铁死亡在心血管疾病中的研究进展

王文杰 杨嘉馨 丁耀东 王可馨 牛佳龙 葛海龙,2

(1.首都医科大学附属北京安贞医院,北京 100029;2.北京老年医院,北京 100095)

心血管疾病(cardiovascular disease,CVD)仍是全世界死亡的主要原因,也是导致生活质量下降的主要原因[1]。细胞死亡主要包括意外细胞死亡和调控细胞死亡两种类型[2]。目前调控细胞死亡有多种不同的形式,包括自噬依赖的细胞死亡、凋亡、坏死、铁死亡和焦亡等[3]。其中铁死亡是一种新型的细胞死亡。目前发现铁死亡与CVD的预后相关。鉴于铁死亡在治疗CVD方面的巨大潜力,现介绍铁死亡的调控机制和其与各种CVD的研究进展。

1 铁死亡的概况

细胞死亡对于多细胞生物的正常发育非常重要,早期研究认为细胞死亡是不可被抑制的,而Dolma等[4]发现了一种名为erastin(铁死亡诱导剂)的新化合物,它可通过RAS癌基因的突变表达从而对人类包皮成纤维细胞(BJeLR细胞)产生选择性致死作用。值得注意的是,这种细胞死亡的类型与之前所认为的并不相同,即细胞核形态无改变,DNA也未断裂。Dixon等[5]于2012年最终将这种非凋亡形式的细胞死亡命名为铁死亡。铁死亡在形态学、生物化学和遗传学上与细胞的凋亡、坏死和自噬不同,其形态学特征为线粒体萎缩、线粒体膜密度增加以及线粒体嵴的变性与瓦解,而细胞核形态不变。铁死亡的发生需要三个关键事件:铁积累、谷胱甘肽(glutathione,GSH)耗尽和脂膜氧化[6]。基于其相关机制,下面将展开讨论。

2 铁代谢与铁死亡的发生机制

2.1 铁的代谢

在生理情况下,细胞内铁的浓度由复杂的机制来进行调控,主要包括铁的输入、输出、储存和利用等机制。Fe3+通过转铁蛋白受体1(transferrin receptor 1,TfR1)进入细胞,然后通过前列腺六段跨膜上皮抗原3在核内转化为Fe2+,并通过二价金属离子转运蛋白1从核内释放。Fe2+储存在不稳定铁池和铁蛋白中,并通过膜铁转运蛋白1(ferroportin 1,FPN1)输出[7]。一旦铁的吸收、利用和循环之间的平衡被打破,游离铁离子可能会积累,并在过氧化氢的催化下发生芬顿反应,形成脂质过氧化物,最终引起铁死亡[8]。

2.2 GSH与铁死亡的关系

铁死亡主要是由大量活性氧(reactive oxygen species,ROS)引起,而ROS的清除主要与GSH以及谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPx4)有关。GPx4是一种硒化酶,GSH作为GPx4的还原剂,能促进GSH转化为氧化型GSH。GSH是一种包含谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸的三肽,是谷氨酰胺水解过程中的关键蛋白,具有抗氧化作用。其中Xc-GSH-GPx4途径是调控铁死亡的主要途径,增加GSH表达可抑制铁死亡[9]。Ras选择性致死小分子3(Ras-selective lethal small molecule 3,RSL3)是铁死亡发生的另一个重要的调节因子,是GPx4的抑制剂。Rodríguez-Graciani等[10]证明RSL3诱导的铁死亡导致H9c2心肌细胞代谢谱的显著变化。培养3 h后,RSL3诱导的细胞中的乳酸脱氢酶活性显著增加,增加细胞死亡。

2.3 脂质氧化与铁死亡

脂质过氧化物积聚是铁死亡中的主要特征[14]。GPx4被抑制后,细胞内积聚脂质过氧化物达到致死水平。该途径已被证明影响多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid,PUFA)[15]。PUFA是细胞膜的成分。ROS与PUFA可发生氧化反应[16]。Tesfay等[17]研究发现固醇辅酶A去饱和酶1是一种催化单不饱和脂肪酸合成的限速酶,抑制固醇辅酶A去饱和酶1可诱导脂质氧化和细胞死亡。PUFA必须脂化成磷脂-多不饱和脂肪酸(phospholipid-polyunsaturated fatty acid,PL-PUFA)并氧化才可变成铁死亡信号。其中酰基辅酶A合成酶长链家族成员4(acyl-CoA synthetase long-chain family member 4,ACSL4)和溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3(lysophosphatidylcholine acyltransferase 3,LPCAT3)参与了这一过程。ACSL4是合成多不饱和脂肪酸-辅酶A(polyunsaturated fatty acid-coenzyme A,PUFA-CoA)中的关键酶[18]。Doll等[19]和Dixon等[20]基于全基因组遗传筛选和抗铁死亡细胞系的微阵列分析来揭示ACSL4是铁死亡执行的重要组成部分,同时又使用噻唑烷二酮类降血糖化合物对ACSL4进行药理靶向,改善了小鼠铁死亡模型的组织死亡,这表明抑制ACSL4是预防铁死亡相关疾病的可行治疗方法。最新一些脂质组学研究[15]指出,含有花生四烯酸或其延伸产物磷脂酰乙醇胺是发生氧化和铁死亡关键的磷脂。又有研究认为LPCAT3通过对花生四烯酸代谢的调节在铁死亡诱导中起重要作用。Seiler等[21]研究认为通过α-生育酚、12/15-脂氧合酶抑制剂或干扰小RNA介导的凋亡诱导因子沉默来预防铁死亡。Chu等[22]也观察到p53激活可调节铁死亡性反应并发现ALOX12基因失活,降低了由ROS诱导的p53介导的铁死亡。Yang等[16]发现磷酸化酶激酶G2调节脂氧合酶对铁的利用率,同时发现脂氧合酶通过磷酸化酶激酶G2氧化PUFA从而导致铁死亡。3-羟基-3-甲基戊二酸单酰辅酶A还原酶途径也可能参与铁死亡的过程。抑制3-羟基-3-甲基戊二酸单酰辅酶A还原酶可使GPx4失活,从而引起铁死亡。综上所述,脂质代谢是铁死亡治疗过程中的重要靶点。铁死亡相关步骤见图1。

注:铁死亡是一种以铁超载和脂质过氧化为特征的细胞调控死亡。Fe3+通过TfR1转移到细胞内,然后在核内体中转化为Fe2+,并通过二价金属离子转运蛋白1转运到细胞质中。芬顿反应通过激活脂氧合酶促进脂质过氧化。胱氨酸被系统X-c吸收合成GSH,进一步增强GPx4的抗脂质过氧化活性。此外,FSP1-CoQ10和GCH1-BH4/BH2是两条平行的、不依赖GPx4的抑制铁死亡的途径。SLC7A11,溶质载体家族7成员11;SLC3A2,溶质载体家族3成员2;NADP,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸;NADPH,还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸;GSSG,氧化型谷胱甘肽;GCH1,GTP环化水解酶1;CoQ10,辅酶Q10;BH4,四氢生物蝶呤;BH2,二氢生物蝶呤;GLS,谷氨酰胺酶;TAC,三羧酸循环;OXPHOX,氧化磷酸化;MUFA,单不饱和脂肪酸;CoA,辅酶A;PL,溶血磷脂;STEAP3, STEAP家庭成员3;DMT1,二价金属离子转运体;LIP,不稳定铁池;PE,磷脂酰乙醇胺。图1由Figdraw绘制(ID:SIPYI88d66)。

3 铁死亡和CVD

3.1 铁死亡在心肌病中的作用机制

心肌病是一种多因素发病且病死率极高的疾病,现无特别有效的治疗方法。糖尿病心肌病是糖尿病和心力衰竭患者发病率和死亡率增加的原因之一。一项关于糖尿病心肌病患者或小鼠模型的微阵列数据分析显示,在糖尿病小鼠左心室心肌组织和高糖处理的心肌细胞中的GPx4减少。使用铁死亡抑制剂-1(ferrostatin-1,Fer-1)后可恢复GPx4的水平,增加细胞内GSH的水平,阻止铁死亡的发生,延缓糖尿病心肌病的进展[23]。Bai等[24]证明ENPP2作为一种参与脂质代谢的脂质激酶,通过调节GPx4、ACSL4和核转录因子红系2相关因子2(nuclear factor-erythroid 2-related factor 2,Nrf2)的表达以及增强Akt存活信号来保护心肌细胞免受erastin诱导的铁死亡。

He等[25]发现阿霉素诱导的心脏毒性表现出铁死亡的特征。ENPP2的转录激活保护心肌细胞免受阿霉素诱导的毒性。阿霉素处理可导致细胞Fe2+的活性显著增强,脂质ROS的产生显著增加,而SLC7A11、GPx4和FPN1的表达水平却下降。ENPP2可保护阿霉素诱导心脏毒性的心肌细胞免受铁死亡的影响。

3.2 铁死亡在心肌梗死中的作用机制

心肌梗死是一种严重威胁人类健康的CVD,其发病机制尚未完全明确。Gao等[26]研究发现lncRNA Gm47283通过miR-706和Ptgs2调控心肌梗死。在体内,通过抑制lncRNA Gm47283可减轻心肌梗死,增加GPx4,减少铁死亡,所以铁死亡可能是心肌梗死的靶点。Li等[27]发现circRNA1615可通过海绵吸附miR-152-3p调控低密度脂蛋白受体相关蛋白6的表达,预防低密度脂蛋白受体相关蛋白6介导的心肌细胞自噬相关铁死亡,最终控制心肌梗死的病理过程。白藜芦醇是一种生物活性成分,具有抗氧化、抗炎和抗菌等特性。Liu等[28]发现白藜芦醇通过诱导心肌梗死中的赖氨酸乙酰转移酶5/GPx4抑制铁死亡,从而减轻心肌损伤。

3.3 铁死亡与缺血再灌注损伤

已有多项研究阐明了铁死亡在诱导心肌细胞损伤中的意义。Chen等[29]采用小鼠心肌缺血再灌注和培养心肌细胞缺氧/再灌注模型检测乳酸脱氢酶和GPx4的活性以及细胞铁、ROS、脂质过氧化物和GSH的水平。心肌缺血再灌注手术上调胚胎致死异常视觉样蛋白1和细胞铁水平,增加乳酸脱氢酶活性,但显著降低了GPx4的活性以及铁蛋白重链1和GSH的水平,表明心肌缺血再灌注过程中发生了铁死亡。敲除胚胎致死异常视觉样蛋白1可抑制铁死亡,并通过抑制自噬来改善缺血再灌注损伤。Stamenkovic等[30]发现心肌缺血再灌注损伤增加氧化磷脂酰胆碱的生成,通过铁死亡引起广泛的细胞死亡。Tang等[31]发现心肌严重缺血时 (心肌梗死和肌酸激酶释放),心肌组织中铁死亡指数(ACSL4、GPx4、铁和丙二醛)无明显变化。但随着再灌注时间的延长,ACSL4、铁和丙二醛水平逐渐升高,同时GPx4水平降低。据此得出结论,铁死亡主要发生在心肌再灌注阶段,而不是缺血阶段。Tang等[32]发现了一种新的USP7/p53/TfR1通路,抑制USP7可通过抑制去泛素化激活p53,导致TfR1下调,伴有铁死亡减少和心肌缺血再灌注损伤减轻。Tian等[33]提出铁稳态相关的铁死亡在糖尿病大鼠心肌缺血再灌注损伤的加重中起重要作用,同时Nrf2/FPN1通路介导的铁稳态和铁死亡可能是糖尿病患者心肌缺血再灌注损伤的治疗靶点。

3.4 铁死亡与心力衰竭

由于终末分化心肌细胞的丧失在心力衰竭中很难逆转,早期预防心肌细胞死亡可维持心功能,减缓心力衰竭的进展。Liu等[34]在体外和主动脉束带诱导心力衰竭的大鼠中,发现葛根素可显著阻断铁超载和脂质过氧化的增加,减少GPx4和铁蛋白重链1的表达。心肌细胞内存在线粒体收缩和线粒体膜密度增加等铁死亡相关线粒体特征性结构改变,表明在心力衰竭过程中可能伴随着铁死亡的发生。Fang等[35]发现心肌细胞中缺乏铁蛋白H小鼠心脏中铁水平较低,给这些小鼠喂食高铁饮食后会引起GSH水平降低和脂质过氧化水平升高,从而导致严重的心脏损伤和肥厚型心肌病。Ma等[36]认为铁死亡可能是预防射血分数保留性心力衰竭的一种心脏保护策略,并表明卡格列净可能通过减轻铁死亡发挥其部分心血管效益。Ito等[37]认为核受体辅助活化因子4缺乏的心脏可抑制游离亚铁超负荷和脂质过氧化水平增加。Fer-1可显著减缓野生型小鼠压力过度诱导的扩张型心肌病的发展。

3.5 铁死亡与动脉粥样硬化

动脉粥样硬化是大中型动脉的一种慢性炎症性疾病,可引起缺血性心脏病、卒中和周围血管疾病,统称为CVD[38]。在动物模型中,通过静脉切开术、全身铁螯合治疗或饮食限制铁来减少病变的大小和/或增加斑块的稳定性,通过抑制铁死亡提高斑块的稳定性[39]。Bai等[40]采用高脂饮食诱导ApoE-/-小鼠动脉粥样硬化,应用Fer-1进行治疗。结果表明,Fer-1可减轻高脂饮食喂养的ApoE-/-小鼠动脉粥样硬化损伤。Fer-1能提高低密度脂蛋白处理的主动脉内皮细胞的细胞活力,降低细胞死亡。同时,Fer-1上调了SLC7A11、GPx4和内皮型一氧化氮合酶的表达,下调黏附分子表达,从而减轻主动脉内皮细胞中的脂质过氧化和内皮功能障碍,缓解动脉粥样硬化。Zhou等[41]取40例人冠状动脉标本,采用免疫组织化学法检测GPx4的表达,动脉粥样硬化的严重程度与GPx4表达呈负相关。从中可看出铁死亡可调节动脉粥样硬化的发生和发展,这些发现可能为冠状动脉粥样硬化的预防和治疗提供新思路。

4 观点与展望

本篇综述主要讲述了铁死亡的机制以及铁死亡在CVD中的相关作用。近年来大多数高收入国家的CVD死亡率下降了50%。然而低收入和中等收入国家的CVD负担不是上升就是缓慢下降[42]。CVD仍是一个全球性的健康问题,导致高死亡率、高发病率和高致残率。随着对细胞凋亡的研究,细胞铁死亡越来越受到关注。

铁死亡主要是PUFA积累发生脂质过氧化,其原因是由于细胞内游离Fe2+的积累和/或GSH过氧化功能障碍。随着铁超载和脂质过氧化,ROS积累,细胞膜受损,最终导致细胞死亡。除破坏铁代谢、GSH耗尽和脂质过氧化外,多种途径也参与了铁死亡的过程,如高水平的细胞外谷氨酸、细胞器介导途径和Nrf2途径[43]。铁死亡在心肌梗死、糖尿病心肌病、缺血再灌注损伤、心力衰竭、动脉粥样硬化和血管内皮损伤等中的作用已被证实,然而在心律失常、血管钙化和扩张型心肌病等中的研究较少。抑制铁死亡就可防止细胞损伤。总的来说,细胞的铁死亡在CVD中有重大作用,相信随着对其机制和临床上的不断探索,针对铁死亡治疗CVD可能是另一个有希望的方向。