胡善林， 莫?dú)J國， 羅建芳， 聶云鳳

(1. 廣西醫(yī)科大學(xué)腫瘤醫(yī)學(xué)院，廣西 南寧 530021；2. 廣西壯族自治區(qū)腫瘤醫(yī)院乳腺外科，廣西 南寧 530021；3. 南寧市第一人民醫(yī)院甲狀腺乳腺外科，廣西 南寧 530022)

鐵死亡(ferroptosis)于2008年由斯托克博士首次報道，它是一種鐵依賴性的非凋亡形式調(diào)節(jié)細(xì)胞死亡的過程[1]。鐵死亡有獨(dú)特的形態(tài)學(xué)和生物化學(xué)特征，其線粒體體積縮小，線粒體膜密度增加，線粒體嵴減少或消失，但細(xì)胞膜完整，細(xì)胞核大小正常，染色質(zhì)無濃縮[2]；細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽消耗，谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPX4)活性下降，NADPH依賴性脂質(zhì)過氧化以及鐵依賴性活性氧生成[2-4]。鐵死亡發(fā)生與半胱氨酸代謝、脂質(zhì)代謝和鐵循環(huán)密切相關(guān)：半胱氨酸生成受抑制和谷胱甘肽減少是鐵死亡的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[5]；多不飽和脂肪酸易發(fā)生脂質(zhì)過氧化直接誘導(dǎo)鐵死亡[6]；鐵離子的吸收、排除、存儲和含量可影響細(xì)胞對鐵死亡的敏感性[7]。鐵死亡還受其他分子直接或間接地調(diào)節(jié)，包括電壓依賴性陰離子通道(voltage dependent anion channel, VDAC)、核因子紅細(xì)胞2相關(guān)因子2、腫瘤抑制基因p53以及NADPH氧化酶等[5,8]。人與小鼠的多種生理和病理過程都可發(fā)生鐵死亡[9-12]。研究表明，誘導(dǎo)鐵死亡可以抑制腫瘤細(xì)胞增殖，影響動物體內(nèi)腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移。如抑制半胱氨酸脫硫酶可在體外誘發(fā)細(xì)胞鐵死亡，減緩肺癌細(xì)胞增殖[13]；下調(diào)視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤蛋白表達(dá)可以誘發(fā)細(xì)胞鐵死亡，致肝細(xì)胞癌異種移植小鼠體內(nèi)腫瘤明顯消退[14]；醉茄素A通過抑制GPX4活性誘發(fā)神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞鐵死亡，抑制腫瘤生長并減少動物體內(nèi)的腫瘤復(fù)發(fā)[15]。本文對近年來有關(guān)細(xì)胞鐵死亡的主要機(jī)制以及鐵死亡在腫瘤方面的研究進(jìn)展作一綜述。

1 鐵死亡的主要機(jī)制

腫瘤細(xì)胞鐵死亡的誘導(dǎo)機(jī)制大體上分為經(jīng)典和非經(jīng)典途徑。經(jīng)典途徑通過抑制胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)(system Xc-)-谷胱甘肽-GPX4軸，導(dǎo)致脂質(zhì)活性氧積累引發(fā)細(xì)胞鐵死亡，主要包括system Xc-、GPX4、轉(zhuǎn)硫通路、甲羥戊酸通路等[2-5]。非經(jīng)典途徑是圍繞鐵代謝和線粒體直接或間接誘導(dǎo)鐵死亡。例如，與鐵代謝相關(guān)的核因子紅細(xì)胞2相關(guān)因子2和熱休克蛋白β調(diào)控通路[7]，與線粒體相關(guān)的VDAC通路[5]。此外，p53既可通過經(jīng)典途徑抑制system Xc-間接誘導(dǎo)，又可通過非經(jīng)典途徑抑制二肽基肽酶4直接導(dǎo)致細(xì)胞鐵死亡[5,8]。見圖1。

1.1 直接抑制GPX4活性

GPX4是一種將H2O2和有機(jī)H2O2分解成水或相應(yīng)醇的酶[16]。細(xì)胞內(nèi)GPX4活性下降或GPX4直接降解會引發(fā)鐵依賴性活性氧增加，進(jìn)而誘發(fā)鐵死亡[4]。RSL3可以直接與GPX4共價鍵結(jié)合并抑制其活性, 造成細(xì)胞內(nèi)活性氧積累誘發(fā)鐵死亡[1,5]。FIN56通過誘導(dǎo)GPX4功能退化，增加GPX4降解來誘導(dǎo)鐵死亡[17]，但其具體機(jī)制尚不清楚。此外，siRNA可以使GPX4 mRNA表達(dá)水平降低20倍，足以引起細(xì)胞活性氧積累和鐵死亡[5]。目前認(rèn)為GPX4是多種鐵死亡誘導(dǎo)物誘導(dǎo)鐵死亡的關(guān)鍵靶點(diǎn)[18]。見圖1。

圖1 鐵死亡的分子機(jī)制及其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

1.2 抑制system Xc-活性

另一種機(jī)制是抑制system Xc-從而達(dá)到對GPX4的間接抑制。system Xc-是膜Na+依賴的胱氨酸-谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)體，是由輕鏈亞基SLC7A11和重鏈亞基SLC3A2組成的二硫鍵異二聚體[19]。system Xc-將細(xì)胞內(nèi)谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)至胞外的同時，將胞外胱氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)至胞內(nèi)，半胱氨酸在轉(zhuǎn)硫通路中合成谷胱甘肽[20]。谷胱甘肽是GPX4激活的必要輔因子，其產(chǎn)生和維持是保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激的關(guān)鍵[21]。因此，細(xì)胞對胱氨酸的攝取不僅是谷胱甘肽合成的關(guān)鍵步驟，更是鐵死亡的核心。例如，Erastin通過抑制system Xc-阻止胞外胱氨酸進(jìn)入細(xì)胞，減少半胱氨酸生成，降低細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽水平，增加細(xì)胞內(nèi)活性氧含量，最終導(dǎo)致鐵死亡[2,5]。見圖1。

1.3 其他機(jī)制

野生型p53對細(xì)胞的脂質(zhì)合成和糖酵解起負(fù)調(diào)控作用，對氧化磷酸化和脂質(zhì)分解起正調(diào)控作用，并通過調(diào)控活性氧直接參與鐵死亡[22]。野生型p53表達(dá)增加可抑制system Xc-的關(guān)鍵成分SLC7A11表達(dá)，抑制胱氨酸攝取，減少谷胱甘肽生成，從而降低GPX4活性，誘導(dǎo)骨肉瘤U2OS細(xì)胞和乳腺癌MCF7細(xì)胞發(fā)生鐵死亡[23]。另一項(xiàng)研究報道，野生型p53缺失或敲除時，二肽基肽酶4的積累明顯減少，導(dǎo)致與質(zhì)膜相關(guān)的脂質(zhì)過氧化，使結(jié)直腸癌HCT116和SW48細(xì)胞對鐵死亡敏感；并且，野生型p53表達(dá)增加可降低二肽基肽酶4活性，抑制由Erastin引起的鐵死亡[24]。此外，突變型p53蛋白增多可結(jié)合主抗氧化的轉(zhuǎn)錄因子——核因子紅細(xì)胞2相關(guān)因子2，抑制SLC7A11表達(dá)，谷胱甘肽合成減少，致食管癌細(xì)胞和肺癌細(xì)胞對鐵死亡更敏感[25]。上述發(fā)現(xiàn)揭示p53在誘導(dǎo)不同腫瘤細(xì)胞的鐵死亡過程中作用不同。大量的膜孔蛋白分布于線粒體外膜，其亦稱為VDAC，是真核細(xì)胞中離子和代謝物運(yùn)輸?shù)目缒ねǖ繹26]。Erastin可與VDAC家族中的VDAC2和VDAC3結(jié)合，改變膜的通透性和離子選擇性，只允許陽離子進(jìn)入線粒體，導(dǎo)致線粒體功能障礙和氧化劑釋放，可以直接導(dǎo)致鐵死亡[3]。見圖1。

2 鐵死亡和腫瘤的關(guān)系

越來越多研究發(fā)現(xiàn)，鐵死亡與卵巢癌、頭頸部腫瘤、肝癌、宮頸癌、胰腺癌以及腎癌等多種腫瘤細(xì)胞的生長調(diào)節(jié)密切相關(guān)[8,27-30]。見圖2。文獻(xiàn)報道，多種化合物和抗癌藥物通過誘導(dǎo)鐵死亡導(dǎo)致癌細(xì)胞死亡和抑制腫瘤生長[6,8]。Erastin與順鉑、阿糖胞苷、多柔比星聯(lián)合應(yīng)用，可提高化療療效，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞死亡[2,31-33]；青蒿素衍生物誘導(dǎo)耐藥的腫瘤細(xì)胞發(fā)生鐵死亡并限制其轉(zhuǎn)移[33-35]；小鼠異種移植模型中，鐵死亡誘導(dǎo)劑與磺胺嘧啶或丁硫氨酸亞砜亞胺聯(lián)合治療可降低肺腫瘤的生長[13]。以上為細(xì)胞鐵死亡的潛在機(jī)制，幾種特殊類型癌細(xì)胞中鐵死亡誘導(dǎo)的具體機(jī)制綜述如下。

圖2 鐵死亡參與的多種腫瘤

2.1 卵巢癌

青蒿琥酯是青蒿素的半合成衍生物，是一種抗瘧疾藥物，同時具有良好的抗癌活性[36]。研究表明，青蒿琥酯通過增加細(xì)胞中活性氧水平，導(dǎo)致細(xì)胞DNA損傷和G2/M期阻滯，誘導(dǎo)卵巢癌HEY1和HEY2細(xì)胞鐵死亡[35]。在培養(yǎng)基中加入鐵死亡抑制劑進(jìn)行預(yù)處理，則能減少青蒿琥酯造成的細(xì)胞毒性[35]。由此提示，青蒿琥酯可能通過誘導(dǎo)鐵死亡來治療卵巢癌。此外，鐵代謝與卵巢癌細(xì)胞生長、擴(kuò)散轉(zhuǎn)移潛在相關(guān)[37]。在體外實(shí)驗(yàn)中，卵巢癌細(xì)胞內(nèi)鐵含量增多可抑制其增殖；在動物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，則表現(xiàn)出腫瘤生長抑制和腹腔內(nèi)播散減少[37]。其機(jī)制可能是當(dāng)鐵代謝受到干擾時，轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1表達(dá)增加引起鐵攝取增多，膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)抑制導(dǎo)致鐵存儲增加，最終細(xì)胞內(nèi)鐵過度積累誘發(fā)鐵死亡[37]。

2.2 頭頸部腫瘤

研究表明，鐵死亡可以降低頭頸部腫瘤細(xì)胞對順鉑治療的耐藥性[33]。Roh等[33]發(fā)現(xiàn)，無論是基因工具沉默system Xc-轉(zhuǎn)錄，還是Erastin和磺胺嘧啶等藥物都可以抑制system Xc-活性。system Xc-抑制后引起GPX4抑制和谷胱甘肽消耗，并誘導(dǎo)細(xì)胞活性氧水平升高，最終誘發(fā)鐵死亡，使對順鉑耐藥的腫瘤細(xì)胞對順鉑更加敏感[33]。有文獻(xiàn)報道，通過誘導(dǎo)細(xì)胞鐵死亡，雙氫青蒿素在治療頭頸部鱗癌方面有潛在作用[34]。具體機(jī)制是雙氫青蒿素通過調(diào)控細(xì)胞周期調(diào)節(jié)蛋白的表達(dá)，在S期和G2/M期抑制腫瘤細(xì)胞有絲分裂并誘導(dǎo)鐵死亡[34]。研究還發(fā)現(xiàn)，在含有去鐵胺的細(xì)胞系中，去鐵胺通過減少細(xì)胞內(nèi)Fe2+對抗雙氫青蒿素誘發(fā)的鐵死亡。由此可見，在雙氫青蒿素誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞死亡中，F(xiàn)e2+參與是該過程所必需[34]。這些研究表明，誘導(dǎo)細(xì)胞鐵死亡可能是頭頸癌治療的有效策略。

2.3 肝細(xì)胞癌

肝細(xì)胞癌細(xì)胞鐵死亡分為兩類，一類與鐵代謝相關(guān)，另一類與脂質(zhì)代謝相關(guān)。吡格列酮通過穩(wěn)定鐵硫結(jié)構(gòu)域1，抑制線粒體對鐵的吸收，可以減少由Erastin引起的脂質(zhì)過氧化和肝癌細(xì)胞鐵死亡[38]。去鐵胺能影響肝癌細(xì)胞的鐵代謝，抑制索拉非尼誘導(dǎo)的細(xì)胞氧化應(yīng)激反應(yīng)，從而對抗索拉非尼對肝癌細(xì)胞的細(xì)胞毒性作用[39]。此外，在索拉非尼誘導(dǎo)細(xì)胞死亡的過程中，氟哌啶醇可以顯著增加細(xì)胞中Fe2+和谷胱甘肽含量，以及活性氧水平，增強(qiáng)索拉非尼對肝癌細(xì)胞的毒性作用[40]。除鐵代謝外，脂代謝也在肝細(xì)胞癌的鐵死亡中起重要作用。在大鼠肝癌模型、小鼠肝癌細(xì)胞系中，低密度脂蛋白二十二碳六烯酸通過直接降解GPX4、消耗谷胱甘肽和促進(jìn)脂質(zhì)過氧化誘導(dǎo)肝癌細(xì)胞鐵死亡[41]。金屬硫蛋白1作為一種負(fù)調(diào)控因子，其下調(diào)可增加谷胱甘肽消耗和脂質(zhì)過氧化物生成，加速索拉非尼誘導(dǎo)癌細(xì)胞死亡，增強(qiáng)皮下移植瘤模型中索拉非尼抗癌活性[42]。類似的鐵死亡負(fù)調(diào)控因子還有視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤蛋白、核因子紅細(xì)胞2相關(guān)因子2、p53，通過抑制其表達(dá)可增加索拉非尼藥效并降低肝癌細(xì)胞耐藥性[14,24,43]。這些分子可能是克服人肝細(xì)胞癌細(xì)胞對索拉非尼耐藥的潛在治療靶點(diǎn)。

2.4 其他腫瘤

在K-Ras基因突變型胰腺癌細(xì)胞中，青蒿琥酯不僅可以直接誘導(dǎo)脂質(zhì)過氧化和活性氧水平升高，還能通過調(diào)控鐵代謝來促進(jìn)細(xì)胞鐵死亡發(fā)生[44]。此外，在胰腺癌細(xì)胞中，system Xc-中SLC7A11蛋白表達(dá)上調(diào)，增加胱氨酸攝取，導(dǎo)致谷胱甘肽水平升高[45]。細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽增多促進(jìn)胰腺癌生長，并減少吉西他濱誘發(fā)的氧化應(yīng)激和細(xì)胞死亡[45]。抑制SLC7A11蛋白表達(dá)誘發(fā)細(xì)胞鐵死亡，可能是解決胰腺癌對吉西他濱耐藥的潛在方法[45]。在橫紋肌肉瘤細(xì)胞培養(yǎng)基中添加Erastin和RSL3，可以抑制system Xc-、減少谷胱甘肽生成并誘導(dǎo)細(xì)胞鐵死亡[46]。另有文獻(xiàn)報道，在彌漫性大B細(xì)胞淋巴瘤和腎細(xì)胞癌中，Erastin作用于GPX4，以積累脂質(zhì)活性氧的方式誘導(dǎo)細(xì)胞鐵死亡[5]?？傊寻l(fā)現(xiàn)多種與鐵死亡相關(guān)的調(diào)節(jié)分子和藥物可直接或間接影響腫瘤細(xì)胞發(fā)生鐵死亡；但是，在不同腫瘤細(xì)胞中鐵死亡的作用機(jī)制以及調(diào)節(jié)因子不盡相同。

3 問題和展望

鐵死亡是一種新發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞死亡形式，它主要由活性氧積累和脂質(zhì)過氧化誘發(fā)。抑制GPX4和system Xc-活性、調(diào)控p53以及線粒體功能障礙是鐵死亡的潛在機(jī)制。半胱氨酸、脂質(zhì)和鐵代謝參與多種腫瘤細(xì)胞的鐵死亡。青蒿琥酯、Erastin、氟哌啶醇、RSL3等藥物通過鐵死亡作用誘導(dǎo)癌細(xì)胞死亡并發(fā)揮治療作用。在頭頸部腫瘤、卵巢癌、肝細(xì)胞癌、胰腺癌等腫瘤中，p53、SLC7A11、視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤蛋白、鐵硫結(jié)構(gòu)域1、金屬硫蛋白1等分子參與鐵死亡。然而鐵死亡詳細(xì)的信號通路和關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子仍然未知。此外，鐵死亡在腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移、自噬和耐藥等方面的作用有待進(jìn)一步研究。