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国自然热点 | 铁死亡机制及检测方法
2023-12-25
什么是铁死亡？
铁死亡（ferroptosis）是细胞在小分子物质诱导下发生的氧化性细胞死亡，具有铁离子依赖性。研究发现，铁死亡与神经退行性疾病、肿瘤、动脉硬化、糖尿病、急性肾损伤等多种疾病相关，致病机理复杂，并可通过激活或抑制铁死亡来干预疾病的发展，因此铁死亡成为近年来的研究热点。
图1 铁死亡发生机制[1]
铁死亡发生机制
铁死亡是亚铁离子和活性氧（reactive oxygen species，ROS）依赖的脂质过氧化物累积引起的。铁死亡的发生机制如图1，其上游通路是通过直接或间接影响谷胱甘肽过氧化物酶（glutathioneperoxidase，GPXs）的活性，降低细胞抗氧化能力，致使脂质过氧化反应增加，脂质活性氧增多，引起铁死亡的发生。此外，在亚铁离子或酯氧合酶的作用下，催化细胞膜上高表达的不饱和脂肪酸，发生脂质过氧化，从而诱导细胞死亡。铁死亡的本质是谷胱甘肽的耗竭，谷胱甘肽过氧化物酶（GPX4）活性下降，脂质氧化物不能通过GPX4催化的谷胱甘肽还原酶反应代谢，之后亚铁离子氧化脂质产生活性氧，从而促使铁死亡的发生。
铁死亡形态特点
目前，研究较多的细胞死亡方式包括铁死亡（ferroptosis）、细胞凋亡（apoptosis） 、细胞坏死（necrosis）和细胞自噬（autophagy），它们在形态上的区别如图2。
铁死亡：线粒体皱缩、膜密度增加、线粒体嵴减少或消失；
细胞凋亡：染色质凝集、核固缩、碎裂；形成凋亡小体、线粒体形态无明显变化；
细胞坏死：细胞器肿胀、质膜损坏、细胞裂解、细胞内容物溢出、组织损伤；
细胞自噬：双层膜自噬体（内含胞浆成分，如线粒体、内质网、核糖体等）或单层膜自噬溶酶体（胞浆成分已降解）形成。
图2 细胞铁死亡、凋亡、坏死和自噬的形态症状[2]
铁死亡的调节通路
研究表明，铁死亡可以被多种化合物诱导（表1），其发生受胱氨酸谷氨酸转运受体（System xc-）、p53、GPX4、电压依赖性阴离子通道（voltage-dependent anion channels，VDACs）等通路的调节。此外，诱导脂质过氧化反应也可导致铁死亡；血红素加氧酶1（heme oxygenase-1，HO-1）、转铁蛋白是细胞内铁的来源，它们也参与了铁死亡的调节过程[3]。
表1 铁死亡诱导剂和抑制剂
|
铁死亡诱导剂 |
铁死亡抑制剂 |
||
|
化合物 |
机制 |
化合物 |
机制 |
|
Erastin |
System xc-，VDAC2/3 |
Trolox |
亲脂性抗氧化剂 |
|
RSL3 |
GPX4 |
Glutathione |
氧化途径/细胞内铁 |
|
Sulfasalazine |
System xc- |
Ferrostatin-1 |
ROS、脂质过氧化 |
|
Sorafenib |
System xc- |
Liproxstatin-1 |
ROS、脂质过氧化 |
|
Artesunate |
氧化途径 |
Deferoxamine Mesylate |
铁螯合剂 |
|
Cisplatin |
GSH |
Deferasirox |
铁螯合剂 |
|
FIN56 |
GPX4 |
Zileuton |
脂氧合酶抑制剂 |
|
BAY 87-2243 |
ROS |
PD-146176 |
脂氧合酶抑制剂 |
铁死亡的判断与检测
细胞发生铁死亡，其在生化特征上表现为铁积累、脂质过氧化、线粒体膜电位降低等。因此可以通过检测以下特异性元素：GPX4和GSH、ROS和脂质过氧化、铁离子水平、线粒体活性等多方向，尽可能全面地验证铁死亡[4]。
1、GPX4和GSH检测方法：
1）比色测定法评估GPX4活性；
2）通过抗GPX4的抗体检测。
2、ROS与脂质过氧化检测方法：
1）特异性荧光探针（如DCHF-DA）进行半定量分析；
2）ELISA和TBAR检测脂质ROS下游副产物（如4-HNE蛋白质加合物和MDA）；
3）抑制剂：利用特异性抗氧化性铁死亡抑制剂，如Ferrostatin-1协同分析。
铁离子水平：
1） 可通过使用例如菲洛嗪等化合物的比色反应来检测铁离子水平，该化合物与铁结合时能显色；
2） 影响铁离子浓度的螯合剂或基因操纵（如转铁蛋白受体、铁蛋白和线粒体铁蛋白）也会影响铁死亡。
线粒体检测：
1）观测线粒体发生铁死亡特征性形态改变，线粒体膜密度增加，嵴减少，膜电位降低；
2）GPX4功能降低后几个小时会有细胞碎裂的现象，可使用线粒体标记物如MitoScene Green I检测线粒体的形态。
铁死亡作为新型程序性细胞死亡方式，近年来在疾病研究中的重要作用逐渐被揭示。虽然目前对其特点、发生机制有了初步的了解，但依旧有许多问题亟待解答，比如进一步揭示铁死亡在各种疾病中的详细调控机制，开发新的铁死亡特异性标志物检测技术等。
参考文献：
[1] 周文博,孔晨飞,秦高伟,等.铁死亡发生机制的研究进展[J].生物化学与生物物理进展, 2018, 45(1):7.
[2] Dixon SJ, Lemberg KM, Lamprecht MR, et al. Ferroptosis: an iron-dependent form of nonapoptotic cell death[J]. Cell, 2012, 149( 5): 1060-1072.
[3] Gao M, Monian P, Quadri N, et al. Glutaminolysis and transferrin regulate ferroptosis. Mol Cell, 2015, 59(2): 298-308.
[4] 孙悦,付松波,李亦兰.心肌细胞铁死亡及其检测方法[J].心血管病学进展, 2023, 44(2):167-171.
铁死亡诱导剂：
|
货号 |
品名 |
CAS号 |
规格 |
|
abs810466 |
Cisplatin |
15663-27-1 |
50mg |
|
abs810744 |
Erastin |
571203-78-6 |
5mg |
|
abs811256 |
BAY 87-2243 |
1227158-85-1 |
10mg |
|
abs813393 |
Sulfasalazine |
599-79-1 |
1g |
|
abs814525 |
FIN56 |
1083162-61-1 |
5mg |
|
abs816204 |
RSL3 |
1219810-16-8 |
5mg |
|
abs816675 |
Artesunate |
88495-63-0 |
10mg |
|
abs817880 |
Sorafenib |
284461-73-0 |
10mg |
铁死亡抑制剂：
|
货号 |
品名 |
CAS号 |
规格 |
|
abs47006920 |
Glutathione |
70-18-8 |
20mg |
|
abs810754 |
Liproxstatin-1 |
950455-15-9 |
5mg |
|
abs812898 |
Deferoxamine Mesylate |
138-14-7 |
100mg |
|
abs813072 |
Ferrostatin-1 |
347174-05-4 |
10mg |
|
abs813448 |
Zileuton |
111406-87-2 |
100mg |
|
abs814552 |
PD-146176 |
4079-26-9 |
10mg |
|
abs817234 |
Deferasirox |
201530-41-8 |
2mg |
|
abs817347 |
Trolox |
53188-07-1 |
50mg |
铁死亡研究相关抗体/蛋白：
|
货号 |
品名 |
规格 |
|
abs126100 |
Rabbit anti-4 Hydroxynonenal Polyclonal Antibody |
100μL |
|
abs136221 |
Rabbit anti-GPX4 Polyclonal Antibody |
50μg |
|
abs154673 |
Mouse anti-GSTO1 Monoclonal Antibody(JMMR-2558) |
100μL |
|
abs154718 |
Rabbit anti-GSTP1 Monoclonal Antibody(JRMR-10123-28) |
100μL |
|
abs156086 |
Rabbit anti-CD71/Transferrin Receptor Monoclonal Antibody |
50μL |
|
abs159872 |
Rabbit anti-Transferrin Receptor 1 Monoclonal Antibody(6H2) |
100μL |
|
abs44077956 |
重组人转铁蛋白 |
100mg |
|
abs47014917 |
牛转铁蛋白 |
100mg |
铁死亡研究检测试剂盒：
|
货号 |
品名 |
规格 |
|
abs580011 |
丙二醛（MDA）检测试剂盒 |
96T |
|
abs580105 |
铁离子检测试剂盒 |
96T |
|
abs580145 |
硫代巴比妥酸反应产物（TBARS）检测试剂盒 |
96T |
|
abs580006 |
谷胱甘肽检测试剂盒 |
96T |
|
abs580042 |
谷胱甘肽还原酶检测试剂盒 |
96T |
|
abs580136 |
谷胱甘肽过氧化物酶检测试剂盒 |
96T |
死亡研究荧光探针与染料：
|
货号 |
品名 |
CAS号 |
规格 |
|
abs42007826 |
菲啰嗪一钠盐（铁离子检测指示剂） |
69898-45-9 |
1g |
|
abs42197174 |
DCFH-DA（ROS探针） |
4091-99-0 |
100mg |
|
abs45153746 |
TMRM Perchlorate（线粒体染料） |
115532-50-8 |
25mg |
|
abs47047744 |
JC-10线粒体膜电位荧光探针 |
— |
1mg |
|
abs47048146 |
4-Di-1-ASP（线粒体染料） |
68971-03-9 |
20mg |
|
abs47048147 |
MitoScene Green I（线粒体绿色荧光染料） |
201860-17-5 |
50μg |
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