细胞经典“花样死法”——铁死亡1

在细胞的各式“花样死法”中，铁死亡（ferroptosis）作为一种经典的死亡方式，一直备受大家的关注。铁死亡区别于细胞凋亡、细胞坏死、细胞自噬，是一种铁依赖性的磷脂过氧化作用驱动的新型细胞程序性死亡方式，受到多种细胞代谢途径的调控，其中包括氧化还原稳态、铁代谢、线粒体活性和氨基酸、脂质、糖的代谢，以及各种与疾病相关的信号途径，铁死亡在肿瘤抑制和免疫中的发挥了重要的作用。本期内容小编为大家整理了铁死亡特征、经典机制以及常见检测方式，供大家参考学习。

 

一、铁死亡特征

铁死亡的实质是由于膜脂修复酶——谷胱甘肽过氧化物酶(GPX4)失效，细胞内脂质氧化物代谢障碍，在铁离子催化作用下造成膜脂上活性氧自由基(ROS)堆积，使细胞内氧化还原失衡，诱导细胞死亡，释放前炎症介质(如HMGB1等)。GPX4酶受到抑制也可以直接导致这一作用，而铁离子螯合剂则可以抑制这一过程。

铁死亡无论在细胞形态学、生化特征还是明显区别于基因水平上都与凋亡、自噬、坏死等传统的细胞死亡方式，具体表现如下：

1）细胞形态变化：超微形态学特征显示细胞膜断裂和出泡，线粒体变小、膜密度增高、线粒体脊减少或消失、线粒体外膜断裂，细胞核大小正常、但缺乏染色质凝聚。电镜下表现为细胞内线粒体变小及双层膜密度增高。

 

图1 铁死亡细胞形态学特征（Lewerenz J et al, 2018）

 

2）生化特征变化：铁和活性氧(ROS)聚集，激活丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)系统，降低胱氨酸的摄取、耗尽胞内谷胱甘肽（GSH），抑制胱氨酸/谷氨酸反向转运蛋白system XC-（由两个亚基组成，轻链亚基SLC7A11（也称为xCT）和重链亚基SLC3A2（也称为CD98））和增加NADPH氧化酶（NOXs），释放花生四烯酸（arachidonic acid; ARA）等介质。

3）基因水平变化：

铁死亡受细胞内信号通路的严密调节，包括铁稳态的调节通路，RAS/Raf/MAPK通路以及胱氨酸转运通路。细胞内Cox2, ACSL4, NOX1, GPX4, SLC7A11, Ferritin和Ferritin Light Chain等相关因子发生变化，其中Cox2, ACSL4和NOX1在铁死亡细胞中表达上调；GPX4, SLC7A11, Ferritin和Ferritin Light Chain在铁死亡细胞中表达下调。

 

图2 铁死亡分子机制及相关信号通路调控（Y Xie et al, 2016）

 

二、铁死亡部分机制

1）抑制GPX4诱导铁死亡：GPX4 能降解小分子过氧化物和某些脂质过氧化物，抑制脂质过氧化。研究发现，若细胞中 GPX4 表达下调则会对铁死亡更敏感；相反，若上调 GPX4 的表达，则会产生对铁死亡的耐受。因此，将GPX4抑制后将诱导细胞发生铁死亡。

2）抑制胱氨酸谷氨酸转运受体 (system XC-)诱导铁死亡：通过system XC-，谷氨酸与胱氨酸以1:1比例交换，因此，谷氨酸的水平会影响到system XC-的功能。细胞外高浓度的谷氨酸会抑制system XC-从而诱导铁死亡。 

3）p53介导铁死亡：p53是一种抑癌基因，通过下调system XC-组分SLC7A11的表达抑制细胞对胱氨酸的摄取，导致谷胱甘肽过氧化物酶活性降低，削减细胞抗氧化能力，增强细胞对铁死亡的敏感性。

 

三、检测指标

1） 细胞活性检测：CCK-8试剂盒等；

2） 铁水平检测：可以使用PGSK探针，流式细胞术或共聚焦显微镜检测细胞内铁含量的细胞膜透性染料、相关试剂盒检测细胞、组织中的铁水平；

3） 活性氧水平：细胞内活性氧和脂质活性氧通过流式细胞术使用DCFH-DA和C11-BODIPY 荧光探针检测；

4） qPCR/WB检测：检测与铁死亡相关的蛋白表达，如PTGS2、NOX1、FTH1、COX2、GPX4、ACSL4等，其中COX2、ACSL4、PTGS2、NOX1在铁死亡细胞中表达上调，GPX4、FTH1在铁死亡细胞中表达下调

5） 线粒体观察：向细胞内转染LifeAct-GFP荧光蛋白，一段时间后用有丝分裂追踪器观察线粒体形态。

6） 线粒体膜电位：使用TMRE荧光染料检测，TMRE能够特异性标记有活性的线粒体，是一种细胞膜可穿透性的，正电荷的，橘红色荧光染料。当线粒体膜电位降低时，荧光减弱；

7） 脂质过氧化程度：使用荧光探针 BODIPY C-11检测。

8） 透射电镜直接观察细胞形态；

 

本期主要介绍了铁死亡的经典特征、机制以及检测方式，下期将继续对铁死亡相关知识及应用进行更深入的解说，感兴趣的小伙伴可以留意一下～汉恒专营工具病毒十余载，可定制用于铁死亡研究的质粒以及病毒工具等产品，如有技术问题或产品订购需求，欢迎随时咨询！

 

参考文献：

[1] Lewerenz J, Ates G, Methner A, et al. Oxytosis/ferroptosis—(Re-) emerging roles for oxidative stress-dependent non-apoptotic cell death in diseases of the central nervous system[J]. Frontiers in neuroscience, 2018, 12: 214.

[2] Xie Y, Hou W, Song X, et al. Ferroptosis: process and function[J]. Cell Death & Differentiation, 2016, 23(3): 369-379.

[3] Stockwell BR. Ferroptosis turns 10: Emerging mechanisms, physiological functions, and therapeutic applications. Cell. 2022 Jul 7;185(14):2401-2421.