铁死亡与衰老

管文斌, 刘新光, 赵 炜*

(1)广东医科大学医学技术学院,广东 东莞 523808;2)广东省医学分子诊断重点实验室,广东 东莞 523808)

铁死亡和衰老是目前生命科学及医学研究中两个重要的领域。铁死亡是由于细胞内铁超载导致的特殊形式的程序性细胞死亡[1],衰老则是由于多种因素导致的组织/器官功能逐渐衰退的过程[2]。现有研究发现,这两个截然不同的生理过程存在着千丝万缕的联系,例如,含多不饱和脂肪酸的脂质氧化性损伤是铁死亡的主要特征之一,而细胞内脂质、蛋白质和DNA的氧化性损伤,又恰好是导致衰老的重要因素。另外,在研究衰老相关疾病的动物模型中,时常会表现出铁死亡相关特征,例如铁过载,还原性谷胱甘肽(glutathione,GSH)减少等[3]。深入研究铁死亡和衰老的相关分子机制,有助于我们更全面地了解两个生理过程的潜在关联和调控机制,进而为临床上相关疾病的预防和治疗提供理论依据。

1 铁死亡概述

铁死亡是由脂质过氧化介导的一种铁依赖性细胞程序性死亡方式。细胞铁死亡过程由铁代谢、活性氧(reactive oxygen species,ROS)调控和脂质代谢三种因素共同参与。铁是真核生物必需的一种微量元素,它在细胞内发挥着多种功能,例如氧气运输、ATP生成和DNA合成等[4]。铁稳态对正常的细胞功能维持至关重要,如果细胞内铁的含量或分布异常就会影响多种生理过程,因此,铁稳态调节非常严格。细胞外铁以Fe(III)的形式与转铁蛋白受体1(transferrin receptor protein 1,TFR1)结合进入细胞内,随后被前列腺六跨膜上皮抗原3(six-segment transmembrane epithelial antigen of prostate 3,STEAP3)还原成Fe(II),Fe(II)由二价金属离子转运体1(divalent metal-ion transporter-1,DMT1)转运到胞质内的不稳定铁池中储存。当亚铁离子在细胞内过载时,会被H2O2催化发生芬顿反应[5],从而产生游离的三价铁离子,羟自由基和大量的氢氧化物,最终使得细胞抗氧化系统失衡。

另一方面,细胞膜上的胱氨酸-谷氨酸逆向转运蛋白系统(cystine-glutamate antiporter system, System Xc-)是细胞抗氧化系统的重要组成部分,它可以将胞内的谷氨酸和胞外的胱氨酸进行交换,胱氨酸进入胞内后会被还原型辅酶Ⅱ(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADPH)还原成半胱氨酸,半胱氨酸进一步与甘氨酸和谷氨酸合成GSH来减少细胞内的ROS含量。当System Xc-受到抑制时,细胞内的GSH合成减少导致ROS大量的堆积,使得细胞抗氧化系统失衡。当ROS大量堆积时,会直接与细胞膜上含多不饱和脂肪酸磷脂(polyunsaturated fatty acid-phospholipid,PUFA-PL)反应,形成脂质氢过氧化物,进而形成脂质过氧化物。另外,脂质氢过氧化物也可以通过脂氧合酶(lipoxygenases,LOXs)和Fe(II)的共同作用直接催化形成。脂质过氧化物的大量堆积最终导致细胞膜破裂和铁死亡发生。

铁死亡具有两个方面的特征:第一,形态学特征,包括细胞膜破裂、线粒体变小、线粒体脊减少甚至消失、线粒体膜密度增加、外膜破裂和细胞核形态正常,但缺乏染色质凝集等;第二,生物学特征,包括ROS大量产生、亚铁离子聚集、丝裂原活化蛋白激酶系统激活、GSH减少和System Xc-抑制等[3, 6-8]。

2 衰老概述

衰老是受多因素影响的一种复杂生理过程,是引起人类大多数慢性疾病的主要危险因素,例如神经退行性疾病、癌症和心血管疾病等。现在学术界认为导致衰老的因素有DNA损伤、ROS堆积、端粒缩短、线粒体功能障碍、干细胞耗竭、蛋白质稳态失衡、慢性炎症和表观遗传改变等[9]。

DNA损伤目前被认为是导致衰老的根本原因之一,造成DNA损伤的因素有内源性和外源性两种。一般情况下,大多数DNA损伤可以通过DNA损伤识别和修复机制得到精准修复。然而,在衰老过程中,DNA损伤的不断累积会导致细胞的修复机制效率下降,无法及时被修复的DNA损伤会导致DNA序列的改变和基因功能异常,从而导致细胞稳态失衡,最终会引起细胞和组织的衰老[10]。

ROS是指一类具有较高反应活性的含氧物质总称,它是导致细胞内DNA损伤的重要因素之一。细胞内的ROS主要来源于线粒体,是细胞氧化磷酸化合成ATP时伴随的有毒副产物。外源性引入或细胞代谢失衡引起的ROS累积会对细胞内DNA、蛋白质和脂质等生物大分子造成氧化性损伤,进而导致细胞的衰老或死亡[11]。

线粒体是细胞内负责能量代谢的主要细胞器,它通过连续的融合和裂变来调节自身的形态和功能以维持细胞正常的代谢,一旦线粒体的功能发生障碍就会导致细胞能量代谢的下降和ROS的堆积,进而影响细胞功能,最终导致细胞的衰老和死亡[12]。

端粒是位于染色体末端的DNA-蛋白质复合物,能够维持染色体的稳定,避免染色体的重组和降解。研究发现,它们的长度会随着细胞的分裂逐渐缩短。当端粒缩短到一定程度时,引起DNA损伤应答反应,细胞会加速衰老或凋亡,从而导致组织器官的更新能力丧失和功能退化[13]。

干细胞衰老也是驱动机体衰老的重要因素之一。干细胞是身体中一类具有自我更新和分化能力的细胞,它在身体组织的生长和修复中发挥不可替代的重要作用。随着年龄的增长,干细胞发生衰老,逐渐失去自我更新和分化能力,从而导致与衰老相关的组织功能衰退[9]。

蛋白质稳态是指细胞内蛋白质的合成、折叠、定位、修饰和降解等过程的平衡状态。蛋白质稳态的平衡主要由伴侣蛋白以及两种蛋白质水解系统:泛素-蛋白酶体系统和自噬-溶酶体系统共同维持,它们分别调控蛋白质的合成与降解,防止错误蛋白质的累积,并确保细胞内蛋白质的持续更新。稳态失衡导致的蛋白质毒性会使细胞的结构功能受损,最终导致衰老和衰老相关疾病的产生[14]。

慢性炎症是机体免疫系统的一种防御反应,持续性的炎症反应会降低机体免疫系统的保护能力。研究表明,慢性炎症是衰老过程的重要特征之一。随着衰老的进行,免疫系统衰老、激素水平变化和代谢紊乱等因素促进了慢性炎症的发生。此外,在慢性炎症发生的过程中,细胞会分泌多种促炎因子,例如TNF-α和IL6,会进一步促进细胞衰老的过程。同时,慢性炎症也是衰老相关疾病,例如,心血管疾病、癌症、糖尿病等疾病的危险因素,因此,慢性炎症也被认为是加速衰老的重要因素之一[15, 16]。

表观遗传是指不涉及DNA序列改变的基因组变化,这些变化可以影响基因的表达和功能。表观遗传变化包括DNA甲基化和组蛋白修饰等。大量研究证据表明,表观遗传的改变,会使基因的表达发生变化从而影响细胞功能,加速机体衰老[15]。

总的来说,衰老是一个复杂的由多因素共同诱导的生理过程,了解衰老的特征和机制,有助于我们研究发现干预衰老的方法,最终实现延缓衰老的目的。

3 铁死亡与衰老的共性分析

尽管铁死亡和衰老是两种截然不同的生理学过程,分别有各自的特征,但也有共同之处。为了更加直观地体现两者之间的联系,本文总结了铁死亡和衰老的有关特征,见Table 1,并就其中几项进行概述。

Table 1 The characteristics of ferroptosis and aging

3.1 DNA损伤

目前认为,DNA损伤是导致细胞衰老最主要的原因之一[27],有意思的是,DNA损伤反应和细胞的铁死亡过程也是密切关联的。

DNA损伤反应主要包括识别DNA损伤信号、激活细胞周期检查点、阻滞细胞周期、启动DNA损伤修复,以及清除修复失败的细胞。细胞发生DNA损伤时,首先激活PI3K相关激酶:共济失调毛细血管扩张突变蛋白(ataxia-telangiectasia mutated proteins,ATM)、Rad3相关激酶(ATM-Rad3-related,ATR)和DNA-PK,随后,衔接蛋白p53结合蛋白1(p53-binding protein 1,53BP1)、DNA损伤检查点蛋白调节子1(mediator of DNA damage checkpoint protein 1,MDC1)和Claspin被招募到损伤位点,作为“适配器”募集下游检查点激酶1(checkpoint kinase 1,CHK1)和检查点激酶2(checkpoint kinase 2,CHK2),PI3K相关激酶进一步激活检查点激酶以及下游相关蛋白质,例如乳腺癌1号蛋白(breast cancer 1 protein,BRAC1)、细胞周期蛋白依赖性激酶(cyclin dependent kinase,CDK)和肿瘤抑制蛋白p53(tumor protein 53,p53)等,最终实现DNA损伤的修复过程[28]。DNA损伤反应无法修复的受损DNA会导致基因组不稳定,进而影响细胞功能的正常运行,最终导致细胞衰老。

研究表明,DNA损伤与铁死亡存在关联。Li等人发现,抗病毒药物扎西他滨处理永生化人胰腺癌细胞,可以引起细胞线粒体DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)耗竭和氧化性损伤,然后通过DNA损伤信号感受通路cGAS-STING进一步促进细胞发生铁死亡[17]。Yuan等人发现,磁场可以诱导ROS介导的DNA损伤,使癌细胞发生铁死亡与细胞凋亡,最终导致肿瘤细胞增殖抑制[29]。Li等人发现,二氢青蒿素会导致巨噬细胞内DNA损伤标志物γ-H2A.X(H2A.XSer 139 phosphorylation)和p53蛋白的表达增加,诱导细胞出现DNA损伤和铁死亡,并将肿瘤相关巨噬细胞重塑为M1表型,而铁死亡抑制剂则可以消除表型重塑和减少DNA损伤[30]。

另外,DNA损伤反应相关蛋白质也参与细胞的铁死亡过程[31],例如ATM和p53。ATM是DNA损伤反应过程中重要的蛋白激酶,Chen等人研究发现,抑制ATM的活性可以提高铁转运蛋白1(ferroportin1,FPN1)、铁蛋白重链(ferritin heavy,FTH)和铁蛋白轻链(ferritin light,FTL)3种蛋白质的表达量来降低细胞内铁水平,从而减少细胞铁死亡带来的负面效应[32]。

有研究报道,在HT-1080细胞中,用抑制剂nutlin-3抑制细胞中的双微体2蛋白(murine double mimute 2,MDM2)的表达可以提高p53表达水平,从而减轻由铁死亡诱导剂Erastin诱导的铁死亡表型,通过CRISPR/Cas9技术敲除p53会增强细胞对铁死亡的敏感性[33],说明p53可以发挥抑制铁死亡的作用。

有趣的是p53不止可以抑制铁死亡,也可以促进铁死亡的发生。胱氨酸转运体溶质载体家族7成员11(solute carrier family 7 member 11,SLC7A11)和重链溶质载体家族3成员2(solute carrier family 3 member 2,SLC3A2)是System Xc-的重要组成成分,直接参与铁死亡的调节。p53也可以直接与SLC7A11启动子区域的p53结合元件结合,进而抑制SLC7A11的表达,提高细胞对铁死亡的敏感性[34]。据报道,p53还可以通过调节非编码RNA的表达来诱导铁死亡,例如,p53可以降低长链非编码 RNA (long non-coding RNA,lncRNA) LINC00336的稳定性来释放微小RNA(MicroRNA,miRNA)MIR6852,进而降低胱硫醚-醚合酶(cystathionine βsynthase, CBS)的表达水平,最终促进铁死亡的发生[35]。

上述研究表明,DNA损伤与铁死亡密切相关,也有证据表明激活的DNA损伤信号感受通路可以促进铁死亡,特定条件下铁死亡抑制剂可以减少细胞的DNA损伤,但都是针对特殊的细胞系或者特定的实验条件,不具备普遍性。

3.2 氧化还原稳态失衡

根据衰老的自由基理论,ROS堆积是导致细胞衰老的关键因素[11]。另外一方面,正如前文所提到的,ROS堆积也是铁死亡的重要指标之一,而ROS的堆积与细胞的氧化还原稳态直接相关。细胞氧化还原稳态是指细胞内氧化和抗氧化能力达到一个动态平衡状态,这种平衡状态是维持细胞功能正常运行的重要基础。在细胞内,氧化还原稳态的维持主要依靠一些抗氧化物质的作用,抗氧化物质包括酶性和非酶性物质。其中,酶性物质包括超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase,GPX)和过氧化氢酶(catalase,CAT)等,非酶性物质包括GSH、核因子红细胞系-2相关因子2 (nuclear factor erythroid 2 related factor 2,NRF2)、维生素C等。

氧化还原稳态失衡的直接后果就是导致细胞ROS堆积。研究表明,ROS的堆积可以诱导细胞内的DNA损伤、脂质过氧化、线粒体功能障碍、也会导致细胞膜通透性增加和细胞自溶[36],进而导致细胞死亡,加速机体衰老的进程。研究发现,细胞内特定抗氧化物质的适度提高可以有效地抑制衰老和铁死亡的发生,例如,GSH不仅维持着细胞内的氧化还原稳态,还参与细胞周期、细胞凋亡以及免疫防御等方面的调节,一旦GSH缺乏会导致细胞抗氧化能力下降,ROS堆积,进而导致细胞衰老或铁死亡[26]。Liao等人发现,GSH可以通过抑制脂肪间充质干细胞ROS的生成来抑制细胞衰老[37]。GSH还可以作为谷胱甘肽过氧化物酶 4(glutathione peroxidase 4,GPX4)的依赖底物来参与氧化还原稳态的调节。GPX4依赖GSH可以通过将细胞膜上的脂质氢过氧化物还原成脂质醇,来降低细胞膜的氧化损伤[38]。研究表明,抑制GPX4的表达导致ROS增加,而过表达GPX4可以减少ROS的产生,抑制细胞发生铁死亡[39, 40]。

SOD是维持细胞氧化还原稳态的重要抗氧化酶,根据其结合的金属离子的不同,可分为Cu,Zn SODs、Mn SOD/Fe SODs和Ni SODs三种。研究发现,SOD的活性降低与衰老以及老年性疾病密切相关,例如,癌症、神经退行性疾病和心血管疾病等[41]。Yanase等人发现,缺失Sod1(superoxide dismutase 1)基因的秀丽隐杆线虫会加速衰老并缩短寿命[42]。在铁死亡方面,Li等人发现,羧基化改性的聚苯乙烯纳米微粒可以通过转录因子EB的作用来提高SOD的表达水平,从而降低ROS的堆积,最终抑制铁死亡的发生[43]。Ge等人发现,在脊髓损伤的小鼠模型中,注射锌可以增加GSH,GPX4和SOD的含量,通过降低脂质过氧化物和ROS的水平来抑制神经元铁死亡的发生[44]。

作为转录因子,NRF2是细胞内一种重要的抗氧化调节元件,可以调控一系列抗氧化相关酶的表达,包括GPX与谷胱甘肽还原酶(glutathione reductase,GSR),影响GSH的生成[45]。研究表明,NRF2的表达会随着细胞衰老而降低,使细胞抗氧化能力下降,导致ROS的堆积,进一步促进细胞衰老[46]。NRF2不仅可以通过降低ROS含量来延缓由氧化应激所诱导的衰老,还可以通过抑制p53蛋白的表达来抑制间充质干细胞的衰老[47, 48]。在铁死亡方面,NRF2可以通过诱导铁死亡相关靶基因HMOX-1(hemeoxygenase 1)和FTH1(ferritin heavy polypeptide 1)的表达来抑制铁死亡的发生, 还可以通过诱导金属硫蛋白1G(metallothionein-1G,MT-1G)的表达来抑制铁死亡的发生[49]。Fan等人发现,NRF2过表达可以增加SLC7A11的表达,而抑制NRF2会降低SLC7A11的表达从而改变细胞对铁死亡的敏感性[50]。

3.3 线粒体功能障碍

线粒体是真核细胞中重要的细胞器,其功能主要包括细胞代谢、ATP合成、自噬、氧化还原稳态维持和钙稳态调节等[51, 52]。研究表明,线粒体功能障碍是导致细胞衰老的因素之一,并且部分类型的线粒体功能障碍与铁死亡密切相关,例如,线粒体铁代谢异常、线粒体自噬受阻、三羧酸循环回补反应抑制等。

线粒体主要通过一系列线粒体质量控制机制来维持自身功能的正常运行,目前已知的线粒体质量控制机制包括线粒体融合和分裂,线粒体生物合成以及线粒体自噬等[53]。一旦线粒体功能发生障碍就会导致线粒体DNA受损、细胞周期阻滞和细胞膜损伤,进而导致细胞衰老,例如,在细胞中敲低E3泛素连接酶膜相关锌指蛋白5 (membrane-associated RING-CH 5,MARCH5)的表达可以抑制由Drp1(dynaminrelatedprotein 1)介导的线粒体裂变和融合,从而使线粒体损伤,最终导致细胞衰老[54]。

线粒体也是铁代谢的中心枢纽。线粒体中的铁含量占细胞总铁的20%～50%,当铁进入细胞后,一部分会被运送到线粒体中去合成血红素和铁硫簇,另有部分铁会储存在线粒体铁蛋白质中[55]。一旦线粒体中铁稳态失衡,就会使血红素与铁硫簇合成受损,进而导致线粒体功能异常与氧化还原稳态失衡,可能诱导铁死亡的发生。另外,在Erastin诱导的铁死亡细胞中可以发现线粒体变小、线粒体脊减少甚至消失、线粒体膜密度增加和外膜破裂等变化[56]。

研究表明,E3泛素连接酶Parkin和PTEN诱导激酶1(PTEN-induced kinase 1,PINK1)共同介导的线粒体自噬受损会导致损伤线粒体的堆积,加速细胞衰老[57]。敲低PINK1导致线粒体自噬受阻,进而部分抑制由OSMI-1(O-GlcNActransferase inhibitor 1)和RSL3(RAS-selective lethal 3)诱导的铁死亡,铁死亡抑制剂可以通过抑制细胞内ROS的含量来减少由BNIP3/Nix通路诱导的线粒体自噬[18, 58]。此外,PINK1-Parkin介导的线粒体自噬可以激活炎性小体NOD样受体蛋白3(nucleotide- binding oligomerization domain, leucine- rich repeat and pyrin domain- containing3,NLRP3),进而导致细胞焦亡,凋亡和铁死亡等[59]。Xie等人发现,肺动脉内皮细胞发生铁死亡时可以激活NLRP3炎性小体,从而在大鼠体内引起炎症反应,而铁死亡抑制剂ferrostatin-1可以抑制NLRP3的激活[60]。此外,研究表明,NLRP3与衰老密切相关,在小鼠体内敲除NLRP3可以延长小鼠寿命,并且改善衰老相关退行性病变[61]。

在线粒体中,电压依赖性阴离子通道(voltage-dependent anion channel, VDAC)是激活NLRP3炎性小体的关键蛋白质,它的活性降低可以有效地抑制NLRP3的表达[62]。VDAC在调控线粒体内代谢物质和铁的转运过程中发挥关键作用,进而实现线粒体自噬和铁代谢之间的相互关联。当线粒体受损时它可以将Parkin从细胞膜招募到有缺陷的线粒体处,来诱导线粒体自噬[63],进而激活炎性小体NLRP3。有研究表明,线粒体中的VDAC是铁死亡诱导剂Erastin的作用靶点,当Erastin作用于VDAC,会导致线粒体的铁摄入过多进而导致铁死亡[18]。但是有研究学者指出,在线粒体缺失的细胞中,用铁死亡诱导剂Erastin去诱导细胞仍可以产生足以导致铁死亡的ROS,说明不依赖于VDAC也可以诱导细胞铁死亡[64]。

发生在线粒体中的三羧酸循环是真核细胞主要的能量来源,三羧酸循环包含多个回补反应,谷氨酰胺分解就是其中一种。研究表明,谷氨酰胺分解抑制可以显著抑制由Erastin引起的铁死亡[51]。补充α-酮戊二酸和α-酮戊二酸下游的其他三羧酸循环中间产物,例如,琥珀酸、富马酸和苹果酸,可以抑制由谷氨酰胺饥饿所诱导的铁死亡[65]。而α-酮戊二酸脱氢酶复合物的失活,可以抑制胱氨酸饥饿引起的铁死亡[66]。富马酸水合酶可以在三羧酸循环中催化富马酸转化为苹果酸,Gao等人发现,富马酸水合酶的功能丧失会提高肾癌细胞对铁死亡的抗性[65]。

除此之外,衰老与铁死亡之间还有其他共同特点,例如,铁代谢异常和脂代谢异常。在衰老过程中,组织器官退化引起的铁吸收和利用减少以及铁代谢减弱,会导致细胞内铁的过量积累,进而加速机体衰老[21]。过量的铁离子也会使肝受损,影响脂质代谢。随着年龄的增长,脂质利用率与清除率的下降会导致脂肪在不同的组织和血管中堆积,最终导致心血管疾病的发生。脂代谢部分通路的激活或者抑制可以调节细胞对铁死亡的敏感性,例如,单不饱和脂肪酸(monounsaturated fatty acid,MUFA)的合成主要受固醇调节元件结合蛋白1(sterol-regulatory element binding protein 1,SREBP1)和硬脂酰辅酶A去饱和酶1(stearoyl-CoA desaturase 1,SCD1)的调控,敲低SREBP1和SCD1导致的MUFA合成减少,可以提高癌细胞对铁死亡敏感性,高表达SREBP1和SCD1导致的MUFA合成增加,可以提高细胞对铁死亡的抗性[67]。此外,另有文献报道,在前列腺细胞中高表达CD36会显著提高细胞摄取脂肪酸(fatty acid,FA)的能力,导致FA在细胞中堆积,引起脂质代谢紊乱,增加细胞对铁死亡的敏感性[68]。

4 铁死亡与衰老相关疾病

4.1 神经退行性疾病

神经退行性疾病是最常见的衰老相关疾病,包括帕金森症(Parkinson disease,PD)、阿尔茨海默症(Alzheimer disease,AD)、亨廷顿病(Huntington disease,HD)等。此类疾病主要表现为神经元结构和功能的丢失。研究表明,这些疾病都与衰老密切相关,目前,全球已经有超过5000万人患有神经退行性疾病,而这个数字将会随着人口老龄化的加剧而不断上升,据统计,到2030年,全球患有阿尔茨海默症的病人将增加到7000万,帕金森病患者将增加到1500万[69, 70]。近年来,大量的研究结果表明,神经退行性疾病的发生与铁死亡之间存在着诸多联系。

帕金森症的病理特征是调节运动功能的黑质致密部多巴胺神经元的变性死亡,这些变性死亡的多巴胺神经元会导致纹状体多巴胺缺乏,进而使机体神经肌肉功能发生障碍[71]。帕金森症主要的生化特征包括黑质致密部区域的线粒体功能障碍、铁积累、铜含量减少以及GSH耗竭等[72]。这些特征与铁死亡的特征存在相同之处。研究发现,铁死亡是多巴胺能神经元重要的一种细胞死亡途径,帕金森症模型中常用的神经毒素可以诱导永生化人类多巴胺能神经元前体细胞发生铁死亡[73]。Devos等人指出,帕金森症患者每日接受铁螯合剂-去铁酮的治疗,并且治疗时间超过12个月就有助于减轻患者的运动障碍,减少黑质致密部区域中的铁堆积[74]。此外,小鼠由于铜蓝蛋白基因缺失所导致的帕金森症,也可以通过去铁酮治疗来减轻相关症状[75]。基于此,现在已经开始研究能否将抑制铁死亡相关药物应用于帕金森症的治疗[76]。

阿尔茨海默症也是一种常见的神经退行性疾病,其病理特征主要是患者脑组织中的β-淀粉样蛋白(amyloid-β,Aβ)沉积,以及由Tau蛋白过度磷酸化形成的细胞内神经元纤维缠结[77]。近期的研究表明[78],阿尔茨海默症患者的基底神经节、尾状核、壳核、苍白球等脑部区域中的铁含量比健康人的要高。Praticò等人发现,在阿尔茨海默症患者的大脑中存在脂质过氧化的现象[79],这些都是铁死亡的重要特征。Hambright等人发现,在小鼠大脑皮层中特异性敲除Gpx4基因,会表现出阿尔茨海默症的症状,当喂食高维生素E时可以降低小鼠的神经退行性病变水平[80]。此外,在神经元中特异性敲除Gpx4会诱导脊髓运动神经元的铁死亡,从而导致成年小鼠瘫痪,最终死亡[81]。

另有研究发现,某些化合物可以通过抑制铁死亡来缓解阿尔茨海默症的症状,例如,由注射β-淀粉样蛋白所诱导的阿兹海默小鼠模型,可以通过注射liproxstatin-1和ferrostatin-1这两种铁死亡抑制剂来改善小鼠的记忆力,其中liproxstatin-1处理的小鼠效果更佳[82]。α-硫辛酸(alpha-lipoic acid,LA)是一种天然存在的辅助因子,具有抗氧化和螯合铁的能力,研究发现,LA可以通过阻断Tau蛋白诱导的铁过载、脂质过氧化和铁死亡相关炎症来延缓阿尔茨海默症患者认知功能的衰退[83]。

总的来说,铁死亡与多种神经退行性疾病存在关联,正如前面提到,帕金森症和阿尔茨海默症的病理特征与铁死亡的特征存在多个共同之处,特定的铁死亡抑制剂可以有效的缓解这些神经退行性疾病。因此,在不久的将来,人们或许可以通过干预铁死亡来治疗神经退行性相关疾病。

4.2 癌症

研究显示,癌症也是一种与衰老密切相关的疾病,例如,乳腺癌、前列腺癌、胃癌和肺癌等都是老年人群中的高发癌症[84, 85]。研究指出,癌症与铁死亡也密切相关,目前为止已经报道了铁死亡与乳腺癌、胰腺癌、卵巢癌等癌症存在相关性[86]。

铁死亡最早就是在筛选诱导RAS基因突变癌细胞死亡的小分子化合物过程中发现的[87]。RAS基因是一种原癌基因,它有3种亚型分别是KRAS、HRAS和NRAS,其中最常见的是KRAS突变。具有RAS突变的多种癌细胞对铁死亡表现出敏感性。靶向诱导癌细胞死亡是治疗癌症常用的方法,铁死亡作为一种新发现的程序性细胞死亡方式,在癌症治疗中也显示出巨大的潜力。

乳腺癌是女性最常见的癌症,全世界每年约有170万人确诊,有50万人死于该病,年龄是其发病的一个重要因素,随着年龄的增长,乳腺癌的发病率逐渐增加[88]。乳腺癌有许多亚型,其中三阴乳腺癌是乳腺癌中预后较差的一种亚型,先前报道铁死亡诱导剂Erastin可以有效诱导三阴乳腺癌细胞发生铁死亡,并且可以明显地抑制人乳腺癌细胞MDA-MB-231的增殖和迁移[89]。有研究报道,西拉美新与拉帕替尼联合用药可以诱导MDA-MB-231细胞发生铁死亡[90]。胱氨酸是合成GSH的底物,在三阴乳腺癌中胱氨酸饥饿能通过GCN2-elF2α-ATF4-CHAC1途径诱导细胞坏死和铁死亡[91]。因此,诱导铁死亡可能是治疗乳腺癌的一种新的策略。

胰腺癌是一种恶性程度高的消化系统肿瘤,在过去二十年里,全球确诊为胰腺癌的人数翻了一倍,并且它的患病率和死亡风险都会随着年龄的增长而增加[92]。胰腺导管腺癌是最常见的胰腺癌类型,约占胰腺癌总数的80%,由于其对传统疗法具有抵抗力,且多数化疗药物对其无效,这使得胰腺导管腺癌成为一种致命的癌症[93]。超过90%的胰腺导管腺癌病例具有突变KRAS基因,而铁死亡诱导剂Erastin对于KRAS突变癌细胞具有高选择性的杀伤作用,因此,或许可以通过诱导癌细胞发生铁死亡的方式来治疗胰腺导管腺癌[94]。FBW7(F-box and WD repeat domain containing 7)是Skp1-Cul1-F-box泛素连接酶复合物的底物识别部分,可以靶向降解C-MYC(v-myc avian myelocytomatosis viral oncogene homolog)、Notch(natural and recombinant mouse neurogenic locus notch homolog protein)和c-JUN(c-jun fusion protein)等多种促癌蛋白质[95],Ye等人发现,FBW7可以通过抑制NR4A1(nuclear receptor subfamily 4 group A member 1)和SCD1的表达来诱导细胞凋亡和铁死亡,最终,有效地增强胰腺癌治疗药物吉西他滨对癌细胞的杀伤作用[96]。青蒿琥酯可以诱导胰腺导管腺癌细胞发生铁死亡,而铁死亡抑制剂ferrostatin-1可以阻断由青蒿琥酯诱导的脂质过氧化和细胞死亡[97]。

卵巢癌是一种死亡率极高的妇科肿瘤疾病,严重威胁妇女的健康和生命[98]。研究发现,多种卵巢癌细胞株的ROS会随着培养时间的增加而上升[99]。此外,与正常卵巢组织相比,卵巢癌组织中细胞内铁水平上升[100]。这两种现象预示卵巢癌细胞对铁死亡敏感。Zhang等人发现,在卵巢癌细胞中,过表达p53可以通过下调铁死亡相关蛋白质SLC7A11和GPX4的表达,来促进由SPIO血清诱导的铁死亡,进而抑制癌细胞的生长[101]。PARP抑制剂是一种肿瘤抑制剂,Hong等人研究发现,在卵巢癌细胞中,PARP抑制剂可以通过抑制SLC7A11的表达,从而导致谷胱甘肽生物合成减少,最终导致细胞发生铁死亡[102]。因此,诱导卵巢癌细胞发生铁死亡也是一种很有潜力的治疗卵巢癌的方式。

5 问题与展望

自铁死亡被发现以来,对其机制的基础性研究和临床相关疾病的研究一直延续至今,但迄今为止,仍没有方法可以直接检测人体内是否存在铁死亡[103]。目前,有许多研究提示,铁死亡与衰老以及多种衰老相关疾病之间存在联系,与铁死亡相关的ROS、铁代谢和线粒体功能都会影响到衰老的进程。但是,衰老是一个多因素共同调节的结果,尽管有研究发现,某些体外培养的衰老细胞对铁死亡诱导剂敏感,以及某些特定细胞的衰老会伴随着铁死亡(或者具有铁死亡相关的部分特征)[103-106]。然而,两者之间是否存在因果关系,抑或是两者相互促进,同时进行,至今仍无一个清晰的结论。

另外,尽管目前在细胞和动物中的研究提示,铁死亡抑制剂或诱导剂可以作为治疗衰老相关疾病和特定癌症的药物,但是,距离这些铁死亡相关药物在临床上的最终应用仍有很长的路要走。相关领域的深入研究,必将对延缓衰老和衰老相关疾病的治疗提供更多的线索。