鐵死亡與子癇前期發(fā)病的研究進(jìn)展

廖婷婷,徐霞,顏建英

1 鐵死亡簡介

1.1 鐵死亡生物生理特點(diǎn)

2012年Dixon等[1]發(fā)現(xiàn)小分子化合物 Erastin影響原癌ras基因突變的人纖維肉瘤細(xì)胞系HT-1080細(xì)胞內(nèi)亞鐵離子(Fe2+)過載會(huì)導(dǎo)致質(zhì)膜特征性脂質(zhì)活性氧(reactive oxygen species,ROS)聚集，導(dǎo)致細(xì)胞死亡，該團(tuán)隊(duì)將這種新型的細(xì)胞死亡方式命名為鐵死亡(ferroptosis)。胱氨酸/谷氨酸逆轉(zhuǎn)運(yùn)體(the cystine/glutamate antiporter system，system xc-)抑制劑Erastin，一方面可抑制膜兩側(cè)底物半胱氨酸的轉(zhuǎn)運(yùn)，減少細(xì)胞內(nèi)合成谷胱甘肽(glutathione，GSH)，GSH耗竭及谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase4，GPX4)失活，促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)ROS聚集，細(xì)胞致死[2]；另一方面發(fā)生于胞內(nèi)的胱氨酸/半胱氨酸氧化還原循環(huán)反應(yīng)失活，限制供應(yīng)半胱氨酸及合成GSH,最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡[3]。

1.2 鐵死亡病理生理機(jī)制

鐵死亡是一種新型細(xì)胞死亡方式，參與多種病理生理過程，在腫瘤及神經(jīng)退行性疾病等領(lǐng)域中已有大量研究，如阿爾茲海默病(Alzheimer's disease，AD)、帕金森病(Parkinson's disease，PD)、亨廷頓病(Huntington's disease,HD)。目前有關(guān)鐵死亡的機(jī)制主要有：亞鐵離子(Fe2+)過載、抗氧化系統(tǒng)失活及質(zhì)膜脂質(zhì)ROS堆積等。雖然質(zhì)膜過氧化被認(rèn)作鐵死亡的最終原因，但有諸多證據(jù)表明鐵死亡與傳統(tǒng)的細(xì)胞死亡方式如凋亡、自噬及壞死之間存在協(xié)同作用。

2 子癇前期發(fā)病的病理生理因素

子癇前期(pre-eclampsia，PE)是妊娠特發(fā)性疾病，其具體發(fā)病機(jī)制雖至今尚未闡明，目前研究認(rèn)為與營養(yǎng)失衡、氧化應(yīng)激損傷、炎癥反應(yīng)及細(xì)胞凋亡介導(dǎo)的滋養(yǎng)層細(xì)胞侵襲過淺、母體螺旋動(dòng)脈重塑不良有關(guān)。

3 鐵死亡參與子癇前期發(fā)病

隨著深入研究PE病理生理及鐵死亡過程，不難發(fā)現(xiàn)二者存在許多相似之處，推測存在多種機(jī)制通過誘導(dǎo)鐵死亡參與PE發(fā)病。

3.1 鐵離子過載介導(dǎo)滋養(yǎng)細(xì)胞鐵死亡參與子癇前期發(fā)病

胎盤氧化應(yīng)激(oxidative stress，OS)在正常妊娠早、中、晚期都存在，是獲得正常細(xì)胞功能、促進(jìn)胎盤形成所必需的，而PE患者體內(nèi)存在過度OS現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為其胎盤組織中滋養(yǎng)細(xì)胞線粒體膜電位(mitochondrial membrane potential，MMP)失衡[4]及鐵死亡標(biāo)志物丙二醛(malondialdehyde，MDA)濃度、ROS、通透性轉(zhuǎn)換孔開放水平升高[5]，而GSH及GPX的表達(dá)水平均降低[6]。

鐵死亡是一種獨(dú)特的非程序性細(xì)胞死亡方式，其特征是鐵、脂質(zhì)過氧化氫及其代謝物在胞質(zhì)中累積，并受到質(zhì)膜中致死性多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid，PUFAs)過氧化的影響。尚未完全闡明驅(qū)動(dòng)鐵紊亂和產(chǎn)生致死性脂質(zhì)反應(yīng)鏈的最終因素，但諸多的證據(jù)表明破壞鐵穩(wěn)態(tài)參與鐵死亡過程，包括損害鐵調(diào)節(jié)蛋白(iron regulatory protein，IRP)2的活性、升高轉(zhuǎn)鐵蛋白及其受體以及線粒體鐵蛋白的水平[7]。研究發(fā)現(xiàn)，與對照組比較，細(xì)胞中鐵過載不僅可顯著上調(diào)其鐵死亡相關(guān)基因溶質(zhì)載體家族7成員11(solute carrier family 7,member 11，SLC7A11)的表達(dá)水平，還可誘導(dǎo)SLC7A11-/-細(xì)胞鐵死亡，而單獨(dú)的SLC7A11基因缺失不足以誘導(dǎo)細(xì)胞鐵死亡，表明缺失SLC7A11基因可以促進(jìn)高鐵條件下發(fā)生鐵死亡，即鐵過載在觸發(fā)SLC7A11介導(dǎo)的鐵死亡中發(fā)揮關(guān)鍵作用[8]。Nishizawa H等[9]研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄因子BTB結(jié)構(gòu)域及調(diào)節(jié)血紅素和鐵代謝的CNC同源基因1(BTB and CNC holomogy 1，BACH1)可抑制細(xì)胞內(nèi)與不穩(wěn)定鐵誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)的對抗基因，包括谷氨酸半胱氨酸連接酶(glutamate cysteine ligase modifier，GCLM)、SLC7A11、鐵蛋白重鏈1(ferritin heavy polypeptide1，F(xiàn)TH1)、鐵蛋白輕鏈1(ferritin light chain,FTL1)和溶質(zhì)載體家族40成員1(SLC40A1)子集，降低其轉(zhuǎn)錄活性啟動(dòng)鐵死亡，表明保護(hù)基因的轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)和鐵過載的積累損傷之間的平衡被破壞時(shí)，BACH1可于轉(zhuǎn)錄水平上刺激發(fā)生鐵死亡。

鐵可催化脂質(zhì)自氧化，酯化PUFAs產(chǎn)生脂質(zhì)ROS[10]，維持細(xì)胞鐵穩(wěn)態(tài)對于其發(fā)揮正常功能至關(guān)重要。鐵依賴的脂質(zhì)過氧化機(jī)制有兩種：① 非依賴酶的自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)涉及Fenton化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生劇毒的羥基和過氧基；② 依賴酶的過程涉及脂氧合酶等含鐵酶的作用[11]。PE病理狀態(tài)下多種營養(yǎng)元素代謝失衡，與對照組相比，早發(fā)型及晚發(fā)型PE患者血清鐵蛋白(serum ferritin,SF)水平較高而其胎盤組織中鐵蛋白(ferritin)及重肽鐵蛋白(FTH)表達(dá)水平降低[12]。Zhang Y等[13]研究發(fā)現(xiàn)，鐵沉積增加的妊娠子宮中ERK/p38/JNK通路的磷酸化水平升高，且鐵死亡相關(guān)基因(Acsl4、Tfrc、SLC7A11和Gclc)異常表達(dá)，推測母體鐵代謝紊亂一方面可能通過啟動(dòng)鐵死亡相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄介導(dǎo)滋養(yǎng)層細(xì)胞鐵死亡抑制其遷移活性，導(dǎo)致形成病理性胎盤組織，另一方面還可激活凋亡信號通路，與凋亡過程協(xié)同作用共同導(dǎo)致子宮螺旋動(dòng)脈重塑不良，共同參與PE發(fā)病。

3.2 GPX4損傷促進(jìn)鐵死亡參與子癇前期發(fā)病

1993年的一項(xiàng)橫斷面研究[14]發(fā)現(xiàn)PE患者血漿脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，包括共軛雙烯和MDA的濃度與血壓水平高度相關(guān)，并伴隨GPX活性升高，這不僅支持當(dāng)時(shí)的少數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為脂質(zhì)過氧化是PE發(fā)病的重要因素，并推測增加的抗氧化劑可能參與PE患者過氧化氫負(fù)荷增加的一種代償性反應(yīng)，反映疾病嚴(yán)重程度。Taravati A等[15]薈萃分析結(jié)果顯示PE患者血清MDA濃度及GPX活性均顯著升高，推測抗氧化能力初級降低和氧化應(yīng)激產(chǎn)物水平增加可能破壞負(fù)責(zé)血壓穩(wěn)態(tài)的通路，但具體機(jī)制還有待探討。

膜脂質(zhì)過氧化被認(rèn)作鐵死亡的最終原因，不僅損害細(xì)胞結(jié)構(gòu)、流動(dòng)性和通透性，還可導(dǎo)致?lián)p傷甚至死亡，可以通過抗氧化酶包括超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、過氧化氫酶(catalase，CAT)及GPX等將脂質(zhì)氫過氧化物轉(zhuǎn)化為脂醇，阻止有毒脂質(zhì)ROS的形成[16]。脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物在PE患者不同部位與抗氧化劑GPX的同步變化，驗(yàn)證GPX失活可能以促進(jìn)細(xì)胞鐵死亡方式參與PE發(fā)病。缺氧時(shí)，HTR-8/SVneo和TEV-1細(xì)胞的ROS水平均顯著升高,而PAX3、GPX4、SLC7A11和FPN1的表達(dá)下調(diào)，且鐵抑素-1和二氟甲烷均可阻斷HTR-8/SVneo和TEV-1細(xì)胞中的高水平ROS，鐵死亡抑制劑DFOM可緩解TEV-1細(xì)胞中GPX4下調(diào)[17]，推測GPX4作為一種保護(hù)脂質(zhì)過氧化的重要抗氧化酶，抑制其活性可同時(shí)通過直接誘導(dǎo)質(zhì)膜脂質(zhì)過氧化或間接抑制鐵死亡相關(guān)基因SLC7A11的活性導(dǎo)致人類滋養(yǎng)層細(xì)胞鐵死亡，可能作為誘導(dǎo)滋養(yǎng)層細(xì)胞侵襲過淺或子宮螺旋動(dòng)脈重塑不良的關(guān)鍵環(huán)節(jié)參與PE發(fā)病。Sakai O等[18]發(fā)現(xiàn)敲除血管內(nèi)皮細(xì)胞GPX4基因可升高膜脂質(zhì)氧化水平，升高細(xì)胞毒性作用并延緩細(xì)胞增殖，鐵抑素-1可逆轉(zhuǎn)GPX4-/-上皮細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化，表明GPX4是血管內(nèi)皮細(xì)胞鐵死亡的調(diào)節(jié)因子，推測其活性喪失可促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞鐵死亡，抑制細(xì)胞遷移侵襲功能使螺旋動(dòng)脈重塑不良，介導(dǎo)病理性胎盤組織參與PE發(fā)病。

GPX4不僅能單獨(dú)誘導(dǎo)胎盤組織不同細(xì)胞鐵死亡形成子宮內(nèi)缺血缺氧環(huán)境，還可能協(xié)同傳統(tǒng)的細(xì)胞死亡方式介導(dǎo)PE發(fā)病。Han D等[19]研究發(fā)現(xiàn)，鐵死亡誘導(dǎo)劑作用于人滋養(yǎng)層細(xì)胞系HTR8/SVneo和豬滋養(yǎng)層細(xì)胞系pTr2后，沉默信息調(diào)節(jié)因子3(silent mating type information regulator3,SIRT3)的表達(dá)水平明顯升高，同時(shí)導(dǎo)致細(xì)胞鐵死亡和自噬激活，推測自噬與SIRT3鐵死亡有協(xié)同作用，自噬抑制可削弱SIRT3增強(qiáng)的鐵死亡，而SIRT3缺失通過抑制激活A(yù)MPK-mTOR通路并提高GPX4水平，從而抑制滋養(yǎng)細(xì)胞啟動(dòng)自噬和鐵死亡，推測GPX4水平降低可通過與SIRT3相關(guān)的自噬激活，協(xié)同誘導(dǎo)滋養(yǎng)層細(xì)胞鐵死亡，滋養(yǎng)細(xì)胞膜脂質(zhì)ROS過度聚集可抑制其增殖、侵襲等生物學(xué)功能，可能誘導(dǎo)滋養(yǎng)細(xì)胞侵襲不良及螺旋動(dòng)脈重塑障礙參與PE發(fā)病。

3.3 鐵死亡促進(jìn)炎癥反應(yīng)可能參與子癇前期發(fā)病

促炎和抗炎因子在細(xì)胞功能和胎盤發(fā)育中發(fā)揮至關(guān)重要作用，其濃度變化可能介導(dǎo)妊娠相關(guān)疾病包括PE的發(fā)生。PE是母體對妊娠的一種過度炎性反應(yīng)，其全身性表現(xiàn)可能與多種循環(huán)因子，包括促炎性細(xì)胞因子、抗炎性細(xì)胞因子及損傷相關(guān)分子模式(damage-associated molecular patterns，DAMPs)等共同參與胎盤組織過度性炎癥反應(yīng)有關(guān)。歐陽艷瓊等[20]研究指出，PE患者血漿脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物8-異前列腺素(8-isoprostane)、MDA、氧化修飾低密度脂蛋白(oxidized low density lipoprotein,ox-LDL)及多種炎癥介質(zhì)，包括高敏C-反應(yīng)蛋白(high sensitivity C-reactive protein,hs-CRP)、白細(xì)胞介素-6(interleukin-6,IL-6)、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)均明顯高于對照組，且8-異前列腺素與hs-CRP、IL-6、TNF-α呈顯著正相關(guān)，提示脂質(zhì)過度氧化應(yīng)激及炎癥反應(yīng)均在PE發(fā)病過程中發(fā)揮重要作用，但其內(nèi)在聯(lián)系還有待探究。

近年來，有不少研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞鐵死亡中也存在不同性質(zhì)炎癥反應(yīng)，但其具體機(jī)制還不明確。Mao H等[21]指出，一方面由于細(xì)胞質(zhì)膜上摻入的PUFAs，使細(xì)菌性和非細(xì)菌性刺激易于侵襲細(xì)胞，另外，幾種病原體例如牙齦假單胞菌、銅綠假單胞菌、結(jié)核分枝桿菌等，還可能以PUFAs為靶標(biāo)，通過操縱細(xì)胞發(fā)生鐵死亡利于自身繁殖；另一方面，微生物和宿主細(xì)胞之間對鐵離子的競爭關(guān)系可能是促進(jìn)感染的基礎(chǔ)，鐵死亡細(xì)胞裂解釋放的DAMPs可與微生物感染形成惡性循環(huán)[22]。Proneth B等[23]研究表明，鐵死亡細(xì)胞裂解釋放的DAMPs可觸發(fā)先天免疫系統(tǒng)，如病變的腎和腦組織，導(dǎo)致相應(yīng)器官發(fā)生壞死性炎癥；另外，鐵死亡關(guān)鍵結(jié)點(diǎn)GSH/GPX4可調(diào)節(jié)脂質(zhì)氧合酶(lipoxygenase，LOX)和前列腺素內(nèi)過氧化物合酶(prostaglandin-endoperoxide synthase，PTGS)的活性，其產(chǎn)物也可介導(dǎo)促炎和抗炎作用，表明鐵死亡與炎癥反應(yīng)之間存在協(xié)同作用。

鐵死亡促進(jìn)炎癥反應(yīng)介導(dǎo)PE發(fā)病的可能機(jī)制有多種。一方面，El-Saka MH等[24]研究PE大鼠模型發(fā)現(xiàn)，與血壓正常組比較，子宮灌注壓降低組血清中可溶性FMS樣酪氨酸激酶(soluble FMS-like tyrosine kinase,sFlt-1)、IL-6和MDA水平顯著升高，過氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferator activated receptor-γ,PPAR-γ)表達(dá)、血管緊張素1-7(angiotensin1-7,Ang 1-7)、血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)、一氧化氮(NO)產(chǎn)物、內(nèi)皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)、IL-10和總抗氧化能力(total antioxidant capacity,T-AOC)水平顯著降低，提示全身性過度炎癥反應(yīng)可能協(xié)同細(xì)胞鐵死亡破壞孕婦體內(nèi)促血管生成因子及抗血管生成因子平衡，導(dǎo)致PE特征性滋養(yǎng)細(xì)胞浸潤及螺旋動(dòng)脈重塑障礙。另一方面，Rajamanickam K 等[25]研究發(fā)現(xiàn)，鐵調(diào)節(jié)蛋白Hepcidin和Feportin的表達(dá)與胎盤非血紅素鐵儲(chǔ)備、脂質(zhì)過氧化和ROS水平呈正相關(guān)，且Hepcidin的表達(dá)與IL-6和干擾素-γ(interferon-γ,IFN-γ)的表達(dá)呈正相關(guān)，鐵孔蛋白的表達(dá)與IL-6、IL-1β和IFN-γ的表達(dá)呈負(fù)相關(guān)，表明Hepcidin和Feportin可能通過充當(dāng)鐵運(yùn)輸和炎癥之間的分子橋梁調(diào)控局部胎盤鐵通量，滋養(yǎng)細(xì)胞及血管內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)生炎性損傷的同時(shí)，炎性因子介導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)失調(diào)性鐵代謝可能誘發(fā)鐵死亡惡性循環(huán)，參與PE發(fā)病。

3.4 鐵死亡協(xié)調(diào)凋亡可能參與子癇前期發(fā)病

滋養(yǎng)細(xì)胞氧化應(yīng)激或凋亡均可能引起自身侵襲過淺及螺旋動(dòng)脈重鑄不足，介導(dǎo)胎盤缺血缺氧參與不同階段PE的發(fā)病[26]。Feng YL等[27]研究細(xì)胞及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)MPE病理環(huán)境發(fā)現(xiàn)，與正常組比較，缺氧/再灌注組抗氧化系統(tǒng)包括SOD、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)活性及細(xì)胞增殖、遷移能力均降低，而ROS、脂質(zhì)氧化應(yīng)激產(chǎn)物MDA及凋亡因子、凋亡率升高，Kasture V等[28]研究PE大鼠胎盤組織，發(fā)現(xiàn)早發(fā)型PE組促凋亡標(biāo)志物水平升高包括Bcl-2相關(guān)x蛋白(Bcl-2 associated x protein,Bax)、半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-3(caspase-3)、caspase-8和脂質(zhì)氧化應(yīng)激產(chǎn)物MDA，而抗凋亡標(biāo)記物B細(xì)胞淋巴瘤2(B-cell lymphoma 2,Bcl-2)蛋白水平在早發(fā)及晚發(fā)型PE組中均降低，表明滋養(yǎng)細(xì)胞凋亡參與PE發(fā)病，但其與氧化應(yīng)激反應(yīng)間是否存在相互作用以及具體的作用方式仍有待闡明。

多項(xiàng)研究均發(fā)現(xiàn)不同組織細(xì)胞鐵死亡與凋亡之間存在協(xié)同作用，共同調(diào)節(jié)病理生理過程。胞漿中的lncRNA P53RRA與Ras-GTP酶激活蛋白(Src同源結(jié)構(gòu)域3)結(jié)合蛋白1[Ras-GTPase activating protein(Src homology domain 3)binding protein 1，G3BP1]通過P53RRA的1和871位核苷酸與G3BP1的RRM相互作用結(jié)構(gòu)域(aa177-466)結(jié)合，P53RRA與G3BP1相互作用取代了G3BP1復(fù)合體中的p53，導(dǎo)致p53在細(xì)胞核內(nèi)滯留增多，不僅影響代謝基因SLC7A11、CS、SLC1A5、SLC2A4和SLC2A14的轉(zhuǎn)錄導(dǎo)致細(xì)胞鐵死亡，而且降低細(xì)胞周期蛋白D1和磷酸化Rb的水平調(diào)控細(xì)胞周期停滯和凋亡[29]。凋亡基因p53一方面可通過抑制SLC7A11或增強(qiáng)精嘧啶/精胺N1-乙酰基轉(zhuǎn)移酶1(spermidine/spermine N1-acetyltransferase 1，SAT1)和谷氨酰胺酶2(glutaminase2，GLS2)的表達(dá)以促進(jìn)鐵死亡，另一方面也可通過直接抑制二肽基肽酶4(dipeptidyl peptidase4，DPP4)活性或誘導(dǎo)細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶抑制因子1A (cyclin dependent kinase inhibitor1A，CDKN1A/p21)的表達(dá)以抑制鐵死亡[30]。穩(wěn)定細(xì)胞凋亡因子p53可延遲因SLC7A11失活介導(dǎo)的半胱氨酸剝奪而發(fā)生鐵死亡[31]，在PE發(fā)病過程中發(fā)揮重要作用。與正常妊娠相比，PE患者絨毛滋養(yǎng)層細(xì)胞中蛋白二硫鍵異構(gòu)酶3(protein disulfide isomerase，PDI3)表達(dá)降低；體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，siRNA介導(dǎo)的PDI3基因敲除可同時(shí)上調(diào)p53和p21蛋白的表達(dá)水平，促進(jìn)HTR8/SVneo細(xì)胞凋亡并抑制增殖，提示PDI3低表達(dá)通過調(diào)節(jié)MDM2/p53/p21通路抑制滋養(yǎng)層細(xì)胞增殖，誘導(dǎo)其凋亡，協(xié)同鐵死亡參與PE發(fā)病[32]。Wang W等[33]研究發(fā)現(xiàn)，苯并(a)芘-7，8-二氫二醇-9，10-環(huán)氧化物(benzo(a)pyrene-7,8-dihydrodiol-9,10-epoxide,BPDE)可呈劑量依賴性抑制人滋養(yǎng)層細(xì)胞系Swan 71的侵襲和人絨毛膜促性腺激素(human chorionic gonadotropin，hCG)分泌，其不僅可通過調(diào)控促凋亡蛋白(p53和Bak1)及抗凋亡蛋白(Bcl-2)表達(dá)情況誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，而且可通過增加細(xì)胞內(nèi)ROS和MDA濃度，降低SOD活性及線粒體膜電位啟動(dòng)鐵死亡。此外，隨著增加BPDE濃度和延長孵育時(shí)間，線粒體融合基因(Mfn1、Mfn2和OPA1)蛋白表達(dá)水平降低，而分裂基因(Fis1和Drp1)蛋白表達(dá)水平升高，導(dǎo)致Cytc釋放和Caspase 3激活，從另一途徑不可逆地誘導(dǎo)滋養(yǎng)層細(xì)胞凋亡，表明滋養(yǎng)細(xì)胞中存在凋亡和鐵死亡的協(xié)同作用，使細(xì)胞喪失正常的生物學(xué)功能，參與PE發(fā)病時(shí)的滋養(yǎng)細(xì)胞侵襲過淺。

4 總結(jié)

綜上所述，以胞內(nèi)GPX4失活及質(zhì)膜脂質(zhì)ROS堆積為主要特征的鐵死亡與PE發(fā)病密切相關(guān)，即鐵過載、GPX4失活、炎癥反應(yīng)及凋亡通過新型細(xì)胞死亡方式即鐵死亡介導(dǎo)滋養(yǎng)層細(xì)胞浸潤不足及子宮螺旋動(dòng)脈重塑不良或障礙，最終導(dǎo)致PE發(fā)病。深入研究鐵死亡相關(guān)機(jī)制研究，期望為PE的發(fā)病機(jī)制提供新視角。