生物技术进展2022年第12卷第1期68~74
Current Biotechnology
ISSN 2095‑2341
进展评述
Reviews
铁死亡与肾脏疾病相关性的研究进展
金童，陈铖*
武汉大学人民医院肾内科，武汉430060摘
要：铁死亡（ferroptosis ）是2012年新发现的一种非凋亡的细胞死亡形式，其实质是依赖铁离子的活性氧（reactive
oxygen species ，ROS ）和脂质氢过氧化物蓄积导致的线粒体形态改变和细胞膜磷脂过氧化损伤。铁死亡与许多肾脏疾病的病理生理进程密切相关。然而铁死亡参与肾脏疾病损伤的分子生物学机制尚缺乏系统
和深入的认识。针对铁死亡的
reactive oxygen species (ros)
调控机制、研究进展及其在肾脏相关疾病中的作用作一综述，以期为肾脏疾病的提供新思路、新靶点。关键词：铁死亡；脂质过氧化；肾脏疾病DOI ：10.19586/j.2095‑2341.2021.0133中图分类号：R692
文献标志码：A
Research Progress on the Correlation Between Ferroptosis and Kidney Disease
JIN Tong ，CHEN Cheng *
Department of Nephrology ，Renmin Hospital of Wuhan University ，Wuhan 430060，China
Abstract ：Ferroptosis is a newly discovered form of non­apoptotic cell death in 2012.Its essence is the morphological change of mitochondria and damage of phospholipid peroxidation caused by the accumulation of iron­dependent reactive oxygen species
（ROS ）and lipid hydroperoxides.Ferroptosis is related to the pathophysiological process of many renal diseases.However ，the molecular mechanism of ferroptosis in renal disease injury is still lackin
g of systematic and in­depth understanding.The regula­tion mechanism of ferroptosis ，research progress and its role in renal related diseases were reviewed ，aiming to provide new ideas and targets for the treatment of kidney disease.
Key words ：ferroptosis ；lipid peroxidation ；kidney disease
铁死亡是2003年Dolma 等[1]在研究小分子化合物Eaststin 杀死RAS 突变肿瘤细胞的机制时发现的一种新型调控细胞死亡模式。2012年，Dixon 等[2]研究发现，Erastin 抑制胱氨酸转入胞内，导致谷胱甘肽（glutathione ，GSH ）耗竭和谷胱甘肽过氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPX4）失活，并将这类新型死亡方式命名为铁死亡，其是一种铁依赖的非凋亡的细胞死亡。铁死亡在形态学、生物化学等方面的特征与凋亡、自噬、坏死、焦亡等细胞死亡方式存在明显差异，主要表现为线粒体嵴皱缩、膜密度增加、外膜破裂而细胞核完整，染
质未凝集[3]。近年来，研究表明，铁死亡涉及多种疾病的病理过程，包括肿瘤、心血管疾病、神经退行性疾病、肝病等[4]。铁死亡有望成为研发药物和疾病的有效靶点。本文综述了铁死亡的机制和与其他生物学反应的联系及其在不同肾脏疾病中的作用，以期为肾脏疾病的防治提供新方向。
1铁死亡的调节机制
铁死亡的发生和调控主要涉及细胞代谢方
收稿日期：2021­07­14；接受日期：2021­10­08基金项目：国家重点研发计划项目（2016YFC1305503）。：金童E -mail ：****************；*通信作者陈铖E -mail ：**********************
金童，等：铁死亡与肾脏疾病相关性的研究进展
式，包括脂质、铁和氨基酸代谢（图1）。近年来，随着研究的深入，一些新的调节通路也被发现。1.1
脂质代谢
包含易于提取的双烯丙基氢原子的多不饱和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids ，PUFA ）对脂质过氧化反应敏感[5]，夺氢产生的烷基自由基易与分子氧反应生成过氧自由基，然后与其他PUFA 反应以传播脂质过氧化的链式反应[6]，是促进铁死亡的基本要素之一。游离PUFA 是合成脂质信号转导介质的底物，但其必须被酯化为膜磷脂并氧化后才能传递铁死亡信号[7]。研究表明，含有花生四烯酸（arachidonic acid ，AA ）或肾上腺酸（adrenic acid ，AdA ）的磷脂酰乙醇胺（phosa­phatidylethanolaminse ，PE ）是关键膜磷脂[8]，并通过酶促反应进一步氧化为磷脂氢过氧化物（PE­AA/AdA­OOH ）或涉及芬顿化学
作用的非酶自由基反应产生的过氧自由基以促进铁死亡[9]。脂质过氧化物可能通过改变膜的完整性、通
透性、厚度及膜相关蛋白的定位与功能影响细胞代谢或通过脂质过氧化过程中释放的醛类物质损伤细胞[10]。脂质过氧化物的形成需要3种酶，即花生四烯酸脂氧合酶（arachidonate 5­lipoxy­genase ，ALOXs ）、酰基辅酶A 合成酶长链家族4
（acyl­CoA synthetase long­chain family member 4，ACSL4）和溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3（lyso­
phosphatidylcholine acyltransferase 3，LPCAT3）[10]。
ACSL4催化AA­CoA 或AdA­CoA 的形成，然后LPCAT3控制AA­CoA 或AdA­CoA 酯化为AA­PE 或AdA­PE ，最后由ALOXs 将AA­PE 或AdA­PE 氧化为AA­OOH­PE 或AdA­OOH­PE 从而导致细胞发生
铁死亡[9]。
1.2铁代谢
铁是脂质过氧化物的积累和铁死亡执行必需
的元素。因此，铁的摄入、排出、存储和转化均会影响铁死亡的敏感性[4]。生理条件下，外周循环中的Fe 3+经过转铁蛋白（transferrin ，Tf ）、转铁蛋白受体1（transferrin receptor1，TfR1）、二价金属离子转运体1（divalent metal transporter 1，DMT1)等一系列结合、转运后还原成Fe 2+并释放到细胞质
中[11]，获得的铁储存于铁蛋白中或通过膜铁转运蛋白（recombinant ferroportin ，FPN ）运输，将不稳定的铁池维持在较低水平，以避免细胞毒性[12]。Fe 2+是铁死亡过程中参与反应的形态，当机体铁代谢紊乱时，细胞内铁储存减少，过量Fe 2+参与芬
顿反应催化大量活性氧（reactive oxygen species ，ROS ）和羟自由基的产生，从而导致铁死亡发生[13]。ROS 主要为超氧自由基阴离子（O 2·-）
和过
图1
铁死亡的调节途径
Fig.1
Regulatory pathways of ferroptosis.
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氧化氢（H2O2），在游离Fe2+的作用下其会转化为羟基自由基（OH－），形成级联反应，见公式（1）（2），进一步对有机大分子特别是脂质分子如PUFAs进行氧化，生成脂质过氧化物触发铁死亡[14-15]。此外，铁蛋白由铁蛋白轻链（ferritin light chain，FTL）和铁蛋白重链1（ferritin heavy chain1，FTH1）组成。铁代谢的主要转录因子铁反应元件结合蛋白2（iron response element binding protein 2，IREB2）的沉默表达可显著增加FTL和FTH1的表达，从而抑制由Erastin引起的铁死亡[16]。
Fe2++H2O2→Fe3++OH－+·OH（1）
Fe3++O2·-→Fe2++O2（2）1.3氨基酸代谢
胱氨酸/谷氨酸反向转运体（system Xc-）是一种氨基酸反转运蛋白，广泛分布于磷脂双层中，是由SLC7A11和SLC3A2这2个亚基组成的异二聚体。胱氨酸和谷氨酸通过system Xc-以1∶1的比例交换进出
细胞。摄取的胱氨酸在细胞中还原为半胱氨酸，是谷胱甘肽（glutathione，GSH）的合成原料[17]。GPX4的抗氧化活性依赖于GSH，GPX4可作为细胞膜的保护者，GSH作为辅因子，联合将有毒的脂质氢过氧化物（lipid hydroperoxide，L­OOH）转化为无毒的脂质醇（lipid alcohol，L­OH）[18]。铁死亡诱导剂Erastin通过抑制system Xc−的功能触发铁死亡。最近研究发现FIN56是参与非凋亡细胞死亡机制的一种小分子，并伴随着大量脂质ROS的产生。铁螯合剂抑制了FIN56诱导的细胞死亡，证实其是促进铁死亡的诱因[19]。与Erastin不同，FIN56不是system Xc−抑制剂，其通过诱导介导GPX4蛋白和甲羟戊酸衍生的抗氧化剂辅酶Q10（coenzyme Q10，CoQ10）耗竭的联合作用触发铁死亡。辅酶Q10是一种内源性产生的脂溶性抗氧化剂，能够防止蛋白质、脂质和DNA 的氧化损伤[18,20]。
1.4其他途径
VDAC是位于线粒体外膜的跨膜通道，可转运离子和代谢产物，并在铁死亡中发挥重要的调节作用。Yagoda等[21]研究发现，Erastin作用于VDAC，线粒体外膜的通透性增加，膜离子通道开放，细胞内稳态失衡，导致线粒体功能障碍并释放大量过氧化物，最终导致铁介导的细胞死亡。热休克蛋白（heat shock protein，HSP）是一类功能相关的应激蛋白，除了帮助蛋白质正常折叠外，还具有调节铁代谢的能力。在人类癌细胞中进行Erastin处理后，热休克转录因子­1（heat shock transcription factor­1，HSF­1）显著诱导了HSPB1的表达。蛋白激酶C（protein kinase C，PRKC）进一步介导HSPB1磷酸化，通过阻止细胞骨架介导的铁摄取及随后的ROS产生促进铁死亡[22]。Doll 等[23]研究表明铁死亡抑制蛋白
（ferroptosis sup­pressor protein1，FSP1）催化NAD（P）H再生CoQ10，FSP1­COQ10­NAD（P）H途径是一个独立的平行系统，可与GPX4和GSH协同作用抑制磷脂过氧化和铁死亡。另外，P62­Keap1­Nrf2、ATG5­ATG7­NCOA4和谷氨酰胺代谢途径也能有效调节细胞内的铁离子和ROS的形成[17]。
2铁死亡与其他生物学反应的关系
铁死亡与自噬、内质网应激、炎症反应等生物效应间存在密切联系，在难治性疾病中可能起到相互调节的作用。因此，进一步探究两者间的关系和调控作用可为疾病的提供参考依据。2.1铁死亡与自噬
适当的自噬已演变为促细胞存活反应，但过度的自噬，尤其是选择性自噬以及溶酶体活性受损，可能会促进细胞铁死亡。铁蛋白的降解可以通过铁蛋白吞噬来完成，铁蛋白吞噬是一种由核受体共激活因子4（nuclear receptor co­activator4，NCOA4）介导的选择性自噬。敲除NCOA4可抑制铁蛋白降解并阻止由游离铁引起的成纤维细胞和胰腺癌细胞铁死亡，使自噬与铁死亡间直接相关[24]。铁蛋白的自噬依赖性溶酶体降解也促进了双氢青蒿素诱导的癌细胞铁死亡，其也是铁死亡期间导致铁蛋白降解的另一种机制[25]。Clockoph­agy是最近发现的一种选择性自噬，ARNTL是一种昼夜节律转录因子，通过抑制Egln2的转录、激活生存转录因子HIF1A抑制铁死亡，因此，靶向这种新型ARNTL­EGLN1­HIF1A途径可能会增强铁死亡诱导剂的抗癌活性[26]。
2.2铁死亡与内质网应激
Dixon等[27]研究发现，Erastin通过激活PERK­eIF2α­ATF4­CHOP途径诱导内质网应激并提高凋亡蛋白PUMA的表达，表明内质网应激可能参与铁死亡的发生。此外，HSPA5是一种与内质网应激相关的分子伴侣，可以与GPX4结合抑
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制蛋白激酶诱导的GPX4降解，进而抑制胰腺癌细胞铁死亡的发生。Chen等[28]在人脑胶质瘤中活化转录因子发现ATF4升高，且药理或遗传抑制
System Xc−可减弱ATF4诱导的癌细胞增殖。此外，ATF4促进了肿瘤介导的神经毒性和肿瘤血管生成，其可通过铁死亡诱导剂Erastin和RSL3缓解。因此，对ATF4的抑制可能是通过使癌细胞对铁死亡敏感的方法以减少肿瘤生长的有效靶点。
2.3铁死亡与炎症
与免疫学上沉默的凋亡不同，铁死亡具有免疫原性，因发生铁死亡的细胞由于质膜破裂和胞质内容物释放包括损伤相关分子模式（damage associated molecule pattern，DAMP）和警报蛋白，从而放大细胞死亡并促进一系列与炎症相关的反应[29]。在晶体诱导的AKI小鼠模型中，铁死亡抑制剂抑制了促炎细胞
因子的表达和中性粒细胞向受损组织的浸润[30]。Kang等[31]证明了髓系细胞表达的Gpx4在败血症背景下的脂质过氧化、炎症小体激活和释放DAMP中发挥了主要作用，而Gpx4的敲除导致败血症致命性的增加。Qi等[32]通过在蛋氨酸/胆碱缺乏饮食（methionine/choline defi­ciency，MCD）喂养诱导非酒精性脂肪性肝炎（non­alcoholic steatohepatitis，NASH）的小鼠模型进程中发现，炎性细胞因子包括TNF­α、IL­1β和IL­6的蛋白质水平，在铁死亡诱导剂RSL3处理后显著增加，然而，用亚硒酸钠（GPX4激活剂）的MCD喂养的小鼠显示肝GPX4升高和脂质过氧化减轻，并伴有NASH严重程度降低。
3铁死亡在肾脏疾病中的作用
3.1铁死亡与急性肾损伤（acute kidney injury，
AKI）
AKI是一组由多种原因引起的具有高病死率的疾病，包括缺血-再灌注损伤（ischemia­reperfusion injury，IRI）、横纹肌溶解、肾毒物、尿路梗阻等[33]。多种分子机制可诱发或加重AKI，但ROS 诱导的肾损害被认为是关键因素之一[34]。过去，在各种缺血性损伤模型中，凋亡被认为是主要的细胞死亡形式，然而最近有研究发现，铁死亡可能是缺血性损伤的主要驱动力[35]。在IRI病理条件下，Fe3+更易通过电子转移转化为Fe2+，不稳定的铁能与氧气反应并通过芬顿反应产生大量脂质ROS触发铁死亡[36]。Friedmann等[37]研究发现，铁死亡抑制剂Liproxstatin­1延缓了GPX4敲除小鼠发生急性肾衰竭的进
程并延长了小鼠的存活期。Linkermann等[38]研究发现，SRS16­86是具有增强血浆和代谢稳定性作用的第三代铁死亡抑制剂，在IRI体内模型中可保护肾脏功能并延长缺血再灌注后的存活时间。在横纹肌溶解诱发的AKI模型中，FTH基因敲除小鼠肾脏损伤更严重、死亡率更高，表明重链铁蛋白对肾小管损伤具有保护作用以及铁离子在AKI中作用明显[39]。同时，在过量叶酸诱发的AKI小鼠模型中发现肾脏脂质具有过氧化作用，而Ferrostatin­1的应用可有效改善肾功能[40]。此外，Wang等[41]证明，槲皮素通过抑制铁死亡对AKI具有保护作用。以上研究表明，铁死亡在AKI中具有重要作用，研究铁死亡相关途径为靶点的铁死亡抑制剂对改善肾脏损伤的价值较高。
3.2铁死亡与慢性肾脏病（chronic kidney dis‑
ease，CKD）
CKD造成全球疾病负担持续增加，其常见病理改变为肾小球硬化、肾小管萎缩、间质纤维化等[42]，其中肾小管损伤已被认为是纤维化进程中促炎症的驱动力，而肾脏的持续炎症会恶化肾脏纤维化的过程，然后形成恶性循环以加剧肾纤维化，最终导致肾衰竭[43]。损伤相关模式分子（dam­age assciated molecular pattern，DAMP）作为一类免疫系统的危险信号，被证明是由铁死亡细胞引起的炎症介质[44]，铁死亡很可能充当非特异性的纯DAMP释放机制或过氧化脂质特异性的新表位。因此，抑制铁死亡可能作为一种新的抗肾脏纤维化方法。Tocilizumab是一种新兴的白细胞介素­6（interleukin­6，IL­6）受
体靶向物，属于人源化单克隆抗体，Yang等[45]发现Tocilizumab模拟表位疫苗接种可以通过抑制铁死亡减轻UUO小鼠模型中的肾脏纤维化。已有研究证明铁死亡涉及糖尿病肾病（diabetic nephropathy,DN）中的肾小管细胞死亡，并且通过上调NRF2可以抑制铁死亡以延缓DN的进展[46]。合成的三萜类化合物Bardoxolonemethyl通过抑制KEAP1的泛素化活性激活Nrf2，并已完成4期CKD和T2DM患者的3期临床试验[47]，与铁死亡的关系值得进一步研究。AMP激活的AMPK在代谢性疾病（如肥胖症、2型
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糖尿病、代谢综合征等）中具有调节作用，且与肥
胖相关的肾脏损伤密切相关。AMPK失活和肥胖引起的肾损伤相互增强，从而引发恶性循环[48]。
Li等[49]研究发现AMPK通过抑制脂肪酸生物合成限速酶乙酰辅酶A羧化酶（acetyl­CoA carboxyl­ase，ACC1）磷酸化负向调节脂肪酸合成从而保护细胞免受铁死亡。Lee等[50]研究发现，AMP激活的AMPK通过使乙酰辅酶A羧化酶（acetyl coenzyme A carboxylase，ACC）失活抑制PUFA的合成，最终抑制铁死亡从而防止肥胖相关的肾损伤。
3.3铁死亡与肾细胞癌（renal cell carcinoma，
RCC）
RCC是一种破坏性疾病，原因是其频繁发生转移，并对常规疗法或靶向疗法有抵抗力[51]。调节细胞死亡的激活被认为是理想的癌症策略。Yang等[52]通过分析来自不同组织的117个癌细胞系，研究了用铁死亡诱导剂ErastinRAS 突变癌细胞的可能性。结果表明，RCCs和弥漫性大B细胞淋巴瘤（diffuse large B cell lymphoma，DLBCL）对Erastin的敏感性高于其他癌症细胞（如肺癌和卵巢癌）。透明细胞肾细胞癌（clear cell renal cell carcinoma，ccRCC）是最常见的RCC 类型，遗传性和散发性ccRCC均与von Hippel Lin­dau（VHL）基因突变密切相关，后者促进缺氧诱导因子（HIF­1α和HIF­2α）的稳定化[53]。ccRCC细胞对谷胱甘肽（glutathione，GSH）合成所需的谷氨酰胺和胱氨酸消耗高度敏感，因此，这些细胞高度依赖于GSH/GPX途径以防止脂质过氧化触发铁死亡。此外，功能性VHL的重建通过使细胞恢复氧化代谢并通过β重氧化增加脂肪酸降解，从而诱导铁死亡。Miess等[54]研究发现ccRCC肿瘤中的GPX4与正常肾脏相比被上调，并通过siRNA筛选证明，编码谷胱甘肽过氧化物酶的基因GPX3和GPX4沉默对ccRCC细胞是致命的。在细胞培养模型中，在培养基中加入铁使癌细胞对铁死亡敏感，可能是通过降低氧化损伤的启动阈值[2]。临床上富含铁的肿瘤环境以及索拉非尼在RCC中的应用表明，RCC可成为铁死亡的靶标。改进Erastin类似物，如哌嗪Erastin和咪唑酮Eras­tin可能作为活体探针，用于检测肿瘤对铁死亡的敏感性[19]。4展望
铁死亡的发现为疾病的研究领域开辟了新的平台，并在肾脏疾病的发生发展和防治中的临床意义已逐渐显现。但目前关于铁死亡的研究仍处于起步阶段，其在肾脏疾病中发挥生物学效应的确切分子机制尚缺乏大量研究支持。因此，深入研究铁死亡的发生机制和相关信号通路，探索有效且具有高度靶向性的措施，有望为肾脏疾病提供新靶点和更有价值的方法。
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