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铁死亡:从基本特征到检测手段

2003年,Brent R.Stockwell实验室Sonam Dolma等人发现一种新化合物erastin,能够选择性杀死表达ST和突变型RAS的肿瘤细胞,其诱导的细胞死亡为一种全新的非凋亡性细胞死亡形式

2008年,Wan Seok Yang和Brent R.Stockwell发现两种新化合物RSL5RSL3,与erastin类似,能诱导含突变型RAS的肿瘤细胞发生铁依赖的非凋亡性细胞死亡,并且这种细胞死亡可以被铁螯合剂(DFOM)和抗氧化剂(维生素E)抑制。

2012年,Brent R.Stockwell实验室正式将这种细胞死亡方式命名为ferroptosis(铁死亡)。


作为一种全新的细胞死亡方式,从2012年初次被定义到现在,已发表的铁死亡相关文章快速增多,受资助的研究项目也逐年递涨,已成为当下生物医学研究的前沿热点!

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(数据源于:PubMed)

那么究竟这铁死亡有何特征?分子机制是什么?我们又该如何去检测它呢?小P结合文献整理的这篇文章,相信对你有一定的帮助。


1.铁死亡的相关特征



铁死亡是一种由铁依赖的脂质过氧化诱导的调节性细胞死亡形式,在形态学、生物化学和遗传学上均不同于凋亡、坏死和自噬,有其独特的表征。

形态特征:主要表现为线粒体体积缩小、双层膜密度增加,线粒体嵴减少或消失,线粒体外膜破裂;核大小正常,无染色质聚集。

生化特征:铁积累,脂质过氧化,丝裂原活化蛋白激酶(MAPKs)系统激活,胱氨酸-谷氨酸反向转运体(System Xc-,由SLC7A11和SLC3A2组成的异二聚体)抑制,胱氨酸摄取降低,谷胱甘肽(GSH)耗竭,NAPDH氧化增加,释放花生四烯酸介质(如11-HETE和15-HETE)等。

免疫特征:释放损伤相关的分子模式(DAMPs),促进炎症反应。

铁死亡、凋亡、自噬及坏死性凋亡比较

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2.铁死亡铁代谢



铁是人体中一种重要的微量元素,铁缺乏或铁过载都会影响正常的生理机能。人体需要的铁来源于体内铁的再利用和从食物中吸收。

血浆中的铁以Fe3+的形式与转铁蛋白(transferrin)结合,通过转铁蛋白受体1(TFR1/CD71)介导的“转铁蛋白-Fe3+”复合体的内吞,将转铁蛋白结合的Fe3+送到细胞内并定位到内体。在内体中,Fe3+被STEAP3还原为Fe2+。二价金属离子转运体1(DMT1/SLC11A2)介导Fe2+从内体释放到细胞质的不稳定铁池(labile iron pool)中。

多余的铁以稳定的形式被储存到铁蛋白(ferritin)中而不参与ROS生成反应。泵铁蛋白(ferroportin/SLC40A1)介导铁离子外排。

过量的铁能通过芬顿反应产生ROS以及激活含铁的酶(如脂氧合酶)来促进脂质过氧化而引发铁死亡。

因此,通过增加铁吸收减少铁储存限制铁外流可以促进铁死亡铁螯合剂抗氧化剂可以预防铁死亡


3.铁死亡脂质过氧化



在铁死亡过程中,多不饱和脂肪酸(PUFAs),尤其是花生四烯酸和肾上腺酸最容易发生过氧化,导致脂质双层被破坏

细胞膜中PUFAs生物合成和重塑所需的酶ACSL4和LPCAT3是参与脂质过氧化物形成的两种关键酶。ACSL4将花生四烯酸和肾上腺酸催化为花生四烯酸-辅酶A或肾上腺酸-辅酶A,LPCAT3将其酯化为花生四烯酸或肾上腺酸的磷脂酰乙醇胺,最后可由脂氧合酶(LOX)氧化为脂质过氧化物。ROS可以与脂膜上的PUFAs发生反应诱导脂质过氧化,而铁可以通过芬顿反应产生ROS促进脂质过氧化

胱氨酸-GSH-GPX4CoQ10-FSP1GCH1-BH4-DHFR三大系统能有效抑制脂质过氧化,从而抵御铁死亡

胱氨酸-GSH-GPX4是经典的铁死亡抑制系统GSH是细胞内重要的抗氧化剂,胱氨酸是细胞合成GSH的原料,而细胞膜上的System Xc-能将细胞外的胱氨酸转运到细胞内,同时将细胞内的谷氨酸转运至细胞外。谷胱甘肽过氧化物酶(GPX4)是GSH依赖性酶,将还原型GSH转化为氧化型GSH,同时将脂质氢过氧化物还原为相应的脂质醇或将游离过氧化氢还原为水。GSH耗竭导致GPX4失活,使脂质过氧化物累积触发铁死亡

胱氨酸-GSH-GPX4曾一度被认为是抵御铁死亡的唯一重要机制,而2019年背靠背发表在Nature上的两篇研究发现铁死亡抑制蛋白1(FSP1,以前称为线粒体凋亡诱导因子2,AIFM2)不依赖于GSH以与GPX4蛋白平行的方式阻断脂质过氧化进而抑制铁死亡。FSP1 利用NAD(P)H还原CoQ10(泛醌),还原型CoQ10(泛醇)抑制脂质过氧化。

此外,最近研究发现GTP环化水解酶1(GCH1,它是四氢生物蝶呤BH4合成的限速酶)以独立于GPX4的方式对抗铁死亡BH4是一种有效的自由基捕获型抗氧化剂,能防止脂质过氧化,它可以通过二氢叶酸还原酶(DHFR)再生。

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胱氨酸-GSH-GPX4、CoQ10-FSP1、GCH1-BH4-DHFR三大系统抵御铁死亡

(图片引自Cell Metab. 2020 Dec 1;32(6):920-937.)


4.铁死亡与疾病



大量研究表明铁死亡在脑、肝脏、肾脏、心脏等多种器官的相关疾病中发挥重要作用,与神经退行性疾病、缺血-再灌注损伤、纤维化、肿瘤等疾病的病理生理过程密切相关,而且铁死亡在不同疾病中扮演不同的角色,通过抑制或促进铁死亡来减缓疾病的进展,为许多疾病的治疗提供了非常有前景的新思路

1)铁死亡与肿瘤

铁死亡最初是在研究抗肿瘤化合物erastin对RAS基因突变的肿瘤细胞的作用机制时被发现。除本身可诱导铁死亡以外,erastin可以提高肿瘤细胞的化疗和放疗的敏感性。一些已被FDA批准的药物(如索拉非尼、柳氮磺胺吡啶、青蒿琥酯)可诱导肿瘤细胞铁死亡,抑制肿瘤生长。

多个肿瘤相关的信号通路(RAS、P53、NRF2、HIF、上皮间质转化)参与调控铁死亡。肿瘤细胞铁死亡过程中损伤相关的分子模式(DAMPs)的释放在肿瘤免疫中可能是把双刃剑,具有促进和抑制肿瘤的双重作用。

2)铁死亡与神经退行性疾病

大量研究表明,在神经退行性病变(阿尔茨海默病、帕金森症、亨廷顿病、多发性硬化症、肌萎缩侧索硬化症等)时,枢和(或)周围神经系统的特定区域出现铁累积。铁的累积可能导致铁催化的芬顿反应。

研究发现铁累积和脂质过氧化与多种神经退行性疾病的发展相关,神经细胞铁死亡可能是引起神经退行性疾病的重要途径。通过降低铁积累抑制脂质过氧化来有效保护神经元,为治疗神经退行性疾病提供了新思路。

3)铁死亡与缺血-再灌注损伤

氧自由基生成增多造成脂质过氧化是缺血-再灌注损伤的机制之一。铁死亡参与包括脑、心脏、肠、肾脏和肝脏在内的多种器官的缺血-再灌注损伤铁死亡抑制剂已成功应用于多种缺血/再灌注相关组织损伤的动物模型中。


5.铁死亡的诱导剂和抑制剂



目前已发现多种铁死亡的诱导剂和抑制剂,它们可以通过不同的机制和作用方式来诱导或抑制铁死亡。

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一些研究者还将纳米技术与铁死亡研究相结合,利用纳米材料抑制或诱发铁死亡。

除了使用诱导剂和抑制剂外,也可以通过过表达或者敲除/敲低关键蛋白来促进或抑制铁死亡的发生。


6.铁死亡的检测方法



1)形态观察:使用透射电镜观察细胞形态,发生铁死亡时细胞的线粒体体积缩小,双层膜密度增加,线粒体嵴减少或消失。

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使用透射电镜观察Erastin诱导BJeLR细胞发生铁死亡的形态

(图片引自Cell. 2012 May 25;149(5):1060-72.)

2)细胞活性测定:常用CCK-8法测定细胞活性,其他一些方法包括使用钙黄绿素AM(Calcein AM)、阿尔玛蓝、台盼蓝染色等。

3)铁水平:使用PGSK(Phen Green SK)检测活细胞内亚铁离子含量,铁分析试剂盒测量样品中的亚铁和/或铁离子。  

4)ROS及脂质过氧化:使用DCFH-DA荧光探针测定细胞内ROS水平,C11 BODIPY 581/591荧光探针检、LiperFluo荧光探针检测脂质过氧化,采用硫代巴比妥酸反应物法(TBARS)检测脂质过氧化产物丙二醛(MDA)。

5)测定谷胱甘肽水平:使用GSH/GSSG比率检测试剂盒对样本中的谷胱甘肽水平进行定量。

6)代谢组学或脂质组学:通过代谢组学或脂质组学检测代谢物和脂质。

7)检测相关基因及蛋白表达:

基因:GPX4,CD71/TFR1,SLC7A11,NRF2,NCOA4,p53,HSPB1,ACSL4,FSP1,KOD等。

蛋白:SLC7A11,GPX4,ferritin,COX2/PTGS2,NOX1,AIFM2/ FSP1,ACSL4,LPCAT3,IREB2,ATG5-ATG7-NCOA4,p62-Keap1- NRF2,p53-SAT1-ALOX15等。


7.铁死亡相关抗体推荐



作为生命科学及医学领域的优秀抗体供应商。Proteintech可为铁死亡相关研究提供高品质的研究工具,这里给大家做一个推荐:

1)CCK-8试剂盒货号:PF00004),用于细胞活性检测

2)铁死亡相关蛋白抗体,可用于铁死亡相关蛋白靶标的免疫学检测,靶标及抗体详情见下表:

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本文来源:

Proteintech


参考文献:

1. Dolma S, Lessnick SL, Hahn WC, Stockwell BR. Identification of genotype-selective antitumor agents using synthetic lethal chemical screening in engineered human tumor cells. Cancer Cell. 2003;3(3):285-296.

2. Yang WS, Stockwell BR. Synthetic lethal screening identifies compounds activating iron-dependent, nonapoptotic cell death in oncogenic-RAS-harboring cancer cells. Chem Biol. 2008;15(3):234-245.

3. Dixon SJ, Lemberg KM, Lamprecht MR, et al. Ferroptosis: an iron-dependent form of nonapoptotic cell death. Cell. 2012;149(5):1060-1072. 

4. Xie Y, Hou W, Song X, et al. Ferroptosis: process and function. Cell Death Differ. 2016;23(3):369-379. 

5. Zheng J, Conrad M. The Metabolic Underpinnings of Ferroptosis. Cell Metab. 2020;32(6):920-937.

6. Li J, Cao F, Yin HL, et al. Ferroptosis: past, present and future. Cell Death Dis. 2020;11(2):88. 

7. Hadian K, Stockwell BR. SnapShot: Ferroptosis. Cell. 2020;181(5):1188-1188.e1.

8. Zheng H, Jiang J, Xu S, et al. Nanoparticle-induced ferroptosis: detection methods, mechanisms and applications. Nanoscale. 2021;13(4):2266-2285.

9. Chen X, Kang R, Kroemer G, Tang D. Broadening horizons: the role of ferroptosis in cancer. Nat Rev Clin Oncol. 2021;18(5):280-296.


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