铁死亡机制及其在胃肠道疾病中的研究进展

芦为康， 杭黎华， 李帅， 费叶晟， 李玉琳

(江苏大学附属昆山医院麻醉科，江苏 昆山 215300)

调节性细胞死亡普遍存在于生物体内，对组织稳态或应激后生物平衡的恢复至关重要[1]。铁死亡是一种铁依赖性的活性氧和脂质过氧化物积累导致的新型调节性细胞死亡形式，其在形态学、生物化学和遗传学上不同于其他类型的细胞死亡形式，如凋亡、坏死、焦亡和自噬等[2-3]。铁依赖性的活性氧和脂质过氧化物蓄积是铁死亡的核心环节。当细胞内铁代谢紊乱，过量的铁离子通过芬顿反应产生大量的活性氧，机体抗氧化系统不能及时清除，活性氧可通过攻击脂质膜上的多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids,PUFAs)产生大量脂质过氧化物，从而破坏细胞膜的结构，干扰线粒体的功能，最终导致细胞铁死亡[2]。越来越多的证据表明，铁死亡与多种疾病的发生发展相关，包括癌症[4]、神经退行性疾病[3]、心血管疾病[5]和肾损伤[6]等。近来研究发现，铁死亡参与多种胃肠道疾病的发生发展，包括肠缺血再灌注损伤[7]、炎症性肠病[8]、胃癌[9]和结直肠癌[10-11]等。本文针对近年来有关铁死亡的发生机制及其在胃肠道疾病中的研究进展作一综述。

1 铁死亡概述

1.1 铁死亡的定义及特征

自2003年以来，研究发现小分子化合物Erastin、Ras选择性致死化合物(Ras selective lethal compound,RSL)3和RSL5等可诱导RAS基因突变的肿瘤细胞发生一种全新的死亡形式[12-13]。该细胞死亡形式与当时已知的细胞死亡形式均不相同，且不能被细胞凋亡、坏死和自噬等抑制剂所逆转，但却能被铁螯合剂去铁胺和抗氧化剂维生素E抑制。研究发现，这种细胞死亡形式与铁和活性氧密切相关[2]。2012年，Dixon等[2]正式将这种铁依赖性的活性氧和脂质过氧化物蓄积导致的新型调节性细胞死亡形式命名为铁死亡。从形态学、生物化学和遗传学方面而言，铁死亡与其他形式的细胞死亡(如凋亡、坏死、自噬和焦亡)有本质区别：在形态学方面，铁死亡主要表现为线粒体萎缩、双层膜密度增加、线粒体嵴减少或缺失，细胞核大小正常，无染色质凝集[2，14]；在生物化学方面，主要表现为铁和活性氧积累、胱氨酸/谷氨酸反向转运体系统Xc-抑制、胱氨酸摄取和谷胱甘肽合成减少、谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)活性下降等[14]；在遗传学方面，铁死亡受特定途径调控，参与多种生物学过程，并表现出独特的基因表达和分子调控机制[14]。

1.2 铁死亡的发生机制

铁死亡的发生机制复杂，目前仍不明确。现有研究表明，铁死亡的发生发展主要涉及细胞代谢方式的改变，包括铁离子代谢、脂质代谢和氨基酸代谢等。

1.2.1 铁离子代谢 维持铁代谢稳态是细胞生存所必需，因为铁是各种生化过程中重要的辅助因子，包括红细胞生成、DNA合成和修复、氧化磷酸化、线粒体功能和各种酶促反应等[15]。血液循环中的Fe3+与转铁蛋白结合形成复合物，通过与细胞膜上的转铁蛋白受体1(transferrin receptor 1,TFR1)结合进入细胞内，并经铁还原酶前列腺六次跨膜上皮抗原蛋白3还原为Fe2+，然后在二价金属离子转运体的协助下转运并释放至细胞质的不稳定铁池中，而过量的铁则储存至铁蛋白中或借助于膜铁转运蛋白1泵出，参与体内铁循环[2，16]。当铁代谢紊乱或铁超载时，游离的Fe2+通过芬顿反应和脂氧合酶途径产生脂质活性氧，引起铁死亡。

铁蛋白是细胞内铁储存的一种形式，由铁蛋白轻链和铁蛋白重链1组成。定量蛋白质组学研究发现，核受体共激活因子4(nuclear receptor coactivator 4,NCOA4)可以将铁蛋白运输至溶酶体，并以选择性载物介导的自噬方式降解铁蛋白，该过程称为铁自噬[17]。特异性敲除NCOA4可抑制铁自噬从而抑制Erastin诱导的铁死亡，该过程受自噬相关基因ATG5和ATG7调控[18]。同时，抑制铁代谢的主要转录因子——铁反应元件结合蛋白2可显著增加铁蛋白轻链和铁蛋白重链1表达，从而抑制铁死亡[2]。此外，Sun等[19]研究发现，磷酸化的热休克蛋白B1通过增加铁蛋白表达，减少TFR1表达，从而减少细胞对铁的吸收和脂质的生成，进而抑制铁死亡。由此说明，调节铁代谢和铁自噬可能成为调控铁死亡的新靶点和途径，但铁水平是否完全决定铁死亡对疾病的影响有待进一步研究。

1.2.2 脂质代谢 脂质过氧化及其氧化产物积累是铁死亡的标志[20]。由于PUFAs的亚甲基桥存在高度活跃的氢离子，容易与活性氧发生脂质过氧化反应，这是铁死亡发生的基础[20]。脂质过氧化可发生在游离PUFAs和含PUFAs的膜磷脂上，如磷脂酰乙醇胺(PEs)。PUFA-PEs可由包括花生四烯酸和肾上腺素在内的膜磷脂PUFA合成[21]。基于CRISPR/cas9技术发现，酰基辅酶A合成酶长链家族成员4(acyl-CoA synthetase long-chain family member 4,ACSL4)和溶血卵磷脂酰基转移酶3(lysophosphatidylcholine acyltransferase 3,LPCAT3)是磷脂合成的关键酶[22-23]。PUFAs先经ACSL4酰化生成PUFA-CoA，再经LPCAT3酯化并生成PUFA-PEs[21]。因此，敲低ACSL4和LPCAT3可减少细胞内脂质过氧化底物积累，从而抑制铁死亡[9,24-25]。最后PUFA-PEs通过脂氧合酶介导的酶促反应形成脂质氢过氧化物。当细胞内脂质过氧化物不能被及时清除，就会破坏膜脂质双分子层，改变蛋白质及DNA结构和功能，并且其降解产物丙二醛和4-羟基壬烯醛可使参与正常生理功能的蛋白失活[20,26]。研究发现，典型的铁死亡抑制剂包括Liproxstatin-1(Lip-1)、Ferrostatin-1(Fer-1)和脂氧合酶抑制剂(如维生素E、黄酮类化合物)，主要通过清除脂质过氧化物而抑制铁死亡[14]。

1.2.3 氨基酸代谢 系统Xc-是细胞膜上重要的抗氧化系统，由轻链SLC7A11和重链SLC3A2两个亚基通过二硫键连接形成；其可将细胞外胱氨酸和细胞内谷氨酸以1 ∶1比例进行交换，进入细胞内的胱氨酸首先被还原为半胱氨酸，然后经半胱氨酸-谷氨酸连接酶和谷胱甘肽合成酶作用生成谷胱甘肽[27]。谷胱甘肽作为体内最丰富的抗氧化剂，保护细胞免受活性氧的损伤[28]。此外，谷胱甘肽是GPX4的辅因子，GPX4可以将细胞内有毒的脂质过氧化氢还原为无毒的脂质醇，消除脂质过氧化物的毒性，抑制铁死亡[29]。因此，GPX4是铁死亡的关键调节因子。研究发现，Erastin及其类似物能够阻断系统Xc-转运功能导致谷胱甘肽耗竭，间接使GPX4失活，进而触发铁死亡[2]；RSL3和RSL5等小分子化合物可直接与GPX4共价键结合使GPX4失活，导致脂质过氧化物蓄积，最终引发铁死亡[30]。由此说明，抑制系统Xc-、谷胱甘肽耗竭和GPX4失活成为诱导细胞发生铁死亡的关键环节。

1.2.4 其他机制 铁死亡抑制蛋白1(ferroptosis suppressor protein 1,FSP1)是新发现的GPX4非依赖性铁死亡抑制因子。Bersuker等[31]和Doll等[32]两个课题组同时独立证实FSP1是一种有效的抗铁死亡因子。研究表明，FSP1对GPX4缺失诱导的铁死亡有抑制作用，其机制是基于FSP1的氧化还原酶活性，利用NADPH将泛醌(CoQ10)还原为泛醇(CoQ10H2)，泛醇可直接或间接地抑制脂质过氧化，进而抑制铁死亡[31-32]。因此，NADPH/FSP1/CoQ10通路与系统Xc-/谷胱甘肽/GPX4通路协同抑制脂质过氧化和铁死亡。

电压依赖性阴离子通道位于线粒体外膜，是跨膜运输离子和代谢物的通道，在铁死亡中起重要的调节作用[33]。Yagoda等[34]研究发现，铁死亡诱导剂Erastin作用于电压依赖性阴离子通道，导致线粒体代谢和氧化功能障碍，活性氧生成增加，最终导致细胞铁死亡的发生。另有研究表明，铁死亡也可能受硫转移途径的调控。在氧化应激下，蛋氨酸可通过硫转移途径转化为半胱氨酸，进而合成谷胱甘肽，进一步发挥其抗氧化作用[35]。此外，p62/Keap1/NRF2[36]、GCH1/BH4/磷脂[37]和谷氨酰胺代谢通路[38]可有效调节细胞内铁离子和活性氧的形成，并在铁死亡中发挥调节作用。

2 铁死亡与胃肠道疾病

2.1 铁死亡与肠缺血再灌注损伤

肠缺血再灌注(ischemia-reperfusion，I/R)损伤是指在多种原因引起的肠组织血供不足的基础上，再次恢复血供后损伤反而进一步加重的病理生理过程，与失血性休克、创伤性休克、绞窄性肠梗阻、急性肠系膜缺血和肠扭转等多种疾病密切相关[39]。由于大量上皮细胞死亡，肠黏膜屏障受损，肠道内的细菌或毒素进入血液循环，导致全身炎症反应综合征和多器官功能障碍[40]。肠I/R损伤与多种调节性细胞死亡形式相关，包括凋亡[41]、坏死[42]和自噬[43]。最近研究表明，肠I/R损伤与铁死亡密切相关，在肠I/R的大鼠肠组织中存在谷胱甘肽耗竭，活性氧和脂质过氧化积累[44]。此外，去铁胺有助于改善肠道I/R诱导的脂质过氧化，并逆转GPX4活性降低[45]。Li等[7]研究发现，在缺血的小鼠肠组织中，铁死亡的正向调节因子ACSL4表达水平升高，负向调节因子谷胱甘肽、GPX4和铁蛋白重链1表达水平降低，在体内外应用铁死亡抑制剂Lip-1均可改善肠道损伤；进一步研究发现，特殊蛋白1作为经典的转录因子，可从转录水平调节ACSL4表达，抑制ACSL4表达可改善脂质过氧化和铁死亡，并减轻肠I/R引起的细胞损伤和肠道屏障功能障碍。

近来研究发现，肠道I/R损伤引起的铁死亡可受到肠道菌群和代谢产物修饰的调节。辣椒素酯是一种肠道微生物产生的代谢物，在肠道I/R损伤中显著减少[46]。辣椒素酯激活瞬时受体电位阳离子通道亚家族V成员1(transient receptor potential cation channel subfamily V member 1,TRPV1)，进一步上调GPX4表达，抑制细胞铁死亡[46]。综上所述，铁死亡可能参与I/R诱导的肠道损伤，抑制铁死亡可能是缓解肠道I/R损伤的潜在治疗手段，但其具体机制尚需进一步研究。

2.2 铁死亡与炎症性肠病

炎症性肠病是一种以不断进展和复发为特征的慢性胃肠道疾病，包括溃疡性结肠炎(ulcerative colitis，UC)和克罗恩病。尽管炎症性肠病的病因尚未完全阐明，但通常认为与免疫反应、肠道菌群失调和个体遗传易感性有关[47]。Wang等[48]研究发现，在临床UC患者和右旋糖酐硫酸钠诱导的UC模型小鼠中铁离子、活性氧和丙二醛含量增高以及GPX4表达降低，同时通过给予铁死亡抑制剂可以降低UC小鼠的疾病活动性评分，改善结肠长度缩短，缓解UC结肠症状，表明铁死亡在UC中起关键作用。同样地，克罗恩病患者肠上皮细胞中GPX4蛋白表达水平也降低[49]。

关于铁死亡调节UC的机制目前认为有两种可能途径：其一，通过内质网应激介导的肠上皮细胞铁死亡调控UC，磷酸化NF-κBp65通过与真核起始因子2α(eIF2α)直接相互作用抑制内质网应激介导的肠上皮细胞铁死亡，提示NF-κBp65可能是UC的潜在治疗靶点[8]；其二，Chen等[50]研究发现，Fer-1通过抑制Nrf2/HO-1信号通路缓解右旋糖酐硫酸钠诱导的小鼠UC。此外，Nrf2/HO-1通路可抑制NF-κB通路，进而抑制促炎因子IL-1β、IL-6和TNF-α分泌[51]。由此提示，铁死亡可能通过Nrf2/HO-1通路调节UC。由此说明，铁死亡在炎症性肠病的发病过程中起重要作用，阻断铁死亡信号通路可能是缓解炎症性肠病的有效途径。

2.3 铁死亡与胃癌

胃癌是常见的消化道恶性肿瘤，幽门螺杆菌感染、肥胖以及盐和硝酸盐的过量摄入与其发病风险增加有关。此外，基因突变、表观遗传学改变和分子信号通路异常也参与胃癌的发生、扩散和转移过程[52]。铁死亡作为一种新型调节性细胞死亡方式，已证实与多种癌症的发生发展有关，包括胃癌。Zhao等[53]研究发现，胃癌细胞中GPX4表达水平较低，使其较正常细胞更容易发生铁死亡；进一步研究发现，抗血管生成药阿帕替尼可以通过抑制转录因子SREBP-1a使GPX4表达下调，从而诱导胃癌细胞铁死亡。

最近研究发现，多个直接参与调控铁死亡的功能蛋白参与胃癌的发生发展。例如，半胱氨酸双加氧酶1在Erastin诱导胃癌细胞发生铁死亡的过程中起重要作用，其沉默可以抑制Erastin诱导的胃癌细胞铁死亡，其机制为抑制半胱氨酸双加氧酶1可以上调细胞内谷胱甘肽和GPX4表达，进而抑制活性氧和脂质过氧化物产生，从而抑制胃癌细胞的铁死亡[54]。硬脂酰辅酶A去饱和酶1(stearoyl-CoA desaturase 1，SCD1)是一种在胃癌组织中高表达的内质网相关酶，参与饱和脂肪酸向单不饱和脂肪酸的转化，其高表达与胃癌细胞生长和铁死亡抑制相关，是潜在的胃癌预后标志物[55]。

微小RNA(miRNAs)是一组具有18～24个核苷酸的非编码小分子RNA，通过与靶基因3′-非翻译区(3′-UTR)相互作用调节基因表达。研究发现，miRNAs失调与胃癌细胞铁死亡有关。例如，miR-103a-3p作为一种致癌基因，在胃癌中表达上调，抑制其表达与患者良好预后相关[56]。Niu等[57]研究发现，大黄素甲醚8-氧β-吡喃葡萄糖苷(physcion 8-O-β-glucopyranoside，PG)可通过减轻miR-103a-3p对磷酸活化谷氨酰胺酶2(glutaminase 2,GLS2)的抑制作用，从而诱导胃癌细胞铁死亡并抑制其增殖和转移。GLS2是一种由p53诱导的谷氨酰胺代谢调节剂，将谷氨酰胺转化为谷氨酸以合成谷胱甘肽。由此可见，miR-103a-3p通过改变细胞内谷胱甘肽水平调控胃癌细胞铁死亡。此外，Mao等[58]研究发现，局麻药左旋布比卡因通过miR-489-3p/SLC7A11轴诱导胃癌细胞铁死亡，从而抑制胃癌细胞生长。

2.4 铁死亡与结直肠癌

根据2020年全球癌症统计，结直肠癌发病率在恶性肿瘤中居第三位，死亡率居第二位[52]。结直肠癌发病机制复杂，包括遗传易感性、表观遗传因素、饮食习惯、肠道菌群的改变和缺乏体育活动等[59]。目前结直肠癌的治疗方法包括手术、放疗、化疗、免疫治疗和生物靶向治疗等。尽管近年来在治疗方面取得了一些进展，但部分患者肿瘤细胞通过逃避凋亡和抗凋亡增强表现出对化疗药物的耐药性[60-61]。

研究发现，RSL3通过与GPX4直接结合并抑制其活性，致结直肠癌细胞内不稳定铁和活性氧的积累增加并引发铁死亡，而GPX4过表达可以抑制RSL3诱导的结直肠癌细胞铁死亡[62]。除了直接抑制GPX4表达外，抑制系统Xc-的功能亚基SLC7A11也可诱导结直肠癌细胞发生铁死亡[63]。Zhang等[63]研究发现，苯并吡喃衍生物IMCA通过调控AMPK/mTOR/p70S6k信号通路下调SLC7A11表达，从而抑制结直肠癌细胞增殖。另有研究发现，在结直肠癌干细胞中SLC7A11表达增高，敲除或特异性抑制SLC7A11可诱导细胞发生铁死亡，抑制结直肠癌干细胞的进展，降低结直肠癌耐药性[64]。

p53是重要的抑癌基因和铁死亡调节因子[65]。通常认为，p53抑癌作用归因于其在不同应激刺激下通过转录和非转录机制启动细胞周期阻滞、细胞凋亡和衰老的能力。最近研究表明，p53抑癌作用可能与铁死亡有关。Xie等[65]研究发现，p53可以通过阻断二肽基肽酶-4(dipeptidyl-peptidase-4，DPP4)活性进而抑制结直肠癌细胞铁死亡，同时p53基因缺失致Erastin抗癌活性增强；其机制为p53通过促进DPP4进入细胞核并形成DPP4-p53复合物从而抑制脂质过氧化以拮抗铁死亡。该机制不同于既往研究，即p53在其他癌症中作为铁死亡的正向调节因子发挥作用[66]。此外，p53还可以通过抑制SLC7A11表达进而促进结直肠癌细胞铁死亡[65]。由此可见，铁死亡在结直肠癌中起重要作用，通过诱导结直肠癌细胞发生铁死亡可达到治疗效果，但其潜在机制有待进一步研究。

3 总结与展望

铁死亡作为一种新型调节性细胞死亡形式，其发生过程涉及多种调控机制，并且与胃肠道疾病的发生发展密切相关。在肠I/R损伤和炎症性肠病中，采用铁死亡抑制剂(如Lip-1、Fer-1)可减轻肠道损伤，而在胃癌和结直肠癌中，采用铁死亡诱导剂(如Erastin)或小分子化合物诱导铁死亡可抑制肿瘤细胞的迁移、侵袭和增殖，提示铁死亡在不同胃肠道疾病中具有双重作用。然而，在胃肠道疾病中，铁死亡是否与其他细胞死亡形式之间存在相互调控作用还有待研究。最近研究提出，一些铁死亡相关基因可作为预测胃癌和结直肠癌的生物标志物[67]，但其中是否有判断胃肠道疾病严重程度的铁死亡生物标志物还有待进一步研究。此外，铁死亡的信号通路和主要转录调控因子还需要进一步研究，从而更好地调控铁死亡以保护胃肠道免受损伤和癌变。