文献分享丨Mol Cell铁死亡与脂质代谢和细胞信号转导
铁死亡（Ferroptosis）是一种调节性细胞死亡形式，其特征是依赖铁离子催化，当细胞内还原系统失活后细胞膜或细胞器膜上含不饱和脂肪酸长链的磷脂分子被过氧化破坏，造成细胞膜破裂，于2012年命名为铁死亡。这种不同于凋亡、坏死、自噬的新型细胞死亡方式，几乎以一己之力摧枯拉朽般地掀起研究狂潮，至今热度不减，已被证明在多种疾病中发挥重要作用，包括癌症、神经退行性疾病和缺血性器官损伤，越来越多的证据表明其在肿瘤抑制和免疫方面具有潜在的生理功能。
2022年6月，美国纪念斯隆凯特琳癌症中心姜学军团队在Molecular Cell上发表了综述文章“Ferroptosis at the intersection of lipid metabolism and cellular signaling”，围绕脂质代谢如何通过控制磷脂过氧化来调节铁死亡进行了全面的分析，也关注了多条信号转导途径如何通过调节脂质代谢来影响铁死亡，以及如何利用这种密切联系来为包括癌症在内的重大疾病制定合理的治疗策略。
概述
铁死亡是由铁依赖的磷脂（PL）过氧化所驱动的细胞死亡方式，被认为是细胞代谢的副产物：氧和铁是新陈代谢的基本驱动因素，不可避免地产生副产物活性氧（ROS），如果一种特定类型的活性氧，即磷脂过氧化物（PLOOH）不能被有效中和，从而积累破坏质膜完整性，细胞就会死于铁死亡。PL过氧化发生在PLs在sn2位置的多不饱和脂肪酸酰基（PUFA）链；在生物活性铁的存在下，PUFA-PLs可以通过酶促和非酶脂质过氧化反应转化为PLOOH。由于所有哺乳动物细胞都含有一定水平的PUFA-PLs和生物活性铁，因此需要建立特定的监测或保护机制来保护它们免受有害的铁死亡。典型的监测机制是由谷胱甘肽过氧化物酶-4（GPX4）介导的，这是已知的唯一一种催化磷脂氢过氧化物还原为磷脂醇的哺乳动物酶。还有一些不依赖GPX4的机制可以减轻铁死亡。例如，酶、FSP1、GCH1和DHODH产生的具有自由基捕获活性的代谢物。
图1铁死亡的过程
铁死亡由细胞转化过程决定，PL过氧化被认为是脂质代谢的一个特定过程，各种铁死亡的监测机制也被证明是由细胞脂质和脂质代谢高度调节的。因此，细胞脂质和脂质代谢在铁死亡的调控中起核心作用。
在各种类型的细胞脂类中，磷脂（PLs）、鞘脂和胆固醇，是细胞膜的主要成分。PLs的化学多样性由两个脂肪酰基链（指定sn1和sn2）和头部基团。sn1的位置是被饱和脂肪酸（SFA）或单不饱和脂肪酸（MUFA）占据，而sn2位点可以是SFA、MUFA或PUFA。膜脂的组成在生物、细胞类型、细胞器甚至膜子结构域之间都是高度不同的，并且是动态调节的。一般来说，SFAPLs使细胞膜更刚性，而PLs具有较高的不饱和程度，使膜具有一定柔韧性。PL含量受多种机制调控，包括脂肪酸的合成、摄取、储存、释放和β -氧化，以及PL的合成和PL重构过程。虽然增加细胞膜中PUFA-PL的含量可以通过提高细胞的流动性来实现许多细胞功能，但它也增加了内在的对铁死亡的敏感性（PUFA-PLs是PL过氧化的底物）。在生理条件下，这种变化的铁死亡，易感性可能是密切调控；然而，同样的特性可能被用于治疗人类疾病，如癌症。在这篇综述中，我们将详细讨论脂质在铁死亡中发挥的各种作用，特别是在正常生物学和疾病的背景下，脂质代谢如何动态调节细胞功能平衡和铁死亡监测，以及细胞信号转导途径如何与脂质代谢交互调节铁死亡。
图2不同细胞间室的脂质代谢途径
铁死亡的发生过程，PL过氧化反应发生在三个步骤：起始、增殖和终止。二烯丙基（-CH=CH-CH2-CH=CH-）由于连接中心亚甲基的氢键作用力较弱，使PLs脂酰链的过氧化更为容易，强氧化剂将其分解，形成自由基。因此，在PUFA链中含有双烯丙基的PUFA-pls最容易被氧化。由于周围双键的作用，自由基可以异构化为更稳定的共轭二烯转态。最后，自由基与分子氧反应生成过氧化氢。当一个脂基与邻近脂基上另一个双烯丙基上的亚甲基氢发生反应时，可促进脂质过氧化。单个脂肪酸链中的多个双烯丙基也可以发生脂质过氧化。当脂质底物耗尽，或者当细胞抗氧化剂减少氧化脂质时，反应就会终止。
磷脂过氧化反应的产生与传播
PL过氧化反应可以在细胞内以酶和非酶两种方式启动。脂质的非酶过氧化是由氧化还原活性金属，特别是铁催化的。在细胞内，铁通常与复合物结合，如血红素（由许多蛋白质组成的辅基)）、铁硫簇（许多酶的辅助因子）和铁蛋白（一种专用的铁储存蛋白）。细胞内少量的铁不以这种方式结合，称为不稳定铁池。不稳定的铁是高度活性的，尤其是与过氧化氢（H2O2）同时存在的情况下。羟基和过氧自由基都能引起脂质过氧化。PLOOH也可以发生铁催化反应，生成脂羟基自由基PLO·和脂过氧自由基PLOO·，一旦形成PLOOH，并且没有足够快的中和，它可以在不稳定铁存在的情况下向邻近的PUFAPLs过氧化传播。因此，细胞过程导致细胞不稳定铁池的增加，如铁蛋白的自噬降解，转铁蛋白的摄取，或抑制铁输出物运铁蛋白，都能使细胞对铁死亡敏感。
磷脂过氧化终止和铁死亡监测
PL过氧化的传播是有限的过程，最终，细胞会死于铁死亡或存活下来，因为连锁反应要么会耗尽底物，要么会被阻止。GPX4催化毒性PLOOH还原为无毒的PL醇(PLOH)，这代表了铁死亡监测的典型模式。GPX4酶活性由靶向硒半胱氨酸位点直接抑制或通过靶向谷氨酸/胱氨酸转运体系统间接介导。GPX4是一个必需基因，在小鼠中系统性敲除GPX4会使胚胎致死，而条件敲除GPX4可能会引发由铁死亡引起的急性肾衰竭等疾病。
除GPX4酶促PLOOH还原外，亲脂性自由基诱捕抗氧化剂（RTA）可以终止PL过氧化的增殖，从而阻断由GPX4不足引起的铁死亡。最近的研究表明，多种酶通过催化内源性RTAs的产生来抑制铁死亡。CoQ10是氧化磷酸化机制的重要组成部分，因为它具有携带两个电子的能力，它具有三种氧化还原态：泛素（完全氧化）、半醌和泛素醇（完全还原）。CoQ10是高度亲脂性的，可以泛素形式作为自由基诱捕剂。FSP1（被称为AIFM2）是一种细胞质NADH：泛素氧化还原酶，经鉴定具有通过产生泛素醇终止PL过氧化的能力。FSP1还可能通过泛素醇减少α-生育酚，这可能解释了尽管泛素醇的生物活性相对较弱，但FSP1具有较强的抗铁死亡活性。类似地，线粒体蛋白DHODH已被证明可以通过在线粒体内膜内将泛素还原为泛素醇来抑制铁死亡。四氢蝶呤BH4，是另一种内源性RTA，作用类似于α-生育酚。
细胞抵御铁死亡的另一种不依赖GPX4的机制是一氧化氮（NO）。NO是许多细胞过程的重要信号分子，由一氧化氮合酶（NOS）产生，NOS在特定组织和环境中表达。NO可与超氧化物发生反应，形成活性氮物种（RNS），通过与过渡金属结合或通过半胱氨酸残基S-亚硝基化改变其结构，从而破坏脂质和蛋白质。
图4铁死亡监测
脂类对铁死亡的多种作用
多不饱和脂肪酸
细胞膜的组成是细胞在缺铁触发条件下存活或死亡的重要决定因素。PUFA-PLs可以发生脂质过氧化，这是执行铁死亡的中心。在动物细胞中，花生四烯酸（AA）是最丰富的PUFA之一，AA是一种n-6脂肪酸，含有20个碳链和4个不饱和键（20：4）。由于AA与肾上腺素酸（AdA，22：4）都有两个双烯丙基，含AA或AdA的磷脂在sn2位置特别容易发生过氧化。在哺乳动物中，这些PLs比其他PUFA-PLs优先氧化，如含有一个双烯丙基的亚油酸（LA，18：2）。然而，补充LA可以增强哺乳动物细胞的铁死亡，而以LA为主要PUFA的拟南芥在热胁迫下也可以发生铁死亡。此外，二十二碳六烯酸（22:6）是一种具有三个双烯基的PUFA，可能比AA或AdA更容易氧化。虽然AA在饮食中很容易从肉类中吸收，但它也可以通过LA一系列延伸和去饱和反应产生。LA是从植物食物来源获得的主要多不饱和脂肪酸，可以先通过脂肪酸去饱和酶FADS2转化为AA。ELOVL5是一种长链脂肪酸延长酶，主要负责将18个碳脂肪酸延伸到20个碳。ELOVL5将γ-LA转化为dihomo-γ-LA（DGLA，20：3）。最后，FADS1将DGLA去饱和为AA。因此，FADS1、FADS2和ELOVL5已被确定为铁死亡的增强子。
游离脂肪酸（FFA）要酯化成PL，必须首先与辅酶a（CoA）结合。酰基辅酶a合成酶长链（ACSL）家族连接酶以底物特异性的方式催化该反应。例如，体外研究已经确定AA和二十碳五烯酸（20:5）是ACSL4的主要底物。脂肪细胞特异性敲除ACSL4基因的小鼠，含有花生四烯或二十二碳五烯（22:5）FA链的PLs急剧减少，同时LA增加。在许多细胞系中，ACSL4的缺失严重缓和了细胞铁死亡，但不能完全阻止铁死亡。ACSL4的缺失导致未酯化花生四烯酸的增加。虽然游离AA对过氧化反应仍很敏感，但这种过氧化反应不足以引起铁死亡。因此，PLs的过氧化而非FAs的过氧化，对铁死亡至关重要。
单不饱和脂肪酸
与PUFAs不同，单不饱和脂肪酸（MUFAs）已被证明是铁死亡的有效抑制剂，，外源MUFAs能够有效地阻断铁死亡，并限制质膜上的脂质过氧化。虽然这种表型非常清楚，但其潜在机制尚未明确。一种可能的解释是，MUFAs与PUFAs竞争PL合成。然而，这种机制需要过量的MUFAs而不是PUFAs，研究还表明SFA也会有类似的抑制活性，但事实并非如此。另一种可能是外源性MUFAs可以重组细胞内脂质代谢，多余的脂质可以储存在细胞内专门的细胞器（脂滴）中，以三酰甘油（TAG）的形式。因此，MUFAs如何抑制铁死亡仍然是一个重要而尚未解决的问题。
胆固醇
胆固醇是哺乳动物细胞膜的另一重要脂质成分，是维持细胞膜完整性、流动性和膜微观结构所必需的。大多数哺乳动物细胞通过内源性合成和外源性摄取来获取胆固醇。胆固醇通过甲戊酸途径合成，甲戊酸途径通过一系列类异戊二烯中间体生成其前体角鲨烯：异戊烯焦磷酸（IPP）、焦磷酸、法尼基焦磷酸。最近的研究表明，催化远端胆固醇最后一步生物合成的7-脱氢胆固醇还原酶（DHCR7）对铁死亡发挥了意想不到的促生存功能。抑制DHCR7导致7-脱氢胆固醇（7-DHC）对过氧自由基有较强的反应活性。类似地，另一项研究表明，角鲨烯单加氧酶（SQLE）是胆固醇生物合成途径中的一种限速酶，它的损失会导致角鲨烯的积累，并在胆固醇营养不良细胞中提供抗铁死亡的保护。
脂质代谢和铁死亡
细胞脂质的组成是动态调节的，以实现各种细胞功能。虽然特定的细胞功能可能需要特定的脂质成分，但同样的脂质成分也可能使细胞更容易受到某些应激源的影响。由于PUFA-PLs使细胞膜更灵活，它们促进了膜弯曲和形态变化的过程，如内吞和细胞迁移；然而，过多的PUFA-PLs可使细胞发生铁死亡。脂质代谢可以通过调节MUFA-PL和PUFA-PL之间的平衡影响PL的组成，从而影响细胞对铁死亡的易感性。 脂质代谢通过两个主要机制控制PL的组成：（1）通过合成、摄取、储存和β-氧化来调节FA的供应，（2）调节PL合成和重构中酶的表达和调控。
脂肪酸合成
SFA和MUFA可以在细胞内重新合成。简单地说，乙酰辅酶a通过乙酰辅酶a羧化酶（ACC）形成丙二酰辅酶a，然后丙二酰辅酶a通过脂肪酸合成酶（FASN）进一步转化为棕榈酸，即SFA。然后，SCD1可以使棕榈酰辅酶a或硬脂酰辅酶a去饱和，分别生成棕榈油酸和油酸，都是MUFAs。ACC、FASN和SCD1的表达受转录因子LXR和固醇调节元件结合蛋白1(SREBP-1)。ACC、FASN和SCD1在一些依赖于FA合成能量的癌细胞中过表达。SREBP1或SCD1的下调会使癌细胞对铁死亡敏感。与SFA或MUFA不同，长链n-3或n-6 PUFAs不能由哺乳动物细胞从头合成。因此，上调脂质合成会增加MUFA-PL的含量，并可能导致对铁死亡的抵抗。哺乳动物需要必需的PUFAs α-亚麻酸（ALA，18：3n3）和LA (18：2n6)通过饮食，通过一条去饱和和延伸链合成其他长链PUFAs。由各种去饱和酶（FADS1/2)）和延伸酶(如（ELOVL5）都被确定为铁死亡的增强子。
脂质摄取
膳食脂肪酸是脂肪酸池的另一个重要来源，尤其是对脂质合成不足的细胞。FFA或脂蛋白通过CD36、FA转运蛋白（FATPs）和脂肪酸连接蛋白（FABPs）被吸收。饮食中FAs的含量（MUFA与PUFA）显著影响细胞中的FAs，最终改变PL的细胞分布和对铁死亡的敏感性。
β-氧化
一般认为，β -氧化通过减少未酯化PUFAs的有效性对铁死亡产生抑制作用。酰基辅酶a与肉碱连接，由肉碱棕榈酰转移酶1（CPT1）催化反应，使其通过肉碱酰基肉碱转位酶进入线粒体（CACT）。线粒体中的CPT2从肉碱中释放酰基辅酶a，使其进入β -氧化循环。在每个循环中，当两个碳从酰基链上裂解时，一个乙酰辅酶a分子被释放出来(裂解发生在碳上)。DECR1是PUFA还原的限速酶，在人类前列腺癌（PCa）中，β -氧化是主要的生物能量途径，DECR1在PCa组织中经常过表达，与较差的生存率相关。敲除DECR1基因可诱导内质网应激并使去势抵抗性前列腺癌细胞对铁死亡敏感，抑制β -氧化可增强癌细胞中的铁死亡。
磷脂合成与重构
铁死亡敏感性不仅受催化FA合成的酶的影响，也受催化FAs酯化生成PLs的酶影响。ACSL3和ACSL4酶被证明可以调节PLs和铁死亡的敏感性组成，因为它们分别对MUFAs和PUFAs具有明显的底物偏好。激活的FAs通过两条不同的途径被整合到甘油主链的sn-2位置：从头合成途径和重构途径。在从头合成途径中，酰基辅酶a和甘油-3-磷酸（糖酵解的副产物）结合形成溶血磷脂酸。另一种酰基辅酶a，通常是MUFA-CoA或PUFA-CoA，由溶血磷脂酰转移酶（LPAATs，也称为AGPATs）酯化形成磷脂酸。磷脂酰磷酸酶在哺乳动物中被称为脂素，将磷脂酸转化为二酰甘油（DAG）。DAG既可以通过DGAT蛋白或连接到一个磷脂头部基团转化为三酰甘油（TAG）。在PL重构途径中，磷脂酶A2（PLA2）水解的酰基链位于PLs的sn-2位置，生成1-酰基溶血磷脂，然后可以被溶血磷脂酰基转移酶再酰基化。
脂质储存与释放
细胞FAs以三酰甘油的形式储存在脂滴中，当需要FA时，它可以通过脂肪酶介导的脂分解或脂噬（脂滴自噬降解）的过程从脂滴中释放出来。脂滴与铁死亡之间的关系是复杂的。例如，PUFA可以PUFA- tag的形式从PLs重新回到脂滴，这将防止PUFA在膜上氧化，从而防止细胞发生铁死亡。相反，PUFA- tag可作为PUFA-PLs合成的PUFA来源。
铁死亡与脂质代谢和癌症信号
鉴于脂质和脂质代谢在下垂亚铁病中的核心作用，直接或间接调节脂质代谢的信号通路可能在下垂亚铁病中发挥重要作用，虽然铁死亡与多种疾病有关，包括癌症、神经退行性变和缺血性器官损伤。调控脂质代谢和铁死亡的信号通路只在癌症中得到了广泛的研究。这些通路的致癌突变可能会增强MUFA-PLs或PUFA-PLs的合成（图5），以及其他相关的改变，使癌细胞对铁死亡诱导更耐受或更敏感，因此，可以设计相应的治疗方法，专门诱导癌细胞铁死亡。
图5选择性的铁衰调控信号通路
结论
近年来，我们见证了铁死亡的研究取得了实质性进展，包括对这种独特的细胞死亡形式的机制和病理功能的了解。虽然脂质代谢和相关信号通路在铁死亡中具有核心作用，许多基本问题仍有待回答，这将是未来研究的重点。首先，由于各种脂类的分布和代谢具有组织特异性，以组织特异性的方式研究它们与铁死亡的相互作用，能为鉴定铁死亡的新生理功能提供更好的机会。其次，在技术上，广泛用于脂质过氧化测量的荧光探针无法区分磷脂和游离脂肪酸的过氧化，这是该领域的一个主要技术障碍。因此，迫切需要开发新技术来准确测量细胞内磷脂过氧化，或基于质谱的方法更可行地用于细胞脂质组的常规测量。基于脂质组学的方法有助于回答该领域的一系列紧迫的问题：铁死亡是否由某些特定磷脂的过氧化引起(磷脂乙醇胺，非其他磷脂)？过氧化选择性的潜在机制是什么？这些特定的氧化磷脂在铁死亡中的作用是什么？尽管磷脂过氧化一直被认为是铁死亡的原因，并且过程是不可逆的，在形式上，磷脂过氧化的下游可能存在一个特定的效应分子，这种特定的分子可能被用作患者样本中铁死亡的一个精确的生物标志物，比目前使用的所有不能明确区分铁死亡与某些其他细胞事件（如一般氧化应激）的标志物更具代表性。在治疗方面，对铁死亡中脂质代谢和相关信号转导途径的进一步机理剖析，将会提出新的药物靶点、生物标志物、治疗策略，铁死亡诱导剂作为单一药物或与其他靶向药物联合用于癌症治疗，铁死亡抑制剂作为治疗神经退行性疾病和缺血性器官损伤的潜在药物。
