線粒體參與鐵死亡的研究進(jìn)展*

劉 利 綜述,杜 旅,張 平,鄒 偉 審校

(南華大學(xué)衡陽醫(yī)學(xué)院附屬南華醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科,湖南 衡陽 421002)

鐵死亡的發(fā)生通常伴隨著細(xì)胞內(nèi)鐵和亞鐵離子的積累、脂質(zhì)活性氧(ROS)生成、抗氧化系統(tǒng)的破壞及其他代謝變化。目前,已知細(xì)胞中至少有4種防御系統(tǒng)抵抗鐵死亡,包括早期發(fā)現(xiàn)的主要鐵死亡抑制通路——溶質(zhì)載體家族 7成員11-谷胱甘肽-谷胱甘肽過氧化物酶4(GPX4)[1],隨后發(fā)現(xiàn)另外2條平行途徑——泛醌-鐵死亡抑制蛋白1[2]和三磷酸鳥苷環(huán)化水解酶1-四氫生物喋呤-二氫葉酸還原酶[3]也發(fā)揮著重要的抗鐵死亡作用。此外還有由二氫乳清酸脫氫酶介導(dǎo)的獨(dú)立于經(jīng)典GPX4信號通路位于線粒體中的鐵死亡防御系統(tǒng)[4]。鐵死亡參與了神經(jīng)退行性疾病、心血管疾病、炎癥性疾病、癌癥、缺血再灌注損傷等多種疾病的發(fā)生、發(fā)展。線粒體是細(xì)胞多種代謝活動的中心,現(xiàn)從線粒體的不同功能層面闡述線粒體對鐵死亡的調(diào)控。

1 線粒體與鐵死亡具有相關(guān)性

線粒體在細(xì)胞死亡調(diào)節(jié)中發(fā)揮著重要作用,已明確線粒體在細(xì)胞凋亡[5-6]、壞死性凋亡[7]、細(xì)胞焦亡[8]中均發(fā)揮著重要作用,但線粒體究竟是否直接參與鐵死亡這一問題仍存在爭議。胱氨酸/谷胱甘肽/GPX4系統(tǒng)是哺乳動物中抵御鐵死亡的主要系統(tǒng),2014年FRIEDMANN等[9]發(fā)現(xiàn),GPX4失活在許多細(xì)胞系中誘導(dǎo)高程度的脂質(zhì)過氧化,但在相同條件下通常不會誘導(dǎo)強(qiáng)烈的線粒體脂質(zhì)過氧化,表明GPX4失活引起的鐵死亡主要是由非線粒體脂質(zhì)過氧化所致。有研究表明,在線粒體缺失的細(xì)胞系中用不同鐵死亡誘導(dǎo)劑均可引發(fā)鐵死亡,意味著線粒體可能并非是鐵死亡發(fā)生過程所必須的[10]。然而近年來多項(xiàng)研究表明,線粒體相關(guān)的多種代謝活動在鐵死亡的發(fā)生中均起著重要作用[11-12]。

有學(xué)者在2012年最早提出鐵死亡這一概念時(shí)就發(fā)現(xiàn),發(fā)生鐵死亡的細(xì)胞線粒體形態(tài)學(xué)特征性表現(xiàn)為透射電鏡下細(xì)胞內(nèi)線粒體體積縮小、線粒體膜密度增加和線粒體嵴減少或消失[13]。在首次提出鐵死亡這一概念時(shí)便提示線粒體與鐵死亡具有相關(guān)性。隨后有研究發(fā)現(xiàn),線粒體對鐵死亡相關(guān)刺激表現(xiàn)出高度的敏感性,在鐵死亡相關(guān)刺激后不久即出現(xiàn)線粒體碎片化和脂質(zhì)過氧化,同時(shí),氧化磷酸化和呼吸電子傳遞鏈(ETC)復(fù)合物的抑制加重了RSL3誘導(dǎo)的鐵死亡[14],進(jìn)一步說明線粒體參與了鐵死亡的發(fā)生。在阿霉素(DOX)誘導(dǎo)的心肌病中DOX下調(diào)GPX4,并通過DOX-亞鐵離子(Fe2+)復(fù)合物誘導(dǎo)線粒體過度脂質(zhì)過氧化,導(dǎo)致線粒體依賴性鐵死亡,最終引發(fā)心臟毒性[15]。另一項(xiàng)為線粒體與鐵死亡緊密聯(lián)系提供有力證據(jù)的研究發(fā)現(xiàn),二氫乳清酸脫氫酶介導(dǎo)的位于線粒體中的鐵死亡防御系統(tǒng)是腫瘤治療新靶點(diǎn),二氫乳清酸脫氫酶是定位于線粒體內(nèi)膜的黃素依賴酶,其將電子傳遞給線粒體內(nèi)膜中的泛醌,使其被還原成為二氫泛醌,進(jìn)而抑制脂質(zhì)過氧化,抵抗鐵死亡的發(fā)生[4]。

2 線粒體三羧酸循環(huán)(TCA)及氧化磷酸化與鐵死亡

細(xì)胞呼吸分為糖酵解、TCA和氧化磷酸化,糖酵解發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)中,TCA和氧化磷酸化分別在線粒體基質(zhì)和線粒體內(nèi)膜上進(jìn)行。在有氧的情況下糖酵解產(chǎn)生的丙酮酸進(jìn)入線粒體基質(zhì)中,經(jīng)氧化脫羧形成乙酰輔酶A進(jìn)入TCA,并產(chǎn)生能量和還原性電子載體——還原型輔酶Ⅰ和FADH2。氧化磷酸化是指糖酵解和TCA產(chǎn)生的還原性電子載體所攜帶的電子在線粒體內(nèi)膜上由5種復(fù)合物構(gòu)成的ETC釋放能量,在三磷酸腺苷(ATP)合成酶催化下二磷酸腺苷被磷酸化生成ATP。

線粒體的TCA及氧化磷酸化參與調(diào)控鐵死亡。一項(xiàng)對乙酰氨基酚誘導(dǎo)肝細(xì)胞鐵死亡的研究表明,鐵死亡抑制劑——Fer-1增加了TCA代謝物的水平,表明TCA抑制相關(guān)的線粒體功能障礙引起能量生成受損可能驅(qū)動對乙酰氨基酚誘導(dǎo)的肝細(xì)胞鐵死亡[16]。在神經(jīng)退行性疾病中同樣存在線粒體代謝相關(guān)的鐵死亡。一項(xiàng)探究NADPH 氧化酶4調(diào)節(jié)阿爾茨海默病星形膠質(zhì)細(xì)胞鐵死亡機(jī)制的研究發(fā)現(xiàn),NADPH氧化酶4升高通過減少線粒體ETC中的5種蛋白復(fù)合物抑制線粒體呼吸和ATP生成破壞線粒體代謝導(dǎo)致氧化應(yīng)激,從而誘導(dǎo)脂質(zhì)過氧化促進(jìn)星形膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)生鐵死亡[17]。提示線粒體TCA和氧化磷酸化似乎在鐵死亡的發(fā)生中扮演著抑制的角色;與此相反,有研究發(fā)現(xiàn),線粒體TCA和ETC促進(jìn)了半胱氨酸缺乏(CDI)誘導(dǎo)的鐵死亡,抑制線粒體TCA或ETC復(fù)合物Ⅰ～Ⅳ可減少脂質(zhì)過氧化物積累和鐵死亡,還提示線粒體抑癌基因延胡索酸酶突變的腎癌細(xì)胞對CDI誘導(dǎo)的鐵壞死敏感性明顯降低,但直接抑制GPX4導(dǎo)致的鐵壞死并不需要線粒體的參與[18]。更進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn),線粒體復(fù)合物Ⅲ抑制劑對小鼠肝癌HepA 1～6細(xì)胞的脂質(zhì)過氧化和CDI引起的鐵死亡具有明顯的保護(hù)作用,而線粒體復(fù)合物Ⅰ抑制劑對其無明顯保護(hù)作用,此外線粒體復(fù)合物Ⅲ抑制劑還能抑制胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)體基因敲除小鼠胚胎成纖維細(xì)胞的鐵死亡[19]。提示在構(gòu)成線粒體ETC的幾種復(fù)合物中線粒體復(fù)合物Ⅲ可能在鐵死亡中發(fā)揮著更為重要的作用。此外有研究發(fā)現(xiàn),與低分化肝癌細(xì)胞株HA22T/VGH比較,高分化肝癌細(xì)胞株HepG2對RSL3誘導(dǎo)的鐵死亡更敏感,且HepG2表現(xiàn)出比HA22T/VGH更明顯的氧化磷酸化,更高的呼吸鏈復(fù)合物[20],表明線粒體氧化磷酸化參與了肝癌鐵死亡的發(fā)生。

盡管線粒體TCA與ETC在不同誘因引發(fā)的鐵死亡中發(fā)揮相反效應(yīng),但更多的證據(jù)支持線粒體TCA與ETC的代謝活動促進(jìn)鐵死亡,其中TCA與多種回補(bǔ)反應(yīng)可通過促進(jìn)ROS、多不飽和脂肪酸、ATP的生成驅(qū)動鐵死亡,且線粒體ETC對ATP的產(chǎn)生至關(guān)重要,在ATP充足的情況下腺苷酸活化蛋白激酶不能被有效激活,從而無法滅活乙酰輔酶A羧化酶,繼而促進(jìn)多不飽和脂肪酸的磷脂合成和后續(xù)鐵死亡的發(fā)生。但由于參與TCA及ETC代謝活動的生物分子繁多,其在鐵死亡中具體扮演何種角色、相互之間的聯(lián)系及發(fā)揮作用的機(jī)制仍需未來進(jìn)一步深入研究。

3 線粒體自噬與鐵死亡

細(xì)胞自噬是真核生物在進(jìn)化過程中高度保守、基于溶酶體的一種胞內(nèi)降解途徑,對維持細(xì)胞和生物體的穩(wěn)態(tài)平衡具有重要作用[21]。損傷的線粒體被特異性的包裹進(jìn)自噬體中并與溶酶體融合,從而完成線粒體的降解,維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定,這個(gè)過程被稱為線粒體自噬。目前,研究最廣泛的是由PINK 誘導(dǎo)假定激酶1-Parkin 介導(dǎo)的選擇性清除多余或受損線粒體的自噬調(diào)控通路[22]。

有研究表明,線粒體自噬參與了鐵死亡的發(fā)生、發(fā)展,并扮演著正向促進(jìn)角色,如WJ460理化合物靶向肌鐵蛋白引發(fā)線粒體自噬和ROS積累,最終導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化和鐵死亡[23]。此外砷通過線粒體ROS-自噬-溶酶體途徑誘發(fā)胰腺功能障礙和鐵死亡,其中砷對線粒體的損傷表現(xiàn)為線粒體膜電位降低、細(xì)胞色素C水平降低和線粒體ROS的產(chǎn)生[24]。在糖尿病相關(guān)并發(fā)癥,如糖尿病視網(wǎng)膜病變中也涉及線粒體自噬和鐵死亡[25]。一項(xiàng)對糖尿病性骨質(zhì)疏松的研究發(fā)現(xiàn),沉默線粒體鐵蛋白(ftmt)通過ROS/PINK誘導(dǎo)假定激酶1/Parkin途徑誘導(dǎo)線粒體自噬的發(fā)生,最終促進(jìn)鐵死亡,而過表達(dá)ftmt通過減少過量亞鐵離子引起的氧化應(yīng)激,抑制成骨細(xì)胞中鐵死亡的發(fā)生[26]。

線粒體自噬具體如何影響鐵死亡的發(fā)生、發(fā)展尚無確切定論,可能通過增加內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力影響鐵死亡,但也有研究表明,線粒體自噬與鐵死亡無明顯關(guān)聯(lián)。目前,對線粒體自噬與鐵死亡之間的關(guān)系認(rèn)識尚淺,而線粒體自噬功能與神經(jīng)退行性疾病、心血管疾病、癌癥等多種臨床疾病的發(fā)病機(jī)制密切相關(guān),對線粒體自噬與鐵死亡聯(lián)系進(jìn)一步研究以期發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵調(diào)控因子,將對疾病治療提供新的方向。

4 線粒體DNA(mtDNA)與鐵死亡

線粒體擁有自身的遺傳物質(zhì)——mtDNA,能獨(dú)立進(jìn)行復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯。mtDNA的突變率高于核DNA,且缺乏修復(fù)能力。mtDNA功能受核DNA的影響,mtDNA基因與核DNA突變均可導(dǎo)致線粒體蛋白質(zhì)合成受阻,引起細(xì)胞能量代謝障礙[27]。

mtDNA沒有組蛋白保護(hù),更容易受到線粒體產(chǎn)生的ROS攻擊,導(dǎo)致mtDNA氧化損傷。在研究扎西他濱對胰腺癌的治療作用中發(fā)現(xiàn),扎西他濱通過mtDNA氧化損傷激活的環(huán)磷酸鳥苷-腺苷酸合成酶-干擾素刺激基因通路誘導(dǎo)自噬引發(fā)胰腺導(dǎo)管癌細(xì)胞發(fā)生鐵死亡[28]。DOX通過嵌入mtDNA在線粒體中積累,以mtDNA含量依賴的方式誘導(dǎo)心肌細(xì)胞發(fā)生鐵死亡[29]。更為經(jīng)典的mtDNA與鐵死亡相關(guān)的證據(jù)為mtDNA缺失綜合征(MDS)。MDS是由于維持mtDNA合成的核基因突變,mtDNA含量嚴(yán)重減少,導(dǎo)致多組織器官功能障礙的疾病。MDS發(fā)生鐵死亡的病理為患者肝細(xì)胞mtDNA缺失導(dǎo)致線粒體功能障礙、腺嘌呤核苷三磷酸合成減少、ROS大量增加及谷胱甘肽耗竭,繼而核受體共激活因子4(NCOA4)介導(dǎo)鐵蛋白在溶酶體中降解,鐵蛋白里的鐵釋放至細(xì)胞質(zhì)中,引起脂質(zhì)過氧化增加,最終導(dǎo)致肝細(xì)胞鐵死亡[30]。

mtDNA氧化損傷、mtDNA缺失均破壞了mtDNA的完整性從而促使鐵死亡的發(fā)生,因此,mtDNA的修復(fù)有助于抵抗鐵死亡。目前,生物體內(nèi)的損傷修復(fù)途徑主要包括堿基切除修復(fù)、核苷酸切除修復(fù)、錯(cuò)配修復(fù)、雙鏈斷裂修復(fù)和跨損傷DNA合成。不同mtDNA修復(fù)方式發(fā)揮抵抗鐵死亡效應(yīng)的強(qiáng)弱值得進(jìn)一步探討。

5 線粒體ROS與鐵死亡

ROS是一類含氧的化學(xué)反應(yīng)物質(zhì),包括過氧化物、超氧化物、羥基自由基、單線態(tài)氧等。線粒體是ROS產(chǎn)生的重要來源,而鐵死亡常伴有脂質(zhì)ROS的大量生成。

線粒體ROS與鐵死亡的發(fā)生具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性,RSL3介導(dǎo)了濃度依賴性的GPX4抑制、脂質(zhì)過氧化、線粒體碎裂增強(qiáng)、線粒體膜電位喪失和線粒體呼吸減少,在RSL3誘導(dǎo)神經(jīng)元HT22細(xì)胞和小鼠胚胎成纖維細(xì)胞鐵死亡中通過線粒體靶向ROS清除劑拯救線粒體的完整性和功能具有抵御細(xì)胞鐵死亡的作用[31]。在鐵死亡誘導(dǎo)劑——erastin處理SK-Hep1 ρ+細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了線粒體ROS的大量積累,由此誘發(fā)的鐵死亡可被線粒體ROS猝滅劑抑制[32]。暴露于N-GQDs的小膠質(zhì)細(xì)胞BV2線粒體中鐵含量、ROS生成和脂質(zhì)過氧化水平均增強(qiáng),誘導(dǎo)線粒體氧化應(yīng)激引起小膠質(zhì)細(xì)胞鐵死亡,而線粒體靶向ROS清除劑預(yù)處理提高線粒體抗氧化能力后可有效逆轉(zhuǎn)上述改變[33]。

線粒體是ROS的重要來源,在多數(shù)情況下鐵死亡的發(fā)生伴隨ROS的生成,目前的研究說明線粒體中ROS的產(chǎn)生將促進(jìn)鐵死亡的發(fā)生,其具體機(jī)制可能是通過促進(jìn)脂質(zhì)過氧化,且可以被線粒體靶向的抗氧化劑或酶抑制。在發(fā)現(xiàn)線粒體ROS可誘導(dǎo)鐵死亡前已發(fā)現(xiàn)線粒體ROS可誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡,提示細(xì)胞凋亡與鐵死亡之間可能存在分子聯(lián)系,進(jìn)一步尋找建立二者聯(lián)系的關(guān)鍵分子將為研發(fā)新型靶向藥注入新活力。

6 線粒體鐵代謝與鐵死亡

細(xì)胞內(nèi)鐵代謝受多種機(jī)制的精確調(diào)控,線粒體是細(xì)胞內(nèi)最大的鐵代謝細(xì)胞器,細(xì)胞質(zhì)內(nèi)游離鐵通過ftmt轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入線粒體,主要負(fù)責(zé)血紅素和鐵硫簇的生物合成[34]或儲存在ftmt中。鐵死亡的發(fā)生與體內(nèi)鐵含量增加相關(guān),線粒體鐵代謝異常對鐵死亡的發(fā)生具有重要影響[35]。

線粒體中游離鐵的過多積累可引發(fā)鐵死亡。在脂多糖誘導(dǎo)的心臟損傷中脂多糖增加NCOA4的表達(dá)和細(xì)胞內(nèi)Fe2+水平,NCOA4可直接與鐵蛋白相互作用,以鐵自噬的方式降解鐵蛋白,釋放大量的鐵,細(xì)胞質(zhì)Fe2+進(jìn)一步激活線粒體膜上的鐵硫霉素的表達(dá),從而將細(xì)胞質(zhì)Fe2+轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體,最終導(dǎo)致鐵死亡[36]。此外百草枯通過NCOA4誘導(dǎo)的鐵自噬途徑引起細(xì)胞質(zhì)和線粒體中鐵的明顯積累,鐵超載引起脂質(zhì)ROS產(chǎn)生誘導(dǎo)鐵死亡[37]。CDGSH 鐵硫結(jié)構(gòu)域1是一種含鐵的線粒體外膜蛋白,其抗鐵死亡活性與線粒體鐵積累有關(guān),抑制CDGSH鐵硫結(jié)構(gòu)域1表達(dá)增加線粒體鐵積累和脂質(zhì)過氧化可引發(fā)鐵死亡[38]。Ftmt在鐵穩(wěn)態(tài)中具有重要作用,在小鼠缺血腦組織中ftmt水平上調(diào),缺乏ftmt的小鼠發(fā)生更嚴(yán)重的腦損傷和神經(jīng)功能缺損,并伴有鐵死亡的分子特征,包括腦缺血再灌注損傷后脂質(zhì)過氧化增加和谷胱甘肽紊亂[39]。

在線粒體中鐵自噬促進(jìn)游離鐵的釋放從而驅(qū)動脂質(zhì)過氧化最終發(fā)生鐵死亡,調(diào)控線粒體Fe2+轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)蛋白的活性及鐵自噬相關(guān)鐵蛋白的水平進(jìn)而改變線粒體中游離鐵的豐度,將影響鐵死亡的發(fā)生。

7 線粒體其他功能與鐵死亡

線粒體是一種處于高度運(yùn)動狀態(tài)的細(xì)胞器,頻繁地出現(xiàn)分裂和融合,其中線粒體融合包含2個(gè)步驟,即由線粒體融合蛋白介導(dǎo)的外膜融合和由視神經(jīng)萎縮蛋白1介導(dǎo)的內(nèi)膜融合[40]。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,線粒體融合也參與了鐵死亡,經(jīng)典的鐵死亡誘導(dǎo)劑——erastin會誘導(dǎo)干擾素基因刺激蛋白1在線粒體中積累,在線粒體中與線粒體融合蛋白1/2結(jié)合,觸發(fā)線粒體融合,導(dǎo)致后續(xù)ROS的產(chǎn)生和脂質(zhì)過氧化,促進(jìn)人胰腺癌細(xì)胞系的鐵死亡[41]。鈣信號傳導(dǎo)在細(xì)胞周期調(diào)控中具有重要作用,線粒體是細(xì)胞內(nèi)鈣的儲存細(xì)胞器之一[42]。低溫下線粒體鈣離子增加、線粒體膜電位超極化需要線粒體鈣離子攝取調(diào)節(jié)劑——線粒體鈣離子攝入蛋白1(MICU1),全基因組CRISPR 篩選發(fā)現(xiàn),MICU1是在冷應(yīng)激下產(chǎn)生脂質(zhì)過氧化物和引發(fā)鐵死亡所必需的,小干擾RNA敲除MICU1可抑制冷應(yīng)激誘導(dǎo)的腎和肝來源細(xì)胞系發(fā)生鐵死亡[43]。線粒體中還存在多種酶對鐵死亡具有調(diào)節(jié)作用,如線粒體外膜蛋白——FUN14 結(jié)構(gòu)域蛋白2通過降低谷胱甘肽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白——溶質(zhì)載體家族25成員11的穩(wěn)定性和二聚體形成引起線粒體內(nèi)谷胱甘肽含量下降,繼而線粒體發(fā)生氧化損傷和形態(tài)功能異常,導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化和鐵死亡,這也是DOX誘導(dǎo)心肌病的分子機(jī)制之一[44]。此外還有定位在線粒體內(nèi)膜上的酶——甘油-3-磷酸脫氫酶2,通過在線粒體內(nèi)膜還原泛醌為泛醇抑制線粒體脂質(zhì)過氧化,從而抵御細(xì)胞鐵死亡[45]。

8 小 結(jié)

線粒體在鐵死亡中的作用一直存在爭議,但近年來越來越多的研究說明線粒體與鐵死亡的發(fā)生關(guān)系密切?；诰€粒體參與調(diào)控多種代謝活動,且線粒體不同功能在參與鐵死亡發(fā)生、發(fā)展的過程中并非孤立,而是相互關(guān)聯(lián)。因此,線粒體中多種代謝的聯(lián)合作用如何影響鐵死亡及具體機(jī)制值得繼續(xù)探討。2022年3月TSVETKOV等[46]發(fā)現(xiàn)了一種全新的細(xì)胞死亡方式——銅死亡,銅離子通過直接結(jié)合TCA途徑中的脂酰化成分導(dǎo)致脂?；鞍桩惓＞奂拌F硫簇蛋白的丟失,從而導(dǎo)致蛋白質(zhì)毒性應(yīng)激反應(yīng)最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡,銅死亡通過將銅靶向線粒體觸發(fā)細(xì)胞死亡。由此可見,線粒體不僅在鐵死亡的發(fā)生中發(fā)揮作用,還可能參與了銅死亡的發(fā)生,而線粒體在各種細(xì)胞死亡中扮演何種角色尚不明晰,對線粒體與鐵死亡及其與他細(xì)胞死亡方式關(guān)系的探索,將有助于充分認(rèn)識不同細(xì)胞死亡方式之間如何相互聯(lián)系并為臨床疾病的治療提供新思路。