铁死亡是铁依赖性的磷脂过氧化作用驱动的一种独特的细胞死亡方式，受到多种细胞代谢途径的调控，其中包括氧化还原稳态、铁代谢、线粒体活性和氨基酸、脂质、糖的代谢，以及各种与疾病相关的信号途径。此外，许多器官损伤和退行性病理是由铁死亡引起的。
目前多个研究表明铁死亡与免疫、肿瘤免疫、部分真菌物种和线虫的发育衰老有关。此外，铁死亡的病理生理学相关性，特别是作为癌症和缺血性器官损伤的治疗方式，也已经被证明。
铁死亡概念
铁死亡是由磷脂过氧化作用引起的，这一过程依赖于代谢产物活性氧(ROS)、含有多不饱和脂肪酸链(PUFA-PL)的磷脂和过渡金属铁，细胞内和细胞间信号和环境压力可通过调节细胞代谢和ROS水平影响铁死亡。图中还显示了铁死亡在疾病中的作用及其潜在的生理功能。
铁死亡等细胞死亡方式可以从以下方向进行研究：
①机制和调控：研究铁死亡的分子机制和调控网络，包括铁离子代谢、氧化应激、脂质过氧化等关键过程,揭示铁死亡的信号通路和调控机制。建立和应用合适的细胞模型和动物模型，研究铁死亡的生物学过程,深入理解铁死亡的生理和病理意义。
②疾病关联：探索铁死亡与多种疾病的关联，如肿瘤、神经系统疾病、心血管疾病等,揭示铁死亡在这些疾病发生、发展和治疗中的作用，以寻找新的治疗策略和靶点。
③抗氧化剂和药物筛选：通过筛选和评估化合物、天然产物等，寻找具有抗铁死亡活性的分子，以发现新的抗氧化剂和药物，对铁死亡进行干预和治疗。
④检测和评估方法：开发新的方法和技术，以准确检测和评估铁死亡的发生和程度，包括脂质过氧化的测量、铁离子的定量、氧化应激的标志物等。
1
铁死亡调控机制
围绕PLOOH的合成与代谢，氧化损伤和抗氧化保护的平衡是铁死亡调控机制的核心。铁累积和脂质过氧化是引起细胞膜氧化损伤的两种关键机制，而抗氧化机制主要包括经典的谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)依赖途径以及新型非GPX4依赖途径。
铁死亡抑制通路
01
铁累积
由命名可知，铁死亡的发生是依赖于铁的，因而维持铁稳态相关的蛋白在铁死亡调控中有着重要作用。这些蛋白的表达或功能异常会引起铁吸收增加、铁储存减少及贴流出受限，使得细胞内的铁累积，进一步升高铁相关活性氧及过氧化脂质，从而导致铁死亡发生。
细胞内铁离子浓度升高可通过两种途径促进脂质过氧化物的累积：一方面通过铁依赖的Fenton反应催化活性氧产生，即具有氧化还原活性的二价铁离子(Fe2+)能催化过氧化氢生成羟自由基和氢氧根等活性氧分子，这些活性氧的累积将直接促进PLOOH的生成；另一方面通过激活铁依赖的酶，包括含铁的脂氧合酶(lipoxygenase, LOX),细胞色素P450氧化还原酶等，LOX等铁依赖的酶催化磷脂氢过氧化物的产生，从而促进铁死亡的发生。
02
脂质过氧化
不受限的脂质过氧化反应是促进铁死亡的另一重要机制。脂质过氧化起始于脂质双分子层中含有多不饱和脂酰基的磷脂(polyunsaturated fatty acyl moieties in phospholipid, PUFA-PL),在PUFA-PL的不饱和酰基中除去1个双烯丙基的氢原子(位于两个碳碳双键之间),而形成以碳为中心的磷脂自由基，之后与氧气反应产生磷脂过氧化氢自由基，并从另一个多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid, PUFA)上移除1个氢，形成PLOOH。如果PLOOH不通过GPX4还原成相应的醇，这些物质将持续氧化PUFA-PL产生更多的PLOOH,这种连锁反应可能最终破坏细胞膜的完整性，致使细胞器和/或细胞膜破裂。
目前多个研究已经表明花生四烯酸和肾上腺酸等PUFA是PLOOH合成的特异性底物，在铁死亡的发生中具有重要作用，因而这些PUFA的增多会增加铁死亡发生的风险。
2
铁死亡相关信号通路
越来越多的证据表明，在特定的生物学背景下，多种信号通路可以控制细胞对铁死亡的敏感性。
01
E-cadherin-NF2-Hippo-YAP信号通路
E-cadherin-NF2-Hippo-YAP通路在调控铁死亡方面所发挥的作用具有重要的意义。首先，由于该途径的多个环节在癌症中经常发生突变，诱导铁死亡可能是治疗这种类型癌症的潜在疗法。其次，在不表达E-cadherin的非上皮细胞中也观察到细胞密度依赖的铁死亡现象，说明其他类型的钙粘蛋白（cadherin）或细胞黏附因子也可能以类似的机制来抑制铁死亡。第三，Hippo-YAP通路在发育过程中起着重要的作用，并且该通路与其他信号通路相互作用，因此可以通过Hippo-YAP通路研究铁死亡与其他正常生理功能的联系。
02
AMPK
葡萄糖饥饿反而抑制细胞铁死亡，而这种保护作用依赖于能量感应激酶AMPK的活性。因此，当葡萄糖缺乏时，AMPK被激活，启动了一种能量应激保护程序，以对抗铁死亡，这涉及到PUFAs的生物合成受损，而PUFAs是脂质过氧化诱导的铁死亡所必须。
铁死亡中的代谢与细胞信号传导
03
HIF2α-HILPDA信号通路
考虑到铁死亡是由磷脂过氧化引起的，一直以来悬而未决的问题是铁死亡过程是否依赖于氧浓度。早期实验表明，在1%氧环境下erastin诱导的铁死亡并没有受到影响，这表明缺氧并不会抑制铁死亡。最近的一项研究表明，缺氧实际上可以引起细细胞对铁死亡的敏感性，如透明细胞癌对GPX4抑制剂引起的铁死亡高度敏感，这种敏感性是由HIF2α亚型通过缺氧诱导脂滴相关蛋白(HILPDA)通过PUFA脂质重塑驱动的。透明细胞癌在组织学上具有典型的清晰胞浆染色，且很难治疗，揭示这一发现的临床意义。因此推测，HIF2α-HILPDA驱动的细胞铁死亡敏感性很有可能是一种古老的消除新生低氧性肿瘤的方法。
3
铁死亡相关疾病
改编自Li et al. Cell Death and Disease (2020) 11:88. (PMID: 32015325)
4
铁死亡相关检测
01
形态学观察
1）细胞形态观察:
利用透射电镜直接对细胞形态进行观察，细胞发生铁死亡时线粒体变小以及线粒体膜密度较大;
2）线粒体形态观察:
向细胞内转染LifeAct-GFP荧光蛋白，一定时间后通过有丝分裂追踪器观察线粒体的形态。
02
新陈代谢检测
1）细胞活性检测
CCK-8。
2）细胞内铁水平检测
可以使用PGSK探针检测，通过流式细胞术或共聚焦显微镜监测活细胞内铁含量的细胞膜透性染料，在铁死亡的细胞中，PGSK的绿色荧光会减弱。
3）活性氧水平检测
通过C11-BODIPY探针检测，在铁死亡细胞中，探针会由红色转化为绿色。
4）线粒体膜电位检测
可以使用TMRE荧光染料检测，TMRE能够特异性标记有活性的线粒体，是一种细胞膜可穿透性的，正电荷的，橘红色荧光染料。当线粒体膜电位降低时，荧光减弱。
5）PCR/Western Blot检测
检测细胞内与铁死亡相关的因子变化，例如Cox2, ACSL4和NOX1在铁死亡细胞中表达上调; GPX4, SLC7A11, Ferritin和Ferritin Light Chain在铁死亡细胞中表达下调。
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04
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铁死亡相关文献
Suppression of USP8 sensitizes cells to ferroptosis via SQSTM1/p62-mediated ferritinophagy
Proteins & Cells
IF：15.32
研究表明包括OTUB1和BAP1在内的几种去泛素酶（DUBs）可介导人类癌症中的铁死亡。泛素特异性肽酶8（USP8）最初被认为是在生长刺激时积累一种生长调节的DUB。现在发现USP8的缺失抑制了各种癌症细胞的细胞增殖，并导致一些细胞株的细胞死亡，但USP8与铁死亡之间是否存在直接联系尚不清楚。作者前期研究发现，USP8通过去泛素化自噬受体SQSTM1/p62来降低自噬流量，从而对自噬产生负面控制。鉴于自噬和铁死亡之间的相关性，作者认为USP8可能在调节铁死亡中发挥作用。这篇研究通过构建USP8敲除小鼠胚胎成纤维细胞发现USP8可能是铁死亡的特异性负调节因子，而不是细胞凋亡或坏死调节剂。此外，作者构建了敲除SQSTM1的HepG2细胞作为对照，shSQSTM1细胞对弹性蛋白诱导的铁死亡具有抗性，敲除ATG7或SQSTM1大大降低了shUSP8 MEF细胞对erastin诱导的铁死亡的敏感性，并降低了脂质ROS水平，而在shUSP8/shSQSTM1-MEF细胞中重建SQSTM1部分恢复了细胞铁死亡敏感性，表明USP8介导的铁死亡是一个涉及SQSTM1参与的自噬依赖性过程。USP8-SQSTM1-NCOA4-铁蛋白轴的抑制通过上调铁死亡和细胞内铁水平使癌症细胞对铁含量降低敏感。这些结果表明，USP8在调节癌症细胞的铁死亡中起着重要作用，并揭示USP8可能是铁死亡介导的癌症治疗的潜在靶点。
Malic Enzyme 1 as a Novel Anti-Ferroptotic Regulator in Hepatic Ischemia/Reperfusion Injury
研究基于小鼠肝脏缺血再灌注损伤模型筛选到了肝脏抗铁死亡新基因——苹果酸酶ME1，其催化生成的产物之一NADPH是细胞内消除脂质过氧化物的重要还原剂，也是参与谷胱甘肽合成的重要原料。文章阐述了ME1调控肝脏铁死亡的机制，为丰富完善铁死亡调控理论体系及相关肝脏疾病的防治提供了重要依据，并提示苹果酸补充有潜力成为临床防治肝脏缺血再灌注损伤的新疗法。
Exosomes Secreted from Cardiomyocytes Suppress the Sensitivity of Tumor Ferroptosis in Ischemic Heart Failure
Signal Transduction and Targeted Therapy
IF：39.3
首次发现缺血性心力衰竭抑制肿瘤对铁死亡的敏感性，揭示了心肌细胞释放的外泌体将miR-22-3p递送至肿瘤细胞，通过靶向抑制ACSL4蛋白表达从而增强肿瘤抵抗铁死亡的分子机制
Targeting ferroptosis as a vulnerability in cancer
Nat Rev Cancer
IF 60.716
铁死亡是一种受调节的细胞死亡的铁依赖性形式，由细胞膜上脂质过氧化物的毒性积聚引发。近年来，铁死亡引起了癌症研究界的极大兴趣，部分原因是它是一种独特的细胞死亡方式，在机制和形态上不同于细胞凋亡等其他形式的细胞死亡，因此具有巨大的癌症治疗潜力。该篇综述总结了目前对铁死亡诱导和铁死亡防御机制的认识，剖析了铁死亡在肿瘤抑制和肿瘤免疫中的作用和机制，概念化了癌细胞对铁死亡的多种脆弱性，并探索了靶向癌症中铁死亡的治疗策略。
Ferroptosis in cancer therapy: a novel approach to reversing drug resistance
Mol Cancer
IF 27.401
铁死亡是一种细胞内铁依赖性细胞死亡形式，不同于细胞凋亡、坏死和自噬。大量研究表明，铁死亡在肿瘤抑制中起着关键作用，从而为癌症治疗提供了新的机会。对癌症治疗产生耐药性仍然是一项重大挑战。许多临床前和临床研究都集中在克服耐药性上。有趣的是，铁死亡与癌症治疗耐药性相关，诱导铁死亡已被证明可以逆转耐药性。该篇综述详细描述了铁死亡的机制以及调节铁死亡在逆转癌症对常见疗法（如化学疗法、靶向治疗和免疫疗法）的耐药性中的治疗作用，讨论了调节铁死亡作为逆转癌症治疗耐药性的治疗策略的前景和挑战，并为进一步的研究提供一些参考。
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