铁死亡与肾脏疾病研究进展

Advances in Ferroptosis and Kidney Disease

摘要: 铁死亡是一种新发现的非典型的调节型细胞死亡方式，与细胞凋亡、坏死、自噬不同，其发生机制主要与铁代谢、谷光甘肽过氧化物酶4 (Glutathione Peroxidase 4, GPX4)、脂质过氧化、核因子红系2相关因子2 (Nuclear factor erythroid2-related factor 2, NRF2)、p53、铁死亡抑制蛋白1、电压依赖性阴离子通道等因素密切相关。最近有研究发现，铁死亡与急性肾损伤、肾脏纤维化等肾脏相关疾病的发生发展过程密切相关。本文主要探讨铁死亡机制研究进展及其与急性肾损伤、肾脏纤维化、糖尿病肾脏病和肾细胞癌相关机制，以期为临床上治疗肾脏病提供新方法。

Abstract: Ferroptosis is a newly discovered atypical mode of regulated cell death, which distincts from apop-tosis, necrosis and autophagy. Its mechanism is mainly related to iron metabolism, Glutathione pe-roxidase 4 (GPX4), lipid peroxidation, nuclear factor erythroid2-related factor 2 (NRF2), p53, fer-roptosis inhibitory protein 1, voltage-dependent anion channel and other factors. Recently, it has been shown that iron depletion is closely linked to the course of kidney diseases such as acute kid-ney injury and renal fibrosis. This article mainly discusses the research progress of ferroptosis and its related mechanisms with acute kidney injury, renal fibrosis, diabetic nephropathy and renal cell carcinoma, in order to provide a new method for the clinical treatment of kidney disease.

1. 引言

铁死亡是一种新型的细胞死亡方式，在形态、生化和遗传学上与细胞凋亡、坏死、自噬不同。2012年，Dixon等人首次报道了一种选择性致死的致癌RAS小分子，伊拉斯汀(Erastin)会导致一种独特的铁依赖性非凋亡细胞死亡形式，命名为铁死亡 [1] 。铁死亡与其他形式的细胞死亡相比，受一组不同基因的调节。其形态学特征为线粒体体积较小，线粒体膜密度增加，线粒体嵴减少或消失，线粒体膜外壁破裂 [2] 。此外，铁死亡与肾脏疾病密切相关，但铁死亡和肾脏相关疾病的确切机制尚未得到研究。本文着眼于与铁死亡相关的机制及其对肾脏相关疾病的研究进展。

2. 铁死亡相关机制

2.1. 铁代谢

铁是人体中所必须重要元素，机体内的铁主要以Fe²⁺、Fe³⁺形式存在。Fe²⁺被十二指肠和十二指肠上皮细胞吸收，并可被铜蓝蛋白氧化成Fe³⁺，它与细胞膜上的转铁蛋白(Tf)结合，形成Tf-Fe³⁺，并与膜蛋白Tf受体1 (TFR1)形成复合物，内吞该复合体 [3] 。细胞内的Fe³⁺被金属还原酶还原成Fe²⁺，Fe²⁺在二价金属转移蛋白1 (DMT1)或锌–铁调控蛋白家族8/14 (ZIP8/14)的介导下储存在铁池(LIP)和铁蛋白中 [4] 。Fe²⁺可以参与芬顿反应产生具有强氧化性的ROS。过量的细胞内铁主要储存在铁蛋白中，铁蛋白自噬在铁死亡的开始中被激活，并通过向LIP释放铁来促进细胞间ROS积累 [5] 。而细胞间ROS可诱导脂质过氧化，这是铁死亡所必需的 [6] 。综上可知，铁代谢在铁死亡发生过程中起到的关键作用。

2.2. GXP4

GPX4是含硒谷胱甘肽过氧化物酶家族的第四位成员，对膜脂过氧化氢产物有清除能力。Yang等研究已经确定GPX4是铁死亡的中心调节剂 [7] 。ANGELI等等发现抑制GXP4活性可促进急性肾损伤 [8] 。GXP4是人体内的抗氧化酶之一，可把细胞内毒性脂质过氧化氢转化为无毒酯醇，细胞内还原型谷胱甘肽(GSH)转化为氧化型GSH [9] 。胱氨酸–谷氨酸反向转运体(System Xc-)由一条轻链和一条重链通过二硫键连接而成的异二聚体蛋白，摄取的胱氨酸被还原为半胱氨酸后，参与GSH合成 [10] 。Erastin通过抑制system xc-介导的胱氨酸产生来破坏抗氧化细胞的保护，从而促进ROS合成，从而促进铁死亡 [11] 。由此可知，GPX4是铁死亡的调控过程中的关键因子，并且与肾脏疾病的发生发展密切相关。

2.3. 脂质过氧化

脂质过氧化在铁死亡发生过程中起驱动作用，其中游离多聚不饱和脂肪酸可以发生酯化，通过溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3诱导活化的长链酰基-CoA合成酶4并随后酯化为磷脂酰乙醇胺(phosphatidyl ethanolamine, PE)，继而被脂加氧酶(lipoxygenases, LOXs)氧化为毒性脂质氢过氧化物。Doll等发现长链脂酰辅酶A合成酶4是作为铁死亡发生的基本成分 [12] 。脂质过氧化物会分解成活性物质，导致核酸和蛋白质降解，从而导致铁死亡 [13] 。由此，脂质过氧化是驱动铁死亡的关键因素。

2.4. 自噬

自噬是一种进化上古老的机制，通过这种机制细胞物质被运送到溶酶体进行降解，最近的研究表明，自噬在决定细胞应该生存还是死亡方面的作用是双向的，取决于死亡刺激、细胞类型或背景 [14] 。自噬发生在几乎所有细胞的低基底水平，以执行稳态功能，例如，当细胞摆脱破坏性的细胞质成分(例如，在氧化应激、感染)时，自噬会上调 [15] 。最初的研究表明，铁死亡在形态、生化和遗传学上与细胞凋亡、坏死和自噬不同。但最近的研究表明，铁死亡的激活确实取决于自噬的诱导，一些铁死亡调节剂已被确定为自噬的潜在调节因子 [16] 。有研究证明了，在诱导铁死亡时，自噬被激活，导致铁蛋白降解，并通过核受体辅激活因子4 (NCOA4)介导的自噬途径(铁蛋白吞噬)增加细胞不稳定铁水平 [5] 。细胞内不稳定的铁发生芬顿反应，导致细胞活性氧的快速积累，这对于铁死亡是必不可少的。研究证实，自噬确实是由铁死亡诱导剂爱拉斯汀诱导的，进一步确定自噬是由铁死亡中的爱拉斯汀诱导的活性氧触发的，并通过铁蛋白的降解和转铁蛋白受体1的表达诱导导致铁死亡 [17] 。虽然有研究提出铁死亡是一种自噬细胞死亡过程，但自噬和铁死亡之间的关系仍然存在争议，并且自噬诱导的介质仍然未知，需要进一步探索 [5] 。

2.5. P53

p53基因是人体的抑癌基因，是重要的抗癌基因之一，可帮助细胞基因修复缺陷，其野生型使癌细胞凋亡防止癌变。研究表明，核p53是铁死亡以转录依赖性方式所必需的。p53的转录靶标是亚精胺/亚精胺N1-乙酰转移酶1 (SAT1)基因，研究发现激活SAT1使细胞在ROS诱导下发生铁死亡，这也导致异种移植肿瘤模型中肿瘤生长的抑制 [18] 。研究表明，P53可抑制SLC7A11-胱氨酸/谷氨酸反转运蛋白重要组成部分从而阻止胱氨酸的吸收，并使细胞对铁死亡敏感 [19] 。研究发现p53能够抑制铁死亡的发生。野生型P53的稳定化可以降低system Xc-的活性，同时还可降低多种细胞类型中的铁死亡敏感性，这种保护作用需要P53转录靶CDKN1A (编码p21)的表达，p53-p21转录轴对癌细胞中的铁死亡有负面调节作用 [20] 。综上可知，P53在铁死亡中起重要作用，其机制较为复杂，亟待深入研究。

2.6. NRF2

NRF2是激活细胞抗氧化应激或亲电应激所必需的。在一般情况下，NRF2主要由泛素–蛋白酶体途径降解，此途径由kelch样ECH相关蛋白1 (KEAP1)介导。KEAP1介导的NRF2降解在氧化或亲电应激条件下被抑制。研究发现，NRF2与铁死亡的关系密切。其中Chang等研究认为NRF2的过度激活可以通过血红素氧合酶介导的不稳定铁催化ROS代谢来诱导铁死亡 [21] 。研究认为，激活p62-KEAP1-NRF2通路可通过促进NRF2蛋白的稳定性减少索拉非尼诱导的肝癌细胞铁死亡 [22] 。由上可知，NRF2与铁死亡的发生相关，且p62-KEAP1-NRF2通路与铁死亡的发生呈负相关。

2.7. 其他机制

有相关研究发现，铁死亡抑制蛋白1 (ferroptosis suppressor pro tein1, FSP1)具有促进细胞凋亡的作用 [23] 。FSP1豆蔻酰化，其可通过NAD(P)H还原辅酶Q10后抑制脂质过氧化，抑制铁死亡。线粒体外膜通道蛋白–电压依赖性阴离子通道(voltage-dependent an ion channels, VDACs)，有研究表明，伊拉斯汀直接与VDAC2/3结合可以改变线粒体膜外膜的通透性，降低NADH氧化速率，导致细胞铁死亡 [24] 。此外，还有许多与铁死亡相关的调节因子，如HSPB1，CISD1，FANCD2等。热休克蛋白家族B成员1 (HSPB1)是HSP的成员，在多个细胞或组织中组成表达。在铁死亡条件下，由爱拉斯汀诱导的磷酸化HSPB1阻断细胞骨架介导的铁摄取和随后的脂质过氧化 [25] 。CDGSH铁硫结构域1 (CISD1)是位于外膜中的线粒体蛋白，在正常细胞和癌细胞中线粒体铁摄取和氧化应激过程中有重要作用。shRNA对CISD1的敲除，增加了爱拉斯汀诱导的线粒体内脂质过氧化和随后的铁死亡 [26] 。范可尼贫血(FA)是一种由DNA修复缺陷引起的遗传异质性隐性疾病，FANCD2是FA途径的中心蛋白。FANCD2的缺失，在铁死亡中，与铁摄取基因表达增加和铁储存基因表达、铁输出基因表达减少密切相关 [27] 。

3. 铁死亡与临床相关疾病

3.1. 铁死亡与急性肾损伤

急性肾损伤(acute kidney injury, AKI)是一种常见的临床肾病，存活的病人绝大多数遗留长期的肾功能减退，部分患者需要终身透析。常见的病因如缺血再灌注损伤导致肾小球滤过率减少，肾毒性药物或毒素导致的肾小管坏死，急性尿路梗阻导致肾脏损伤等。

通过应用铁死亡抑制剂铁抑素-1，测定体内和体外顺铂诱导的AKI模型中铁死亡细胞的表型，从而证实了铁死亡在顺铂诱导的AKI中的重要作用，并且维生素D受体(VDR)的激活可通过调节GPX4抑制铁死亡，从而保护顺铂诱导的肾损伤 [28] 。横纹肌溶解诱导的肾损伤模型中被证实与铁死亡有关，姜黄素在与横纹肌溶解症相关的肾损害中，可以通过血红素加氧酶-1(HO-1)关键途径减少肾小管细胞死亡和铁死亡 [29] 。研究表明，小鼠GXP4基因失活可诱导铁死亡和肾小管上皮细胞急性肾损伤，而铁死亡抑制剂Liproxstatin-1则可显著改善缺血/再灌注引起的急性肾损伤 [8] 。由此可知，抑制铁死亡是治疗AKl的有效手段之一。但铁死亡的相关研究及具体机制尚未完全明了，后续可以继续研究，以期应用于临床。

3.2. 铁死亡与肾脏纤维化

肾脏纤维化是肾脏的病理生理改变。研究发现，罗沙司他(FG-4592)在叶酸导致的肾损伤中，可通过抑制铁死亡减轻肾脏纤维化 [30] 。已有研究证明，铁死亡在辐射诱导的肺纤维化(RILF)中起着关键作用，铁死亡抑制剂liproxstatin-1通过激活Nrf2途径下调TGF-β1来缓解RILF [31] 。铁死亡诱导剂伊拉斯汀通过抑制GPX4的表达以及增加脂质过氧化，促进成纤维细胞分化到肌成纤维细胞，铁抑素-1通过增强GPX4表达、抑制脂质过氧化来抑制铁死亡和纤维化 [32] 。肾脏纤维化是终末期肾病形成的关键病理改变，铁死亡与肾脏纤维化的研究尚且不足，目前临床上对于肾脏纤维化的治疗主要通过控制能够导致肾功能恶化的危险因素，铁死亡的发现可以为肾脏纤维化的治疗提供新靶点。

3.3. 铁死亡与糖尿病肾病

糖尿病肾病是终末期肾衰竭的主要原因，常见于糖尿病病史超过10年的病人，主要与糖尿病微血管病变引起的肾小球病变相关。研究表明，铁死亡也可参与糖尿病肾病的发展。在高葡萄糖培养细胞中观察到铁死亡的特征性线粒体形态变化，在糖尿病肾病模型中，铁抑素-1的治疗明显减轻了糖尿病小鼠的肾病损伤，在非诺贝特治疗的糖尿病小鼠中，通过增加Nrf2来抑制铁死亡相关的变化，这延缓了糖尿病肾病的进展 [33] 。使用链脲佐菌素诱导HFE敲除小鼠的糖尿病模型，可导致肾铁积累更高，加速肾病的进展，使用铁螯合剂治疗糖尿病小鼠减少了肾损伤 [34] 。综上所述，铁死亡与糖尿病肾病的发展相关，并为延缓糖尿病肾病的发展提供新方向，但目前铁死亡与糖尿病肾病的相关研究尚欠缺，铁死亡参与糖尿病肾病的发展过程的机制仍需进一步探索。

3.4. 铁死亡与肾细胞癌

肾细胞癌是肾脏疾病中高度恶性的肿瘤，是肾实质泌尿小管上皮系统的肿瘤，其中肾透明细胞癌较为常见。Yang等对癌细胞研究分析表明，GPX4调节的铁死亡可以影响弥漫性大B细胞淋巴瘤和肾细胞癌 [7] 。河马通路效应器TAZ调节铁死亡，是由TAZ通过调节EMP1-NOX4介导的，这表明其对肾细胞癌和其他TAZ激活的肿瘤具有治疗潜力 [35] 。Zou等确定了透明细胞癌中铁死亡易感性和GPX4依赖性，并建议GPX4作为透明细胞癌中的治疗靶点 [36] 。现今临床对于肾细胞癌的主要治疗方法为手术以及放化疗，预后不甚理想，现有的研究表明，调节细胞铁死亡，可能对肾细胞癌具有治疗潜力。

铁死亡是一种以脂质过氧化产物和活性氧积累为特点的一种非典型调节性细胞死亡方式，其主要体现在铁代谢异常、GXP4、脂质过氧化物累积等方面。本文主要从铁死亡的机制及其与肾脏相关疾病两方面进行论述。目前铁死亡与肾脏疾病的相关研究还处于初期阶段，对铁死亡的调节机制以及铁死亡与肾脏纤维化、糖尿病肾病的相关性有望进一步深入研究。

致谢

感谢孙源博副教授对本文章的指导与帮助。