科學家們發(fā)現(xiàn)了一種新的細胞死亡方式--鐵死亡
隨著對細胞死亡研究的不斷深入，科學家們發(fā)現(xiàn)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(diào)控的細胞死亡方式使得治療癌癥成為可能。
曾以兩篇高分文章為例，帶著大家領(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SLC7A11調(diào)節(jié)胱氨酸代謝，調(diào)控ROS應答并通過鐵死亡抑制腫瘤生長；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(xù)不減，小優(yōu)也是在持續(xù)關(guān)注，在查閱文獻中發(fā)現(xiàn)一篇53分的高分文章，忍不住要拿出來與大家分享一番。內(nèi)容較多，干貨滿滿，必要時請收藏保存。
文如其名，屬實可以讓我們“大開眼界”！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點：
1.鐵死亡是一種調(diào)控細胞死亡的形式，主要依賴于鐵介導的氧化損傷和隨后的細胞膜損傷。
2.鐵死亡可通過兩種主要途徑引起:外源性/轉(zhuǎn)運體依賴途徑，以及內(nèi)源性/酶調(diào)節(jié)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)過氧化的專用酶是誘導鐵死亡的關(guān)鍵。
4.多個氧化和抗氧化系統(tǒng)，與自噬和膜修復機制共同作用，形成了鐵死亡中脂質(zhì)過氧化的過程。
5.在形成腫瘤的過程中中，鐵死亡在腫瘤促進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(jié)果。
好嘞，相信大家瀏覽完上述內(nèi)容，已經(jīng)對文章大意有所了解，接下來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？
鐵死亡是鐵依賴性的、非細胞凋亡性的細胞死亡形式。它主要是細胞內(nèi)脂質(zhì)活性氧（ROS）生成與降解的平衡失調(diào)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。
鐵死亡可以通過外部或內(nèi)在的途徑被引發(fā)。外部途徑是通過抑制細胞膜轉(zhuǎn)運體如胱氨酸/谷氨酸轉(zhuǎn)運體(也稱為XC-系統(tǒng))或通過激活血清轉(zhuǎn)鐵蛋白和乳轉(zhuǎn)鐵蛋白來啟動的。內(nèi)部途徑通過細胞內(nèi)抗氧化酶(如谷胱甘肽過氧化物酶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(tǒng)進入細胞，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?qū)⒅瑲溥^氧化物還原為脂醇。GSH-GPX4抗氧化系統(tǒng)在保護細胞免于鐵死亡中起著重要作用。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)過氧化是在鐵死亡過程中引發(fā)膜氧化損傷的兩個關(guān)鍵信號。鐵死亡的核心分子機制涉及調(diào)節(jié)氧化損傷和抗氧化防御之間的平衡。
在動物模型中，由于多個水平的干預(如增加鐵吸收、減少鐵儲存和限制鐵外流)導致鐵增加，通過完整信號通路促進了鐵死亡。
圖2：鐵死亡中的鐵代謝
載鐵的血清轉(zhuǎn)鐵蛋白-轉(zhuǎn)鐵蛋白受體(TFRC)復合物通過核內(nèi)體內(nèi)化，通過自然抗性相關(guān)巨噬細胞蛋白(SLC11A2)釋放鐵(Fe2+)到細胞質(zhì)中。乳轉(zhuǎn)鐵蛋白和血紅素通過細胞膜中不同的攝取途徑提供額外的鐵來源。Fe2+主要通過細胞膜上的溶質(zhì)載體家族(SLC40A1)輸出，但也可以通過外泌體作為鐵蛋白輸出。鐵死亡在翻譯水平上受鐵調(diào)節(jié)蛋白(IRPs) ACO1和IREB2的調(diào)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(gòu)需要ACSL4和LPCAT3酶。ACSL3將單不飽和脂肪酸(MUFAs)轉(zhuǎn)化為酰基輔酶A酯，并與膜磷脂結(jié)合，從而保護癌細胞免受鐵死亡。AMPK介導的beclin 1磷酸化通過抑制還原谷胱甘肽(GSH)的產(chǎn)生來促進鐵死亡，而AMPK介導的ACAC磷酸化被認為通過限制PUFA的產(chǎn)生來抑制鐵死亡。
了解了一些促進和抑制鐵死亡的的分子機制，相信大家已經(jīng)有所收獲了，接來下作者就鐵死亡在癌癥中的相關(guān)通路做了詳細總結(jié)。
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)是所有人類癌癥中最常見的突變基因。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(zhuǎn)Erastin和RSL3的抗癌活性,可能是因為RAS基因突變信號通過調(diào)節(jié)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(jié)果支持了我們的觀點，即誘導鐵死亡可能構(gòu)成一種適合的策略來對抗致癌的載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。p53可以通過直接結(jié)合二肽基肽酶DPP4來抑制人結(jié)直腸癌(CRC)細胞中NOX介導的脂質(zhì)過氧化或通過誘導纖維肉瘤細胞中CDKN1A的表達來限制鐵死亡。
p53的表達增加了erastin誘導的ROS生成，部分依賴于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細胞中的實驗為例，結(jié)果表明：
3A：A549-p53si細胞中的ROS水平低于A549-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：單敲低和共敲低均能抑制ROS，p53可能通過抑制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(jié)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(shù)據(jù)不僅表明脂質(zhì)過氧化是鐵死亡的一個關(guān)鍵因素，而且還表明鐵死亡的單個p53靶基因或結(jié)合蛋白在整體中的重要性可能是細胞類型特異性的。
NFE2L2
臨床前研究表明，NFE2L2信號轉(zhuǎn)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通過反式激活幾個與鐵代謝、GSH代謝和ROS解毒酶有關(guān)的細胞保護基因來限制鐵死亡中的氧化損傷。NFE2L2的功能增益突變或KEAP1的功能缺失突變進一步增加了氧化應激反應的復雜性，這反過來可能影響對鐵死亡的抗性。
圖5：KEAP1的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域
（與圖6皆引自NRF2 and the Hallmarks of Cancer）
KEAP1由一個N端結(jié)構(gòu)域(NTR)、一個Broad-Complex、軌道、bric-à-brac (BTB)結(jié)構(gòu)域、一個干預區(qū)(IVR)和六個與C端結(jié)構(gòu)域(CTR)結(jié)合的Kelch結(jié)構(gòu)域組成，這些結(jié)構(gòu)域與NRF2、p62和其他E/ STGE蛋白相互作用。BTB結(jié)構(gòu)域?qū)τ贙EAP1二聚和與CUL3的相互作用非常重要，它包含一個半胱氨酸殘基(C151)，可以感知活性氧(ROS)和親電試劑。位于其他KEAP1結(jié)構(gòu)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(diào)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(diào)節(jié)后而升高時，NRF2會轉(zhuǎn)位到細胞核，與sMAF蛋白二聚，并與抗氧化反應元件(ARE)結(jié)合，激活其靶基因的轉(zhuǎn)錄。圖6指出了NRF2靶基因調(diào)控的一般過程的例子。
HIF
在HT-1080纖維肉瘤細胞中，缺氧誘導表達的HIF1α通過增加脂肪酸結(jié)合蛋白3和7的表達來抑制鐵死亡，從而促進攝取脂肪酸和增加儲存脂質(zhì)的能力，避免隨后的脂質(zhì)過氧化。相反，在RCC來源的細胞中，EPAS1的激活通過上調(diào)HILPDA的表達來促進鐵死亡，從而增加PUFA的產(chǎn)生和隨后的脂質(zhì)過氧化。因此，有效控制HIF介導的信號對維持脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)以形成鐵死亡性反應是必要的。
圖7：EGLN2介導的HIF1A下調(diào)促進了鐵死亡
（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小時后，對內(nèi)參和EGLN2敲除(EGLN2KD) HT1080和Calu-1細胞中的指示蛋白進行Western blot分析。
7B ：Western blot檢測HT1080和Calu-1細胞中RSL3 (0.5 μM)在無adaptaquin (4 μM)作用12小時后的表達情況。
7C.D ：RSL3 (0.5 μM)在沒有或有chetomin (0.25 μM)和KC7F2 (25 μM)作用12小時后的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)預處理后進行在RSL3(0.5μM), FIN56(5μM) 12小時(n = 3 * P < 0.05)條件下HT1080和Calu-1細胞培養(yǎng)。
結(jié)果表明：
00001. 在EGLN2下調(diào)或過表達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，通過缺氧誘導的HIF1A激活得以恢復(圖7H)。
綜上所述，這些發(fā)現(xiàn)證實了HIF1A是鐵死亡的促存活因子，而EGLN2介導的HIF1A下調(diào)促進了鐵死亡。
EMT
LYRIC蛋白(又稱異粘蛋白)是EMT的正調(diào)節(jié)器，通過抑制GPX4和SLC3A2的表達來促進鐵死亡。CD44依賴的鐵內(nèi)吞作用增加促進鐵依賴的去甲基化酶的活性，促進與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(shù)據(jù)表明，EMT可能會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，部分是通過鈣粘蛋白1介導的抑制YAP1轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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鐵死亡的途徑來治療腫瘤呢？它的作用機理是什么呢？作者下文也展開了探討。
三、腫瘤治療中的鐵死亡
系統(tǒng)治療
傳統(tǒng)的細胞毒性和靶向藥物通過多種機制發(fā)揮作用，其總體目標是通過誘導癌細胞死亡而不影響未轉(zhuǎn)化細胞來減緩或阻止腫瘤生長。 越來越多的臨床前證據(jù)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。
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索拉非尼（Sorafenib） |
1. 索拉非尼是第一個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(nèi)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.索拉非尼通過抑制XC-系統(tǒng)的活性來誘導鐵死亡。 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。 |
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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(diào)節(jié)作用有關(guān)； 2.除了抗炎活性，柳氮磺吡啶還可以通過抑制xc -系統(tǒng)來抑制淋巴瘤和其他癌細胞的生長。 |
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他汀類藥物（Statins） |
1.通過減少甲羥戊酸途徑中異戊烯焦磷酸的產(chǎn)生，他汀類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(diào)節(jié)性細胞死亡。 2.那些調(diào)控鐵死亡的膽固醇調(diào)節(jié)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藥物有臨床反應的患者。 |
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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)還可以通過促進鐵蛋白吞噬從而增加細胞內(nèi)游離鐵水平，從而引發(fā)癌細胞的鐵死亡。 |
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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(diào)節(jié)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辟新的治療機會，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。 |
免疫療法
免疫檢查點抑制劑（ICIs）主要通過激活有效的細胞毒性T細胞驅(qū)動的抗腫瘤免疫反應來發(fā)揮作用，而細胞毒性T細胞驅(qū)動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(diào)節(jié)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通過激活JAK1-STAT1信號通路誘導腫瘤細胞鐵死亡，JAK1-STAT1信號通路轉(zhuǎn)錄調(diào)控SLC7A11和4F2細胞表面抗原重鏈(SLC3A2)的表達。
00002. 許多類型的細胞(如巨噬細胞)釋放的TGFβ1通過SMAD蛋白介導的信號激活促進腫瘤細胞鐵死亡，從而轉(zhuǎn)錄調(diào)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(zhuǎn)移性黑色素瘤細胞，脂質(zhì)過氧化水平較低，因此限制了鐵死亡，并比在血液中具有更高的轉(zhuǎn)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(diào)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會使這種抗癌作用增強。除了下調(diào)SLC7A11，放療還上調(diào)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)主要通過鐵死亡來產(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的鐵死亡。
納米療法
使用攜帶化學物質(zhì)或生物材料的納米粒子將為提高現(xiàn)有的鐵死亡誘導劑的療效以及開發(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特征。然而，納米顆粒對人類健康的長期影響仍需仔細評估。
四、挑戰(zhàn)與看法
靶向調(diào)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有待解決的挑戰(zhàn)。
1.脂質(zhì)過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(jié)合的尚不清楚。
3.鐵死亡激活物可引起骨髓損傷。降低促進鐵死亡藥物的毒性或脫靶效應仍然是一個挑戰(zhàn)。
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：