感。仔细分析p53特异的赖氨酸乙酰化位点,研究人员发现p53通过抑制X- c – 系统来增强铁死亡亚基SLC7A11系统的转录,这可能参与了p53在体内和体外的肿瘤抑制功能。

肿瘤易感p53单核苷酸多态性导致P47S氨基酸替换,抵抗肿瘤细胞铁死亡。

目前尚不清楚p53导致铁死亡活性的丧失是否是这些特定突变的唯一功能性后果。相反,p53也通过调节其他转录靶点来防止铁死亡。由于p53调控靶基因参与多种生物学过程,其在铁死亡中的确切作用可能与环境有关。

与p53相似,肿瘤抑制因子和表观遗传调节因子BAP1通过下调SLC7A11的表达促进铁死亡。与p53不同,p53的铁死亡促进活性已被证实能抑制机体肿瘤的发生,但BAP1的铁死亡活性是否能产生抑癌功能尚不清楚。


免疫监测中的铁死亡

研究表明,铁死亡在免疫细胞诱导的细胞死亡中起重要作用。IFN -γ (IFNγ)抑制X- c – 系统,CD8 + T细胞产生细胞因子铁致肿瘤细胞死亡。

免疫细胞诱导铁死亡的机制是否与其生理功能有关尚不清楚。IL-4和IL-13在某些细胞(肾、肺、脾、心)中抑制GPX4的表达,增加ALOX15的表达,并产生大量重要的炎症中间体——花生四烯酸代谢物。

GPX4通过降低脂质过氧化作用,抑制LOXs和环氧合酶的活性,削弱GPX4的活性,可能影响免疫调节脂质介质的分泌,然后通知免疫系统细胞处于铁死亡敏感性状态,有助于免疫监测(发现损伤或恶性肿瘤)。


诱发铁死亡的潜在抗癌疗法

目前,基于铁诱导死亡的癌症治疗方法正在积极探索。人们已经尝试使用基于纳米颗粒的非靶向策略来运送铁、过氧化物和其他有毒物质来杀死肿瘤细胞。多种调控铁死亡的酶的存在使得靶向治疗的发展成为可能。

其中最重要的靶点是GPX4,它在大多数癌细胞系中都有表达,对癌细胞的存活至关重要。GPX4缺乏经典的小分子结合袋和现有的GPX4抑制剂共价修饰GPX4和其他硒蛋白的硒半胱氨酸残基,具有特异性和潜在毒性。

这些抑制剂是高度活跃和不稳定的,但它们可以被胶囊化前药物的发展所克服,这些前药物在细胞中代谢,将其转化为活性形式。GPX4对于各种外周组织,如小鼠肾小管细胞和某些神经元亚群是必不可少的。

因此,除非使用靶向肿瘤细胞的治疗方法,否则靶向GPX4可能会有副作用。

GPX4靶向不同,考虑到敲除基因Slc7a11小鼠不会引起重大病理变化,并且SLC3A2和/或Slc7a11基因的表达与黑色素瘤和胶质瘤患者的临床结果呈负相关,通过抑制X-c系统,限制细胞半胱氨酸的方法是非常有前景的。

事实上,在小鼠或通过药理学抑制遗传学的X-c-来抑制各种肿瘤的生长和转移已经是非常有希望的系统结果,它既有效又低毒。

与正常的X-c-系统相比,它对肿瘤组织的抑制作用更强因为在氧化应激期间,它更容易受到活性代谢变化和其他方面的影响,因此更依赖于X-c系统的ROS解毒功能。

专家意见

使用基于抑制X-c-治疗的系统,对肿瘤患者的需求分为明确的X-c-表达系统(例如,SLC7A11过表达的半胱氨酸依赖性癌细胞显示明确的活性氧),以及决定X-c-之前讨论的肿瘤抑制,因为该系统对其他生物标记物敏感。

与缺少Slc7a11类似,敲除Fsp1不会导致胚胎死亡或产生明显的病理变化,表明靶向Fsp1具有广阔的治疗窗口。

FSP1在大多数癌细胞系中大量表达,是860个与GPX4抑制剂耐药性相关的癌细胞系中排名最高的基因。缺少一个基因的GPX4癌细胞可能是一种特异的FSP-iFSP1失活抑制剂,并储存在铁和iFSP1-RSL3协同诱导的癌基因GPX4死亡中。

因此,FSP1抑制剂可用于临床,特别是用于治疗耐药肿瘤或具有分化特征的肿瘤。

 


专家评语

作为一种独特的细胞死亡方法,铁死亡将先前细胞代谢的不同成分整合成一个紧密的网络,包括铁、硒、氨基酸、脂质和氧化还原反应(图1)。随着铁死亡研究的进展,我们已经开始意识到这个网络在生物过程(生理学和病理学)中起着广泛的作用。

铁死亡的定义是铁耗尽和亲脂自由基抗氧化剂(如铁抑制素1、脂蛋白抑制素1、维生素E或泛素)抑制细胞死亡的过程。

主要有两种机制,一种是铁依赖性致死机制,并不完全等同于铁死亡,铁死亡可能与溶酶体毒性有关;二是铁非依赖性氧化应激机制。

研究人员还发现了另一种可能性:直接检测脂质过氧化(使用质谱、荧光染料或1F83等抗体)。最新研究表明,转铁蛋白受体的动员和上调是铁死亡的另一个潜在标志,它可以区分氧化应激和铁死亡。

其他铁死亡标记在这一领域仍有很高的价值。该领域的另一个焦点是,使用实验方法不适合处理预期的问题。这是任何新兴领域中不可避免的问题。

虽然铁死亡的调控机制已经取得了相当大的进展,但导致细胞死亡的铁死亡的确切分子事件仍不清楚。在未来几年中,铁死亡的发病机制有望得到阐明。

这些研究将深入阐明铁死亡的生理和病理效应。在使用特定生物标志物和准确评估患者背景的指导下,新的基于铁死亡的疗法将被发现并应用于临床。



生物通微信公众号
微信
新浪微博


生物通 版权所有