铁死亡信号通路：核心机制与研究策略全景解析

细胞死亡的神秘世界迎来新成员，铁死亡以其独特的铁依赖性和脂质过氧化特征，在癌症治疗与疾病干预领域开辟了新战场。

铁死亡（Ferroptosis）是一种铁依赖性、脂质过氧化驱动的程序性细胞死亡形式，自2012年正式命名以来，已成为肿瘤抑制、神经退行性疾病及代谢性疾病研究的热点。与凋亡、坏死不同，铁死亡在细胞形态学、生物化学和遗传学上具有独特特征，主要表现为线粒体收缩、膜密度增加和脂质过氧化物积累。本文将系统解析铁死亡的核心信号通路、关键调控因子、先进研究策略及靶向治疗前景，为相关研究提供全面指导。

一、铁死亡的核心生化基础

铁死亡的发生依赖于三个关键生化过程：铁代谢失衡、脂质过氧化和抗氧化防御系统失效。这三个过程相互交织，共同构成了铁死亡的核心生化基础。

铁作为芬顿反应（Fenton reaction）的催化剂，能将过氧化氢转化为高活性的羟基自由基，进而引发脂质过氧化。正常情况下，细胞内铁稳态通过转铁蛋白受体（TfR）、铁泵蛋白（FPN）等精密调控。当细胞内二价铁（Fe2?）过量积累时，会通过芬顿反应产生大量活性氧（ROS），攻击细胞膜上的多不饱和脂肪酸（PUFAs）。PUFAs在酰基辅酶A合成酶长链家族成员4（ACSL4）和溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶（LPCAT3）的作用下合成多不饱和脂肪酸磷脂（PUFA-PLs），随后被脂氧合酶氧化生成磷脂过氧化物（PUFA-PL-OOHs），最终导致细胞膜破裂和细胞死亡。

图1 铁死亡信号通路[1]

二、关键信号通路网络

1、GPX4核心调控通路

谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）是铁死亡最核心的负调控因子。GPX4依赖谷胱甘肽（GSH）将脂质过氧化物还原为无害的脂质醇，从而抑制脂质过氧化积累。胱氨酸/谷氨酸逆向转运体系统Xc-（由SLC7A11和SLC3A2亚基组成）负责将胞外胱氨酸转运入胞，同时将谷氨酸转运出胞。胞内胱氨酸随后还原为半胱氨酸，用于GSH合成。当系统Xc-活性被抑制（如使用Erastin），或GPX4活性被直接抑制（如使用RSL3），都会导致GPX4功能丧失，引发铁死亡。

2、非GPX4依赖的备份系统

近年来研究发现，铁死亡还存在GPX4非依赖的调控机制：

铁死亡抑制蛋白1（FSP1） 通过催化泛醌（CoQ）转化为泛醇（CoQH2），后者直接中和脂质自由基，在质膜上形成独立的抗氧化系统。

GTP环化水解酶1（GCH1） 产生四氢生物蝶呤（BH4），作为一种有效的抗氧化剂，抑制脂质过氧化。

二氢乳清酸脱氢酶（DHODH） 在线粒体中通过类似FSP1的机制抑制铁死亡。

下表总结了铁死亡的主要调控因子及其功能：

表：铁死亡关键调控因子及其功能

3、新兴调控节点：NANS与NOXs

最新研究发现，N-乙酰神经氨酸合成酶（NANS）通过调控铁稳态在结直肠癌铁死亡中发挥重要作用。NANS通过直接结合TAK1的N端结构域，阻断TAK1-TAB1复合物形成，抑制TAK1的K63泛素化和磷酸化，进而抑制下游NF-κB信号通路。NF-κB信号通路的下调减少了其对铁蛋白重链1（FTH1）的转录激活，FTH1作为铁储存蛋白，其表达降低导致细胞内游离铁增加，促进铁死亡发生。NADPH氧化酶（NOXs）家族成员（NOX1、NOX2和NOX4）也被证实通过不同机制促进铁死亡。NOX1在p53蛋白调控下与二肽基肽酶4（DPP4）结合介导质膜脂质过氧化；NOX4受EGFR-MAPK信号通路诱导表达，产生H?O?参与芬顿反应。

图2 铁死亡信号通路在肝病中的调控机制示意图[2]

三、铁死亡研究策略与技术

1、基因筛选与分子鉴定

CRISPR-Cas9全基因组筛选是发现铁死亡新型调控因子的有力工具。例如，研究人员通过代谢酶文库筛选，发现了NANS是铁死亡的正调控因子。RNA干扰技术可用于靶向验证特定基因功能。一项研究通过合成靶向HDACs家族（HDAC1-11）的siRNA文库筛选，发现沉默HDAC1可显著促进Erastin诱导的铁死亡。分子生物学技术如染色质免疫共沉淀（ChIP）可用于研究转录因子与靶基因启动子的结合情况。研究表明，NF-κB亚基RelA可直接结合FTH1启动子，而NANS缺失增强这种结合。

2、细胞死亡确认与表型分析

铁死亡特异性抑制剂是确认铁死亡的关键工具。Ferrostatin-1和Liproxstatin-1是常用的铁死亡抑制剂，若它们能逆转细胞死亡，则表明死亡方式可能是铁死亡。

脂质过氧化检测是铁死亡表征的核心指标。C11-BODIPY??1/??1探针可用于检测细胞内脂质过氧化水平。

细胞内铁离子检测可使用Phen Green SK、RPA、RhoNox-1等荧光探针。

电镜观察可揭示铁死亡独特的超微结构特征：线粒体收缩、膜密度增加、嵴减少或消失。

3、先进成像技术

最新研究表明，荧光寿命成像显微镜（FLIM） 结合极性敏感荧光探针（如SBD-CH）可实时监测铁死亡过程中内质网极性变化，为早期检测提供新方法。这种技术优势在于荧光寿命是荧光分子的固有特性，与探针浓度无关，能避免传统强度型探针的成像失真问题。

四、疾病关联与靶向治疗前景

1、癌症治疗中的双刃剑

铁死亡在癌症中扮演双重角色：一方面，诱导铁死亡可抑制肿瘤生长；另一方面，某些肿瘤细胞可通过上调抗氧化通路获得铁死亡抵抗。在结直肠癌中，NANS表达水平与患者预后显著相关。研究发现，在铁死亡压力下，CDK1介导的NANS S275位点磷酸化，触发UBE2N依赖的泛素化降解，导致NF-κB-FTH1轴激活和铁死亡抵抗。联合使用CDK1抑制剂（如RO-3306）与铁死亡诱导剂，在动物模型中显示出协同抗转移效果。

2、非酒精性脂肪性肝病（NAFLD/NASH）

铁死亡在NAFLD/NASH发生发展中起关键作用。生物信息学分析鉴定出ZFP36、ATF3、SOCS1、IL-6、PTGS2、JUN等9个NASH铁死亡关键基因。实验证实，游离脂肪酸（FFA）处理的HepG2细胞中，c-jun、ZFP36、ATF3、IL-6蛋白表达升高，脂质过氧化增强。抑制铁死亡几乎可完全抑制NASH发生。

3、神经退行性疾病

在帕金森病、阿尔茨海默病等神经退行性疾病中，铁蓄积和脂质过氧化参与神经元死亡过程。GPX4失活导致脂质过氧化物（如4-HNE）累积，触发神经元膜结构破坏。转录因子AP-2γ与SP1的协同激活可上调GPX4表达，这一通路为神经保护提供了新靶点。

五、挑战与未来方向

当前铁死亡研究面临多项挑战：铁死亡与其他细胞死亡方式的crosstalk复杂；组织特异性调控机制尚不明确；靶向药物的递送效率和特异性不足。未来研究重点应包括：开发时空特异性诱导剂；探索组织特异性调控网络；优化纳米递送系统提高靶向性；深入研究翻译后修饰（如磷酸化、泛素化、乙酰化）调控机制。随着对铁死亡机制理解的深入，以及研究技术的不断创新，靶向铁死亡的治疗策略有望在癌症、神经退行性疾病和代谢性疾病等领域取得突破性进展。

参考文献

[1] Signaling pathways and defense mechanisms of ferroptosis. DOI: 10.1111/febs.16059

[2] Ferroptosis and liver diseases. DOI：10.3724/zdxbyxb-2024-0566 

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