科學(xué)家們發(fā)現了一種新的細胞死亡方式--鐵死亡

隨著(zhù)對細胞死亡研究的不斷深入，科學(xué)家們發(fā)現了一種新的細胞死亡方式--鐵死亡。由于鐵死亡的激活可導致腫瘤細胞的死亡，因此這種受調控的細胞死亡方式使得治療癌癥成為可能。

曾以?xún)善叻治恼聻槔?，帶?zhù)大家領(lǐng)略了一下鐵死亡的研究思路：

第一篇是關(guān)于p53能夠通過(guò)SLC7A11調節胱氨酸代謝，調控ROS應答并通過(guò)鐵死亡抑制腫瘤生長(cháng)；第二篇則是關(guān)于能量脅迫可以激活AMPK激活，從而抑制ACC并降低花生四烯酸的合成，最終抑制鐵死亡。

鑒于鐵死亡熱度如同這火熱夏季一般持續不減，小優(yōu)也是在持續關(guān)注，在查閱文獻中發(fā)現一篇53分的高分文章，忍不住要拿出來(lái)與大家分享一番。內容較多，干貨滿(mǎn)滿(mǎn)，必要時(shí)請收藏保存。

 

文如其名，屬實(shí)可以讓我們“大開(kāi)眼界”！文章主要介紹了鐵死亡的關(guān)鍵分子機制，描述了鐵死亡與腫瘤相關(guān)信號通路之間的串擾，并討論了鐵死亡在全身治療、放射治療和免疫治療中的潛在應用。

那么為了方便大家快速閱讀文章，小編也整理出了文章的核心觀(guān)點(diǎn)：

1.鐵死亡是一種調控細胞死亡的形式，主要依賴(lài)于鐵介導的氧化損傷和隨后的細胞膜損傷。

2.鐵死亡可通過(guò)兩種主要途徑引起:外源性/轉運體依賴(lài)途徑，以及內源性/酶調節途徑。

3.鐵積累的增加，自由基的生產(chǎn)，脂肪酸供應和脂質(zhì)過(guò)氧化的專(zhuān)用酶是誘導鐵死亡的關(guān)鍵。

4.多個(gè)氧化和抗氧化系統，與自噬和膜修復機制共同作用，形成了鐵死亡中脂質(zhì)過(guò)氧化的過(guò)程。

5.在形成腫瘤的過(guò)程中中，鐵死亡在腫瘤促進(jìn)和抑制中具有雙重作用，這取決于損傷相關(guān)分子模式的釋放和腫瘤微環(huán)境中鐵死亡損傷引發(fā)的免疫反應的激活。

6.鐵死亡影響化療、放療和免疫治療的療效，因此聯(lián)合靶向鐵死亡信號的藥物可以改善鐵死亡這些治療的結果。

好嘞，相信大家瀏覽完上述內容，已經(jīng)對文章大意有所了解，接下來(lái)讓我們細細研磨這篇文章的精華，感受高分文章的魅力所在吧！

首先，我們需要了解什么是鐵死亡？

鐵死亡是鐵依賴(lài)性的、非細胞凋亡性的細胞死亡形式。它主要是細胞內脂質(zhì)活性氧（ROS）生成與降解的平衡失調所致，當細胞抗氧化能力降低，脂質(zhì)活性氧堆積，就能引起細胞氧化性死亡，即鐵死亡。

鐵死亡可以通過(guò)外部或內在的途徑被引發(fā)。外部途徑是通過(guò)抑制細胞膜轉運體如胱氨酸/谷氨酸轉運體(也稱(chēng)為XC-系統)或通過(guò)激活血清轉鐵蛋白和乳轉鐵蛋白來(lái)啟動(dòng)的。內部途徑通過(guò)細胞內抗氧化酶(如谷胱甘肽過(guò)氧化物酶GPX4)的阻斷而被激活。

 

圖1 鐵死亡的分子機制

以抑制鐵死亡通路為例。胱氨酸（Cys2）經(jīng)XC-系統進(jìn)入細胞，然后被氧化成半胱氨酸（Cys），Cys用于谷氨酸-半胱氨酸連接酶(GCL)和谷胱甘肽合成酶(GSS)催化合成谷胱甘肽(GSH)的反應。GPX4利用GSH作為還原輔助因子，能夠將脂氫過(guò)氧化物還原為脂醇。GSH-GPX4抗氧化系統在保護細胞免于鐵死亡中起著(zhù)重要作用。AIFM2-CoQ10、ESCRT-III膜修復和GCH1-BH4體系也能抑制鐵死亡。

 

一、鐵死亡的氧化損傷

鐵積累和脂質(zhì)過(guò)氧化是在鐵死亡過(guò)程中引發(fā)膜氧化損傷的兩個(gè)關(guān)鍵信號。鐵死亡的核心分子機制涉及調節氧化損傷和抗氧化防御之間的平衡。

在動(dòng)物模型中，由于多個(gè)水平的干預(如增加鐵吸收、減少鐵儲存和限制鐵外流)導致鐵增加，通過(guò)完整信號通路促進(jìn)了鐵死亡。

 

 圖2：鐵死亡中的鐵代謝

載鐵的血清轉鐵蛋白-轉鐵蛋白受體(TFRC)復合物通過(guò)核內體內化，通過(guò)自然抗性相關(guān)巨噬細胞蛋白(SLC11A2)釋放鐵(Fe2+)到細胞質(zhì)中。乳轉鐵蛋白和血紅素通過(guò)細胞膜中不同的攝取途徑提供額外的鐵來(lái)源。Fe2+主要通過(guò)細胞膜上的溶質(zhì)載體家族(SLC40A1)輸出，但也可以通過(guò)外泌體作為鐵蛋白輸出。鐵死亡在翻譯水平上受鐵調節蛋白(IRPs) ACO1和IREB2的調控。

在鐵死亡中，多不飽和脂肪酸(PUFAs)，特別是花生四烯酸和腎上腺酸，最容易發(fā)生過(guò)氧化反應，從而導致脂質(zhì)雙分子層的破壞，影響膜功能。細胞膜中PUFAs的生物合成和重構需要ACSL4和LPCAT3酶。ACSL3將單不飽和脂肪酸(MUFAs)轉化為?；o酶A酯，并與膜磷脂結合，從而保護癌細胞免受鐵死亡。AMPK介導的beclin 1磷酸化通過(guò)抑制還原谷胱甘肽(GSH)的產(chǎn)生來(lái)促進(jìn)鐵死亡，而AMPK介導的ACAC磷酸化被認為通過(guò)限制PUFA的產(chǎn)生來(lái)抑制鐵死亡。

了解了一些促進(jìn)和抑制鐵死亡的的分子機制，相信大家已經(jīng)有所收獲了，接來(lái)下作者就鐵死亡在癌癥中的相關(guān)通路做了詳細總結。

二、鐵死亡中癌癥相關(guān)通路

RAS

RAS家族的致癌基因(HRAS、NRAS和KRAS)是所有人類(lèi)癌癥中最常見(jiàn)的突變基因。Sotorasib是一種KRAS-G12C突變蛋白的直接抑制劑，在NSCLC73患者中具有很好的活性，另一種選擇性抑制劑Adagrasib也顯示出較好的臨床活性。RAS或其下游信號分子(BRAF、MEK和ERK)的基因或藥理性的抑制作用逆轉Erastin和RSL3的抗癌活性,可能是因為RAS基因突變信號通過(guò)調節鐵代謝相關(guān)基因的表達,如TFRC、FTH1、FTL豐富了細胞的鐵水平。這些臨床前研究結果支持了我們的觀(guān)點(diǎn)，即誘導鐵死亡可能構成一種適合的策略來(lái)對抗致癌的載RAS腫瘤。

TP53

一些代謝相關(guān)基因，如SAT1、FDXR88和GLS2在各種條件下都被報道為p53介導的鐵死亡的直接靶點(diǎn)。p53可以通過(guò)直接結合二肽基肽酶DPP4來(lái)抑制人結直腸癌(CRC)細胞中NOX介導的脂質(zhì)過(guò)氧化或通過(guò)誘導纖維肉瘤細胞中CDKN1A的表達來(lái)限制鐵死亡。

p53的表達增加了erastin誘導的ROS生成，部分依賴(lài)于SCL7A11表達降低：

 

 圖3

（與圖4皆引自Upregulation and activation of p53 by erastininduced reactive oxygen species contribute tocytotoxic and cytostatic effects in A549 lung cancer cells）

以在A549細胞中的實(shí)驗為例，結果表明：

3A：A549-p53si細胞中的ROS水平低于A(yíng)549-CTLsi細胞中的ROS水平

3B：SCL7A11si有效敲低SCL7A11的表達，而又不干擾p53的表達

3C：?jiǎn)吻玫秃凸睬玫途芤种芌OS，p53可能通過(guò)抑制SCL7A11而部分誘導了ROS的產(chǎn)生

 

Erastin誘導p53表達對A549細胞產(chǎn)生細胞毒作用，導致鐵死亡和凋亡：

 

 圖4

結果表明：

圖4A.B：erastin可以有效抑制A549細胞的存活。Si-p53減弱了erastin的細胞毒性。

通過(guò)檢測caspase-3活性而確認的凋亡（圖4C），p53的敲低抑制了erastin誘導的細胞死亡，如CFSE / PI雙重染色（圖4D）。

通過(guò)在不干擾caspase-3活性的情況下抑制細胞鐵死亡（圖4E），p53敲低也抑制erastin誘導的凋亡作用（圖4F.G）

迄今發(fā)表的數據不僅表明脂質(zhì)過(guò)氧化是鐵死亡的一個(gè)關(guān)鍵因素，而且還表明鐵死亡的單個(gè)p53靶基因或結合蛋白在整體中的重要性可能是細胞類(lèi)型特異性的。

NFE2L2

臨床前研究表明，NFE2L2信號轉導是抗鐵死亡的重要防御機制，并參與了Sorafenib在HCC細胞中的導入。NFE2L2通過(guò)反式激活幾個(gè)與鐵代謝、GSH代謝和ROS解毒酶有關(guān)的細胞保護基因來(lái)限制鐵死亡中的氧化損傷。NFE2L2的功能增益突變或KEAP1的功能缺失突變進(jìn)一步增加了氧化應激反應的復雜性，這反過(guò)來(lái)可能影響對鐵死亡的抗性。

 

 圖5：KEAP1的蛋白質(zhì)結構域

（與圖6皆引自NRF2 and the Hallmarks of Cancer）

KEAP1由一個(gè)N端結構域(NTR)、一個(gè)Broad-Complex、軌道、bric-à-brac (BTB)結構域、一個(gè)干預區(IVR)和六個(gè)與C端結構域(CTR)結合的Kelch結構域組成，這些結構域與NRF2、p62和其他E/ STGE蛋白相互作用。BTB結構域對于KEAP1二聚和與CUL3的相互作用非常重要，它包含一個(gè)半胱氨酸殘基(C151)，可以感知活性氧(ROS)和親電試劑。位于其他KEAP1結構域的其他半胱氨酸殘基對其他刺激有響應(未顯示)。

 

 圖6：NRF2的信號通路

NRF2受E3泛素連接酶復合物的負調控:KEAP1-CUL3-RBX1復合物、β-TrCP-SKP1-CUL1-RBX1復合物和HRD1。當NRF2蛋白在暴露于活性氧(ROS)、親電試劑或自噬異常調節后而升高時(shí)，NRF2會(huì )轉位到細胞核，與sMAF蛋白二聚，并與抗氧化反應元件(ARE)結合，激活其靶基因的轉錄。圖6指出了NRF2靶基因調控的一般過(guò)程的例子。

HIF

在HT-1080纖維肉瘤細胞中，缺氧誘導表達的HIF1α通過(guò)增加脂肪酸結合蛋白3和7的表達來(lái)抑制鐵死亡，從而促進(jìn)攝取脂肪酸和增加儲存脂質(zhì)的能力，避免隨后的脂質(zhì)過(guò)氧化。相反，在RCC來(lái)源的細胞中，EPAS1的激活通過(guò)上調HILPDA的表達來(lái)促進(jìn)鐵死亡，從而增加PUFA的產(chǎn)生和隨后的脂質(zhì)過(guò)氧化。因此，有效控制HIF介導的信號對維持脂質(zhì)穩態(tài)以形成鐵死亡性反應是必要的。

 

 圖7：EGLN2介導的HIF1A下調促進(jìn)了鐵死亡

（引自Clockophagy is a novel selective autophagy process favoring ferroptosis）

7A：用RSL3 (0.5 μM)處理HT1080和Calu-1細胞12小時(shí)后，對內參和EGLN2敲除(EGLN2KD) HT1080和Calu-1細胞中的指示蛋白進(jìn)行Western blot分析。

7B ：Western blot檢測HT1080和Calu-1細胞中RSL3 (0.5 μM)在無(wú)adaptaquin (4 μM)作用12小時(shí)后的表達情況。

7C.D ：RSL3 (0.5 μM)在沒(méi)有或有chetomin (0.25 μM)和KC7F2 (25 μM)作用12小時(shí)后的MDA水平(C)和細胞死亡(D)分析(n = 3，*P < 0.05)。

7E：在缺氧(1% O2)處理24小時(shí)后，對HIF1A敲低(HIF1AKD) HT1080和Calu-1細胞中指示蛋白做Western blot分析對照。

7F~I：分析MDA水平(F),細胞死亡(G),脂滴(H)和基因mRNA (I)表示的在缺氧(1% O2, 24小時(shí))預處理后進(jìn)行在RSL3(0.5μM), FIN56(5μM) 12小時(shí)(n = 3 * P < 0.05)條件下HT1080和Calu-1細胞培養。

結果表明：

00001. 在EGLN2下調或過(guò)表達artnl的HT1080細胞中，使用HIF1A抑制劑(例如，chetomin和KC7F2)或敲除HIF1A可恢復RSL3誘導的MDA生成(圖7C)和細胞死亡(圖7D)。

00002. 缺氧預處理誘導了hif1a的表達(圖7E)。

00003. 脂滴的形成，在RSL3和FIN56的響應下，通過(guò)缺氧誘導的HIF1A激活得以恢復(圖7H)。

綜上所述，這些發(fā)現證實(shí)了HIF1A是鐵死亡的促存活因子，而EGLN2介導的HIF1A下調促進(jìn)了鐵死亡。

EMT

LYRIC蛋白(又稱(chēng)異粘蛋白)是EMT的正調節器，通過(guò)抑制GPX4和SLC3A2的表達來(lái)促進(jìn)鐵死亡。CD44依賴(lài)的鐵內吞作用增加促進(jìn)鐵依賴(lài)的去甲基化酶的活性，促進(jìn)與EMT信號相關(guān)的基因的表達，從而使乳腺癌細胞對鐵死亡敏感。這些臨床前研究的數據表明，EMT可能會(huì )導致對基于鐵死亡的治療的易感性。

圖8：EMT在鐵死亡中的作用

在上皮細胞中，細胞-細胞接觸抑制鐵死亡，部分是通過(guò)鈣粘蛋白1介導的抑制YAP1轉錄活性。相比之下，間充質(zhì)狀態(tài)的細胞由于細胞-細胞接觸的缺失和參與上皮-間充質(zhì)轉化(EMT)的因子的激活，如ZEB1、SNAI1和TWIST1，容易發(fā)生鐵死亡。

那么哪些藥物可能是通過(guò)鐵死亡的途徑來(lái)治療腫瘤呢？它的作用機理是什么呢？作者下文也展開(kāi)了探討。

 

三、腫瘤治療中的鐵死亡

系統治療

傳統的細胞毒性和靶向藥物通過(guò)多種機制發(fā)揮作用，其總體目標是通過(guò)誘導癌細胞死亡而不影響未轉化細胞來(lái)減緩或阻止腫瘤生長(cháng)。 越來(lái)越多的臨床前證據表明，誘導鐵死亡可能是一種有用的治療策略，可預防對多種癌癥療法（如拉帕替尼、厄洛替尼、曲美替尼、達拉非尼和威羅菲尼）的獲得性耐藥。

索拉非尼（Sorafenib）	1. 索拉非尼是第一個(gè)被批準用于治療不能切除的肝癌、晚期腎癌和分化型甲狀腺癌的多酪氨酸激酶抑制劑； 2. 索拉非尼抑制多種細胞內激酶（RAF、野生型和突變型 BRAF）和細胞表面激酶（KIT、FLT3、RET、VEGFR1-3 和 PDGFRB）； 3.索拉非尼通過(guò)靶向激酶（RAF,KIT,BET等）誘導前列腺癌細胞或肝癌細胞的凋亡和自噬； 4.索拉非尼通過(guò)抑制XC-系統的活性來(lái)誘導鐵死亡。 5.在臨床環(huán)境中，鐵死亡和/或細胞凋亡對索拉非尼抗癌活性的貢獻程度仍不清楚。
柳氮磺吡啶（Sulfasalazine）	1.柳氮磺吡啶及其代謝物的作用機制可能與淋巴細胞抑制作用和白細胞調節作用有關(guān)； 2.除了抗炎活性，柳氮磺吡啶還可以通過(guò)抑制xc -系統來(lái)抑制淋巴瘤和其他癌細胞的生長(cháng)。
他汀類(lèi)藥物（Statins）	1.通過(guò)減少甲羥戊酸途徑中異戊烯焦磷酸的產(chǎn)生，他汀類(lèi)藥物能夠抑制硒蛋白（如GPX4）和輔酶Q10的生物合成，從而促使鐵死亡或選擇性誘導間充質(zhì)細胞的調節性細胞死亡。 2.那些調控鐵死亡的膽固醇調節基因和蛋白表達水平的有關(guān)信息可能有助于確定最有可能對他汀類(lèi)藥物有臨床反應的患者。
青蒿素（Artemisinins）	除了誘導細胞凋亡，青蒿素(尤其是青蒿琥酯和雙氫青蒿素)還可以通過(guò)促進(jìn)鐵蛋白吞噬從而增加細胞內游離鐵水平，從而引發(fā)癌細胞的鐵死亡。
胱/半胱氨酸酶 （Cyst(e)inase）	1.Cyst(e)inase可以有效降解小鼠和食蟹猴血清中的半胱氨酸和胱氨酸；                                                         2.使用胱氨酸酶調節細胞外胱氨酸水平的策略可以為基于鐵死亡的抗癌療法開(kāi)辟新的治療機會(huì )，特別是與ROS誘導藥物（如阿霉素、吉西他濱、紫杉醇、5-氟尿嘧啶、硼替佐米和三氧化二砷）聯(lián)合使用時(shí)。

 

 

免疫療法

免疫檢查點(diǎn)抑制劑（ICIs）主要通過(guò)激活有效的細胞毒性T細胞驅動(dòng)的抗腫瘤免疫反應來(lái)發(fā)揮作用，而細胞毒性T細胞驅動(dòng)的免疫可誘導癌細胞中的鐵死亡（圖9）。

a.IFN-γ誘導死亡的活性         b.TGFβ1誘導鐵死亡的活性        c.鐵死亡的免疫調節作用

 

圖9：鐵死亡在腫瘤免疫中的作用

00001. CD8+T細胞釋放的IFN-γ通過(guò)激活JAK1-STAT1信號通路誘導腫瘤細胞鐵死亡，JAK1-STAT1信號通路轉錄調控SLC7A11和4F2細胞表面抗原重鏈(SLC3A2)的表達。

00002. 許多類(lèi)型的細胞(如巨噬細胞)釋放的TGFβ1通過(guò)SMAD蛋白介導的信號激活促進(jìn)腫瘤細胞鐵死亡，從而轉錄調控靶基因的表達。

00003. 鐵性腫瘤細胞釋放損傷相關(guān)分子模式(DAMPs)，如高遷移率族蛋白B1(HMGB1)、KRAS-G12D和8-羥基鳥(niǎo)苷(8-OHG)，影響腫瘤微環(huán)境中固有免疫細胞(如巨噬細胞)的功能。

00004. 淋巴組織中的腫瘤細胞，如轉移性黑色素瘤細胞，脂質(zhì)過(guò)氧化水平較低，因此限制了鐵死亡，并比在血液中具有更高的轉移潛能。

放療

放療主要誘導DNA損傷下游細胞的凋亡。ATM介導的SLC7A11下調與放療誘導的癌細胞中鐵死亡有關(guān)，而在皮下腫瘤模型中，放療聯(lián)合ICIs會(huì )使這種抗癌作用增強。除了下調SLC7A11，放療還上調ACSL4，從而增加脂質(zhì)合成和隨后的氧化損傷，從而誘導鐵死亡。

 

 

圖10：鐵死亡在放射治療中的作用

放療可通過(guò)多種機制引起癌細胞的鐵死亡。抑制SLC7A11激活ACSL4的表達，從而促進(jìn)PUFAs插入到膜磷脂中，形成含多不飽和脂肪酸的磷脂(PUFA-PLs)，用于隨后的脂氧合酶介導的氧化。受輻射的腫瘤細胞釋放的微粒(RT-MPs)主要通過(guò)鐵死亡來(lái)產(chǎn)生，這種微?？烧T導旁效應。環(huán)狀GMP-AMP合成酶(cGAS)的激活信號誘導自噬依賴(lài)的鐵死亡。

納米療法

使用攜帶化學(xué)物質(zhì)或生物材料的納米粒子將為提高現有的鐵死亡誘導劑的療效以及開(kāi)發(fā)治療癌癥的新誘導劑提供可能性。例如，鐵死亡誘導劑醉茄素A在水中溶解度較差，對小鼠有毒性。如果使用兩親性可降解的PH敏感納米載體給藥，可避免這種不利的藥物學(xué)特征。然而，納米顆粒對人類(lèi)健康的長(cháng)期影響仍需仔細評估。

四、挑戰與看法

靶向調控腫瘤細胞中鐵死亡的途徑是一種新興的抗癌策略。盡管對鐵死亡的研究迅速發(fā)展，但在文末作者仍提出了幾個(gè)有待解決的挑戰。

1.脂質(zhì)過(guò)氧化對于鐵死亡至關(guān)重要，但細胞毒性是由該反應本身的產(chǎn)物介導的，還是需要脂質(zhì)過(guò)氧化下游的信號分子介導的，仍有待確定。作者認為，可能是與未知蛋白形成的加合物導致細胞膜透孔的形成，介導了脂質(zhì)過(guò)氧化的致死效應。

2.腫瘤細胞(包括癌癥干細胞)的代謝重編程是如何與癌細胞特異性的鐵死亡性反應相結合的尚不清楚。

3.鐵死亡激活物可引起骨髓損傷。降低促進(jìn)鐵死亡藥物的毒性或脫靶效應仍然是一個(gè)挑戰。

4.為了最大限度地提高預鐵死亡癥治療的療效，對腫瘤細胞適應和產(chǎn)生耐藥性的機制還需更全面的了解。

5.如何識別對促鐵死亡癥治療反應的生物標志物?盡管它們的臨床意義尚不清楚，但確定與反應性相關(guān)的生物標志物，對制定治療計劃有幫助！

相關(guān)鐵死亡化合物庫鏈接：

https://www.tsbiochem.com/usr/uploads/files/2022-09/%E9%99%B6%E6%9C%AF%E7%94%9F%E7%89%A9%E5%8C%96%E5%90%88%E7%89%A9%E5%BA%93.pdf