鐵死亡信號(hào)通路：核心機(jī)制與研究策略全景解析

細(xì)胞死亡的神秘世界迎來(lái)新成員，鐵死亡以其獨(dú)特的鐵依賴性和脂質(zhì)過(guò)氧化特征，在癌癥治療與疾病干預(yù)領(lǐng)域開辟了新戰(zhàn)場(chǎng)。

鐵死亡（Ferroptosis）是一種鐵依賴性、脂質(zhì)過(guò)氧化驅(qū)動(dòng)的程序性細(xì)胞死亡形式，自2012年正式命名以來(lái)，已成為腫瘤抑制、神經(jīng)退行性疾病及代謝性疾病研究的熱點(diǎn)。與凋亡、壞死不同，鐵死亡在細(xì)胞形態(tài)學(xué)、生物化學(xué)和遺傳學(xué)上具有獨(dú)特特征，主要表現(xiàn)為線粒體收縮、膜密度增加和脂質(zhì)過(guò)氧化物積累。本文將系統(tǒng)解析鐵死亡的核心信號(hào)通路、關(guān)鍵調(diào)控因子、先進(jìn)研究策略及靶向治療前景，為相關(guān)研究提供全面指導(dǎo)。

一、鐵死亡的核心生化基礎(chǔ)

鐵死亡的發(fā)生依賴于三個(gè)關(guān)鍵生化過(guò)程：鐵代謝失衡、脂質(zhì)過(guò)氧化和抗氧化防御系統(tǒng)失效。這三個(gè)過(guò)程相互交織，共同構(gòu)成了鐵死亡的核心生化基礎(chǔ)。

鐵作為芬頓反應(yīng)（Fenton reaction）的催化劑，能將過(guò)氧化氫轉(zhuǎn)化為高活性的羥基自由基，進(jìn)而引發(fā)脂質(zhì)過(guò)氧化。正常情況下，細(xì)胞內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)通過(guò)轉(zhuǎn)鐵蛋白受體（TfR）、鐵泵蛋白（FPN）等精密調(diào)控。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)二價(jià)鐵（Fe2?）過(guò)量積累時(shí)，會(huì)通過(guò)芬頓反應(yīng)產(chǎn)生大量活性氧（ROS），攻擊細(xì)胞膜上的多不飽和脂肪酸（PUFAs）。PUFAs在?；o酶A合成酶長(zhǎng)鏈家族成員4（ACSL4）和溶血磷脂酰膽堿?；D(zhuǎn)移酶（LPCAT3）的作用下合成多不飽和脂肪酸磷脂（PUFA-PLs），隨后被脂氧合酶氧化生成磷脂過(guò)氧化物（PUFA-PL-OOHs），最終導(dǎo)致細(xì)胞膜破裂和細(xì)胞死亡。

圖1 鐵死亡信號(hào)通路[1]

二、關(guān)鍵信號(hào)通路網(wǎng)絡(luò)

1、GPX4核心調(diào)控通路

谷胱甘肽過(guò)氧化物酶4（GPX4）是鐵死亡最核心的負(fù)調(diào)控因子。GPX4依賴谷胱甘肽（GSH）將脂質(zhì)過(guò)氧化物還原為無(wú)害的脂質(zhì)醇，從而抑制脂質(zhì)過(guò)氧化積累。胱氨酸/谷氨酸逆向轉(zhuǎn)運(yùn)體系統(tǒng)Xc-（由SLC7A11和SLC3A2亞基組成）負(fù)責(zé)將胞外胱氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)入胞，同時(shí)將谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)出胞。胞內(nèi)胱氨酸隨后還原為半胱氨酸，用于GSH合成。當(dāng)系統(tǒng)Xc-活性被抑制（如使用Erastin），或GPX4活性被直接抑制（如使用RSL3），都會(huì)導(dǎo)致GPX4功能喪失，引發(fā)鐵死亡。

2、非GPX4依賴的備份系統(tǒng)

近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，鐵死亡還存在GPX4非依賴的調(diào)控機(jī)制：

鐵死亡抑制蛋白1（FSP1） 通過(guò)催化泛醌（CoQ）轉(zhuǎn)化為泛醇（CoQH2），后者直接中和脂質(zhì)自由基，在質(zhì)膜上形成獨(dú)立的抗氧化系統(tǒng)。

GTP環(huán)化水解酶1（GCH1） 產(chǎn)生四氫生物蝶呤（BH4），作為一種有效的抗氧化劑，抑制脂質(zhì)過(guò)氧化。

二氫乳清酸脫氫酶（DHODH） 在線粒體中通過(guò)類似FSP1的機(jī)制抑制鐵死亡。

下表總結(jié)了鐵死亡的主要調(diào)控因子及其功能：

表：鐵死亡關(guān)鍵調(diào)控因子及其功能

3、新興調(diào)控節(jié)點(diǎn)：NANS與NOXs

最新研究發(fā)現(xiàn)，N-乙酰神經(jīng)氨酸合成酶（NANS）通過(guò)調(diào)控鐵穩(wěn)態(tài)在結(jié)直腸癌鐵死亡中發(fā)揮重要作用。NANS通過(guò)直接結(jié)合TAK1的N端結(jié)構(gòu)域，阻斷TAK1-TAB1復(fù)合物形成，抑制TAK1的K63泛素化和磷酸化，進(jìn)而抑制下游NF-κB信號(hào)通路。NF-κB信號(hào)通路的下調(diào)減少了其對(duì)鐵蛋白重鏈1（FTH1）的轉(zhuǎn)錄激活，F(xiàn)TH1作為鐵儲(chǔ)存蛋白，其表達(dá)降低導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)游離鐵增加，促進(jìn)鐵死亡發(fā)生。NADPH氧化酶（NOXs）家族成員（NOX1、NOX2和NOX4）也被證實(shí)通過(guò)不同機(jī)制促進(jìn)鐵死亡。NOX1在p53蛋白調(diào)控下與二肽基肽酶4（DPP4）結(jié)合介導(dǎo)質(zhì)膜脂質(zhì)過(guò)氧化；NOX4受EGFR-MAPK信號(hào)通路誘導(dǎo)表達(dá)，產(chǎn)生H?O?參與芬頓反應(yīng)。

圖2 鐵死亡信號(hào)通路在肝病中的調(diào)控機(jī)制示意圖[2]

三、鐵死亡研究策略與技術(shù)

1、基因篩選與分子鑒定

CRISPR-Cas9全基因組篩選是發(fā)現(xiàn)鐵死亡新型調(diào)控因子的有力工具。例如，研究人員通過(guò)代謝酶文庫(kù)篩選，發(fā)現(xiàn)了NANS是鐵死亡的正調(diào)控因子。RNA干擾技術(shù)可用于靶向驗(yàn)證特定基因功能。一項(xiàng)研究通過(guò)合成靶向HDACs家族（HDAC1-11）的siRNA文庫(kù)篩選，發(fā)現(xiàn)沉默HDAC1可顯著促進(jìn)Erastin誘導(dǎo)的鐵死亡。分子生物學(xué)技術(shù)如染色質(zhì)免疫共沉淀（ChIP）可用于研究轉(zhuǎn)錄因子與靶基因啟動(dòng)子的結(jié)合情況。研究表明，NF-κB亞基RelA可直接結(jié)合FTH1啟動(dòng)子，而NANS缺失增強(qiáng)這種結(jié)合。

2、細(xì)胞死亡確認(rèn)與表型分析

鐵死亡特異性抑制劑是確認(rèn)鐵死亡的關(guān)鍵工具。Ferrostatin-1和Liproxstatin-1是常用的鐵死亡抑制劑，若它們能逆轉(zhuǎn)細(xì)胞死亡，則表明死亡方式可能是鐵死亡。

脂質(zhì)過(guò)氧化檢測(cè)是鐵死亡表征的核心指標(biāo)。C11-BODIPY??1/??1探針可用于檢測(cè)細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)過(guò)氧化水平。

細(xì)胞內(nèi)鐵離子檢測(cè)可使用Phen Green SK、RPA、RhoNox-1等熒光探針。

電鏡觀察可揭示鐵死亡獨(dú)特的超微結(jié)構(gòu)特征：線粒體收縮、膜密度增加、嵴減少或消失。

3、先進(jìn)成像技術(shù)

最新研究表明，熒光壽命成像顯微鏡（FLIM） 結(jié)合極性敏感熒光探針（如SBD-CH）可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鐵死亡過(guò)程中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)極性變化，為早期檢測(cè)提供新方法。這種技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于熒光壽命是熒光分子的固有特性，與探針濃度無(wú)關(guān)，能避免傳統(tǒng)強(qiáng)度型探針的成像失真問(wèn)題。

四、疾病關(guān)聯(lián)與靶向治療前景

1、癌癥治療中的雙面劍

鐵死亡在癌癥中扮演雙重角色：一方面，誘導(dǎo)鐵死亡可抑制腫瘤生長(zhǎng)；另一方面，某些腫瘤細(xì)胞可通過(guò)上調(diào)抗氧化通路獲得鐵死亡抵抗。在結(jié)直腸癌中，NANS表達(dá)水平與患者預(yù)后顯著相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，在鐵死亡壓力下，CDK1介導(dǎo)的NANS S275位點(diǎn)磷酸化，觸發(fā)UBE2N依賴的泛素化降解，導(dǎo)致NF-κB-FTH1軸激活和鐵死亡抵抗。聯(lián)合使用CDK1抑制劑（如RO-3306）與鐵死亡誘導(dǎo)劑，在動(dòng)物模型中顯示出協(xié)同抗轉(zhuǎn)移效果。

2、非酒精性脂肪性肝?。∟AFLD/NASH）

鐵死亡在NAFLD/NASH發(fā)生發(fā)展中起關(guān)鍵作用。生物信息學(xué)分析鑒定出ZFP36、ATF3、SOCS1、IL-6、PTGS2、JUN等9個(gè)NASH鐵死亡關(guān)鍵基因。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，游離脂肪酸（FFA）處理的HepG2細(xì)胞中，c-jun、ZFP36、ATF3、IL-6蛋白表達(dá)升高，脂質(zhì)過(guò)氧化增強(qiáng)。抑制鐵死亡幾乎可抑制NASH發(fā)生。

3、神經(jīng)退行性疾病

在帕金森病、阿爾茨海默病等神經(jīng)退行性疾病中，鐵蓄積和脂質(zhì)過(guò)氧化參與神經(jīng)元死亡過(guò)程。GPX4失活導(dǎo)致脂質(zhì)過(guò)氧化物（如4-HNE）累積，觸發(fā)神經(jīng)元膜結(jié)構(gòu)破壞。轉(zhuǎn)錄因子AP-2γ與SP1的協(xié)同激活可上調(diào)GPX4表達(dá)，這一通路為神經(jīng)保護(hù)提供了新靶點(diǎn)。

五、挑戰(zhàn)與未來(lái)方向

當(dāng)前鐵死亡研究面臨多項(xiàng)挑戰(zhàn)：鐵死亡與其他細(xì)胞死亡方式的crosstalk復(fù)雜；組織特異性調(diào)控機(jī)制尚不明確；靶向藥物的遞送效率和特異性不足。未來(lái)研究重點(diǎn)應(yīng)包括：開發(fā)時(shí)空特異性誘導(dǎo)劑；探索組織特異性調(diào)控網(wǎng)絡(luò)；優(yōu)化納米遞送系統(tǒng)提高靶向性；深入研究翻譯后修飾（如磷酸化、泛素化、乙?；┱{(diào)控機(jī)制。隨著對(duì)鐵死亡機(jī)制理解的深入，以及研究技術(shù)的不斷創(chuàng)新，靶向鐵死亡的治療策略有望在癌癥、神經(jīng)退行性疾病和代謝性疾病等領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。

參考文獻(xiàn)

[1] Signaling pathways and defense mechanisms of ferroptosis. DOI: 10.1111/febs.16059

[2] Ferroptosis and liver diseases. DOI：10.3724/zdxbyxb-2024-0566 

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