ACSL4介导铁死亡与心血管疾病的研究进展

刘燕

(右江民族医学院附属医院心血管内科,广西 百色 533000)

心血管疾病死亡率占世界总死亡率1/3[1],在中国,心血管疾病死亡率占总死亡率的首位[2],严重影响公民健康。而且,根据《中国心血管健康与疾病报告2019》[2]提示心血管疾病的发生仍在不断增加,严重影响人民健康。作为一种细胞死亡方式,铁死亡(ferroptosis)主要依赖于铁积累。当二价铁或酯氧合酶作用于高表达的不饱和脂肪酸时,通过催化脂质过氧化,进而诱导细胞死亡。此外,铁死亡还会导致谷胱甘肽(GSH)和谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)等抗氧化体系的表达量降低。酰基辅酶A合成酶长链家族成员4(ACSL4)是铁死亡通路上的一个关键基因,它能合成花生四烯酰CoA和肾上腺酰CoA,参与膜磷脂合成。在处理过铁死亡诱导剂GSH过氧化物酶4抑制剂(RSL3)等干预下,长链多不饱和脂肪酸容易被氧化,从而引发细胞铁死亡。因此,ACSL4作为膜磷脂的主要成分是铁死亡发生过程中的必需分子[3]。本文就ACSL4介导铁死亡在动脉粥样硬化、心肌梗死、心肌缺血再灌注损伤及心力衰竭中作用机制作一综述,以期为心血管疾病的早期诊治提供新的思路。

1 ACSL4

1.1结构与功能 人ACSL4基因定位在染色体上[4],位于X染色体Xq22.3-q23,编码一种大小为75 kDa的花生四烯酸依赖的同工酶,其基因结构如图1(https://www.genecards.org/cgi-bin/carddisp.pl?gene=ACSL4)。ASCL4为ACSL(酰基激活酶家族成员之一)五种亚型中的一种[5],主要分布在肾上腺、卵巢、睾丸等类固醇合成组织中[6]。人的ACSL4基因mRAN全长4906 bp,包括124 bp 5’-UTR、2013 bp CDS和全部的3’-UTR,其中一共包括14个外显子和13个内含子。ACSL4基因具有一个P-Loop环,其与dNTPs的P环结合,用来维持蛋白的稳定性。在365处有一个Y-Gate结构,该结构为具有离子或蛋白通道的匣门,用于连接两个有功能的结构蛋白linker。在234-245处,发现存在一个潜在结合位点,是一个保守的结构域,ACSL4基因由腺苷酸结合蛋白调控。酰基辅酶A合成酶为ACSL4基因产物,分布在细胞膜和融入膜上,该基因在人类上具有丰富的多态位点。酰基辅酶A合成酶的催化脂肪酸生成脂肪酰基辅酶A,继而进入脂肪酸的氧化途径,作为动物体生长发育能量和碳源的来源及适应外界进行信号转导。主要参与细胞活动,游离脂肪酸也必须在酰基辅酶A合成酶的作用以及辅酶A、ATP与镁离子存在条件下,才能合成脂肪酰基辅酶A,然后通过代谢途径使脂肪酸转化为细胞内类酯化合物和进入脂肪酸氧化分解代谢途径,从而参与脂肪代谢等[5],进而参与细胞活动。

1.2ACSL4介导铁死亡的分子机制 铁死亡,是与凋亡、自噬和坏死不同的新的细胞死亡的方式,它与铁过载和脂质过氧化(lipid peroxidation,LPO)有密切的关系[6]。ACSL4是调节脂质成分的关键酶,尤其是通过对磷脂酰乙醇胺(phosphatidyl ethanolamine,PE)进行调节,ACSL4可促进脂质过氧化,进而促进细胞铁死亡发生,ACSL4催化包含花生四烯酰基(arachidonic acyl,AA)和肾上腺素酰基(adrenaline acyl,Ad A)的PE优先氧化是铁死亡出现的主要原因[7]。ACSL4对AA和AdA酯化为PE具有催化作用,此外,ACSL4 介导的12-和15-羟基二十碳四烯酸 (12,15-hydroxyeicosentetraenoic acid,12,15-HETE) 的产生对于铁死亡至关重要。研究证明[8],ASCL4可以重塑细胞脂质组成,干扰脂肪代谢,进而影响铁死亡的敏感性。ACSL4不仅能调节铁死亡敏感性,而且还可以促进铁死亡的发生[9]。ACSL4下调可以减少铁死亡的发生,从而保护脑和肠道缺血再灌注损伤[10-11]。有研究发现铁死亡条件下ACSL4的表达上调,使用Ferrostatin-1和罗格列酮进行干预,ACSL4蛋白表达显著下调[12]。

2 ACSL4介导铁死亡与心血管疾病的关系

2.1动脉粥样硬化 动脉粥样硬化是与脂质代谢障碍有关的疾病,其形成机理涉及脂质浸润、血小板聚集以及血栓形成、平滑肌细胞增殖和迁移以及内皮损伤等因素。在铁死亡过程中,脂质氧化作为“中间事件”发生。脂质是构成细胞膜结构和功能基础的含烃生物分子。尽管脂质的来源、类型和功能各不相同,但一般而言,多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid,PUFA)和单不饱和脂肪酸 (monounsaturated fatty acid,MUFA)由于对氧化的敏感性不同,在铁死亡中起着完全相反的作用。在铁死亡过程中,多不饱和脂肪酸,尤其是花生四烯酸(arachidonic acid,AAs),极易发生过氧化反应,最终导致脂质双层以及膜功能被破坏。将PUFA掺入细胞磷脂(尤其是PE)需要参与脂肪酸合成ACSL4和脂质重塑[溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3(Lysophosphatidylcholine acyltransferase 3,LPCAT3)]的特定酶的作用。ACSL4 酯化AA 生成AA-CoA,随后被LPCAT3掺入磷脂膜中[13]。相反,由硬脂酰辅酶A去饱和酶[14]或由ACSL3激活[15]产生的MUFAs通过从PE中置换PUFAs来抑制铁死亡,从而减少脂质过氧化的可用底物。除了游离多不饱和脂肪酸,即在过氧化物酶体中合成的多不饱和醚磷脂(polyunsaturated ethers phospholipids,PUFA-ePL)[16]通过脂肪吞噬作用对脂滴的溶酶体降解[17]或谷氨酰胺衍生的回补通量为线粒体中的三羧酸循环提供α-酮戊二酸[18]也可能产生铁死亡中脂质过氧化的来源。由此可见,ACSL4是调整脂质的关键酶,可以促进脂质过氧化,脂质过氧化物水平升高进而促进ROS蓄积,增强内皮细胞的氧化应激和炎症反应,从而诱导内皮细胞损伤。另一方面,动脉内膜脂质过氧化物累积诱发铁死亡,进而刺激炎症因子分泌,导致平滑肌细胞增殖及迁移,加速动脉粥样硬化。ACSL4介导铁死亡在AS中发挥着重要作用,以此作为切入点可能为AS的防治提供新靶点。

2.2心肌梗死 急性心肌梗死(acute myocardial infarction,AMI)是由冠状动脉病变引起的临床综合征。动脉粥样硬化斑块破裂通常发生在动脉内部。当动脉发生急性闭塞时,血流受阻,心脏内无法正常供血。缺血性心脏病通过冠状动脉中的动脉粥样硬化斑块衍生的血栓并发症发生,产生一系列生化和代谢变化,最终导致心肌细胞死亡。当冠状动脉完全闭塞时,这种细胞死亡会进一步加剧,从而产生AMI[19]。相应的心肌严重缺血缺氧,导致心肌损伤和死亡[20]。ACSL4介导的铁死亡不仅导致细胞死亡,而且常伴有氧化应激及炎症反应,因此与心肌梗死关系密切。KUWATA H等[21]研究发现ACSL4对维持20碳以上PUFA衍生的脂酰辅酶A的水平有关键调节作用。研究发现[22]与单一的西方饮食进行喂养的LDLR敲低小鼠相比较,补充n-3 PUFA的西方饮食对LDLR敲低小鼠的动脉粥样硬化进展有着很明显的延缓作用,进一步细胞实验结果显示,18-羟基二十碳五烯酸(18-hydroxyeicosapenta-enoic acid,18-HEPE)和17、18-环氧乙酸(17,18-epoxyeicosa-tetraenoic acid,17,18-EEQ)通过抑制NF-κB通路,可以逆转内皮细胞激活以及单核细胞黏附,在抗炎方面起着非常重要的作用。n-6/n-3 PUFA比值升高是血栓形成和炎症反应的重要标志,可能会导致动脉粥样硬化、肥胖和糖尿病等疾病的发生[23]。对心肌梗死模型小鼠的研究发现AMI后n-6和n-3 PUFA发生交替性改变[24]。与其他代谢物相比,花生四烯酸代谢产物PGJ2、PGI2、5-HETE、LTB4和PGF2α是应对STEMI发生的主要靶向标志物,这些代谢产物在心肌梗死发生炎症过程中激活炎症小体,继而导致炎症因子的释放[25]。吕珩等[26]对AMI大鼠予不同比例的n-6和n-3多不饱和脂肪酸饲料喂养后发现n-6和n-3多不饱和脂肪酸能够有效降低AMI大鼠心机梗死面积。BABA Y等[27]建立缺血再灌注损伤(ischemical/reperfusion,I/R)小鼠模型发现,I/R损伤后30 min,铁蛋白沿着心肌瘢痕区域积聚,这种铁积聚导致心肌细胞死亡。同时,他们基于 FRG 和缺氧相关基因的表达,计算每个样本的铁死亡Z值和缺氧Z值作为临床特征,发现AMI小鼠的铁死亡Z评分明显高于对照组。在此基础上进行功能富集分析,发现铁死亡在MI中的关键基因,说明铁死亡在MI的发展中至关重要。这些结果为临床医生进一步防治心肌梗死提供更为丰富的思路及依据。

2.3心肌缺血再灌注损伤 在铁死亡过程中,GPX4失活,酰基CoA合成ACSL4被激活,加速心肌细胞死亡。据报道,缺血可导致心肌铁富集,从而加重I/R造成的损伤[28]。LIU X J等[29]通过建立H9C2细胞H/R模型,检测了铁死亡标志物(ACSL4 和 GPX4)的水平,发现ACSL4水平增加。TANG L J等[30]研究发现在心肌 I/R损伤的动物中检测到ACSL4蛋白表达增加,在这项研究中,大鼠心肌I/R处理的心肌细胞ACSL4表达水平较正常组明显升高,反映出ACSL4在心肌I/R损伤的发生发展中至关重要。ZHANG F Y等[31]通过建立大鼠心肌 I/R损伤模型和氧糖剥夺/再灌注(OGD/R)诱导的H9C2 细胞模型,给予HJ11煎剂进行干预,结果发现在 I/R 损伤大鼠模型的心肌组织中,HJ11煎剂抑制铁死亡促进ACSL4的表达,在OGD/R诱导的H9C2 细胞中发现了类似的结果。有趣的是,ACSL4敲低减弱了OGD/R处理的H9C2细胞中的铁积累、氧化应激和铁死亡。然而,ACSL4过表达抵消了HJ11煎剂对H9C2 细胞中OGD/R触发的氧化应激和铁死亡的抑制作用。MEI S L等[32]用参麦注射液对大鼠心肌缺血再灌注(ischemia/reperfusion,I/R)损伤过程中铁死亡的影响及其机制研究中发现,与假手术组相比,I/R组心肌组织明显受损,线粒体的超微结构改变,ACSL4 的表达增加以及Nrf2/GPX4信号激活。然而,铁死亡通常发生在心肌缺血再灌注的哪个阶段,目前尚无确切说法。通常,由于传统观点认为缺血引起的组织损伤和功能丧失是缺氧的任意结果,因此缺血期会被忽视,因此I/R研究主要集中在再灌注期,但转化价值有限[33]。铁死亡的两个公认的生物标志物是GPX4和ACSL4。当研究缺血性心脏的ACSL4和GPX4蛋白水平时,除了心脏组织中铁或MDA含量没有显著变化外,在不同的缺血点期间没有显著变化。随着再灌注时间的延长,ACSL4蛋白水平逐渐升高,伴随着心肌组织中GPX4水平的降低,铁浓度逐渐升高,同时心肌中MDA水平升高。因此,这项研究最终表明,铁死亡发生在经历 I/R 过程的大鼠心脏的再灌注阶段,而不是发生在缺血阶段[34]。这些结果不仅出现在心脏中,还出现在肠道和其他器官中。先前的一项研究[33]提示铁死亡发生在再灌注早期。ACSL4的表达在缺血肠中被诱导,GPX4水平在缺血45 min后降低。这些结果可能使肠道对铁死亡再灌注敏感,因为该第二阶段很可能在缺血45 min后导致铁死亡。再灌注15 min后,线粒体外膜发生破裂,30 min后线粒体嵴消失更明显。此外,再灌注30 min时GPX4的表达降低,而环氧合酶2以及12-HETE和15-HET的表达增加,两者均来源于花生四烯酸。结果表明,铁死亡在再灌注后30 min更加活跃,而不是在该阶段的其他时刻[33]。因此,这些先前的研究最终表明铁死亡发生在I/R模型的再灌注阶段而不是在缺血阶段,在开发抑制铁死亡以减少心脏I/R的心脏保护疗法时要考虑这一点非常重要[34]。

2.4心力衰竭 心力衰竭(heart failure,HF)是一种日益普遍的全球流行病,是一种临床综合征。心衰是一种复杂的疾病,涉及多种细胞死亡方式,如细胞调亡、自噬和坏死等[35],铁死亡途径是其中的一种,具有调节心衰的病理生理功能并参与其中过程。研究表明[36],抑制自噬和铁死亡可以减少心衰过程中的心肌细胞死亡,Toll样受体4(TLR4)和NADPH氧化酶4是上调的差异表达基因,也是炎症基因,通过敲低TLR4或NOX4来抑制心肌细胞的自噬和铁死亡可以缓解心衰的症状。葛根素已在临床上用于改善心力衰竭,但具体机制尚不清楚。研究发现[37]葛根素可以阻断心肌细胞铁死亡并恢复细胞活力,同时可以下调NOX4的表达并上调GPX4,减少铁死亡,改善心衰。BABA Y等[27]通过制备小鼠I/R模型用于评估铁积累水平,发现铁积累后可以诱导心肌细胞死亡的发生同时加重心肌纤维化进程,进而加重心衰的发生。LI W J等[38]造模前用铁死亡抑制剂Fer-1对大鼠进行腹腔注射,发现大鼠心肌损伤程度明显,而且检测外周血中ROS和ACSL4水平发现它们的表达均降低。然而,没有用Fer-1组大鼠心肌损伤后,心肌组织中ACSL4蛋白的表达水平却升高。PEI Z H等[39]通过建立 FUNDC1基因缺陷高脂饮食小鼠并予铁死亡抑制剂干预,研究发现FUNDC1 缺陷可能会导致高脂肪饮食小鼠心脏发生重构及心力衰竭,机制可能是通过ACSL4介导铁死亡进行调控,进一步说明ACSL4在心力衰竭中的关键地位。由此可见,铁死亡可能通过上调ACSL4水平后激活内质网应激途径并产生大量ROS,继而加重心肌纤维化的进程,最终导致心衰的发生。

3 小结与展望

ACSL4在铁死亡中的关键作用使其在很多疾病成为人们研究重点,其关键的作用在于调节脂质成分,从而影响脂质代谢、血管硬化进程、心肌梗死、心肌缺血再灌注损伤及心力衰竭等疾病的发生发展。目前铁死亡与心血管疾病关系着研究脂质调节问题,而ACSL4介导铁死亡途径研究主要在肿瘤方面,在心血管疾病中的研究甚少,这可能是未来心血管领域研究方向之一。因此,干扰铁死亡通路关键分子ACSL4可能成为心血管疾病防治的新靶点。