不同物種對脂質過氧化和鐵死亡的調節
張湘麗 研一
脂質過氧化是過氧自由基與脂質結合產生脂質過氧化物的過程。生物體內脂質過氧化物積累過多會對細胞產生毒性作用：例如，蛋白質失活、膜的不穩定和通透性增加等，最終導致細胞死亡。維生素E和輔酶Q10能與過氧自由基反應生成過氧化物，然後通過穀胱甘肽、穀胱甘肽過氧化物酶4（Gpx4）和細胞抗氧化劑防禦系統的其他成分對這些過氧化物進行解毒。鐵死亡（Ferroptosis）是鐵依賴性的一種氧化細胞死亡形式，與脂質過氧化作用增加和脂質過氧化物消除能力的不足有關。那麼生物體對脂質過氧化和鐵死亡是如何調節的以及物種之間的調節方式是否存在差異尚未見有關論述。因此在這篇綜述中，總結了脂質過氧化，鐵死亡和抗氧化劑系統在各種物種（包括人類、其他哺乳動物和脊椎動物、植物、無脊椎動物、酵母、細菌和古生菌）中的功能和調控，並且還討論了脂質過氧化和鐵死亡的潛在進化作用。
1 不同物種鐵死亡通路成分的比較
2012年首次引入鐵死亡（ferroptosis）:由erastin通過抑制系統XC-使穀胱甘肽耗竭和穀胱甘肽過氧化物酶4（Gpx4）失活，進而導致細胞內脂質過氧化物積累過多，最終誘導細胞死亡的方式。先前的研究表明：涉及鐵和脂質過氧化作用的細胞死亡已在包括哺乳動物，鳥類和魚類等多種物種中觀察到，並且與多種動物在不同生命狀態下的病理狀況有關。鐵死亡的兩個關鍵特徵是：鐵的動態平衡紊亂和脂質過氧化作用不受控制。圖 1總結了幾種物種的鐵死亡和脂質過氧化有關的幾個關鍵基因，代謝物和脂質氧化過程，以及它們在這些物種中的作用。
由於不飽和脂肪酸（PUFA）含有具有不穩定雙烯丙基氫原子，因此含有多不飽和脂肪酸（PUFA）脂質的最容易發生過氧化作用。ACSL4和LPCAT3是在人和小鼠細胞中產生PUFA-PE的關鍵酶，具有促進鐵死亡的作用。驅動過氧化作用的酶會導致細胞發生鐵死亡，例如，脂氧合酶（LOXs; ALOX基因編碼）在某些情況下介導細胞的鐵死亡；PEBP1也稱為RKIP1，與LOX（特別是15-LOX的同工型）相互作用以調節脂氧合酶對PUFA-PE的底物特異性；這表明ALOX和PEBP1基因可能具有導致鐵死亡或脂質過氧化的新功能。鐵離子對細胞發生鐵死亡至關重要，因為游離的二價鐵離子可通過Fenton化學反應參與過氧化反應。
2 哺乳動物的鐵死亡和脂質過氧化
對哺乳動物體內鐵死亡的了解多數來自於使用鐵死亡抑制劑（liproxstatin-1和ferrostatin-1）及其類似物在人類疾病或小鼠缺失Gpx4的動物模型進行的體內藥理研究。在人類和小鼠細胞系以及離體模型中已經進行了許多關於鐵死亡和脂質過氧化的研究，儘管如此，鐵死亡研究領域仍處於起步階段，因為已確定的鐵死亡生物標記物數量有限，許多模型和物種中很多有關鐵死亡的證據是間接的。該綜述總結了哪些地方可以確定出鐵死亡，以及哪些數據表明細胞進行鐵死亡。
2.1 遺傳上研究小鼠Gpx4的功能
在本世紀初進行的研究表明：小鼠Gpx4基因的組成型缺失會影響其生命（圖2）。Gpx4純合子突變的小鼠能正常發育至胚胎第6.5-7.0天（E6.5-E7.0），但在原腸胚期死亡；缺乏維生素E的TtPa-/- 小鼠同樣在E6.5或E13.5死亡；非活性的Gpx4突變體小鼠也無法發育超過原腸胚期。這表明胚胎正常發育需要氧化還原活性酶，並且氧化還原級聯信號的被幹擾可能會影響胚胎早期發育過程，而引起這種敲除/突變型胚胎的死亡的分子基礎仍然不清楚。
Gpx4在發育過程中的重要性並不代表Gpx4是小鼠所有細胞和組織必不可少的，建立Gpx4敲除小鼠模型，可查明哪些細胞和組織需要Gpx4酶活性，以及在原理上可分析哪些細胞易發生鐵死亡（如圖2所示）。研究表明：Gpx4的敲除會在原腸胚形成階段左右（即胚胎第7.5天[ E7.5 ]）導致早期的胚胎致死；在不同的神經元亞群中Gpx4的敲除實驗揭示了其對於許多不同神經元是必要的；成年小鼠Gpx4的敲除會使成年小鼠腎上皮小管細胞死亡；肝細胞和內皮細胞中Gpx4的敲除表明，在某些組織中，飲食中補充維生素E可以減少Gpx4敲除的影響。其他組織針對Gpx4的特異性基因敲除研究指出，網狀細胞，某些T細胞，感光細胞和雄性生殖細胞依賴於GSH / GPX4系統的功能。
圖2 GPX4敲除影響的組織/器官
2.2 動物疾病模型中鐵死亡的體內藥理分析
在動物疾病模型中確定了鐵死亡主要有效的兩類抑制劑：ferrostatins-1和liproxstatin-1。在腎臟短暫性IR損傷的小鼠模型中，發現16-86
（ferrostatins-1的衍生物），necrostatin-1和Sanglifehrin A的組合具有減弱小鼠腎臟損傷。據報導，liproxstatin-1可以減輕小鼠由IR引起的肝損傷，並延遲成年小鼠中由Gpx4缺失引起的急性腎衰竭和相關死亡。在腦出血（ICH）的小鼠模型中，腦室內給予ferrostatins-1 或liproxstatin-1可以減少小鼠腦內變性神經元的數量以及改善神經功能缺損。
2.3 人類鐵死亡的間接證據
一些研究表明，某些人體組織可能對鐵死亡敏感。索拉非尼（sorafenib）在細胞培養模型中，通過抑制系統XÇ -來促進細胞發生鐵死亡。他汀類藥物（Statin drugs）可使細胞對鐵死亡敏感，並在某些細胞系中誘導鐵死亡，並且他汀類藥物可能通過驅動腫瘤細胞中的鐵死亡而對患者產生腫瘤抑制作用。對乙醯氨基酚（Acetaminophen）被廣泛用於治療人類的疼痛和發燒，在體內被代謝NAPQI ，再與穀胱甘肽反應並可使穀胱甘肽的耗竭以及小鼠原代肝細胞的發生鐵死亡，在對乙醯氨基酚用藥過量的患者中看到的肝功能衰竭，可能會因肝細胞發生鐵死亡而加劇。共聚焦免疫螢光顯微鏡顯示15-LOX-1與PEBP1在新鮮的人類氣道上皮細胞中共定位，PEBP1 / 15-LOX-1依賴性過氧化與哮喘相關的T2氣道炎症相關。一些人的GPX4突變與Sedaghatian 型脊柱高密度發育不良有關。
3 非哺乳類脊椎動物的脂質過氧化和細胞死亡
產卵的脊椎動物被歸類為非哺乳動物，卵細胞作為其生殖細胞。在卵黃囊中，存在發育所必需的長鏈PUFA，因此，卵細胞內發育需要代謝和形態學適應以防止ROS誘導的細胞損傷和死亡。
3.1 卵細胞對鐵死亡調節作用
卵細胞中含有母體來源的親脂性抗氧化劑（例如α-生育酚）可防止過氧化自由基的增加和脂質過氧化氫的產生。此外，卵細胞通過增加抗氧化酶（卵清蛋白和卵轉鐵蛋白）而免受鐵死亡的氧化傷害。卵清蛋白含有游離的硫醇基團，可以與其他含硫醇的酶協同作用作為氧化還原緩衝液和自由基猝滅劑；卵細胞轉鐵蛋白與金屬離子結合，以超氧化物歧化酶樣的活性保護髮育中的胚胎；卵細胞相關的抗氧化酶還包括溶菌酶，胱抑素和與磷光蛋白。因此，卵細胞在大量抗氧化劑和鐵調節機制的保護下，以減少氧化應激在胚胎發育中的產生有害影響，在其中涉及到鐵死亡和脂質過氧化。
3.2 斑馬魚卵和胚胎的線粒體
在斑馬魚卵形成過程中，線粒體分散在卵黃中，是卵母細胞質量和代謝功能的標誌。在前24 hpf中，維生素E的缺乏與線粒體氧化磷酸化失調和TCA循環代謝有關。在斑馬魚的發育和衰老過程中，線粒體代謝對於維持細胞氧化還原平衡和預防鐵死亡至關重要。通過氧化劑損壞幹擾線粒體膜通透性和電子傳輸鏈（ETC）的完整性對斑馬魚發育有害。儘管線粒體在哺乳動物鐵死亡中的功能尚不明確，而在斑馬魚發育研究中表明，線粒體和脂質過氧化有關。
3.3 穀胱甘肽和穀胱甘肽依賴性過氧化物酶
穀胱甘肽，Gpx4和NADPH可以預防細胞發生鐵死亡，例如：Gpx4具有減少脂質過氧化氫作用來防止鐵死亡。大腦中的Gpx4活性已被用作鐵死亡和神經變性的標誌物。硒代半胱氨酸作為Gpx4的活性位點，因此缺乏它會導致Gpx4的耗盡和失活。硒的缺乏和含硒蛋白失活會導致機體氧化應激增加，金屬離子失衡和細胞死亡。銅/鋅超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）和Gpx酶的抗氧化劑級聯反應具有消除冷休克後斑馬魚腮中脂質ROS的增加和細胞死亡。Nrf2信號通過上調穀胱甘肽相關基因表達增加細胞抗氧化能力。因此穀胱甘肽和穀胱甘肽依賴性過氧化物酶在抗氧化和抗鐵死亡有重要的作用。
3.4 鐵和金屬在脊椎動物細胞損傷中的作用
細胞內的鐵離子對其生命至關重要，過量的鐵離子積累會對細胞產生毒性。在鵝繁殖過程中，為了防止鐵離子相關的損害，胞質和線粒體的鐵蛋白在下丘腦-垂體-性腺（HPG）軸線上與鐵離子螯合，有助於禽類繁殖成功。魚中的鐵蛋白在防禦催化鐵引起的損害方面同樣重要金屬硫蛋白還可以保護斑馬魚組織免受金屬引起的氧化損傷。海鷗通過上調鐵的儲存和轉運蛋白（鐵轉運蛋白和轉鐵蛋白）並增加穀胱甘肽的回收率來抑制鐵死亡。
4 非哺乳類脊椎動物中發生鐵死亡的可能性
非哺乳類脊椎動物在生命的各個階段均表現出鐵介導的脂質過氧化作用。斑馬魚和人類一樣不能合成抗壞血酸，並且需要從飲食中攝入的維生素C以補充機體所需。斑馬魚從必需脂肪酸（例如亞油酸和亞麻酸）中延長PUFA，並且具有與人類相同的主要脂質合成，運輸和代謝途徑。斑馬魚的親本合成長鏈PUFA，則使卵細胞富含DHA和抗壞血酸，因此，斑馬魚胚胎可用於脂質過氧化作用和鐵死亡的研究。
5 植物鐵死亡樣的細胞死亡
調節性細胞死亡是植物生命周期不可缺的一部分，在營養和生殖發育過程中起著至關重要的作用。十多年前，有報導說抗壞血酸和穀胱甘肽的消耗與HR和衰老過程中ROS的積累和細胞死亡有關。Montillet 等研究發現依賴LOX的脂質過氧化與HR期間植物細胞的死亡有關。熱休克（55°C）通過增加NOX活性和脂質過氧化作用導致穀胱甘肽和抗壞血酸的消耗以及細胞內ROS積累。擬南芥根毛暴露於55°C的熱激下會觸發細胞死亡過程，該過程可以通過鐵螯合劑（CPX）或親脂性抗氧化劑Ferrostatin-1來阻止，值得注意的是，許多暴露於熱脅迫的植物中都保留了許多表徵動物細胞鐵死亡的形態特徵：垂死的細胞顯示出細胞質退縮、正常核和收縮的線粒體（如圖3）。除熱休克誘導的細胞死亡外，植物的其他情況還可能涉及鐵死亡樣的死亡。特別是，HR誘導的細胞死亡似乎與鐵死亡具有生化和形態相似性。總而言之，仍然有待確定與鐵死亡有關的植物其他細胞死亡途徑，並且脂質過氧化機制，靶標和調控網絡仍未在植物中建立，可作為未來研究的關鍵主題。
圖3 植物鐵死亡樣的細胞死亡
6 細菌、古生菌和真菌
目前關於鐵死亡在細菌、古生菌和真菌的生物學作用和發生情況的研究尚未知，因此促使研究者對細胞程序性死亡在這些生物中的潛在作用進行間接分析。古生菌，細菌和真菌通常含有難以發生氧化的飽和或單不飽和脂質分子。但一些致病菌仍表達專門用於PUFA脂質氧化的雙加氧酶。例如，銅綠假單胞菌菌株表達LOX，pLoxA，其底物特異性和產物與哺乳動物15-LOX非常相似。該細菌酶可以氧化膜磷脂並導致特定哺乳動物細胞（例如紅細胞和A549細胞）死亡。古生菌，細菌和真核細胞之間對鐵死亡形成的敏感性不同的主要原因可能是兩者膜磷脂存在根本上的差異。真核生物（如酵母）通常不合成PUFA，但是可以從環境中積累並將其整合到膜磷脂中。在一些輔酶Q缺陷型釀酒酵母（coq）突變體和補充有PUFA並遭受氧化應激的野生型酵母細胞中，已有細胞死亡的報導。
總而言之，這篇綜述的證據表明在哺乳動物（特別是小鼠）和植物中，鐵死亡以受調節性的細胞死亡途徑存在。在其他非哺乳動物脊椎動物中，例如魚類，爬行動物和鳥類中，也發現了類似的調節物，儘管在這些物種中鐵死亡本身的運作程度尚不清楚。在某些情況下，原核生物和真核生物可能會破壞哺乳動物宿主中的鐵死亡，甚至在相對罕見的情況下，原核生物和真核生物會將環境PUFA摻入其膜中或在高溫下運行時，甚至可能自身遭受鐵死亡。因此在各種物種中進行鐵死亡和脂質過氧化的研究是有及其重要的意義。
通過對這篇綜述的閱讀與了解，提出以下問題：
鐵死亡在不同物種發揮作用的信號通路是什麼？
Gpx4敲除使胚胎的死亡的分子基礎是什麼？
Gpx4在細菌，古生菌和真菌中的作用是什麼？
原文連結 ：https://doi.org/10.1101/gad.314674.118