细胞经典“花样死法”——铁死亡的发生机制
脂质过氧化物的过度累积是铁死亡最主要的诱发原因。细胞内产生脂质过氧化的过程主要有两种：脂肪酸酶催化的脂质过氧化过程和游离铁离子诱导的芬顿反应。
脂肪酸酶催化的脂质过氧化过程：不饱和脂肪酸（PUFA）会在一系列酶的催化下被转化为高活性的脂质过氧化物。研究表明这类不饱和脂肪酸最主要的来源除了细胞膜系统外还包含细胞内广泛存在的花生四烯酸（AA)和亚酸。实验也证实在培养细胞的过程中加入这两种不饱和脂肪酸可以加速细胞铁死亡的发生。花生四烯酸（AA）具体的氧化过程主要受到了三种酶的调控[1]：AA会在酰基CoA合成酶长链家族蛋白4（ACSL4)的作用下被活化为AA-CoA，活化后的脂质分子在LPCAT3的催化下与磷脂酰胆碱发生酯化反应生成AA-PE，之后在脂氧合酶蛋白家族（LOXs)的催化下发生脂质过氧化。这些酶都在铁死亡过程中发挥了重要的作用，其中ACSL4是铁死亡中重要的指示蛋白，而LOX酶家族中的ALOX5和ALOX12也是很多铁死亡诱导剂的靶标。
图1 铁死亡的核心分子机制和信号调控（Tang D et al, 2021）
细胞内另外一个产生脂质过氧化的通路是游离铁离子诱导的芬顿反应[2]。细胞内的铁主要会以含有三价铁的转运蛋白进行物质交换，通过细胞膜上的转铁蛋白受体TFR运送进入细胞。细胞内的pH环境偏酸性，导致三价铁游离出来并由铁还原酶STEAP3还原为二价铁。细胞中的二价铁离子与过氧化物反应生成三价铁离子和过氧自由基。生成的过氧自由基会进攻脂质分子，将其氧化为脂质过氧化物[3]。在正常细胞内，由于铁离子的浓度保持一定的水平，脂质过氧化物处于稳态中。而当细胞内的铁离子突然增多时，芬顿反应会大大加剧，脂质过氧化物会过度积累，导致细胞发生铁死亡。
细胞清除脂质过氧化物主要依靠谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）的作用。细胞通过胱氨酸-谷氨酸反向转运体（System Xc-）从细胞外摄入胱氨酸，胱氨酸则是细胞内生物合成还原性物质谷胱甘肽（GSH）的重要原料[4]。GPX4可以利用谷胱甘肽为底物将脂质过氧化物还原成正常的磷脂分子。由于GPX4是细胞中唯一能将脂质过氧化物还原成脂质的酶，因此GPX4在铁死亡过程中具有很重要的地位。GPX4是一个定位在线粒体，细胞质和细胞核内的蛋白质，由于其活性位点具有一个高活性的硒代半胱氨酸，GPX4也是很多铁死亡诱导剂的靶点。
除了依赖于GSH的脂质过氧化还原途径，细胞内还存在依赖于辅酶Q10（CoQ10）的还原途径。辅酶Q是一类内源独有的泛醌类物质，侧链上有10个异戊二烯基团的辅酶Q被称为辅酶Q10。研究者们在铁死亡抵抗细胞或GPX4敲除细胞内进行了铁死亡保护基因的筛选并最终发现了FSP1可以保护细胞免受铁死亡。他们将该蛋白命名为铁死亡保护蛋白。这一蛋白保护铁死亡的机制与辅酶Q10密切相关。研究发现铁死亡抑制蛋白可以利用细胞内的NADH将CoQ10转化为还原性的泛醇形态，进而还原细胞内的脂质过氧化[5]。
在这两种途径之外，研究者们还在细胞内发现了一些独立的清除脂质过氧化物的途径。一个就是GCH1所介导的通路：GCH1蛋白会产生可以清除脂质过氧化物的代谢物BH4，并且通过诱发质膜重构来辅助CoQ10的生成[6]。另一个就是DHODH蛋白，它可以通过在线粒体内起到与FSP1蛋白相同的作用来减缓脂质过氧化物的生成[7]。
本期内容主要介绍了铁死亡发生的机制，下期将为大家介绍细胞器在铁死亡过程中扮演的角色，感兴趣的可以期待一下～
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