铁死亡与细胞个零件之间的关系——综述文章慎点

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作为国自然热点之一的铁死亡，你是真的了解么？？？

不了解不要紧，就像你刚开始步入科研领域，导师会先布置一篇综述任务一样。了解一个领域最快的方式——综述。要不自己写一篇，要不抄个近道，多看别人写的综述。

IF=15.8分，于2021年6月见刊，还算新鲜热乎的铁死亡综述 《Organelle-specifific regulation of ferroptosis》不仅总结了铁死亡关键过程，还讨论了来自不同细胞器的信号如何调节铁死亡细胞死亡的启动和执行。

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一、铁死亡关键过程总结

活性氧（ROS）的产生和随后的羟基自由基（·OH）介导的脂质过氧化最终导致质膜损伤是导致铁死亡的核心事件。这些过程受到抗氧化剂或膜修复系统的抑制。

文字太多，不想看，那就看图自己理解吧~

a.氧化损伤

导致铁死亡的ROS可以从多种来源产生：铁介导的芬顿反应、线粒体电子传递链 (ETC)。

细胞中铁的积累是铁死亡的标志之一 。许多蛋白质介导铁的摄取（转铁蛋白[TF]；转铁蛋白受体[TFRC]；乳转铁蛋白[LTF]）、储存（铁蛋白）、利用（铁硫蛋白）, 分布（铁硫蛋白）, 和输出（SLC40A1），这意味着它们会影响细胞对铁死亡的敏感性（图 1a）。

氧化性 DNA 损伤也有利于铁死亡，但多不饱和脂肪酸 (PUFA) 的脂质过氧化在驱动裂解细胞死亡中起主要作用。因此，CD36 介导的 PUFA 摄取、乙酰辅酶 A 羧化酶 (ACAC) 依赖性 PUFA 合成或脂肪吞噬诱导的 PUFA 产生可能促进铁死亡。 PUFA 氧化代谢物的产生需要额外的酶。长链酰基辅酶 A 合成酶 (ACSL) 通过添加辅酶 A (CoA) 基团激活脂肪酸，并为特定代谢途径提供底物。 ACSL4和 ACSL1 分别对花生四烯酸/肾上腺酸介导和亚麻酸介导的铁死亡至关重要。 ACSL3 负责激活单不饱和脂肪酸 (MUFA)，从而竞争性抑制 PUFA 诱导的铁死亡。溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶 3 (LPCAT3) 参与了铁死亡的磷脂重塑。脂氧合酶 (ALOX) 家族的不同成员通过 PUFA 的氧化以细胞类型依赖性方式介导铁死亡。或者，细胞色素 P450 氧化还原酶 (POR) 将电子传递给氧气，然后以不依赖 ALOX的方式在铁死亡期间介导脂质过氧化。这种脂质代谢互补途径会影响铁死亡的易感性。

是否有可能通过识别不同脂质过氧化产物来对与铁死亡相关疾病进行一种“分子诊断”。

b.抗氧化防御

在抑制铁死亡中的酶促和非酶促抗氧化防御系统方面取得了巨大进展。最具特征的系统是系统XC（Systerm XC）--谷胱甘肽（GSH）-谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）轴（图1b）。许多经典的铁死亡诱导剂（例如，erastin 和 RSL3）是该轴的抑制剂。Systerm XC是一种谷氨酸/胱氨酸转运蛋白，由SLC7A11和SLC3A2组成。 System XC 可以通过介导胱氨酸摄取到细胞中来维持细胞内 GSH 含量。 GSH 作为许多抗氧化酶的辅助因子，包括 GPX4。 GPX4 需要 GSH 将磷脂氢过氧化物 (PLOOHs) 还原为无毒的磷脂醇 (PLOHs)。在铁死亡期间，SLC7A11 和 GPX4 的活性或表达在多个水平上受到调节。GPX4 蛋白可以被热休克蛋白家族 Hsp70和HSPA5 成员稳定，但被热休克蛋白90 (HSP90)破坏，且与环境相关。 SLC7A11 的转录分别被NFE2L2或p53上调或下调。

除 GSH 外，几种细胞内抗氧化剂，如辅酶 Q10 (CoQ10)、四氢生物蝶呤 (BH4) 和多巴胺，可防止铁死亡期间的脂质过氧化。凋亡诱导因子AIFM2/FSP1和二氢乳清酸脱氢酶 (DHODH) 通过减少细胞溶质和线粒体泛醌 (CoQ10) 分别产生泛醇来抑制铁死亡。 GTP 环水解酶 1 (GCH1) 是 BH4 合成的限速酶，它在抑制铁死亡中充当自由基捕获抗氧化剂。多巴胺可增强 GPX4 蛋白的稳定性，进而限制铁死亡中的脂质过氧化。与 GPX4 不同，PLA2G6通过水解氧化的磷脂酰乙醇胺来避免铁死亡。

这些发现强调了这样一种观点，即抗氧化剂可以限制由过度氧化应激引起的铁死亡。

c.膜修复或粘附

细胞膜破裂不仅会导致 Ca2+ 快速大量流入胞质，还会导致各种内源性蛋白质的流出或释放，HMGB1是一种主要的促炎DAMP。虽然尚未确定负责质膜孔形成的关键效应物，但ESCRT-III机制所需的 Ca2+ 依赖性复合物的激活可以促进质膜修复，从而限制铁死亡的发生和促炎 DAMP 的释放。

除了 ferroptosis，ESCRT-III 在细胞焦亡和坏死性凋亡中具有修复质膜损伤的保守功能。需要进一步的工作来确定特定细胞器（例如线粒体或溶酶体）的膜修复机制是否参与了对铁死亡的防御。越来越多的证据表明，细胞间的接触赋予细胞对铁死亡的抵抗力。在相邻细胞中，铁死亡可能以快速传播。可以推测，特定的细胞骨架相关的动态变化传递或限制了相互作用细胞之间接触部位的质膜氧化损伤。

二、不同细胞器在铁中毒中的作用

铁死亡是一个严格调控的过程，需要多种细胞器参与调控的一系列复杂信号，包括线粒体、溶酶体、内质网 (ER)、脂滴 (LD)、过氧化物酶体、高尔基体和细胞核（表 1）。

线粒体

铁死亡细胞通常表现为线粒体肿胀，伴有嵴减少，线粒体膜电位消散，线粒体膜通透性增加，表明线粒体功能障碍已经发生。然而，线粒体在铁死亡中的作用是有争议的。早期研究表明，铁死亡不需要线粒体，因为人骨肉瘤143B细胞线粒体DNA (mtDNA)耗尽时，即ρ°细胞，它对 SLC7A11 抑制剂erastin 的促铁死亡作用没有影响 。需要注意的是，缺乏 mtDNA 的细胞确实还是有线粒体的。通过parkin RBR E3泛素蛋白连接酶（PRKN）介导的线粒体自噬消除线粒体的细胞对胱氨酸饥饿或erastin引发的铁死亡不太敏感，但对GPX4抑制剂诱导的铁死亡更敏感。越来越多的证据表明，线粒体通过依赖于环境的代谢效应在促进铁死亡中发挥重要作用。

1. 线粒体ROS

在氧化磷酸化过程中，线粒体是大多数哺乳动物细胞中 ROS 的重要来源。局部 ROS 的产生不仅会导致线粒体损伤，还会影响细胞其余部分的氧化还原状态。由于线粒体 ROS 主要诱导细胞凋亡，因此最初认为它们与铁死亡无关。然而，后来的研究表明，线粒体 ROS 的增加会促进铁死亡，这一过程可以被线粒体靶向的抗氧化剂或酶抑制，如几项补充研究所示（图 2a）:

首先，C11-BODIPY 581/591（用于检测脂质过氧化的荧光无线电探针）染色和丙二醛（MDA，脂质过氧化的终产物）的定量分析表明，在erastin或阿霉素诱导的铁死亡，线粒体中的脂质 ROS 增加(HT1080、MEF或心肌细胞) 。线粒体脂质 ROS 的积累可以部分解释为铁死亡期间线粒体 GSH 的消耗。因此，线粒体靶向 ROS 清除剂，如 MitoTEMPO 和mitoquinone，可以抑制各种细胞类型的铁死亡，包括癌细胞、心肌细胞、海马神经元细胞和 MEF。

其次，几种线粒体抗氧化酶在抑制铁死亡中起重要作用。 GPX4 可定位于胞质和线粒体膜间隙，其线粒体形式在细胞死亡过程中起到减轻线粒体氧化损伤的作用。超氧化物歧化酶 2 (SOD2/MnSOD)，铁锰超氧化物歧化酶家族的成员位于真核生物以及各种原核生物的线粒体基质中，也具有防止非小细胞肺癌细胞中线粒体 ROS 诱导的铁死亡的能力 。此外，微粒体谷胱甘肽 S-转移酶 1 (MGST1) 是一种主要位于线粒体和 ER 中的抗氧化酶，通过与 ALOX5 结合来限制脂质过氧化和铁死亡。

1. 线粒体 CoQ10 可有效预防铁死亡。线粒体 DHODH 介导二氢乳清酸氧化为乳清酸，这一过程与 CoQ10 还原为泛醇相关，并限制由 GPX4 下调引起的线粒体脂质过氧化和铁死亡。
2. 线粒体氧化损伤诱导某些线粒体凋亡调节因子的释放，例如AIFM1，一种最初参与半胱天冬酶非依赖性凋亡的因子，它通过易位至小鼠海马 HT22 的细胞核促进铁死亡，强调了细胞凋亡和铁死亡之间的分子联系。然而，CRISPR 介导的 AIFM1 敲除不能挽救 MEF 中 GPX4 缺失引起的铁死亡。与促进细胞凋亡的线粒体裂变不同 ，线粒体融合通过干扰素反应 cGAMP 相互作用物 1 (STING1)-mitofusin 1/2 (MFN1/2) 促进线粒体氧化损伤和随后的铁死亡。由于线粒体 ROS 通过释放线粒体蛋白（如 AIFM1 和半胱天冬酶激活剂细胞色素 c [CYCS] 和 SMAC/DIABLO）诱导细胞凋亡，因此可以推测线粒体 ROS 介导的铁死亡也与细胞毒性线粒体蛋白的释放有关。然而，未偶联的线粒体缺乏氧化磷酸化或三磷酸腺苷 (ATP) 消耗也可能导致铁死亡。

因此，有必要进一步研究伴随铁死亡的线粒体紊乱。

b.线粒体铁离子

细胞外铁离子被细胞吸收，可通过SLC25A37,SLC25A28导入线粒体。线粒体 Fe2+ 可用于合成血红素和 Fe-S 簇，或储存在线粒体铁蛋白中。相反，过量的线粒体Fe2+会介导ROS的产生或导致酶活性异常。线粒体铁代谢受损导致铁死亡（图2b）。

首先，血红素直接在原代神经元或人类单核细胞中诱导铁死亡，这一过程可以进一步受到细胞质或线粒体血红素加氧酶 1 (HMOX1) 的双重调节。

其次，铁硫簇组装机制的成分，如 NFS1 半胱氨酸脱硫酶、frataxin (FXN) 和铁硫簇组装酶 (ISCU)，通常在各种条件下发挥抗铁死亡作用。

1. 线粒体铁输出蛋白，如CISD1 和 CDGSH 铁硫结构域 2 (CISD2)，通过保护线粒体免受癌细胞中的脂质过氧化来抑制铁死亡。
2. 与细胞质铁蛋白类似，线粒体铁蛋白可增加铁储存并防止人神经母细胞瘤 SH-SY5Y 细胞或由erastin 或缺氧引起的原代人巨噬细胞发生铁死亡。总之，这些发现有助于识别新的蛋白质，以阐明在铁死亡过程中参与线粒体铁稳态的途径。

c.线粒体DNA

mtDNA 是一种环状双链 DNA，由于与线粒体转录因子 A (TFAM) 的相互作用而浓缩成类核。在哺乳动物中，mtDNA 复制需要 DNA 聚合酶 γ 催化亚基 (POLG)。各种线粒体应激，包括生物能量和环境因素，可导致 mtDNA 释放到细胞质中。释放的mtDNA 激活了大量的先天免疫反应，尤其是环状 GMP-AMP 合酶 (CGAS)-STING1 依赖性 DNA 传感途径，它可以启动 I 型干扰素反应、自噬或细胞死亡。人们普遍认为，mtDNA 损伤是细胞死亡的初始信号。

Zalcitabine 是一种抗病毒药物，靶向 POLG 诱导 LONP1 依赖性 TFAM 降解，已被证明通过诱导 mtDNA 释放和随后的 STING1 相关自噬细胞死亡诱导人胰腺癌细胞的铁死亡（图. 2c) 。脱氧鸟苷激酶 (DGUOK) 是线粒体脱氧核苷补救途径酶的限速酶，参与 mtDNA 复制的前体合成。 DGUOK 的功能丧失突变可导致肝 mtDNA 耗竭综合征，并具有增强的铁死亡敏感性（图 2c）。然而，mtDNA 耗尽的人骨肉瘤 143B 细胞（ρ° 细胞）显示出与亲代细胞相当的对 erastin 诱导的铁死亡的敏感性，这与观察到它们含有更高水平的 ALOX 用于脂质过氧化以诱导细胞凋亡形成对比。因此，未知的防御机制可能会限制 ρ° 细胞中的 ALOX 活性以响应铁死亡激活剂，而不是其他细胞死亡诱导剂。

d.三羧酸循环

三羧酸 (TCA) 循环是位于线粒体基质的酶途径，与胞质中的各种代谢途径相互作用。它以葡萄糖产生的乙酰辅酶A为起始原料，通过一系列氧化还原反应将电子转移到ETC，从而通过氧化磷酸化产生ATP。由细胞 ADP:ATP 比率调节的能量传感器 AMP 活化蛋白激酶 (AMPK) 根据其磷酸化底物在铁死亡中发挥双重作用。 TCA 循环酶富马酸水合酶 (FH) 催化富马酸可逆水合为苹果酸。 FH 突变肾癌细胞对胱氨酸饥饿诱导的铁死亡不敏感。然而，FH 敲除使肾癌细胞对erastin 诱导的细胞死亡敏感。线粒体 ETC 复合物 I/II/III/IV 的抑制剂选择性地抑制由半胱氨酸饥饿或 erastin 引起的铁死亡，而不是 GPX4 抑制剂 RSL3。这些发现提出了关于erastin 和RSL3 的亚细胞定位的问题，并且erastin 确实已被证明可以靶向线粒体中的电压依赖性阴离子通道（VDAC）。尽管如此，来自线粒体ETC的ROS在调节铁死亡细胞死亡方面提供了相当大的灵活性（图2d）。

谷氨酰胺分解可以通过谷氨酰胺酶 (GLS) 从谷氨酰胺中产生谷氨酸来促进 TCA 循环。线粒体 GLS2 而非细胞溶质 GLS1 负责谷氨酰胺分解相关的铁死亡。线粒体丙酮酸载体 1 (MPC1) 的抑制也增加了对铁死亡的易感性，部分原因是增加了耐厄洛替尼癌细胞的谷氨酰胺分解。 GLS2 和 MPC1 是否对铁死亡的诱导具有直接拮抗作用仍有待研究。

TCA循环提供了一种相互连接的氧化还原中心，用于整合来自糖酵解和氨基酸分解代谢的代谢信号以产生有利于铁死亡的 PUFA（图 2d）。未来的代谢通量分析可能会揭示参与铁死亡线粒体调控的新机制和反馈回路。

溶酶体

溶酶体是酸性膜结合细胞器，通过三种机制导致铁死亡：（i）自噬的激活，（ii）溶酶体组织蛋白酶的释放，以及（iii）溶酶体铁或一氧化氮的积累。

巨自噬（我们将其称为“自噬”）是一种溶酶体依赖性降解途径，其特征在于形成称为自噬体的双膜结合囊泡，其由自噬相关（ATG）蛋白的顺序贡献分级执行。敲除 ATG 基因，如 ATG3、ATG5、ATG7、ATG13、BECN1（也称为 ATG6）和微管相关蛋白 1 轻链 3B（MAP1LC3B，也称为 ATG8），可抑制许多癌细胞中的铁死亡。几种选择性自噬途径通过去除不同的途径来促进铁死亡（图 3a）。

首先，核受体共激活因子 4 (NCOA4) 介导的铁蛋白吞噬 [6, 7] 和隔离体 1 (SQSTM1/p62) 介导的 SLC40A1 自噬降解 [37] 通过增加细胞内 Fe2+ 水平来促进铁死亡。

其次，LDs 的脂肪吞噬依赖性降解增加了游离脂肪酸供应，用于随后在铁死亡期间的脂质过氧化。

1. SQSTM1 介导的芳烃受体核转运蛋白样 (ARNTL/BMAL1) 自噬降解，称为时钟吞噬的过程，通过增加细胞内多不饱和脂肪酸水平促进铁死亡诱导。
2. 伴侣介导的自噬 (CMA) 促进 GPX4 降解，导致脂质过氧化增加，有利于铁死亡。鞘磷脂磷酸二酯酶 1 (SMPD1，也称为 ASM) 的激活进一步增强了这一过程，这是一种在鞘脂代谢中起主要作用的溶酶体酶。尽管这些数据支持铁死亡是一种依赖自噬的细胞死亡形式的观点，但仅用于该过程的特定途径仍有待表征。特别是，问题出现在选择性自噬和脂质代谢的机制中是否存在某种有利于铁死亡的特异性。

溶酶体膜电位升高是由各种细胞死亡刺激驱动的溶酶体依赖性细胞死亡的初始信号。最近，溶酶体组织蛋白酶的释放，尤其是组织蛋白酶 B (CTSB)，被认为是导致铁死亡的原因。 CTSB 的上调和随后的溶酶体释放需要信号转导和转录激活因子 3 (STAT3) 的激活。

CTSB 通过至少两种潜在机制介导铁死亡。首先，CTSB 从溶酶体转移到细胞核，导致 DNA 损伤和随后的 STING1 依赖性铁死亡。 CTSB 还可以作为一种特定的组蛋白 H3 蛋白酶并切割 H3 以导致铁死亡。另一种机制，核转录因子 EB (TFEB) 的激活可通过诱导抗氧化超氧化物歧化酶 1 (SOD1) 基因表达来抑制溶酶体依赖性铁死亡。总之，溶酶体和细胞核之间的串扰可以建立调节铁死亡的反馈机制。目前尚不清楚溶酶体胞吐作用是否会导致铁死亡期间的膜重塑和修复。

内质网

在正常情况下，内质网 (ER) 是蛋白质合成和加工以及脂质分泌的中心细胞器 。内质网应激会触发未折叠的蛋白质反应以恢复蛋白质稳态，但当细胞无法恢复稳态时也会引发细胞死亡。

ER 应激在铁死亡中起双重作用（图 4a）。例如，erastin 可以通过激活决定细胞命运的真核翻译起始因子2A (EIF2A)/激活转录因子 4 (ATF4) 途径来诱导显着的 ER 应激反应。一方面，ATF4 介导的 HSPA5 表达阻止了 GPX4 的降解，从而增加了胰腺癌细胞或神经胶质瘤细胞对吉西他滨或双氢青蒿素引起的铁死亡的抵抗力。

另一方面，ATF4 介导的 GSH 降解酶 CHAC1的转录表达增强了青蒿琥酯或胱氨酸饥饿诱导的乳腺癌细胞铁死亡。因此，ATF4 靶基因的多样性赋予了 ATF4 在铁死亡中的多种生物学功能。

值得注意的是，ferrostatin-1 可能通过其在 ER 中的积累发挥其抗铁死亡作用，而不是在溶酶体和线粒体中。通过双光子磷光寿命成像进行的定量测量表明，ER 的粘度在erastin 诱导的铁死亡期间增加。这两项研究进一步支持 ER 参与调节铁死亡。

脂滴

脂滴 (LD) 用作中性脂质（如三酰基甘油和甾醇酯）的储存细胞器。 LD 还与其他细胞器（如线粒体、ER、过氧化物酶体和溶酶体）动态接触，以促进脂质、代谢物和离子的交换 。

人们普遍认为，增加 LD 的形成可以保护细胞免受 PUFA 诱导的脂毒性和 ER 应激。 LD的数量在铁死亡的早期增加，但在铁死亡的最后阶段减少。 LDs的降解和储存之间的平衡会影响对铁死亡的敏感性。例如，RAB7A 介导的脂肪吞噬增加了细胞内 PUFA 的产生，从而增强了 RSL3 诱导的肝癌细胞铁死亡。相比之下，肿瘤蛋白 D52 (TPD52) 介导的脂质储存可能通过隔离有毒的氧化脂质来限制铁死亡。外源性 PUFA 诱导 LD 形成并在 LD 中积累，导致宫颈 (SiHa)、结肠直肠 (HCT-116) 和下咽 (FaDu) 癌细胞中的脂质 ROS 和铁死亡增加。此外，Fasassociated 因子家族成员 2 (FAF2) 是一种调节 LD 形成和体内平衡的分子，在奥利司他诱导的 A549 和 H1299 肺癌细胞铁死亡中下调，支持 LD 的抗铁死亡作用。

此外，脂肪分解（三酰基甘油的水解）发生在 LD 的表面，释放脂肪酸用于生物能量或合成代谢反应。几种酶，例如PNPLA2和LIPE，在脂肪分解中起关键作用 ，但它们的确切作用铁死亡仍有待发现。

过氧化物酶体

过氧化物酶体是通过促氧化酶（如黄嘌呤脱氢酶 (XDH) 和一氧化氮合酶 2 (NOS2)产生 ROS 和活性氮物质 (RNS) 的细胞器。相反，过氧化物酶体还含有抗氧化酶，例如过氧化氢酶 (CAT)、SOD1、过氧化还原蛋白 5 (PRDX5) 和谷胱甘肽 S-转移酶 kappa 1 (GSTK1)。尽管如此，最近的一项研究表明，过氧化物酶体介导的脂质合成而不是 ROS 或 RNS 的产生促进了铁死亡。

高尔基体

高尔基体是一种膜细胞器，在处理和分类脂质和蛋白质以供分泌或细胞使用方面具有重要功能。药理高尔基体应激诱导剂（例如，AMF-26/M-COPA、brefeldin A 和 golgicide A）在 HeLa 细胞中引发铁死亡，这可以通过 SLC7A11 或 GPX4 的过表达以及 ACSL4 的敲除来避免 ，表明高尔基体依赖性铁死亡需要经典的铁死亡调节剂。 brefeldin A 对铁死亡的诱导也受到细胞外胱氨酸可用性的影响。转硫途径（细胞中 GSH 的半胱氨酸来源）可以保护细胞免受布雷非菌素 A 诱导的铁死亡。尽管对高尔基体应激诱导的铁死亡的确切机制仍然知之甚少，但怀疑高尔基体的扩散可能会导致抗氧化分子（例如 CoQ10）的损失。

细胞核

在这里，重点讨论铁死亡中核影响的非转录方面（作者另外一篇专门讨论过转录因子）。虽然早期研究没有发现细胞核有任何明显的形态变化，但核 DNA 的氧化损伤是铁死亡的生化相关因素，与核 DAMP（例如 HMGB1）的释放有关。几种 DNA 损伤反应途径，如 TP53、共济失调毛细血管扩张症突变 (ATM) 和FANCD2，在抑制或促进铁死亡方面发挥着与环境相关的作用。

例如，TP53 的激活可以通过下调乳腺癌细胞中的 SLC7A11 来促进铁死亡，而 TP53 的缺失可以通过激活结肠癌细胞中的二肽基肽酶 4 (DPP4) 依赖性 NOX 途径来引发铁死亡。 FANCD2 介导的 DNA 修复可抑制 erastin 诱导的骨髓细胞铁死亡。铁结合蛋白 pirin是一种核氧化还原传感器，通过将 HMGB1 保留在细胞核中来限制自噬依赖性铁死亡。相比之下，溶酶体 CTSB或线粒体 AIFM1 易位至细胞核可导致局部损伤并诱导铁死亡细胞死亡。因此，不同蛋白质在核区室和核外区室之间的易位深刻影响了细胞对铁死亡的易感性。未来的蛋白质组学研究应该对这种与铁死亡相关的易位事件进行系统和精细的分析

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我们篇文献见

(完）