铁死亡系列篇【1】铁死亡和脂氧化

从今天开始，我们将开启一个新的干货系列——铁死亡，本系列中我们将带领大家了解铁死亡的过程，总结铁死亡与相关基因之间的联系。本期我们首先聚焦于铁死亡与脂氧化的关系，为您详细解读脂氧化相关基因与铁死亡之间的关联，在接下来的几期干货内容中，我们将以铁死亡为主体，逐步介绍参与脂氧化调控的主要酶家族，希望能为您的科研探索提供宝贵的灵感和实际帮助。

什么是铁死亡

铁死亡（Ferroptosis）首次报道于2012年，是一种铁依赖性的细胞程序性死亡方式，与氧化应激、脂质过氧化和细胞内铁代谢密切相关。目前已发现了多种疾病与铁死亡相关，铁死亡相关的蛋白也成为相关疾病潜在的治疗靶点。细胞脂质的组成、细胞摄入、合成、储存和分解机制影响着细胞对铁死亡的敏感性，因此对脂代谢相关机制和关键酶的研究，为肿瘤、心血管、代谢等方面的铁死亡相关疾病的研究提供了新思路。

在铁死亡过程中，脂质过氧化起着核心作用，过氧化损伤会产生潜在毒性的脂质氢过氧化物(LOOH)，LOOH的积累会造成细胞结构和功能的损伤。脂质过氧化物是由脂质、氧和铁之间发生的化学反应产生的。膜结构上的脂类物质，尤其是多不饱和脂肪酸（PUFAs）形成的过氧化物被认为是驱动铁死亡的原因。

铁死亡的过程

多不饱和脂肪酸磷脂（PUFAs-PLs）的氧化是铁死亡发生的直接原因，其过程主要分为三个阶段：

（1）过氧化的起始：膜结构的上PUFAs-PL中连接二烯基（- CH=CH - CH2 - CH=CH -）的中心亚甲基上的氢弱键促进了其过氧化并形成自由基。

（2）过氧化的传播：新形成的自由基会诱导周围的PLs形成新的自由基。起始阶段形成的脂质过氧自由基会对的PUFA分子发生亲核反应，生成新的自由基，新形成的自由基又会进攻其他的脂肪酸，如同链式反应一样形成新的氧自由基，芬顿反应（尤其是铁离子存在的情况下）会加快这个过程的发生，促进脂质自由基的连锁反应。此过程会导致细胞膜结构的破坏最终导致细胞的死亡。

（3）过氧化的终止：当没有更多可用的脂质能被氧化时，或者抗氧化剂捕获过氧化的脂质自由基时，过氧化的传播或发生终止。

图1. 脂肪酸的过氧化过程

铁死亡中参与脂代谢的主要酶家族

脂质的合成、转运和降解代谢均会对铁死亡的敏感性及其发生的进程造成影响。一系列参与脂质代谢的酶在促进脂类的氧化过程的同时，也参与了细胞铁死亡的过程。

ACSL家族

膜磷脂氧化促进铁死亡过程关键步骤在于将脂肪酸转化为脂酰辅酶A和PUFA-磷脂，主要由PUFA酰基辅酶A合成酶长链家族成员4（ACSL4）和溶血卵磷脂酰基转移酶3LPCAT3）参与。ACSL4通过将辅酶A（CoA）添加到游离脂肪酸的羧基端而合成脂酰辅酶 A。ACSL4对于游离脂肪酸的类型具有很强的选择性，可以优先催化长链的多不饱和脂肪酸与辅酶A反应。LPCAT3的作用则是将PUFA-CoA 与溶血磷脂酰胆碱结合，形成PUFA-磷脂。

NOX家族

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶（NOX），能利用NADPH上电子催化产生超氧化物（ROS），在包括细胞增殖、迁移和细胞死亡在内的各种生理和病理过程中发挥关键作用。NOX家族包含7个成员，分别为NOX1，NOX2（CYBB），NOX3，NOX4，NOX5，DUOX1和DUOX2。NOX与膜脂过氧化是密切相关的，广谱的NOX抑制剂能表现出显著的铁死亡抑制效果1。在结肠癌细胞中DPP4蛋白能结合并促进NOX1的功能，上调ROS的产生，诱导铁死亡的发生2。同样，NOX2在卵巢癌细胞中发现有促进细胞铁死亡的功能3。阿尔茨海默症的模型小鼠中，NOX4能抑制线粒体呼吸和ATP的产生，造成线粒体功能的紊乱，引起ROS水平的升高，最终导致铁死亡的发生4。因此，NOX作为细胞ROS的主要来源之一，与脂质过氧化和铁死亡的发生存在紧密的关联。

ALOX家族

花生四烯酸脂氧合酶（Arachidonate lipoxygenases，ALOXs）是一类双加氧酶，能催化多不饱和脂肪酸及其代谢产物的形成过氧化物，进而引起细胞膜的损伤和铁死亡的发生。哺乳动物中ALOXs家族中有六个成员，包括ALOXE3,ALOX5, ALOX12, ALOX12B, ALOX15,和 ALOX15B。多项研究发现这些成员和铁死亡相关。比如在膀胱癌中ALOXs家族中，ALOX5的水平明显下调，过表达ALOX5能增加膀胱癌细胞对铁死亡的敏感性5。P53能通过抑制 SLC7A11表达来激活ALOX12的活性，进而氧化ACSL4的产生的PL-PUFAS，导致铁死亡的发生6。ALOX15能以多不饱和乙醇胺为底物形成过氧化物，该基因的抑制剂能降低细胞对铁死亡的敏感性，缓解一些慢性疾病如肾衰竭疾病的发展7。总而言之PUFA的过氧化和铁死亡是密切相关，ALOX作为PUFA氧化的关键酶往往是铁死亡研究的重要靶点。

POR家族

POR（ ER-residing P450 oxidoreductase ）在促进铁死亡过程发挥至关重要的作用。与LOXs存在的组织特异性不同，POR在细胞中普遍表达，可以PUFAs作为底物，如花生四烯酸（AA），催化其发生氧化反应。一些研究认为POR是铁死亡发生主要驱动因素而不是ALOX8。POR能通过转移NAD(P)H到氧原子上形成氧自由基。进而在铁离子的参与下发生芬顿反应，最终导致脂质的过氧化。在肿瘤、缺血再灌注损伤和退行性疾病中POR均有通过铁死亡参与疾病的发展过程9。

图2. 铁死亡和脂质过氧化

总而言之，这些酶不仅在脂质过氧化中发挥重要作用，而且对细胞的的铁死亡敏感性具有决定性影响，了解这些酶的功能和调控机制对于开发新的治疗策略具有重要意义。

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参考文献

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2. Xie Y, Zhu S, Song X, et al. The Tumor Suppressor p53 Limits Ferroptosis by Blocking DPP4 Activity. Cell Rep. 2017;20(7):1692-1704.

3. Yang WH, Huang Z, Wu J, et al. A TAZ-ANGPTL4-NOX2 Axis Regulates Ferroptotic Cell Death and Chemoresistance in Epithelial Ovarian Cancer. Mol Cancer Res. 2020;18(1):79-90.

4. Park MW, Cha HW, Kim J, et al. NOX4 promotes ferroptosis of astrocytes by oxidative stress-induced lipid peroxidation via the impairment of mitochondrial metabolism in Alzheimer's diseases. Redox Biology. 2021;41:101947.

5. Liu T, Xu X, Li J, et al. ALOX5 deficiency contributes to bladder cancer progression by mediating ferroptosis escape. Cell Death Dis. 2023;14(12):800.

6. hu B, Kon N, Chen D, et al. ALOX12 is required for p53-mediated tumour suppression through a distinct ferroptosis pathway. Nature Cell Biology. 2019;21(5):579-591.

7. Wenzel SE, Tyurina YY, Zhao J, et al. PEBP1 Wardens Ferroptosis by Enabling Lipoxygenase Generation of Lipid Death Signals. Cell. 2017;171(3):628-641.e626.

8. Koppula P, Zhuang L, Gan B. Cytochrome P450 reductase (POR) as a ferroptosis fuel. Protein & Cell. 2021;12(9):675-679.

9. Zou Y, Li H, Graham ET, et al. Cytochrome P450 oxidoreductase contributes to phospholipid peroxidation in ferroptosis. Nat Chem Biol. 2020;16(3):302-309.