铁死亡抑制蛋白1：心肌再灌注损伤的潜在治疗靶点

王舒钧 田秀青，2

1.山东大学齐鲁医学院，山东 济南 250012；2.山东第一医科大学第一附属医院心血管内科，山东省医药卫生心律失常重点实验室，山东 济南 250014

铁死亡是由Dixon等［1］在2012年发现的一种铁依赖性的细胞死亡。近年来，随着研究者对于铁死亡关注度的逐渐提高和研究的不断深入，发现至少存在四种抑制铁死亡的机制：一是由最早的谷胱甘肽过氧化酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）［1］介导谷胱甘肽的消耗来发挥铁死亡抗性；二是由三磷酸鸟苷环化水解酶1-四氢生物喋呤（GTP cyclohydrolase-1-tetrahydrobiopterin，GCH-1-BH4）通路，GCH-1表达增加导致BH4生成增多抑制脂质重构预防铁死亡的发生［3-4］；三是由线粒体二氢乳清酸脱氢酶（dihydroorotate dehydrogenase，DHODH）［5］介导将泛醌（CoQ）还原为泛醇来抑制线粒体内膜中的铁死亡；四是由铁死亡抑制蛋白1（ferroptosis suppressor protein 1，FSP1）介导的FSP1-CoQNADPH通路。其中FSP1通过FSP1-CoQ-NADPH途径平行于GPX4 途径发挥铁死亡抑制作用［6-7］，FSP1已经证实与多种人类疾病，如肿瘤性疾病、类风湿性关节炎、重症胰腺炎、帕金森综合征等相关［8］，其独特的功能特性与心肌再灌注损伤亦有一定的相关性，可以为未来心肌再灌注损伤提供新的治疗靶点，本文就FSP1 与心肌再灌注损伤关系进行论述，旨在为心肌再灌注损伤的研究提供新的思路。

1 FSP1的发现及定位

Susin 等［9］在研究半胱天冬酶非依赖性细胞凋亡分子的过程中，首次发现了凋亡诱导因子（apoptosis-inducing Factor，AIF），AIF 是56 kDa 的黄素蛋白，其N端有氨基酸线粒体的定位序列。在凋亡信号的刺激下，AIF从线粒体转移到细胞核，导致染色体浓缩和大量DNA 断裂。2002 年Wu 等［10］研究者通过检索Gen Bank数据库资料，编码出一种新型的AIF基因同源的黄素蛋白，命名为线粒体凋亡诱导因子2（apoptosis-inducing factor mitochondrial associated 2，Aifm2）。

Aifm2是一种编码373种氨基酸的蛋白，表达量为39～ 43 kDa，其基因位于染色体10q21.3-q22.1［11］，N 端具有肉豆蔻酰化基序列，与细菌及哺乳动物的氧化还原酶具有同源性。但与AIF不同的是，Aifm2不具有线粒体定位序列。目前对于Aifm2的定位仍不明确。在后续关于Aifm2 的研究中，Ohiro 等［11］发现Aifm2 基因可以被p53 转录激活，其表达由p53 调控，p53 与Aifm2 启动子区域的p53 反应元件结合，参与肿瘤发生的调节。Aifm2 在心脏中表达水平最高；在肝脏和骨骼肌中观察到中等水平的表达，在胎盘、肺、肾和胰腺中观察到低水平的表达。在大脑中几乎检测不到FSP1 的mRNA 的表达［11］。2019 年美国Bersuker 等［6］和德国的Doll 等［7］发现Aifm2 平行于GPX4 途径抑制铁死亡的发生，Aifm2 的N 端肉豆蔻酰化基序列将其吸引到质膜上，同时发挥自身的氧化还原酶活性将CoQ还原为泛醇，生成亲脂性过氧自由基抑制铁死亡。Aifm2虽与AIF 同源，但其N 端缺少线粒体定位序列及不诱导凋亡，因此正式将Aifm2更名为FSP1。

2 FSP1的生物学特性

2.1 FSP1具有NAD（P）H氧化还原酶活性

Marshall 等［12］研究证明，FSP1 是一种具有氧化还原酶活性的黄素蛋白，其氧化还原酶活性主要依赖于NADPH 和NADH，其中与NADPH 的关系更为密切，FSP1 以NADPH 为辅酶，通过催化NADPH 的氧化，将电子转移到其他电子受体发挥氧化还原酶的活性。并且这种氧化还原酶活性的高低与DNA结合有关，因为FSP1上存在DNA和NADPH共同的结合位点，当FSP1 与DNA 结合后会减少与还原酶辅酶NADPH 的结合，相应地降低FSP1 的氧化还原酶活性［12］。另有研究者发现将FSP1 重组到细菌及线粒体上，FSP1会展现出II型NADH泛醌氧化还原酶（type 2 NADH：ubiquinone oxidoreductas，NDH-2）的活性［13］，可以通过氧化还原反应，将泛醌还原成泛醇。Nguyen等［14］发现，FSP1的NADH氧化还原酶的活性可在寒冷条件下及β受体的刺激下激活，氧化NADH 提高NAD+水平并促进线粒体内的电子传递，促进产热，从而保持稳定的糖酵解速率，最大限度的实现糖酵解和葡萄糖氧化，为电子传递链提供燃料。FSP1 的这种氧化还原酶活性影响细胞内NAD+水平，有利于线粒体内电子的转移，对维持线粒体内NADH/NAD+动态平衡至关重要。

2.2 FSP1参与活性氧的调节

超氧化物和过氧化氢等活性氧（ROS）的产生与多种生物过程相关，包括细胞正常生长、诱导和维持转化状态、细胞凋亡、衰老和死亡有关。在两种缺失FSP1 相关黄素蛋白基因的人癌细胞系中可以观察到ROS 产生减少，致瘤性丧失，对于过氧化物和药物诱导凋亡的敏感性增加，从而发现FSP1与细胞内ROS水平相关［15］。Gong等［16］研究者认为在胞质内无双链DNA 的健康细胞中，FSP1 将产生足够水平的ROS来维持生存信号，但在细菌或是病毒感染期间，FSP1 与DNA 结合导致FSP1 的氧化还原酶活性降低进一步减少细胞内超氧化物和过氧化物水平。Miriyala 等［17］在研究中发现，在超氧化物歧化酶基因敲除后的心脏组织中，FSP1 基因表达增加，说明FSP1 对于线粒体氧化应激环境高度敏感，但在线粒体氧化应激信号传导中的地位仍不清楚。阿霉素（doxorubicin，DOX）会使线粒体产生ROS 导致心脏损伤，研究者使用阿霉素处理的心脏组织与空白对照组相比，FSP1 的mRNA 和蛋白水平均升高，表明FSP1介导线粒体内氧化应激信号传导。

2.3 FSP1抑制铁死亡的发生

已有大量研究数据表明，GPX4 的失活可以导致细胞内氧化平衡破坏，脂质过氧化物累积，诱发铁死亡的发生，GPX4 的活性高低可以作为铁死亡发生的标志［1］。Bersuker 等［6］发现FSP1过表达的细胞在铁死亡诱导药物作用下，可以表现出明显的细胞保护作用，并且FSP1 抗铁死亡的特性与GSH 水平、GPX4 活性及氧化脂肪酸含量等无关。FSP1 抑制铁死亡的发生是通过CoQ介导的，FSP1的N端肉豆蔻酰化基序列将其吸引到质膜上，通过自身的氧化还原酶活性将CoQ还原为泛醇，生成亲脂性过氧自由基抑制铁死亡［18］。GPX4 和FSP1 的抗铁死亡特性，被广泛应用到抗肿瘤治疗的研究中，研究发现当GPX4 失活时，FSP1 在体内可以继续维持肿瘤生长，同时缺失GPX4 和FSP1 可以抑制肿瘤的生长。目前铁死亡作为退行性疾病细胞死亡的方式，也可以诱导其他存在耐药机制的癌细胞死亡。FSP1作为新型铁死亡抑制因子，为抗肿瘤治疗和退行性疾病的研究提供了新的方向。

3 FSP1与心肌再灌注损伤

急性心肌梗死是心肌损害和致死的常见原因，具有很高的发病率和死亡率，早期再通梗死动脉，恢复受损心肌的血流是减少梗死面积和死亡率的关键，但是在恢复血流的同时也会带来新的心肌损伤即心肌缺血再灌注损伤［19］，可导致再灌注心律失常、微血管栓塞等并发症。尽管心肌再灌注治疗的方案取得了很大进展，但是针对心肌缺血再灌注损伤的有效治疗方案仍然缺乏，利用内源性机制使心肌细胞损伤降到最低是目前临床亟待解决的问题。

3.1 氧化应激

目前公认的参与心肌缺血再灌注损伤的机制大多与氧化应激、钙超载、炎症反应、能量代谢异常等有关［19］。氧化应激是最重要的病理生理机制之一，是指细胞内正常的抗氧化物酶系统（例如超氧化物歧化酶、过氧化氢酶及谷胱甘肽）与细胞内ROS的产生失衡，导致过氧化氢等中间产物累积的过程。ROS 为细胞代谢过程中氧分子还原成水的中间产物，如超氧化物、过氧化氢及羟基自由基。生理条件下，ROS 与细胞正常代谢相关，和抗氧化剂保持动态平衡，但再灌注期间ROS 大量产生，抗氧化和氧化系统失衡，导致心肌损伤。缺血心肌细胞内的ROS 主要来源于线粒体、黄嘌呤氧化酶、NADPH 氧化还原酶和非偶联一氧化氮合酶［20］，目前认为是治疗缺血再灌注损伤的有效靶点。线粒体内ROS 的产生主要与线粒体电子传递链（electron transport chain，ETC）和有氧氧化的氧化磷酸化相关，在氧化呼吸链中来自NADH和其他电子供体的电子可以直接和分子氧反应生成O2-，在超氧化物歧化酶的作用下可以直接生成H2O2。NADPH氧化还原酶通过氧化还原反应将NADPH转化为NADP+，催化电子转移到O2，促进O2-的生成。

尽管目前对FSP1在细胞内的定位仍不明确，但研究发现FSP1 的定位与线粒体相关。研究证明FSP1 在心脏组织中高水平表达，并具有NAD（P）H的氧化还原酶结构域，影响ROS 水平，表达水平与线粒体内氧化应激环境密切相关，可以结合NADPH 和NADH，催化NADH、NADPH 向NAD+及NADP+的转化，促进线粒体内的电子传递。FSP1的这种影响线粒体电子传递和ROS 水平的功能特性与缺血再灌注损伤的发病机制相关，推测FSP1在心脏组织中介导线粒体内电子传递及氧化应激的过程，从而影响心肌缺血再灌注损伤中的病理生理过程。目前关于这方面的基础研究仍然不足，可以在未来成为心肌缺血再灌注损伤的新的治疗研究方向，靶向FSP1治疗心肌缺血再灌注损伤。

3.2 铁死亡

大量研究显示铁死亡是心肌缺血再灌注损伤进程中一种新型的细胞死亡方式。研究者结扎小鼠冠状动脉左前降支构建的缺血再灌注损伤模型中，可以观察到缺血再灌注损伤后铁蛋白沿心肌瘢痕区积聚，结果表明铁死亡是心肌细胞死亡的关键类型［21］。在离体灌注心脏研究中表明，铁死亡是缺血再灌注损伤发病机制的关键，去铁胺作为一种铁螯合剂，可保护心脏免受离体缺血再灌注损伤，抑制谷氨酰胺酶分解可以减少心肌缺血再灌注损伤［22］。另有两项研究通过构建小鼠心肌再灌注损伤模型，发现给予铁死亡抑制剂处理心肌梗死小鼠均能有效减少再灌注后的心肌梗死面积、抑制心肌缺血后的心脏重构和心肌纤维化［23-24］。不同的研究证实给予铁死亡抑制剂可以不同程度的减少心肌缺血再灌注损伤，减少心肌最终梗死面积，改善心肌梗死后心脏功能，而FSP1 作为一种新型铁死亡抑制剂，在心肌缺血再灌注损伤模型中的研究尚未见报道，推测未来FSP1 可以成为治疗心肌缺血再灌注损伤的新的靶点，为疾病的治疗提供新的选择。

4 总结和展望

对于FSP1 的认识从最初的凋亡诱导因子家族蛋白，到后来的铁死亡抑制蛋白，随着研究不断的深入，逐步揭示了FSP1 背后的病理生理过程。FSP1 的氧化还原酶结构域促进线粒体能量传递及改善NAD+水平，FSP1不同的表达水平影响ROS 的调节，抑制铁死亡的发生等生理作用，与心肌缺血再灌注损伤的发病机制密切相关，以FSP1为靶点治疗心肌缺血再灌注损伤的科学问题仍待解答，相信未来更多深入而细致的科学研究，可以为靶向FSP1防治心肌缺血再灌注损伤提供更加充分的科学依据。

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