鐵死亡及其在結(jié)直腸癌中的作用和機(jī)制

周惠敏，趙午莉，張業(yè)繁，邵榮光

不同于細(xì)胞凋亡、細(xì)胞壞死、細(xì)胞焦亡和自噬等死亡方式，鐵死亡（ferroptosis）是由鐵依賴的脂質(zhì)活性氧（lipid reactive oxygen species，L-ROS）介導(dǎo)的調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡（regulated cell death，RCD）途徑。其發(fā)生機(jī)制主要為 Fe2+將電子轉(zhuǎn)移給細(xì)胞內(nèi)的氧原子，氧原子產(chǎn)生 ROS，使得細(xì)胞膜或細(xì)胞器膜上的長鏈不飽和脂肪酸中的磷脂分子被過氧化，生成脂質(zhì)過氧化物（lipide peroxide，LPO），進(jìn)而使生物膜變薄和曲率增加，導(dǎo)致細(xì)胞膜破裂而細(xì)胞死亡[1]。鐵死亡的主要特征表現(xiàn)為細(xì)胞內(nèi)游離 Fe2+介導(dǎo)的 Fenton 反應(yīng)、細(xì)胞膜的脂質(zhì)過氧化反應(yīng)以及抗脂質(zhì)氧化分子被抑制等。鐵死亡參與了多種疾病的發(fā)生發(fā)展過程，如缺血性器官損傷、抗病毒免疫、神經(jīng)系統(tǒng)疾病和腫瘤等[2]。同時，鐵死亡在各種結(jié)直腸疾病的發(fā)生與發(fā)展中也發(fā)揮有重要作用，包括腸道缺血/再灌注損傷、炎性腸病以及結(jié)直腸癌等[3]。

結(jié)直腸癌是一種常見的惡性腫瘤，發(fā)病率和死亡率都很高，是全球最為緊迫的健康問題之一。目前對結(jié)直腸癌的治療方案包括手術(shù)、放療、化療、免疫治療和生物靶向治療等[4]。盡管治療方法多種多樣，但一些患者可能出現(xiàn)不耐受或治療效果低下等情況。相對機(jī)體正常細(xì)胞而言，腫瘤細(xì)胞比正常細(xì)胞更依賴鐵來促進(jìn)其高增殖率，這種現(xiàn)象被稱為鐵成癮。同時有研究報道，對于腫瘤中的耐藥細(xì)胞，通過鐵死亡方式可以誘導(dǎo)其死亡，從而達(dá)到治療目的[5]。基于此狀況，鐵死亡作為一種新型的細(xì)胞死亡途徑，展現(xiàn)出巨大的腫瘤治療潛力。本文對鐵死亡的調(diào)控機(jī)制及其在結(jié)直腸腫瘤治療中的作用進(jìn)行簡單總結(jié)，以期對未來的結(jié)直腸癌治療提供理論幫助。

1 鐵死亡概述

1.1 鐵死亡的發(fā)現(xiàn)

2003年，Dolma 等[6]首次報道發(fā)現(xiàn)一種新型化合物erastin，其可以引起細(xì)胞發(fā)生不可逆的非凋亡途徑死亡，這是第一個被發(fā)現(xiàn)的鐵死亡誘導(dǎo)劑。之后，Dixon 等[7]在2012年研究發(fā)現(xiàn)，erastin 可以觸發(fā)氧化性且鐵依賴性的細(xì)胞死亡方式，不同于已知的死亡調(diào)節(jié)途徑，這種死亡方式表現(xiàn)出獨(dú)特的遺傳特征，主要與 RPL8、IREB2、ATP5G3 等相關(guān)，并將這種細(xì)胞死亡途徑命名為鐵死亡。

1.2 鐵死亡的特點(diǎn)

鐵死亡發(fā)生后，在形態(tài)學(xué)上的變化以線粒體為主，主要包括體積減小、膜密度增加、外膜破裂、嵴收縮或消失、膜電位降低等，其生化特征主要表現(xiàn)為脂質(zhì) ROS 蓄積、脂質(zhì)過氧化氫和 Fe2+濃度增高、還原型輔酶 II（NADPH）氧化水平提高、谷胱甘肽過氧化物酶 4（glutathione peroxidase 4，GPX4）和胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)體（System Xc-）受到抑制等[8-9]。

2 鐵死亡的調(diào)節(jié)途徑

2.1 鐵代謝

過量的鐵蓄積是鐵死亡發(fā)生的基礎(chǔ)。血液循環(huán)中的鐵和轉(zhuǎn)鐵蛋白（transferrin，Tf）相互結(jié)合并以 Fe3+的形式存在，經(jīng)細(xì)胞膜上的轉(zhuǎn)鐵蛋白受體 1（transferrin receptor 1，TfR1）進(jìn)入細(xì)胞后，在氧化鐵還原酶前列腺六跨膜上皮抗原 3（six-transmembrane epithelial antigen of the prostate 3，STEAP3）作用下，脫氧轉(zhuǎn)化為 Fe2+形式。之后，再由二價金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)體（divalent metal transporter 1，DMT1）介導(dǎo)轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)中的不穩(wěn)定鐵池（labile iron pool，LIP）里[10]。LIP 中增多的 Fe2+可以引發(fā) Fenton 反應(yīng)，即 Fe2+與過氧化氫反應(yīng)，生成 Fe3+和羥基自由基，產(chǎn)生大量的ROS[11]。ROS 是一組含有部分還原氧的分子，包括過氧化物、超氧化物、單線態(tài)氧和自由基，細(xì)胞內(nèi)劇烈增多的 ROS會使細(xì)胞更易于發(fā)生鐵死亡[12-13]。

2.2 System Xc-

System Xc- 是位于質(zhì)膜上的反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，由輕鏈亞基 SLC7A11（xCT）和重鏈亞基 SLC3A2（CD98hc 或4F2hc）經(jīng)共價二硫鍵連接組成。其中，SLC7A11 負(fù)責(zé)氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)，對胱氨酸和谷氨酸具有高度特異性，而 SLC3A2 作為伴侶蛋白，有助于增強(qiáng) SLC7A11 蛋白的穩(wěn)定性，參與調(diào)節(jié) SLC7A11 向質(zhì)膜的運(yùn)輸過程[14-15]。System Xc- 以 1:1的比例將谷氨酸從細(xì)胞內(nèi)泵出，同時將細(xì)胞外的胱氨酸轉(zhuǎn)移到細(xì)胞內(nèi)。進(jìn)入細(xì)胞的胱氨酸迅速轉(zhuǎn)化為半胱氨酸，用于合成谷胱甘肽（GSH）[16]。GSH 是細(xì)胞內(nèi)重要的抗氧化因子，當(dāng) System Xc- 功能被抑制或失活時，細(xì)胞內(nèi)氧化還原平衡失調(diào)，容易發(fā)生脂質(zhì)過氧化和鐵死亡。

2.3 GSH/GPX4 軸

抗氧化劑 GSH 是一種由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸組成的三肽。進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的胱氨酸在高度還原環(huán)境中被分解為半胱氨酸，又在谷氨酸-半胱氨酸連接酶（glutamate-cysteine ligase，GCL）和谷胱甘肽合成酶（glutathione synthetase，GSS）的催化下轉(zhuǎn)化為 GSH[17-18]。谷胱甘肽過氧化物酶 4（GPX4）是一類細(xì)胞內(nèi)抗氧化酶，可以催化 GSH 轉(zhuǎn)化為其氧化形式 GSSG，將有危害的脂質(zhì)過氧化物（L-OOH）轉(zhuǎn)化為無毒的脂質(zhì)醇（L-OH），從而抑制脂質(zhì)過氧化，以防止鐵死亡的發(fā)生[19]。在谷胱甘肽還原酶（glutathione reductase，GSR）的幫助下，GSSG 可利用 NADPH 還原為 GSH，進(jìn)入下一輪循環(huán)[12]。

2.4 脂質(zhì)過氧化

脂質(zhì)過氧化是自由基等氧化劑從多不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids，PUFAs）上的雙烯丙基位置中奪取一個不穩(wěn)定氫原子的過程，其導(dǎo)致脂質(zhì)過氧自由基和氫過氧化物的積累[11]。與單不飽和脂肪酸相比，多不飽和脂肪酸對脂質(zhì)過氧化更為敏感。

長鏈酯酰輔酶 A 合成酶 4（acyl-CoA synthetase long-chain family member 4，ACSL4）屬于?；o酶 A（acyl-CoA）合成蛋白家族，可以以 ATP 依賴的方式催化長鏈脂肪酸轉(zhuǎn)化為脂酰輔酶，在鐵依賴性氧化應(yīng)激過程中起著至關(guān)重要的作用[20]。ACSL4 偏向于結(jié)合長鏈多不飽和脂肪酸，利用乙酰輔酶A（coenzyme A，CoA）可以將花生四烯酸（arachidonic acid，AA）和腎上腺酸（adrenic acid，AdA）特異性酯化為 AA-CoA 和 AdA-CoA。隨后在溶血磷脂酰膽堿?；D(zhuǎn)移酶 3（lysophosphatidylcholine acyltransferase 3，LPCAT3）的催化下，AA/AdA-CoA 和細(xì)胞膜上的磷脂酰乙醇胺（phosphatidylethanolamine，PE）結(jié)合形成 AA/AdA-PE，在雙加氧酶 ALOX 的調(diào)控下，AA/AdA-PE 被過氧化為 AA/AdA-PE-OOH。磷脂過氧化物的積累會使細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的完整性遭到破壞，促進(jìn)鐵死亡的發(fā)生[21-23]。

在結(jié)構(gòu)上，廣泛的脂質(zhì)過氧化使生物膜變薄和曲率增加，氧化劑加速流入致使氧化加劇，最終導(dǎo)致膜穿孔和膜破裂以及細(xì)胞內(nèi)容物釋放[24]。在分子代謝上，脂質(zhì)過氧化物被進(jìn)一步分解成活性物質(zhì)，這些物質(zhì)可以消耗核酸和蛋白質(zhì)，或加速破壞膜結(jié)構(gòu)的完整性，導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生鐵死亡[25]。

3 鐵死亡和結(jié)直腸癌的作用關(guān)系

因為要過度生長，腫瘤細(xì)胞對鐵離子的需求更強(qiáng)，也更易于受到由鐵催化的死亡方式的影響[26]。越來越多的證據(jù)表明，鐵死亡會導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞的生長受到抑制，可以被開發(fā)為一種天然的、有前景的抗癌療法?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，SLC7A11 和GPX4 的表達(dá)在結(jié)直腸癌細(xì)胞中會有所提高，其活性及功能是眾多抗腫瘤藥物激活鐵死亡以抑制腫瘤發(fā)展的關(guān)鍵[27]。除了以 System Xc- 和 GPX4 為靶點(diǎn)外，不斷發(fā)現(xiàn)有新的化合物及蛋白可以激活鐵死亡，參與調(diào)控結(jié)直腸癌細(xì)胞的分子變化及生理活性，下面將分別進(jìn)行介紹。

3.1 抑制 System Xc- 引發(fā)結(jié)直腸癌細(xì)胞發(fā)生鐵死亡

第一個被發(fā)現(xiàn)的鐵死亡誘導(dǎo)劑 erastin 可以通過直接抑制 System Xc- 而激活鐵死亡[28]。除此之外，柳氮磺胺吡啶、索拉非尼、青蒿素及其衍生物，都可以抑制 System Xc-的活性[29]。Zhang 等[30]研究表明，苯并吡喃衍生物 IMCA可以激活 AMPK/mTOR 通路，誘導(dǎo) SLC7A11 表達(dá)下調(diào)，導(dǎo)致 ROS 蓄積而引發(fā)結(jié)直腸癌細(xì)胞發(fā)生鐵死亡。

在腫瘤細(xì)胞中，鐵死亡被認(rèn)為是抑癌基因 p53 下游的一種內(nèi)源性抗癌機(jī)制?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn) p53 通過下調(diào) SLC7A11的表達(dá)來抑制 System Xc- 的功能，使胱氨酸攝取減少而使細(xì)胞對鐵死亡更加敏感[31]。Ye 等[32]研究發(fā)現(xiàn)，CYGB/p53/YAP1 的激活參與調(diào)控 ACSL4 及 SLC7A11的表達(dá)和 ROS 的生成過程，可以有效促進(jìn)脂質(zhì)過氧化及鐵死亡的發(fā)生，抑制結(jié)直腸腫瘤細(xì)胞的生長。與此同時，Xie等[33]研究發(fā)現(xiàn)，p53 也會刺激 SLC7A11 表達(dá)，抑制結(jié)直腸腫瘤細(xì)胞的鐵死亡發(fā)生。當(dāng) p53 受到抑制時，細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)過氧化水平提高，由 erastin 誘導(dǎo)的 GSH 下調(diào)更明顯，最終導(dǎo)致鐵死亡。

3.2 抑制 GPX4 活性誘導(dǎo)結(jié)直腸癌細(xì)胞發(fā)生鐵死亡

GPX4 不僅在結(jié)直腸癌細(xì)胞中表達(dá)量增多，還參與調(diào)控腫瘤耐藥性，與患者預(yù)后呈負(fù)相關(guān)[34-35]。RSL3 是一種鐵死亡激活劑，可以通過抑制 GPX4 的表達(dá)、提高轉(zhuǎn)鐵蛋白的表達(dá)、促進(jìn)細(xì)胞內(nèi) ROS 的積累等途徑觸發(fā)結(jié)直腸癌細(xì)胞發(fā)生鐵死亡[36]。丙泊酚是一種臨床上常用的靜脈麻醉劑，可以抑制結(jié)直腸腫瘤細(xì)胞內(nèi) GPX4 的表達(dá)，同時提高 Fe2+和ROS 水平，從而激發(fā)鐵死亡，抑制腫瘤細(xì)胞的生長和增殖[37]。阿帕替尼是一種口服小分子藥物，可以有效改善轉(zhuǎn)移性結(jié)直腸癌患者的預(yù)后。Tian 等[38]發(fā)現(xiàn)阿帕替尼能夠通過靶向 ELOVL6/ACSL4 信號傳導(dǎo)途徑，提高 ROS 和MDA 水平，下調(diào) GSH 含量并抑制 GPX4 活性，引發(fā)結(jié)直腸腫瘤細(xì)胞發(fā)生鐵死亡。

有證據(jù)表明，miRNAs 也通過調(diào)控 GPX4 參與到結(jié)直腸腫瘤細(xì)胞的發(fā)生發(fā)展過程中。Yang 等[39]發(fā)現(xiàn)，miR-539通過靶向腫瘤壞死因子-α-誘導(dǎo)蛋白 8（tumor necrosis factor-α-induced protein 8，TNFAIP8/TIPE）激活 SAPK/JNK信號通路，降低 GPX4 的表達(dá)，誘導(dǎo)鐵死亡發(fā)生，抑制結(jié)直腸腫瘤細(xì)胞的生長。在結(jié)直腸腫瘤細(xì)胞中高表達(dá)的富含絲氨酸/精氨酸剪切因子 9（serine-arginine-rich splicing factor 9，SRSF9）是一類剪接因子，參與調(diào)控修飾 mRNA。同時，SRSF9 也是 erastin 誘導(dǎo)的鐵死亡的重要調(diào)節(jié)因子。Wang 等[40]發(fā)現(xiàn)，SRSF9 可以與 GPX4 的 mRNA 結(jié)合，增強(qiáng)結(jié)直腸腫瘤細(xì)胞對鐵死亡的抵抗性。抑制 SRSF9 的表達(dá)后，GSH 水平顯著降低，MDA 水平大幅提高，細(xì)胞對erastin 更加敏感。

在結(jié)直腸腫瘤細(xì)胞中，GPX4 的表達(dá)上調(diào)或激活不僅可以誘導(dǎo)細(xì)胞對鐵死亡產(chǎn)生抵抗，更能抑制藥物的治療作用，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞對化療藥物產(chǎn)生耐藥性。Nrf2 是鐵死亡的重要抑制劑，具有抑制細(xì)胞的鐵攝取、限制 ROS 產(chǎn)生和上調(diào)SLC7A11 能力[41]。Yang等[42]發(fā)現(xiàn)，GSK3β/Nrf2 的激活可以上調(diào) GPX4 的表達(dá)，誘導(dǎo)結(jié)直腸腫瘤細(xì)胞對奧沙利鉑產(chǎn)生抵抗性，而促進(jìn)鐵死亡發(fā)生則可以有效增強(qiáng)結(jié)直腸腫瘤細(xì)胞對奧沙利鉑的敏感性。也有研究發(fā)現(xiàn)，鐵可以在誘導(dǎo) ROS產(chǎn)生的同時激活 Nrf2 通路，使 SLC7A11 和 GPX4 表達(dá)上調(diào)，保護(hù)細(xì)胞免受脂質(zhì)過氧化和鐵死亡，促進(jìn)結(jié)直腸腫瘤細(xì)胞的生長[43]。關(guān)于 Nrf2 如何通過鐵死亡調(diào)節(jié)結(jié)直腸腫瘤細(xì)胞的活性，還需要進(jìn)一步的研究。

3.3 其他途徑及作用

除了上述提到的有明確靶向的蛋白或基因外，還有一些化合物及蛋白作用廣泛，不僅參與調(diào)節(jié)鐵死亡的發(fā)生，還會影響結(jié)直腸癌細(xì)胞的生理特征。Lipocalin 2 是一種鐵載體結(jié)合蛋白，Chaudhary 等[44]發(fā)現(xiàn)，在結(jié)直腸腫瘤細(xì)胞中高表達(dá)的 lipocalin 2 可以誘導(dǎo)細(xì)胞對 5-氟尿嘧啶產(chǎn)生抗性，這與lipocalin 2 可以降低細(xì)胞內(nèi)鐵濃度、激活 GPX4 和 System Xc-、抑制 ROS 生成而抑制鐵死亡相關(guān)。Sharma 等[45]發(fā)現(xiàn)，天然植物穿心蓮能夠激活結(jié)直腸腫瘤細(xì)胞發(fā)生鐵死亡，由此增強(qiáng)細(xì)胞對 5-氟尿嘧啶的敏感性。二氯乙酸是一種小分子代謝調(diào)節(jié)劑，可以通過鐵死亡依賴的方式減弱結(jié)直腸癌干細(xì)胞的干性特征[46]。天然植物提取物 tagitinin C 是一種倍半萜內(nèi)酯，可以誘導(dǎo) ROS 并激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)，再通過 PERK-Nrf2-HO-1 信號通路誘導(dǎo)結(jié)直腸癌細(xì)胞發(fā)生鐵死亡[47]。

4 展望

鐵死亡是一種新穎獨(dú)特的調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡形式，與ROS 積累、脂質(zhì)過氧化和鐵穩(wěn)態(tài)的代謝破壞等有關(guān)。目前研究認(rèn)為，逃避細(xì)胞凋亡和抗凋亡能力增強(qiáng)是腫瘤難治的主要原因。作為一種完全獨(dú)立于凋亡的細(xì)胞死亡模式，鐵死亡可能為癌癥治療提供一種新的治療方案。近年來，已經(jīng)確定了許多用于誘導(dǎo)和抑制鐵死亡的作用靶點(diǎn)，但其中哪些可以運(yùn)用于動物模型和患者并具有良好的治療效果尚不清楚。在未來的結(jié)直腸癌治療研究中，激活鐵死亡發(fā)生可能作為一種新的策略，為更多的結(jié)直腸癌患者帶來治愈的機(jī)會。