鐵死亡在心血管疾病中的研究進展

王文杰 楊嘉馨 丁耀東 王可馨 牛佳龍 葛海龍,2

(1.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京安貞醫(yī)院,北京 100029;2.北京老年醫(yī)院,北京 100095)

心血管疾病(cardiovascular disease,CVD)仍是全世界死亡的主要原因,也是導(dǎo)致生活質(zhì)量下降的主要原因[1]。細(xì)胞死亡主要包括意外細(xì)胞死亡和調(diào)控細(xì)胞死亡兩種類型[2]。目前調(diào)控細(xì)胞死亡有多種不同的形式,包括自噬依賴的細(xì)胞死亡、凋亡、壞死、鐵死亡和焦亡等[3]。其中鐵死亡是一種新型的細(xì)胞死亡。目前發(fā)現(xiàn)鐵死亡與CVD的預(yù)后相關(guān)。鑒于鐵死亡在治療CVD方面的巨大潛力,現(xiàn)介紹鐵死亡的調(diào)控機制和其與各種CVD的研究進展。

1 鐵死亡的概況

細(xì)胞死亡對于多細(xì)胞生物的正常發(fā)育非常重要,早期研究認(rèn)為細(xì)胞死亡是不可被抑制的,而Dolma等[4]發(fā)現(xiàn)了一種名為erastin(鐵死亡誘導(dǎo)劑)的新化合物,它可通過RAS癌基因的突變表達(dá)從而對人類包皮成纖維細(xì)胞(BJeLR細(xì)胞)產(chǎn)生選擇性致死作用。值得注意的是,這種細(xì)胞死亡的類型與之前所認(rèn)為的并不相同,即細(xì)胞核形態(tài)無改變,DNA也未斷裂。Dixon等[5]于2012年最終將這種非凋亡形式的細(xì)胞死亡命名為鐵死亡。鐵死亡在形態(tài)學(xué)、生物化學(xué)和遺傳學(xué)上與細(xì)胞的凋亡、壞死和自噬不同,其形態(tài)學(xué)特征為線粒體萎縮、線粒體膜密度增加以及線粒體嵴的變性與瓦解,而細(xì)胞核形態(tài)不變。鐵死亡的發(fā)生需要三個關(guān)鍵事件:鐵積累、谷胱甘肽(glutathione,GSH)耗盡和脂膜氧化[6]。基于其相關(guān)機制,下面將展開討論。

2 鐵代謝與鐵死亡的發(fā)生機制

2.1 鐵的代謝

在生理情況下,細(xì)胞內(nèi)鐵的濃度由復(fù)雜的機制來進行調(diào)控,主要包括鐵的輸入、輸出、儲存和利用等機制。Fe3+通過轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1(transferrin receptor 1,TfR1)進入細(xì)胞,然后通過前列腺六段跨膜上皮抗原3在核內(nèi)轉(zhuǎn)化為Fe2+,并通過二價金屬離子轉(zhuǎn)運蛋白1從核內(nèi)釋放。Fe2+儲存在不穩(wěn)定鐵池和鐵蛋白中,并通過膜鐵轉(zhuǎn)運蛋白1(ferroportin 1,FPN1)輸出[7]。一旦鐵的吸收、利用和循環(huán)之間的平衡被打破,游離鐵離子可能會積累,并在過氧化氫的催化下發(fā)生芬頓反應(yīng),形成脂質(zhì)過氧化物,最終引起鐵死亡[8]。

2.2 GSH與鐵死亡的關(guān)系

鐵死亡主要是由大量活性氧(reactive oxygen species,ROS)引起,而ROS的清除主要與GSH以及谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPx4)有關(guān)。GPx4是一種硒化酶,GSH作為GPx4的還原劑,能促進GSH轉(zhuǎn)化為氧化型GSH。GSH是一種包含谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸的三肽,是谷氨酰胺水解過程中的關(guān)鍵蛋白,具有抗氧化作用。其中Xc-GSH-GPx4途徑是調(diào)控鐵死亡的主要途徑,增加GSH表達(dá)可抑制鐵死亡[9]。Ras選擇性致死小分子3(Ras-selective lethal small molecule 3,RSL3)是鐵死亡發(fā)生的另一個重要的調(diào)節(jié)因子,是GPx4的抑制劑。Rodríguez-Graciani等[10]證明RSL3誘導(dǎo)的鐵死亡導(dǎo)致H9c2心肌細(xì)胞代謝譜的顯著變化。培養(yǎng)3 h后,RSL3誘導(dǎo)的細(xì)胞中的乳酸脫氫酶活性顯著增加,增加細(xì)胞死亡。

2.3 脂質(zhì)氧化與鐵死亡

脂質(zhì)過氧化物積聚是鐵死亡中的主要特征[14]。GPx4被抑制后,細(xì)胞內(nèi)積聚脂質(zhì)過氧化物達(dá)到致死水平。該途徑已被證明影響多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid,PUFA)[15]。PUFA是細(xì)胞膜的成分。ROS與PUFA可發(fā)生氧化反應(yīng)[16]。Tesfay等[17]研究發(fā)現(xiàn)固醇輔酶A去飽和酶1是一種催化單不飽和脂肪酸合成的限速酶,抑制固醇輔酶A去飽和酶1可誘導(dǎo)脂質(zhì)氧化和細(xì)胞死亡。PUFA必須脂化成磷脂-多不飽和脂肪酸(phospholipid-polyunsaturated fatty acid,PL-PUFA)并氧化才可變成鐵死亡信號。其中?；o酶A合成酶長鏈家族成員4(acyl-CoA synthetase long-chain family member 4,ACSL4)和溶血磷脂酰膽堿?；D(zhuǎn)移酶3(lysophosphatidylcholine acyltransferase 3,LPCAT3)參與了這一過程。ACSL4是合成多不飽和脂肪酸-輔酶A(polyunsaturated fatty acid-coenzyme A,PUFA-CoA)中的關(guān)鍵酶[18]。Doll等[19]和Dixon等[20]基于全基因組遺傳篩選和抗鐵死亡細(xì)胞系的微陣列分析來揭示ACSL4是鐵死亡執(zhí)行的重要組成部分,同時又使用噻唑烷二酮類降血糖化合物對ACSL4進行藥理靶向,改善了小鼠鐵死亡模型的組織死亡,這表明抑制ACSL4是預(yù)防鐵死亡相關(guān)疾病的可行治療方法。最新一些脂質(zhì)組學(xué)研究[15]指出,含有花生四烯酸或其延伸產(chǎn)物磷脂酰乙醇胺是發(fā)生氧化和鐵死亡關(guān)鍵的磷脂。又有研究認(rèn)為LPCAT3通過對花生四烯酸代謝的調(diào)節(jié)在鐵死亡誘導(dǎo)中起重要作用。Seiler等[21]研究認(rèn)為通過α-生育酚、12/15-脂氧合酶抑制劑或干擾小RNA介導(dǎo)的凋亡誘導(dǎo)因子沉默來預(yù)防鐵死亡。Chu等[22]也觀察到p53激活可調(diào)節(jié)鐵死亡性反應(yīng)并發(fā)現(xiàn)ALOX12基因失活,降低了由ROS誘導(dǎo)的p53介導(dǎo)的鐵死亡。Yang等[16]發(fā)現(xiàn)磷酸化酶激酶G2調(diào)節(jié)脂氧合酶對鐵的利用率,同時發(fā)現(xiàn)脂氧合酶通過磷酸化酶激酶G2氧化PUFA從而導(dǎo)致鐵死亡。3-羥基-3-甲基戊二酸單酰輔酶A還原酶途徑也可能參與鐵死亡的過程。抑制3-羥基-3-甲基戊二酸單酰輔酶A還原酶可使GPx4失活,從而引起鐵死亡。綜上所述,脂質(zhì)代謝是鐵死亡治療過程中的重要靶點。鐵死亡相關(guān)步驟見圖1。

注:鐵死亡是一種以鐵超載和脂質(zhì)過氧化為特征的細(xì)胞調(diào)控死亡。Fe3+通過TfR1轉(zhuǎn)移到細(xì)胞內(nèi),然后在核內(nèi)體中轉(zhuǎn)化為Fe2+,并通過二價金屬離子轉(zhuǎn)運蛋白1轉(zhuǎn)運到細(xì)胞質(zhì)中。芬頓反應(yīng)通過激活脂氧合酶促進脂質(zhì)過氧化。胱氨酸被系統(tǒng)X-c吸收合成GSH,進一步增強GPx4的抗脂質(zhì)過氧化活性。此外,FSP1-CoQ10和GCH1-BH4/BH2是兩條平行的、不依賴GPx4的抑制鐵死亡的途徑。SLC7A11,溶質(zhì)載體家族7成員11;SLC3A2,溶質(zhì)載體家族3成員2;NADP,煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸;NADPH,還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸;GSSG,氧化型谷胱甘肽;GCH1,GTP環(huán)化水解酶1;CoQ10,輔酶Q10;BH4,四氫生物蝶呤;BH2,二氫生物蝶呤;GLS,谷氨酰胺酶;TAC,三羧酸循環(huán);OXPHOX,氧化磷酸化;MUFA,單不飽和脂肪酸;CoA,輔酶A;PL,溶血磷脂;STEAP3, STEAP家庭成員3;DMT1,二價金屬離子轉(zhuǎn)運體;LIP,不穩(wěn)定鐵池;PE,磷脂酰乙醇胺。圖1由Figdraw繪制(ID:SIPYI88d66)。

3 鐵死亡和CVD

3.1 鐵死亡在心肌病中的作用機制

心肌病是一種多因素發(fā)病且病死率極高的疾病,現(xiàn)無特別有效的治療方法。糖尿病心肌病是糖尿病和心力衰竭患者發(fā)病率和死亡率增加的原因之一。一項關(guān)于糖尿病心肌病患者或小鼠模型的微陣列數(shù)據(jù)分析顯示,在糖尿病小鼠左心室心肌組織和高糖處理的心肌細(xì)胞中的GPx4減少。使用鐵死亡抑制劑-1(ferrostatin-1,Fer-1)后可恢復(fù)GPx4的水平,增加細(xì)胞內(nèi)GSH的水平,阻止鐵死亡的發(fā)生,延緩糖尿病心肌病的進展[23]。Bai等[24]證明ENPP2作為一種參與脂質(zhì)代謝的脂質(zhì)激酶,通過調(diào)節(jié)GPx4、ACSL4和核轉(zhuǎn)錄因子紅系2相關(guān)因子2(nuclear factor-erythroid 2-related factor 2,Nrf2)的表達(dá)以及增強Akt存活信號來保護心肌細(xì)胞免受erastin誘導(dǎo)的鐵死亡。

He等[25]發(fā)現(xiàn)阿霉素誘導(dǎo)的心臟毒性表現(xiàn)出鐵死亡的特征。ENPP2的轉(zhuǎn)錄激活保護心肌細(xì)胞免受阿霉素誘導(dǎo)的毒性。阿霉素處理可導(dǎo)致細(xì)胞Fe2+的活性顯著增強,脂質(zhì)ROS的產(chǎn)生顯著增加,而SLC7A11、GPx4和FPN1的表達(dá)水平卻下降。ENPP2可保護阿霉素誘導(dǎo)心臟毒性的心肌細(xì)胞免受鐵死亡的影響。

3.2 鐵死亡在心肌梗死中的作用機制

心肌梗死是一種嚴(yán)重威脅人類健康的CVD,其發(fā)病機制尚未完全明確。Gao等[26]研究發(fā)現(xiàn)lncRNA Gm47283通過miR-706和Ptgs2調(diào)控心肌梗死。在體內(nèi),通過抑制lncRNA Gm47283可減輕心肌梗死,增加GPx4,減少鐵死亡,所以鐵死亡可能是心肌梗死的靶點。Li等[27]發(fā)現(xiàn)circRNA1615可通過海綿吸附miR-152-3p調(diào)控低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白6的表達(dá),預(yù)防低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白6介導(dǎo)的心肌細(xì)胞自噬相關(guān)鐵死亡,最終控制心肌梗死的病理過程。白藜蘆醇是一種生物活性成分,具有抗氧化、抗炎和抗菌等特性。Liu等[28]發(fā)現(xiàn)白藜蘆醇通過誘導(dǎo)心肌梗死中的賴氨酸乙酰轉(zhuǎn)移酶5/GPx4抑制鐵死亡,從而減輕心肌損傷。

3.3 鐵死亡與缺血再灌注損傷

已有多項研究闡明了鐵死亡在誘導(dǎo)心肌細(xì)胞損傷中的意義。Chen等[29]采用小鼠心肌缺血再灌注和培養(yǎng)心肌細(xì)胞缺氧/再灌注模型檢測乳酸脫氫酶和GPx4的活性以及細(xì)胞鐵、ROS、脂質(zhì)過氧化物和GSH的水平。心肌缺血再灌注手術(shù)上調(diào)胚胎致死異常視覺樣蛋白1和細(xì)胞鐵水平,增加乳酸脫氫酶活性,但顯著降低了GPx4的活性以及鐵蛋白重鏈1和GSH的水平,表明心肌缺血再灌注過程中發(fā)生了鐵死亡。敲除胚胎致死異常視覺樣蛋白1可抑制鐵死亡,并通過抑制自噬來改善缺血再灌注損傷。Stamenkovic等[30]發(fā)現(xiàn)心肌缺血再灌注損傷增加氧化磷脂酰膽堿的生成,通過鐵死亡引起廣泛的細(xì)胞死亡。Tang等[31]發(fā)現(xiàn)心肌嚴(yán)重缺血時 (心肌梗死和肌酸激酶釋放),心肌組織中鐵死亡指數(shù)(ACSL4、GPx4、鐵和丙二醛)無明顯變化。但隨著再灌注時間的延長,ACSL4、鐵和丙二醛水平逐漸升高,同時GPx4水平降低。據(jù)此得出結(jié)論,鐵死亡主要發(fā)生在心肌再灌注階段,而不是缺血階段。Tang等[32]發(fā)現(xiàn)了一種新的USP7/p53/TfR1通路,抑制USP7可通過抑制去泛素化激活p53,導(dǎo)致TfR1下調(diào),伴有鐵死亡減少和心肌缺血再灌注損傷減輕。Tian等[33]提出鐵穩(wěn)態(tài)相關(guān)的鐵死亡在糖尿病大鼠心肌缺血再灌注損傷的加重中起重要作用,同時Nrf2/FPN1通路介導(dǎo)的鐵穩(wěn)態(tài)和鐵死亡可能是糖尿病患者心肌缺血再灌注損傷的治療靶點。

3.4 鐵死亡與心力衰竭

由于終末分化心肌細(xì)胞的喪失在心力衰竭中很難逆轉(zhuǎn),早期預(yù)防心肌細(xì)胞死亡可維持心功能,減緩心力衰竭的進展。Liu等[34]在體外和主動脈束帶誘導(dǎo)心力衰竭的大鼠中,發(fā)現(xiàn)葛根素可顯著阻斷鐵超載和脂質(zhì)過氧化的增加,減少GPx4和鐵蛋白重鏈1的表達(dá)。心肌細(xì)胞內(nèi)存在線粒體收縮和線粒體膜密度增加等鐵死亡相關(guān)線粒體特征性結(jié)構(gòu)改變,表明在心力衰竭過程中可能伴隨著鐵死亡的發(fā)生。Fang等[35]發(fā)現(xiàn)心肌細(xì)胞中缺乏鐵蛋白H小鼠心臟中鐵水平較低,給這些小鼠喂食高鐵飲食后會引起GSH水平降低和脂質(zhì)過氧化水平升高,從而導(dǎo)致嚴(yán)重的心臟損傷和肥厚型心肌病。Ma等[36]認(rèn)為鐵死亡可能是預(yù)防射血分?jǐn)?shù)保留性心力衰竭的一種心臟保護策略,并表明卡格列凈可能通過減輕鐵死亡發(fā)揮其部分心血管效益。Ito等[37]認(rèn)為核受體輔助活化因子4缺乏的心臟可抑制游離亞鐵超負(fù)荷和脂質(zhì)過氧化水平增加。Fer-1可顯著減緩野生型小鼠壓力過度誘導(dǎo)的擴張型心肌病的發(fā)展。

3.5 鐵死亡與動脈粥樣硬化

動脈粥樣硬化是大中型動脈的一種慢性炎癥性疾病,可引起缺血性心臟病、卒中和周圍血管疾病,統(tǒng)稱為CVD[38]。在動物模型中,通過靜脈切開術(shù)、全身鐵螯合治療或飲食限制鐵來減少病變的大小和/或增加斑塊的穩(wěn)定性,通過抑制鐵死亡提高斑塊的穩(wěn)定性[39]。Bai等[40]采用高脂飲食誘導(dǎo)ApoE-/-小鼠動脈粥樣硬化,應(yīng)用Fer-1進行治療。結(jié)果表明,Fer-1可減輕高脂飲食喂養(yǎng)的ApoE-/-小鼠動脈粥樣硬化損傷。Fer-1能提高低密度脂蛋白處理的主動脈內(nèi)皮細(xì)胞的細(xì)胞活力,降低細(xì)胞死亡。同時,Fer-1上調(diào)了SLC7A11、GPx4和內(nèi)皮型一氧化氮合酶的表達(dá),下調(diào)黏附分子表達(dá),從而減輕主動脈內(nèi)皮細(xì)胞中的脂質(zhì)過氧化和內(nèi)皮功能障礙,緩解動脈粥樣硬化。Zhou等[41]取40例人冠狀動脈標(biāo)本,采用免疫組織化學(xué)法檢測GPx4的表達(dá),動脈粥樣硬化的嚴(yán)重程度與GPx4表達(dá)呈負(fù)相關(guān)。從中可看出鐵死亡可調(diào)節(jié)動脈粥樣硬化的發(fā)生和發(fā)展,這些發(fā)現(xiàn)可能為冠狀動脈粥樣硬化的預(yù)防和治療提供新思路。

4 觀點與展望

本篇綜述主要講述了鐵死亡的機制以及鐵死亡在CVD中的相關(guān)作用。近年來大多數(shù)高收入國家的CVD死亡率下降了50%。然而低收入和中等收入國家的CVD負(fù)擔(dān)不是上升就是緩慢下降[42]。CVD仍是一個全球性的健康問題,導(dǎo)致高死亡率、高發(fā)病率和高致殘率。隨著對細(xì)胞凋亡的研究,細(xì)胞鐵死亡越來越受到關(guān)注。

鐵死亡主要是PUFA積累發(fā)生脂質(zhì)過氧化,其原因是由于細(xì)胞內(nèi)游離Fe2+的積累和/或GSH過氧化功能障礙。隨著鐵超載和脂質(zhì)過氧化,ROS積累,細(xì)胞膜受損,最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。除破壞鐵代謝、GSH耗盡和脂質(zhì)過氧化外,多種途徑也參與了鐵死亡的過程,如高水平的細(xì)胞外谷氨酸、細(xì)胞器介導(dǎo)途徑和Nrf2途徑[43]。鐵死亡在心肌梗死、糖尿病心肌病、缺血再灌注損傷、心力衰竭、動脈粥樣硬化和血管內(nèi)皮損傷等中的作用已被證實,然而在心律失常、血管鈣化和擴張型心肌病等中的研究較少。抑制鐵死亡就可防止細(xì)胞損傷?？偟膩碚f,細(xì)胞的鐵死亡在CVD中有重大作用,相信隨著對其機制和臨床上的不斷探索,針對鐵死亡治療CVD可能是另一個有希望的方向。