今天和大家分享一篇于2022年7月在Cell上发表的一篇影响因子66+的文章” Ferroptosis turns 10: Emerging mechanisms,physiological functions,and therapeutic applications”。铁死亡（ferroptosis）是十年前被发现的一种由铁依赖性脂质过氧化驱动的独特的细胞死亡方式。铁死亡涉及到从发育到衰老，免疫和癌症的生物学背景。本文从代谢、活性氧生物学和铁生物学的角度描述了这种细胞死亡形式的关键调控因子并重点介绍了铁死亡领域的关键概念和未解决的主要问题。下一个十年有望在调控铁死亡的机制以及利用铁死亡获得更多治疗效益方面取得进一步突破。让我们一起来学习一下这篇高分综述吧！
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1 铁死亡机制
要发生铁死亡，首先特定的脂质必须经历过氧化，并且阻止过氧化脂质积累的天然防御机制必须受到损害。游离脂肪酸并不是铁死亡的驱动因素，而是需要活化多不饱和脂肪酸（PUFA）并将其掺入膜脂（如 PLs）中，以产生致命性的过氧化物。在以单倍体为主的细胞系KBM7中进行的插入诱变筛选显示，乙酰辅酶 A (CoA) 合成酶长链家族成员 4 (ACSL4) 和溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶 3 (LPCAT3) 的失活使这类细胞对两种不同的 GPX4 抑制剂具有抗性——一种是GPX4 抑制剂 RSL3，以及另一种名为 ML162 的化合物。此外，铁死亡抗性细胞的CRISPRi筛选分析得出 ACSL4 失活是一种在不同情况下抑制铁死亡的关键机制，ACSL4 的过表达对铁死亡敏感。ACSL4 和 LPCAT3 是第一个确定的促铁死亡基因产物，因为它们在促进 PUFA 掺入膜脂中发挥着作用。最近的一份报告表明，ACSL4 还积极参与正反馈循环以执行铁死亡：蛋白激酶 Cβ型同工型 2 (PKCβII) 感知初始脂质过氧化事件并使ACSL4的Thr328位点磷酸化以驱动ACSL4的激活并促进 PUFA 掺入PL 并驱动随后的细胞死亡。通过信号通路调节ACSL4的水平也是调控铁死亡的一个手段：E-钙粘蛋白通过 Merlin-Hippo-YAP 通路发挥作用，通过调节 ACSL4 的表达以响应细胞间接触来调控细胞对铁死亡的敏感性。
Erastin 和 RSL3 代表着前两类铁死亡诱导化合物（即一类和二类FIN，ferroptosis inducers），一类通过抑制系统 xc- 阻止胱氨酸的摄取，另一类通过抑制 GPX4 发挥作用。在过去几年中，已经发现了三种不依赖于 GPX4 的铁死亡抑制系统。它们分别为铁死亡抑制蛋白 1 (FSP1)/CoQ10、二氢乳清酸脱氢酶 (DHODH) 和 环GTP 水解酶 1 (GCH1)/四氢生物蝶呤 (BH4) ，通过独立于 GPX4的方式来抑制铁死亡。
CoQ10 是防御铁死亡的脂质过氧化的第二种内源性机制。FSP1 的基因产物通过消耗烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 (NADPH，是细胞还原能力的主要来源) 来再生还原形式的辅酶Q10。还原的 CoQ10 清除脂质过氧化中间体而后被氧化。同时进一步的消耗NADPH，以再生还原形式的辅酶Q10。FSP1消耗CoQ10，此为三类FIN。
含有 PUFA 的膜脂过氧化是由促进Fenton 反应的不稳定铁池（促进脂质过氧化）和以铁为辅助因子的酶，如花生四烯酸脂氧合酶 (ALOX，能够引发脂质氢过氧化物的形成，这些脂质氢过氧化物是芬顿反应的底物)驱动。通过铁自噬（ferritinophagy）控制铁蛋白的水平并进一步的调节游离铁的丰度能够调控细胞对铁死亡的敏感性，因为铁蛋白的的丰度能够决定不稳定铁池（labile iron pool）的大小。同样的，激酶共济失调毛细血管扩张症 (ATM) 通过调节铁蛋白水平来控制细胞对铁死亡的敏感性。其他控制细胞内游离铁水平的机制也能够影响细胞对铁死亡的敏感性：铁通过 FPN转运出胞或通过 prominin-2 (prom2) 介导的含铁蛋白多泡体 (MVB) 输出；同时外泌体通过耗尽细胞中的不稳定铁池以及诱导脂质过氧化的能力，也可以驱动细胞对铁死亡的抵抗 。
内过氧化物与铁的反应也会引发铁死亡。FINO2 为代表第四类FIN。其诱导铁死亡的方式并不是抑制系统 xc-、消耗 GSH、直接抑制 GPX4 或诱导 GPX4 的降解。因此，FINO2 代表了另一种诱导铁死亡的机制方法。FINO2 将 Fe(II) 氧化为 Fe(III)，因而与其他诱导铁死亡的化合物相比，铁螯合剂更有效地抑制了其致死活性。FINO2 处理的细胞检测到的氧化脂质的分布比erastin 处理后更广泛，这表明 FINO2 与 Fe(II) 发生芬顿反应，产生直接引发脂质过氧化的烷氧基自由基。另一种可能是 FINO2 通过氧化非血红素铁辅助因子结合并激活脂氧合酶或其他铁依赖性酶。
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2 驱动铁死亡的细胞器
1、质膜破裂是铁死亡的晚期事件
ESCRT III 复合物可修复质膜损伤并减缓因铁死亡导致的细胞死亡。铁死亡信号能够在细胞之间传播，依赖于具有完整质膜包被的氧化脂质的释放如胞外囊泡，释放的氧化脂质可能会引发邻近细胞的铁死亡。FSP1 通过还原定位于质膜的 CoQ10 发挥其铁死亡防御功能。
2、内质网（ER）是铁死亡过程中脂质过氧化的重要部位
抑制 ER 中的脂质过氧化足以阻止铁死亡发生。研究发现能够调控脂质过氧化来调节铁死亡的化合物主要定位于ER。细胞中ER的体积大小可能是铁死亡敏感性的关键决定因素。有研究观察到ER 的粘度在铁死亡期间增加，这个现象可能是由于过氧化 PUFA-PL 的聚集，并会导致 ER 膜变硬。
3、线粒体可作为半胱氨酸饥饿引起的铁死亡的启动物和放大物
线粒体 DHODH 和线粒体 CoQ10 抑制以这种方式触发的铁死亡的能力。抑制位于线粒体的电子传递链也可以减轻由 cys 饥饿引起的铁死亡，直接对线粒体功能耗竭的结果也是这样。电子传递链的作用可能是由于电子泄漏从而产生超氧化物和 H2O2，然后它们与 Fe(II) 反应以驱动 Fenton 反应和脂质过氧化。
4、过氧化物酶体通过醚脂的过氧化驱动铁死亡
通过 CRISPR 筛选发现涉及过氧化物酶体功能的基因能够调节铁死亡，提示过氧化物酶体醚脂质（例如缩醛磷脂）是铁死亡的驱动因素。有可能是过氧化物酶体中产生的H2O2引发了脂质过氧化，可能与过氧化物酶体Fe(II)共同作用。
5、溶酶体是铁的储存库，可以引发铁死亡
溶酶体是铁的储存库，具有潜在诱发铁死亡的能力。将 FINO2 型内过氧化物重新定位到溶酶体可以引发铁死亡，尽管仍然需要通过ER的参与。溶酶体蛋白皂苷的敲除导致脂褐素积累，从而介导溶酶体铁和 ROS的积累，以及随后的神经元铁死亡。
6、高尔基体应激可以促进铁死亡
在某些情况下，用 brefeldin A 等药物触发的高尔基体应激会引发铁死亡。Tf 受体蛋白 1 (TfR1) 通过内体循环将细胞内定位从高尔基体的转移到质膜；这种重新定位可以作为不依赖于ROS的铁死亡标志物，还可以作为杀死细胞的开关，通过额外摄取负载铁的Tf来进一步增强铁死亡。
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3 铁死亡生理学功能
1、 肿瘤抑制和免疫功能
许多肿瘤抑制因子通过诱导铁死亡发挥其部分肿瘤抑制功能。肿瘤最常突变的抑癌基因 p53 通过抑制溶质载体家族 7 成员 11 (SLC7A11，是编码系统xc-组件的两个基因之一) 的表达驱动癌细胞的铁死亡。p53 还激活 ALOX12，一个位于 17p 染色体的一个基因，该基因经常在肿瘤中丢失，来促进脂质过氧化。在小鼠中敲除表观遗传调节因子 MLL4（通常在皮肤的皮肤鳞状细胞癌中发生突变）能够导致皮肤癌前病变的发展。这些小鼠皮肤中 MLL4 的缺失驱动了的转录水平的铁死亡抑制，包括增加 SLC7A11、GPX4 和硬脂酰辅酶 A 去饱和酶 1 (SCD1) 的表达、降低促进铁死亡的脂氧合酶 ALOX12、ALOX12B 和 ALOXE3的表达，这些基因的表达变化都增强了细胞对铁死亡的抵抗。同样地，泛素羧基末端水解酶 (BAP1) 和 NFS1通过调节铁死亡调控网络发挥肿瘤抑制作用。
肿瘤细胞从细胞外环境摄取的PUFA会抑制肿瘤生长：与富含MUFA的饮食相比，富含 PUFA 的饮食会减缓小鼠 HCT116 异种移植肿瘤的生长。因此，饮食中的多不饱和脂肪酸可以通过这种机制自然地抑制肿瘤。另一方面，肿瘤微环境中的胆固醇会导致 CD8+ T 细胞上的 CD36 表达增加，并导致这些细胞摄取 PUFA 并发生铁死亡。因此，过量的胆固醇积累可能会通过减少CD8+T细胞的肿瘤浸润来促进肿瘤形成。
据报道，CD8+ T 细胞通过诱导肿瘤细胞的铁死亡发挥其抑制肿瘤的作用。这种诱导活性是由活化的 CD8+ T细胞分泌干扰素 γ (IFNγ) 介导的，并以此通过下调 SLC7A11 导致肿瘤细胞的铁死亡。此外，IFNγ 还上调 ACSL4，这有助于铁死亡底物PL-PUFA的合成。在肿瘤微环境中检测到过量的 AA，表明源自 CD8+ T 细胞的 AA + IFNγ可能是第一个确定的天然铁死亡触发因素。
暴露于感染或疫苗后的持久免疫反应需要生发中心衍生的成熟、高亲和力浆细胞和记忆 B 细胞。滤泡 CD4+ 辅助 T 细胞 (Tfh) 促进产生这种持久的免疫 B 细胞反应。这些 Tfh 细胞的活性必须在正常条件下受到严格调节，以防止自身免疫或病原体的再次感染。Tfh 细胞的数量受 GPX4 控制的细胞死亡调节，通过补充硒提高 GPX4 丰度可增加接种流感疫苗后的抗体反应。
2、 发育和衰老
最近的一项研究报告了一种抗体 (HNEJ-1) 的产生，该抗体能够识别被脂质过氧化的终产物 4-羟基-2-壬烯醛修饰的蛋白质，以此证明它可以识别铁死亡细胞。从 E9.5 到 2.5 岁的不同年龄的大鼠的许多组织和细胞中都表现出这种铁死亡标记，其中包括 E13.5 的有核红细胞，抑制铁死亡也导致红细胞去核的延迟。衰老加速SAMP8小鼠品系中的铁死亡标志物也增加，其表现出加速的衰老特征。铁死亡在衰老和发育中的作用跨不同的界别、不同的物种。
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4 铁死亡病理过程
- 铁过载疾病高铁饮食和具有遗传性血色素沉着症相关突变, Ferrostatin-1可逆转
- Sedaghatian 型脊柱干骺端发育不良 (SSMD) GPX4 突变
- 器官损伤肝、肺、肾、血管、心
- 视网膜变性普鲁士蓝纳米颗粒可以通过减少亚铁离子的可用性来抑制细胞的死亡
- 神经退行性疾病GPX4 的过表达可以延长脊髓神经的存活期并延迟疾病发作
- 传染性疾病丙型肝炎病毒复制受到宿主细胞中铁死亡的激活的限制/SARSCoV-2/分枝杆菌/铜绿假单胞菌/锥虫
- 自身免疫病SLE 患者的中性粒细胞计数较低/哮喘
- 肿瘤发生铁死亡作为一种肿瘤抑制机制
- 对环境热应激的反应在许多生物体中诱导铁死亡
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5 治疗应用
鉴于近来大量的研究表明上述多种疾病与铁死亡有关，因此有机会通过调控铁死亡来治疗这些疾病。除了开发可以有效的通过特定机制选择性调节铁死亡的化合物和生物制剂外，扩展可靠的用于检测铁死亡和其他细胞死亡方式的工具也很重要。目前，检测脂质过氧化的丰度是识别铁死亡进展一种方法。
1、 铁死亡诱导剂
目前已经确定了四种诱导铁死亡的机制：(1) 抑制系统 xc-（I型FIN），(2) 抑制/降解/失活 GPX4（II型FIN），(3) 消耗还原型辅酶 Q10（III型FIN），和 (4) 通过过氧化物、铁或多不饱和脂肪酸过载的方式诱导脂质过氧化（IV型FIN）。铁死亡诱导剂研究最多的应用是消除各种类型的癌细胞，例如，在治疗特定的肿瘤类型方面：弥漫性大 B 细胞淋巴瘤的异种移植瘤对系统 xc- 抑制剂咪唑酮埃拉汀 (IKE) 的治疗很敏感 ，同时它上调了异种移植肿瘤中的铁死亡标志物。胰腺癌细胞的铁死亡抗性还依赖于天冬氨酸氨基转氨酶 GOT1，而 GOT1 的敲低会使细胞对铁死亡敏感。肺肿瘤的球状培养模型的生存依赖于 NRF2 对铁死亡的抑制。铁死亡诱导剂在放射治疗和免疫治疗方面同样有益。辐射可诱导癌细胞的铁死亡，而铁死亡的诱导剂可单独或与免疫疗法联合用作放射增敏剂。
2、 铁死亡抑制剂
有几个关键的调控点可以有效和选择性地抑制铁死亡。铁死亡的过程是由特定脂质的过氧化驱动的，直接阻断这种过氧化过程是关键的调控点。通过补充硒上调 GPX4 丰度是干预铁死亡的间接手段。通过控制铁死亡脂质底物的生成以及ACSL4是另一种调控点；控制铁的可用性是第三种调控点。ferrostatin-1 和 liproxstatin 作为活性氧自由基的捕获剂来抑制脂质过氧化的传播并在以下模型中有效：Glu 毒性模型 、HD、室性早发性白质软化、肾损伤和肝损伤。降胆固醇药物普罗布考及其类似物可抑制铁死亡并在 Glu 毒性模型中发挥功效。
3、 通过饮食控制铁死亡
摄入过多的多不饱和脂肪酸会促进发生在秀丽隐杆线虫的铁死亡。而膳食维生素 E 可以缓解 GPX4 缺失带来的影响。
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6 总结
- 铁死亡涉及特定脂质的氧化，而不是 ROS 的普遍性积累。
- 有可能在没有铁死亡的情况下产生 ROS
- 铁的氧化状态对其促进铁死亡的能力很重要——Fe(II) 促进铁死亡，而 Fe(III) 除了以活性形式存在于脂氧合酶的活性位点外，通常是惰性的并储存在铁蛋白中。因此，确定铁的氧化还原状态以及每种状态是否在特定情况下对铁死亡有特殊作用很重要
- 许多研究表明，铁死亡会导致炎症并具有免疫原性，但铁死亡在不同情况下与炎症和/或免疫原性的关联程度仍不清楚
- 铁死亡在多大程度上是一种坏死仍不确定
- 脂质代谢、铁代谢的调控和 ROS 防御系统共同控制细胞对铁死亡的敏感性，脂质代谢解释了铁死亡的关键底物是如何产生和重塑的；铁的代谢揭示了如何控制 Fe(II) 的可用性；而 ROS 生物学揭示了脂质过氧化的内源性防御是如何发挥作用的
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7 未解决的问题
一、铁死亡的执行机制是什么？
如上所述，铁死亡是由特定细胞器（例如 ER）中特定的含 PUFA 脂质的过氧化作用驱动的。这导致细胞死亡的方式、位置和时间本身是未知的。
二、确定铁死亡的不同触发因素将阐明这种细胞死亡形式在生理和病理水平发生的机制和背景。
Glu、铁的过载、SLC7A11 的抑制、GPX4 的耗竭和 PUFA 的摄取可以作为铁死亡的触发因素。定义铁死亡的全部触发因素及其发生的环境将极大地丰富我们从生物学和医学角度对铁死亡的理解。
三、选择性调控铁死亡的机制和方法仍然难以捉摸。
这种在特定组织、细胞或疾病环境中的选择性激活或抑制对将铁死亡的基础知识转化为治疗方法至关重要。例如，系统性地靶向 GPX4 可能会导致毒性，例如肾损伤和神经毒性，或其他器官损伤。然而，选择性靶向肿瘤细胞的方法具有影响力，并可能提供一个治疗安全窗口。有多种方法例如通过药物递送载体、优化其生物学分布和药代动力学、以及对靶点和机制的选择能够提高不同情况下对铁死亡的特异性调节。