本文選自NCB，2013年，講述了鐵和ROS在細(xì)胞死亡中的作用

過(guò)渡金屬鐵對(duì)生命至關(guān)重要，但在富氧環(huán)境中，潛在的有毒鐵催化活性氧是不可避免的。鐵和活性氧越來(lái)越被認(rèn)為是各種生物體和病理情況下細(xì)胞死亡的重要引發(fā)劑和介質(zhì)。在這里，我們回顧了最近關(guān)于鐵和活性氧參與細(xì)胞死亡機(jī)制的發(fā)現(xiàn)。我們描述了鐵在觸發(fā)細(xì)胞死亡中的不同作用，介導(dǎo)細(xì)胞死亡的鐵依賴(lài)性活性氧的靶點(diǎn)和一種新的鐵依賴(lài)性細(xì)胞死亡形式，稱(chēng)為鐵死亡。最近在理解鐵和活性氧在細(xì)胞死亡中的作用方面的進(jìn)展提供了意想不到的驚喜，并提出了治療癌癥、器官損傷和退行性疾病的新治療途徑。

鐵與活性氧的形成和破壞密切相關(guān)，活性氧是部分還原的含氧分子的總稱(chēng)，包括超氧化物(O2-)、過(guò)氧化物(H2O2和ROOH)和自由基(HO和RO)(圖1a，b)。雖然一定量的鐵和活性氧對(duì)正常細(xì)胞和器官功能至關(guān)重要，但鐵、活性氧或兩者的異常積累與數(shù)量驚人的急性創(chuàng)傷和慢性退行性疾病有關(guān)。因此，了解鐵和活性氧是如何導(dǎo)致細(xì)胞死亡的，以及是否可以控制這些物質(zhì)的水平以達(dá)到理想的治療效果是非常有趣的。

細(xì)胞內(nèi)鐵催化活性氧的來(lái)源

鐵和鐵衍生物(例如，血紅素或鐵-硫[鐵-硫]簇)被結(jié)合到ROS產(chǎn)生酶中，并且是ROS產(chǎn)生酶的功能所必需的，例如煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氫化物(NADPH)氧化酶(NOXs)、黃嘌呤氧化酶、脂氧合酶(LOXs)、細(xì)胞色素P450酶和線粒體電子轉(zhuǎn)運(yùn)鏈的亞單位(圖1a，b)。在過(guò)氧化物酶體中發(fā)現(xiàn)的過(guò)氧化氫酶的活性位點(diǎn)也發(fā)現(xiàn)了鐵(圖1b)。(真核細(xì)胞的)胞質(zhì)溶膠和線粒體基質(zhì)中存在少量不穩(wěn)定(‘松散配位’，‘氧化還原活性’)Fe2+；溶酶體還含有一個(gè)氧化還原活性鐵池，細(xì)胞外來(lái)源，以及鐵蛋白和富含鐵的細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器如線粒體的分解代謝。這些氧化還原活性鐵池能夠通過(guò)芬頓化學(xué)反應(yīng)直接催化有害自由基的形成(圖1a，b)。由于這個(gè)原因，鐵螯合劑如去鐵酸鹽、去鐵酮、去鐵胺和氯喹啉已經(jīng)提出作為與鐵或活性氧積累相關(guān)的各種病理的治療方法。鐵依賴(lài)性產(chǎn)ROS酶和不穩(wěn)定鐵都被認(rèn)為是導(dǎo)致ROS依賴(lài)性細(xì)胞損傷和死亡的原因。這是如何發(fā)生的是一個(gè)新興的研究領(lǐng)域，在很大程度上是由于難以確定與死亡相關(guān)的活性氧的目標(biāo)和作用以及鐵積累對(duì)細(xì)胞功能的影響。下面我們考慮一下這些方面的最新進(jìn)展。

ROS影響增殖及活力的直接靶標(biāo)

超氧化物的靶標(biāo)

對(duì)超氧化物和其他活性氧的破壞作用的研究在大腸桿菌等細(xì)菌中進(jìn)展最大。在這里，可以在特定的環(huán)境條件下，在沒(méi)有特定抗氧化酶的情況下生長(zhǎng)細(xì)胞，從而使超氧化物從內(nèi)源積累。由于氨基酸合成受損，缺乏超氧化物歧化酶活性的突變體的生長(zhǎng)受到抑制。這種生長(zhǎng)抑制是由于超氧化物對(duì)a，b-二氫異戊酸脫氫酶的酶促必需的、暴露于溶劑的[4Fe-4S]簇的攻擊，使得剩余的[3Fe-4S]+簇處于非活性狀態(tài)7(圖2)。超氧物攻擊還會(huì)釋放游離鐵，它可以結(jié)合DNA并催化芬頓化學(xué)依賴(lài)的DNA損傷(圖2)。在真核生物中，線粒體活性氧積累似乎可能以類(lèi)似的方式通過(guò)干擾必需代謝(例如，檸檬酸循環(huán)中[鐵-硫]-依賴(lài)性烏頭酸脫水酶8的失活)和鐵的釋放來(lái)觸發(fā)細(xì)胞死亡和線粒體DNA損傷

與氧化劑誘導(dǎo)損傷的高度保守途徑的存在相一致，缺乏線粒體超氧化物歧化酶2(Sod2–/–)的小鼠出生后不久就死亡，并伴有各種生化缺陷，這些缺陷可追溯到超氧化物介導(dǎo)的線粒體酶失活，包括烏頭酸酶和電子轉(zhuǎn)運(yùn)鏈的復(fù)合物I和II。然而，內(nèi)源性超氧化物(或其超氧化物歧化產(chǎn)物H2O2)的目標(biāo)來(lái)源于在諸如興奮毒性細(xì)胞死亡或細(xì)菌誘導(dǎo)的結(jié)腸上皮細(xì)胞死亡過(guò)程中NOX酶的異常激活，例如，這是完全未知的，并且是一個(gè)主要的開(kāi)放研究問(wèn)題。

H2O2的靶點(diǎn)

對(duì)細(xì)菌的研究最近闡明了H2O2的靶點(diǎn)，H2O2的失活在各種條件下?lián)p害了細(xì)胞的生長(zhǎng)和生存能力。大腸桿菌突變株(Hpx –)缺乏所有三種主要的H2O2降解酶，即catalases KatG和KatE以及過(guò)氧化物清除酶Ahp，這使得有可能檢測(cè)與內(nèi)源性產(chǎn)生的H2O2(通常約1mM)積累相關(guān)的影響。由于芬頓化學(xué)依賴(lài)的DNA損傷，阻止了HPX-的生長(zhǎng)，如果Hpx-中H2O2應(yīng)激反應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子OxR或DNA修復(fù)酶RecA缺失，它們就會(huì)死亡。在正常培養(yǎng)基中，由于異丙基蘋(píng)果酸異構(gòu)酶(一種參與亮氨酸生物合成的含[4Fe-4S]簇的脫水酶)的氧化失活，Hpx細(xì)胞不能增殖。其他含[鐵-硫]的脫水酶(6-磷酸葡萄糖酸脫水酶和富馬酸酶A和B)在Hpx細(xì)胞中也同樣失活。在Hpx細(xì)胞中，H2O2還直接破壞負(fù)責(zé)合成[Fe-S]簇(Isc系統(tǒng))的酶，并使一類(lèi)單核鐵酶失活，包括核酮糖-5-磷酸-3-差向異構(gòu)酶、肽脫甲?；浮⑻K氨酸脫氫酶和胞嘧啶脫氨酶，這些酶現(xiàn)在已知在體內(nèi)中使用鐵。鑒于細(xì)胞內(nèi)金屬蛋白酶體的定義不明確，很可能還有其他含鐵的酶易受ROS介導(dǎo)的失活影響有待發(fā)現(xiàn)。這些額外的鐵依賴(lài)性酶的失活可能會(huì)以特定的方式阻止生長(zhǎng)或引發(fā)死亡。

在真核生物中，過(guò)氧化物脅迫導(dǎo)致細(xì)胞死亡的直接目標(biāo)更難識(shí)別。培養(yǎng)的癌細(xì)胞暴露于外源性H2O2或含過(guò)氧化物橋接的小分子青蒿琥酯可通過(guò)需要溶酶體鐵的過(guò)程觸發(fā)鐵依賴(lài)性(即，可被鐵螯合劑抑制)凋亡細(xì)胞死亡，但該途徑的體內(nèi)相關(guān)性仍不清楚。雖然目前還沒(méi)有與細(xì)菌Hpx菌株相當(dāng)?shù)木?，可以用于檢查內(nèi)源性H2O2積累對(duì)細(xì)胞活力的影響，但脂質(zhì)過(guò)氧化物積累的影響可以在缺乏必需脂質(zhì)過(guò)氧化物代謝酶谷胱甘肽過(guò)氧化物酶4(Gpx4)的小鼠中進(jìn)行研究。結(jié)果表明，在缺乏Gpx4的情況下，無(wú)節(jié)制的脂質(zhì)過(guò)氧化物積累觸發(fā)了涉及鐵依賴(lài)性LOX酶的非凋亡細(xì)胞死亡途徑。

ROS介導(dǎo)細(xì)胞死亡

在細(xì)菌中，ROS的積累可以通過(guò)直接抑制特定的必需代謝酶和引起DNA損傷來(lái)阻止細(xì)胞生長(zhǎng)或引發(fā)死亡。在真核生物中，情況更復(fù)雜，因?yàn)榛钚匝蹩梢宰鳛橛善渌敢l(fā)的細(xì)胞死亡的介質(zhì)。在這里，我們回顧了一些不同的方式，活性氧已被發(fā)現(xiàn)以這種方式導(dǎo)致死亡。

線粒體超氧化物的異常積累

在一些真核物種中，線粒體衍生的活性氧與細(xì)胞死亡的誘導(dǎo)直接相關(guān)。在單細(xì)胞真核釀酒酵母中，高度保守的AAA ATPase Cdc48/VCP(CDC48S565G)中的點(diǎn)突變特異性地破壞Cdc48和Vms1之間的相互作用，這是Cdc48定位于受損線粒體所必需的。在缺乏適當(dāng)?shù)腃dc48線粒體定位的情況下，受損的線粒體產(chǎn)生高水平的活性氧，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡，其許多特征使人想起凋亡。CDC48S565G突變體中的克隆生長(zhǎng)是通過(guò)用自由基自旋陷阱n-叔丁基-α-苯基硝酮或(2，2，6，6-四甲基哌啶-1-基)氧基(TEMPO)處理、通過(guò)線粒體電子鏈復(fù)合物III的抑制劑、通過(guò)消除線粒體DNA(mtDNA)或通過(guò)在缺氧環(huán)境中孵育細(xì)胞來(lái)挽救的，這表明即使在簡(jiǎn)單的真核生物中，細(xì)胞死亡也可以由ROS積累觸發(fā)。線粒體活性氧的過(guò)量產(chǎn)生如何觸發(fā)該系統(tǒng)的死亡尚不清楚，但對(duì)這個(gè)問(wèn)題的更好理解可能與理解與Cdc48/VCP突變相關(guān)的人類(lèi)疾病有關(guān)。

在哺乳動(dòng)物中，線粒體活性氧介導(dǎo)的促死亡途徑的證據(jù)最近從一項(xiàng)對(duì)母系遺傳性耳聾的研究中獲得，該耳聾是由于mtDNA點(diǎn)突變(A1555G，在12S rRNA基因中)導(dǎo)致體內(nèi)內(nèi)耳神經(jīng)元凋亡29。A1555G突變導(dǎo)致線粒體核糖體超甲基化，這干擾了正常的線粒體翻譯，直接導(dǎo)致線粒體超氧化物產(chǎn)生增加。活性氧隨后激活逆行的線粒體至細(xì)胞核信號(hào)通路，包括腺苷酸激活的蛋白激酶(AMPK)和轉(zhuǎn)錄因子E2F1(圖3a)。線粒體SOD2的過(guò)度表達(dá)抑制了含有A1555G突變的細(xì)胞中的AMPK激活、E2F1上調(diào)和凋亡死亡，表明線粒體超氧化物對(duì)觸發(fā)這種致死途徑至關(guān)重要。值得注意的是，在模擬動(dòng)物體內(nèi)A1555G突變效應(yīng)的轉(zhuǎn)基因小鼠模型中，這種致死途徑的激活似乎僅限于經(jīng)歷死亡的細(xì)胞。確定其他活性氧依賴(lài)的逆行信號(hào)通路的激活是否能在體內(nèi)其他細(xì)胞類(lèi)型或情況下誘導(dǎo)細(xì)胞死亡將是有趣的。

線粒體ROS調(diào)節(jié)凋亡

在分子水平上，凋亡被細(xì)分為兩個(gè)主要分支，內(nèi)在途徑和外在途徑。在內(nèi)源性凋亡途徑中，不歸位點(diǎn)涉及促死亡蛋白BAX和BAK的線粒體外膜通透性（MOMP）。MOMP導(dǎo)致線粒體促死亡效應(yīng)物的釋放，如血紅素蛋白細(xì)胞色素c，其觸發(fā)凋亡小體的形成，導(dǎo)致caspase-3和caspase-7的激活。細(xì)胞色素c通常與心磷脂結(jié)合，心磷脂是一種存在于線粒體內(nèi)膜外表面的脂質(zhì)。在凋亡刺激后觀察到細(xì)胞色素c血紅素蛋白自身的過(guò)氧化物酶活性對(duì)這種脂質(zhì)的氧化，并認(rèn)為這是隨后的細(xì)胞色素c釋放、caspase激活和死亡執(zhí)行所必需的(圖3b)。事實(shí)上，在大鼠創(chuàng)傷性腦損傷期間，心磷脂氧化是激活caspase-3/7依賴(lài)性神經(jīng)元凋亡所必需的。一個(gè)主要問(wèn)題仍然是引發(fā)心磷脂氧化的信號(hào)的性質(zhì)。有人認(rèn)為，BAX插入線粒體外膜增強(qiáng)了細(xì)胞色素c的過(guò)氧化活性，但需要進(jìn)一步的工作來(lái)確定這一機(jī)制。

當(dāng)試圖理解ROS在細(xì)胞凋亡執(zhí)行中的作用時(shí)，一個(gè)復(fù)雜的因素是它們最有可能在細(xì)胞色素c釋放和caspase激活的上游(如上所述)和下游都有作用(圖3b)。至少在體外，通過(guò)半胱天冬酶介導(dǎo)的線粒體電子傳遞鏈復(fù)合物I亞單位NDUFS1 (p75)的切割，線粒體活性氧的產(chǎn)生在半胱天冬酶激活的下游得到增強(qiáng)，NDUFS1是一種含鐵/硫的蛋白質(zhì)。切割的NDUFS1產(chǎn)生ROS，ROS起到放大線粒體中凋亡信號(hào)的作用，并且不可消除的NDUFS1蛋白的表達(dá)減緩但不能防止凋亡死亡的發(fā)生34。此外，據(jù)觀察，細(xì)胞色素c的釋放一旦在細(xì)胞的一部分開(kāi)始，就高度同步36。最近有人提出，細(xì)胞色素c的同步釋放是由線粒體發(fā)出的ROS波協(xié)調(diào)的，ROS波掃過(guò)凋亡細(xì)胞。這些同步活性氧的來(lái)源、目標(biāo)和作用仍有待確定，但一個(gè)合理的模型是，在細(xì)胞一個(gè)區(qū)域的凋亡過(guò)程中早期切割的NDUFS1亞單位產(chǎn)生的超氧化物促進(jìn)了心磷脂過(guò)氧化和細(xì)胞色素c在細(xì)胞其他區(qū)域的釋放。

鐵及ROS作為細(xì)胞死亡的執(zhí)行者

壞死性凋亡

壞死是最近描述的一種非凋亡細(xì)胞死亡形式，可在某些細(xì)胞中因腫瘤壞死因子、FAS配體和其他刺激而觸發(fā)，似乎與大腦和腎臟缺血再灌注損傷(IRI)后觀察到的病理性細(xì)胞死亡特別相關(guān)。在培養(yǎng)的小鼠細(xì)胞中，壞死可能包括作為終末事件的線粒體活性氧產(chǎn)生的增加。已經(jīng)初步提出了兩個(gè)過(guò)程來(lái)解釋這些細(xì)胞中線粒體活性氧的增加:(1)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)子和轉(zhuǎn)錄激活子3 (STAT3)與線粒體電子傳遞鏈復(fù)合物I亞基GRIM-19(也稱(chēng)為NDUFA13)之間的受體相互作用蛋白激酶1(RIP1)磷酸化依賴(lài)性相互作用，導(dǎo)致線粒體呼吸和活性氧產(chǎn)生的增加，（2）RIP3與谷氨酸-氨連接酶(GLUL)、谷氨酸脫氫酶1(GLUDI1)和糖原磷酸化酶(PYGL)之間的物理相互作用，這可能增強(qiáng)能量代謝和線粒體活性氧的產(chǎn)生。其他人認(rèn)為，至少在腫瘤壞死因子刺激的細(xì)胞中,細(xì)胞表面的NOX復(fù)合物與腫瘤壞死因子受體相互作用，事實(shí)上是壞死時(shí)死亡誘導(dǎo)活性氧的更重要來(lái)源。無(wú)論來(lái)源如何，這些活性氧如何促進(jìn)細(xì)胞死亡仍有待確定。也有一些證據(jù)表明，不穩(wěn)定的鐵水平調(diào)節(jié)壞死，但這些結(jié)果在很大程度上僅限于體外研究的一種細(xì)胞類(lèi)型(小鼠L929纖維肉瘤)。最后，來(lái)自人類(lèi)Jurkat和其他細(xì)胞的數(shù)據(jù)表明，沒(méi)有活性氧也可以發(fā)生壞死,進(jìn)一步闡明壞死途徑有望成為未來(lái)幾年細(xì)胞死亡研究最活躍的領(lǐng)域之一。

鐵死亡：最近在哺乳動(dòng)物癌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞中描述了一種稱(chēng)為鐵死亡的鐵依賴(lài)性氧化細(xì)胞死亡形式。鐵死亡可由結(jié)構(gòu)多樣的小分子(例如伊拉斯汀、柳氮磺胺吡啶和RSL3)觸發(fā)，在形態(tài)學(xué)、生物化學(xué)和遺傳學(xué)上不同于凋亡、自噬和報(bào)告的壞死形式。鐵死亡可通過(guò)親脂性抗氧化劑(如trolox和維生素E)和鐵螯合劑(如去鐵胺)來(lái)預(yù)防，但不能通過(guò)眾所周知的凋亡、壞死或自噬小分子抑制劑來(lái)預(yù)防；這種敏感性模式定義了這種類(lèi)型的死亡，在目前所研究的所有情況下都是如此。有趣的是，通過(guò)去鐵胺的鐵螯合還可以防止H2O2和青蒿琥酯誘導(dǎo)的溶酶體鐵介導(dǎo)的死亡(如上所述)，但這兩種致死觸發(fā)因素不會(huì)導(dǎo)致鐵中毒。這突出了一個(gè)重要的觀點(diǎn):并非哺乳動(dòng)物細(xì)胞中所有鐵螯合劑敏感的細(xì)胞死亡都涉及相同的致死過(guò)程。一種可能的解釋是，不同的鐵物種(例如，不穩(wěn)定的與酶結(jié)合的[鐵-硫]和血紅素)或鐵池(例如，溶酶體對(duì)線粒體對(duì)細(xì)胞質(zhì))參與介導(dǎo)對(duì)不同致死刺激的獨(dú)特細(xì)胞死亡表型。鈷可以從含鐵單核酶的活性位點(diǎn)置換鐵，我們推測(cè)一種或多種對(duì)鐵死亡至關(guān)重要的含鐵酶通過(guò)鐵螯合或活性位點(diǎn)鐵被活性較低的鈷原子置換而失活。在這方面，一個(gè)有趣的候選物是PHD1(也稱(chēng)為EGLN2)，一種O2-，2-氧戊二酸-和鐵依賴(lài)性酶。在一個(gè)模擬鐵死亡(如下所述)許多特征的神經(jīng)元細(xì)胞死亡模型中，PHD1被證明是細(xì)胞死亡的關(guān)鍵，也是解釋鐵螯合介導(dǎo)的死亡抑制的候選靶點(diǎn)。PHD1的鐵依賴(lài)性羥化酶活性是否以及如何導(dǎo)致鐵死亡需要進(jìn)一步分析，但在上述研究中，它被證明與對(duì)這種酶的典型靶標(biāo)HIF-1的影響無(wú)關(guān)。另一個(gè)候選者是鐵依賴(lài)的脂質(zhì)修飾酶的LOX家族(圖1b)。這些酶被谷胱甘肽耗竭激活，被鐵螯合抑制。LOX酶的激活也與下文描述的相關(guān)細(xì)胞死亡途徑有關(guān)。

氧化性谷氨酸毒性

鐵死亡似乎與另一種稱(chēng)為氧化谷氨酸毒性(或氧化病)的死亡表型密切相關(guān)。當(dāng)某些腦細(xì)胞在沒(méi)有胱氨酸的情況下培養(yǎng)或用高濃度谷氨酸鹽(或谷氨酸鹽類(lèi)似物)處理時(shí)，觀察到氧化谷氨酸鹽毒性，從而抑制系統(tǒng)xc-功能。與伊拉斯汀和柳氮磺吡啶治療腫瘤細(xì)胞的情況類(lèi)似，高水平的谷氨酸導(dǎo)致谷胱甘肽耗竭和氧化細(xì)胞死亡，這可以通過(guò)鐵螯合來(lái)抑制。然而，在神經(jīng)元細(xì)胞中觀察到的氧化谷氨酸毒性需要膜脂損傷下游的額外事件來(lái)發(fā)生細(xì)胞死亡，包括LOX激活、Ca2+流入細(xì)胞，線粒體ROS產(chǎn)生增多，線粒體碎片化及線粒體凋亡誘導(dǎo)因子釋放（AIF）.后者這一種情況在經(jīng)歷缺鐵的癌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞中是不必要的。一種可能性是，細(xì)胞類(lèi)型之間可氧化膜脂質(zhì)的可用性或膜修復(fù)酶活性的差異，或兩者的差異，解釋了與鐵死亡相比，氧化谷氨酸毒性中這些額外下游事件的需求。

不管具體的機(jī)制關(guān)系如何，更好地理解谷氨酸鐵和氧化毒性機(jī)制可能具有重要的醫(yī)學(xué)意義。在暴露于高谷氨酸鹽或缺乏胱氨酸的早產(chǎn)兒少突膠質(zhì)細(xì)胞中觀察到鐵依賴(lài)性氧化細(xì)胞死亡表型。在神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)，這些前髓鞘細(xì)胞的丟失導(dǎo)致腦室周?chē)踪|(zhì)軟化癥(PVL病)，這種疾病的特征是大腦內(nèi)白質(zhì)病變，是大腦麻痹發(fā)展的前兆。在大腦中，系統(tǒng)xc-表達(dá)在腦室周?chē)鷧^(qū)域最高，靠近通常在PVL中觀察到白質(zhì)損傷的區(qū)域，這可能是為了支持對(duì)高氧化腦脊液施加的氧化應(yīng)激的增強(qiáng)防御。過(guò)量谷氨酸對(duì)xc-介導(dǎo)的胱氨酸輸入系統(tǒng)和谷胱甘肽合成的抑制可能導(dǎo)致早產(chǎn)兒的鐵死亡；因此，專(zhuān)門(mén)針對(duì)這一過(guò)程是治療PVL的一個(gè)可能途徑。

鐵引發(fā)或者介導(dǎo)了細(xì)胞死亡信號(hào)

雖然特定的ROS產(chǎn)生酶在細(xì)胞死亡中的作用越來(lái)越清楚，但鐵本身的作用卻不是。下面，我們重點(diǎn)介紹鐵似乎作為細(xì)胞死亡的引發(fā)劑或介質(zhì)起直接作用的例子。

遺傳性血色病中的細(xì)胞內(nèi)慢性鐵積聚：在人類(lèi)中，HFE病(血色病)、HFE2(血色病2型(幼年型))、TFR2(轉(zhuǎn)鐵蛋白受體2)和HAMP病(鐵調(diào)素抗菌肽)的隱性突變導(dǎo)致飲食中鐵的過(guò)度吸收和組織鐵負(fù)荷，導(dǎo)致一系列不良后果，包括肝硬化、心力衰竭和癌癥。這種病理，最明顯的是心肌病，與在缺乏線粒體超氧化物歧化酶的小鼠中觀察到的病理有一定程度的重疊。以及缺乏線粒體鐵伴侶frataxin的動(dòng)物，這導(dǎo)致了鐵依賴(lài)的、ROS介導(dǎo)的對(duì)線粒體酶和線粒體功能的損傷可能是鐵超載誘導(dǎo)的病理生理學(xué)的根源。該模型與最近的報(bào)告相一致，該報(bào)告表明與膳食鐵超載相關(guān)的肝臟毒性可以通過(guò)線粒體靶向抗氧化劑來(lái)改善。然而，重要的是，高水平的鐵并非普遍對(duì)細(xì)胞增殖和生存能力有害，事實(shí)上與許多癌癥有關(guān)，包括在一些患有遺傳性血色病本身的患者中觀察到的肝細(xì)胞癌。無(wú)論是通過(guò)細(xì)胞對(duì)組織微環(huán)境的非自主效應(yīng)，還是通過(guò)細(xì)胞對(duì)突變狀態(tài)、鐵依賴(lài)性酶功能或細(xì)胞信號(hào)的自主效應(yīng)，理解和區(qū)分促進(jìn)細(xì)胞死亡的細(xì)胞內(nèi)鐵超載效應(yīng)和促進(jìn)某些組織和細(xì)胞類(lèi)型中細(xì)胞增殖或存活的細(xì)胞內(nèi)鐵超載效應(yīng)都很重要。

神經(jīng)變性中的細(xì)胞內(nèi)慢性鐵積聚：越來(lái)越多的神經(jīng)退行性疾病與神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)異常水平的鐵積聚有關(guān)。鐵在帕金森病中的作用可能是最容易理解的。在帕金森病的情況下，鐵的積累與Tau蛋白的耗竭有關(guān)，Tau蛋白是通過(guò)鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-淀粉樣前體蛋白(APP)復(fù)合物輸出鐵所必需的。帕金森病患者和接受神經(jīng)毒素(MPTP)治療的小鼠中的Tau蛋白水平與細(xì)胞內(nèi)鐵的水平呈反比。鐵積累與疾病進(jìn)展有因果關(guān)系，因?yàn)殍F螯合劑治療或鐵蛋白的過(guò)度表達(dá)可以減輕Tau敲除或MPTP治療動(dòng)物模型中的細(xì)胞損失和改善疾病癥狀。與遺傳性血色病一樣，一個(gè)主要的懸而未決的問(wèn)題是鐵的積累實(shí)際上是如何促進(jìn)細(xì)胞死亡的，無(wú)論是通過(guò)增強(qiáng)的芬頓化學(xué)介導(dǎo)的損傷、鐵依賴(lài)性酶的激活還是替代方法。

? ? ? ?一個(gè)相關(guān)的問(wèn)題涉及在帕金森病和其他神經(jīng)退行性疾病中觀察到的細(xì)胞類(lèi)型特異性細(xì)胞死亡。最近觀察到帕金森病中易變性的多巴胺能神經(jīng)元群體產(chǎn)生特別高水平的線粒體ROS，我們推測(cè)，這些線粒體衍生的活性氧與增加的鐵水平協(xié)同作用，選擇性地將這些細(xì)胞推向死亡。有趣的是，鐵螯合劑去鐵酮和去鐵胺通過(guò)自噬(有絲分裂)促進(jìn)線粒體破壞。鐵螯合劑觸發(fā)的有絲分裂可以通過(guò)增強(qiáng)線粒體的清除來(lái)防止帕金森氏癥和其他疾病中的神經(jīng)元變性，線粒體是產(chǎn)生有害水平的活性氧的原因。這代表了一種有趣的“間接”機(jī)制，可以解釋鐵螯合劑在某些情況下減輕氧化應(yīng)激的能力。

興奮毒性中的急性細(xì)胞外鐵內(nèi)流：鐵作為死亡信號(hào)傳導(dǎo)介質(zhì)的一個(gè)重要作用來(lái)自對(duì)小鼠初級(jí)皮質(zhì)神經(jīng)元群體對(duì)N-甲基-d-天冬氨酸(NMDA)的興奮毒性死亡的分析。這一過(guò)程被證明需要通過(guò)鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白二價(jià)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(DMT1)從細(xì)胞外輸入鐵，這在體外和最有可能在體內(nèi)都是如此。NMDA治療導(dǎo)致ROS產(chǎn)生增加和細(xì)胞死亡，這兩者都被鐵螯合減弱。將這些結(jié)果與顯示NDMA誘導(dǎo)的死亡也需要氮氧化物衍生的超氧化物產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)調(diào)和整合將是有趣的。一個(gè)有趣的可能性是，鐵輸入和氮氧化物衍生的活性氧協(xié)同增強(qiáng)有毒活性氧的產(chǎn)生，導(dǎo)致神經(jīng)元死亡。

溶酶體急性鐵釋放作為壞死介質(zhì)：鐵作為死亡信號(hào)傳導(dǎo)介質(zhì)的另一個(gè)重要作用來(lái)自親環(huán)素D依賴(lài)性壞死死亡的分析。親環(huán)素D(由基因PPIF編碼)是一種肽基-脯氨酰基順?lè)醋赢悩?gòu)酶，定位于線粒體基質(zhì)，在體外和體內(nèi)的各種情況下執(zhí)行非凋亡壞死細(xì)胞死亡所需。親環(huán)素D通過(guò)調(diào)節(jié)線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔復(fù)合體(mPTPC)的開(kāi)放來(lái)控制死亡，溶酶體鐵在mPTPC開(kāi)放中的作用最近被提出。在不同的死亡情況下，如藥物誘導(dǎo)的肝毒性和IRI病，從溶酶體釋放的鐵被線粒體吸收，并刺激親環(huán)素D依賴(lài)性通透性轉(zhuǎn)換孔開(kāi)放，最終導(dǎo)致死亡。這樣的模型解釋了鐵螯合劑保護(hù)免受IRI和相關(guān)損傷的能力，但是無(wú)數(shù)的問(wèn)題仍然沒(méi)有答案。例如，在IRI過(guò)程中觸發(fā)溶酶體鐵釋放的信號(hào)的性質(zhì)，鐵如何進(jìn)入線粒體，以及過(guò)量的線粒體鐵如何實(shí)際上增強(qiáng)通透性轉(zhuǎn)換孔徑都有待解決。

無(wú)活性氧的鐵依賴(lài)性死亡：在目前所考慮的例子中，鐵被認(rèn)為或被假定通過(guò)活性氧的積累引發(fā)細(xì)胞死亡。野生型釀酒酵母細(xì)胞可以在有氧條件下，在生長(zhǎng)培養(yǎng)基中高達(dá)10mM的鐵存在下正常生長(zhǎng)，這表明暴露于如此高的濃度不一定對(duì)真核細(xì)胞有毒。在細(xì)胞內(nèi)，高濃度的鐵激活轉(zhuǎn)錄因子Yap5，導(dǎo)致空泡鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白Ccc1的表達(dá)，從而促進(jìn)空泡內(nèi)鐵的螯合，空泡是功能上等同于后生動(dòng)物溶酶體的結(jié)構(gòu)。缺乏Ccc1的酵母菌(ccc1D突變體)積累高水平的細(xì)胞溶質(zhì)鐵，并且在存在高濃度外源鐵的情況下不能生長(zhǎng)。有趣的是，ccc1D突變體的生存能力不能通過(guò)抗氧化酶(如Sod1、Sod2或過(guò)氧化氫酶)的過(guò)度表達(dá)或厭氧條件下的生長(zhǎng)來(lái)恢復(fù)，這表明鐵催化的活性氧產(chǎn)生可能不能解釋這種生物體中鐵超載的致死效應(yīng)。

對(duì)這些觀察結(jié)果提出了兩種可能的解釋。首先，高水平的細(xì)胞溶質(zhì)鐵可能有利于必需酶的錯(cuò)配和失活(例如，插入鐵代替類(lèi)似的金屬，如錳)。第二，鐵超載誘導(dǎo)的死亡可能激活特定的致死途徑(圖5)。最近，發(fā)現(xiàn)7mM氯化鐵的致死性被天然產(chǎn)物肉豆蔻素或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)駐留蛋白Orm2和Orm1的過(guò)表達(dá)所抑制。肉豆蔻素是絲氨酸棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶復(fù)合物的天然產(chǎn)物抑制劑，絲氨酸棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶復(fù)合物是鞘脂產(chǎn)生途徑中的第一種酶。Orm2和Orm1蛋白是絲氨酸棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶功能的高度保守負(fù)調(diào)節(jié)因子。高鐵水平促進(jìn)鞘脂長(zhǎng)鏈堿基和長(zhǎng)鏈磷酸堿基的積累，這些增加被Orm2過(guò)表達(dá)或肉豆蔻素處理抵消。高水平的鞘脂長(zhǎng)鏈堿基刺激Phk1-Ypk1-Smp1蛋白激酶途徑，該途徑對(duì)致死性至關(guān)重要，獨(dú)立于已建立的酵母死亡效應(yīng)物，如Mca1和Mma111。高鐵如何激活鞘脂的產(chǎn)生，鞘脂如何增強(qiáng)激酶途徑的活性，以及激酶途徑的激活如何引發(fā)死亡還有待確定。鑒于Orm2和Orm1在鞘脂生物合成中的功能在人類(lèi)細(xì)胞中是保守的，確定哺乳動(dòng)物細(xì)胞中類(lèi)似的途徑是否會(huì)導(dǎo)致與病理性鐵超載相關(guān)的毒性將是有趣的。

新的治療機(jī)會(huì)

對(duì)鐵和活性氧在細(xì)胞死亡中的作用的進(jìn)一步理解為治療干預(yù)創(chuàng)造了新的機(jī)會(huì)。下面我們重點(diǎn)介紹最近取得進(jìn)展的兩個(gè)領(lǐng)域。

靶向抗氧化劑：一種對(duì)抗活性氧積累毒性效應(yīng)的新興策略是設(shè)計(jì)或鑒定在特定細(xì)胞內(nèi)位點(diǎn)優(yōu)先清除活性氧的小分子。在一種方法中，線粒體內(nèi)膜電位被用來(lái)驅(qū)動(dòng)抗氧化劑進(jìn)入線粒體基質(zhì)以清除線粒體活性氧?；衔颩itoQ是泛酮(線粒體電子鏈的內(nèi)源性電子載體)和積累在線粒體基質(zhì)中的帶正電荷的三苯基鏻離子的融合體。米托蒽醌治療可以改善阿爾茨海默病小鼠模型的記憶功能和延遲凋亡神經(jīng)變性，并改善膿毒癥誘導(dǎo)的器官衰竭大鼠模型的器官功能。另一種藥物是XJB-5-131，其積累與內(nèi)膜電位無(wú)關(guān)，XJB-5-131是小分子自由基自旋陷阱TEMPO和源自抗生素格蘭米西丁S87的肽線粒體靶向序列(Leu-d-Phe-Pro-Val-Orn)的綴合物。XJB-5-131似乎通過(guò)防止mtDNA和線粒體心磷脂的氧化來(lái)改善線粒體功能和防止細(xì)胞死亡，后者事件先前與凋亡的誘導(dǎo)有關(guān)(如上所述)。XJB-5-131在亨廷頓氏病小鼠模型中顯示出減輕創(chuàng)傷性神經(jīng)元腦損傷和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元損傷的前景

除了線粒體之外，ROS產(chǎn)生和積累的其他位點(diǎn)可能對(duì)不同病理情況下的細(xì)胞死亡很重要，針對(duì)這些位點(diǎn)的靶向劑可能被證明是有益的。合成的小分子鐵抑制素-1(Fer-1)是在鐵抑制抑制劑的表型篩選中發(fā)現(xiàn)的，隨后被證明可以防止大鼠海馬切片培養(yǎng)中的谷氨酸毒性。構(gòu)效關(guān)系分析表明，環(huán)己基部分作為親脂性膜錨，而兩種胺最有可能提供還原當(dāng)量。Fer-1似乎在某種程度上適應(yīng)了鐵依賴(lài)的致死機(jī)制，因?yàn)樗灰种破渌问降募?xì)胞死亡，包括星形孢菌素誘導(dǎo)的凋亡和鐵依賴(lài)的H2O2誘導(dǎo)的死亡。我們推測(cè)，F(xiàn)er-1是針對(duì)一種特定的非線粒體膜。

擾亂活性氧體內(nèi)平衡的抗癌劑：鐵和活性氧依賴(lài)性死亡的另一個(gè)潛在應(yīng)用是在癌癥治療中。最近在各種基因工程小鼠癌癥模型中的研究表明，在某些癌癥中，KRAS和p53突變等改變可以促進(jìn)高NADPH產(chǎn)生和低ROS水平，這對(duì)腫瘤細(xì)胞增殖和存活至關(guān)重要。NADPH是維持谷胱甘肽穩(wěn)態(tài)所必需的，因此對(duì)這些和許多以前結(jié)果的一種解釋是腫瘤細(xì)胞需要高度減少的細(xì)胞內(nèi)環(huán)境才能存活。這為測(cè)試降低谷胱甘肽水平和/或增加氧化應(yīng)激水平是否能特異性地將癌細(xì)胞推向衰老或死亡提供了理論基礎(chǔ)。一個(gè)有希望的方法是通過(guò)使細(xì)胞的抗氧化防御能力喪失來(lái)增加致死性活性氧的積累。利用靶向細(xì)胞谷胱甘肽抗氧化網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的小分子，包括谷氨酸半胱氨酸連接酶的催化亞單位、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶和谷胱甘肽本身(孤雌激活肽和苯基乙基異硫氰酸酯)、谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶pi 1和羰基還原酶(蓽茇酰胺)和系統(tǒng)xc–(柳氮磺吡啶和伊拉汀)，已經(jīng)獲得了有希望的臨床前結(jié)果。這些化合物作為靶向某些腫瘤干細(xì)胞群的藥物可能特別有價(jià)值，這些腫瘤干細(xì)胞群由于谷胱甘肽合成途徑中酶的高表達(dá)而顯示出對(duì)放射治療誘導(dǎo)的、活性氧介導(dǎo)的細(xì)胞死亡的內(nèi)在抗性。

展望

? ? ? ? 在許多情況下，我們?nèi)狈χ匾獑?wèn)題的答案，例如鐵是如何通過(guò)增強(qiáng)活性氧的產(chǎn)生或替代手段促進(jìn)死亡的，以及與細(xì)胞死亡有關(guān)的活性氧的來(lái)源、類(lèi)型和靶點(diǎn)。在許多生物中，從細(xì)菌到哺乳動(dòng)物，鐵和活性氧在細(xì)胞死亡中的作用繼續(xù)引起爭(zhēng)議。對(duì)這些問(wèn)題的更詳細(xì)的理解無(wú)疑將受益于新探針的應(yīng)用，例如線粒體靶向的比率質(zhì)譜探針有絲分裂硼酸和遺傳編碼的傳感器Orp1-roGFP2，這將使活性氧水平與體內(nèi)細(xì)胞死亡相關(guān)。最后，開(kāi)發(fā)新的探針，可以報(bào)告細(xì)胞內(nèi)游離鐵的水平(例如，鐵探針1)將有助于進(jìn)一步研究鐵在細(xì)胞死亡中的作用。這方面的進(jìn)一步進(jìn)展將確保鐵和活性氧在細(xì)胞生死中的作用仍然是未來(lái)研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。