今年3月25日，来自德克萨斯大学 MD 安德森癌症中心（MD Anderson Cancer Center）的甘博义教授团队在Nature子刊 Nature Reviews Cancer （1区，IF=69.8）上发表了题为“Targeting ferroptosis as a vulnerability in cancer （将铁死亡作为癌症的弱点）”的综述。
甘博义教授本科和硕士均毕业于复旦大学， 博士毕业于康奈尔大学，博士后时期工作于哈佛医学院达纳-法伯癌症研究所，自2011年起一直在MD 安德森癌症中心工作。在此文中，甘教授及其团队重点讨论了铁死亡的机制以及它在癌症中扮演的角色，以及为何可以将铁死亡作为癌症治疗的靶点。
摘要
铁死亡 (ferroptosis)通过毒性的脂质过氧化的积累触发，是一种铁依赖性的受调控细胞死亡方式 (regulated cell death, RCD)。
近年来，铁死亡引起了癌症学界的极大兴趣，部分是因为它是一种独特的细胞死亡方式，在机制和形态特征上不同于细胞凋亡等其他形式的受调控细胞死亡方式，因此具有巨大的癌症治疗潜力。
在这篇综述中，作者总结了目前对铁死亡的诱导以及抵抗机制的认知，剖析了铁死亡在肿瘤抑制和肿瘤免疫中的作用和机制，对癌细胞在铁死亡诱导方面的弱点进行了概念化总结，并探讨了靶向铁死亡的癌症治疗策略。
引言
铁死亡是一个由Dixon于2012年创造的术语，用以描述一种铁依赖性的，通过细胞膜上过载的脂质过氧化引发的受调控细胞死亡方式。在形态特征和机制上，它都不同于凋亡(apoptosis) 等其他受调控的细胞死亡方式；例如，在形态方面，铁死亡并没有典型的细胞凋亡特征（例如染色质的凝聚以及凋亡小体的形成），却表现出线粒体皱缩、嵴减少的特征。
脂质过氧化物的致死量积累是铁死亡发生的一个主要特征，其中涉及到了细胞内铁死亡的执行和铁死亡防御系统之间的拮抗作用；当铁死亡的促进因素显著地超越了铁死亡的防御系统能提供的的抗氧化能力上限时，铁死亡就会发生（图1a）。
图 1
这样的机制特征明显的不同于其他由细胞死亡执行蛋白（例如caspase介导的细胞凋亡，MLKL介导的程序性坏死(necrosis)，gasdermin D介导的细胞焦亡 (pyroptosis)）为中心的程序性细胞死亡方式。最后，铁死亡的细胞呈现出了独特的氧化磷脂(PL)谱，这种特点并不同于经历了其他程序性死亡方式的细胞。铁死亡作为一种独特的细胞死亡机制，引起了癌症学界的极大兴趣，因为靶向铁死亡可能为治疗传统疗法难以治愈的癌症类型提供新的治疗机会。
近年来，在探究铁死亡在肿瘤生物学以及癌症治疗中的作用这一方面，研究人员已经取得了较大的进展。一方面，多种癌症相关的信号通路已被证明可以调控癌细胞的铁死亡。已经发现铁死亡参与了几种肿瘤抑制因子（例如p53和BAP1）的调控，这证实铁死亡是阻止癌症发展的天然屏障。而致癌基因以及致癌信号所介导的铁死亡逃避对肿瘤的发生、进展、转移、抵抗是有利的。另一方面，由于癌细胞独特的新陈代谢以及高负荷的活性氧 (ROS) 特性，以及其本身的特定突变，使一些类型的癌细胞更容易发生铁死亡，从而使铁死亡在这些类型中可以作为具有靶向治疗潜力的弱点。
此外，一些癌细胞似乎特别依赖铁死亡的防御系统，以在高代谢水平以及氧化应激的条件下生存。这些最新的数据表明，在某些情况下，铁死亡代表着一种可以被靶向的癌症弱点。铁死亡还被认为是多种主流癌症疗法，包括放疗、免疫治疗、化疗以及靶向治疗所引发的关键细胞死亡反应。由此，铁死亡诱导剂 (FIN) 在癌症的治疗中具有巨大的潜力。
随着过去4年中铁死亡研究数量的指数级增长，迫切需要对如何针对癌症中的铁死亡进行迭代性研究。在这篇综述中，我们总结了目前对铁死亡调控网络的认知，包括了铁死亡发生的先决条件以及铁死亡的防御系统，深入分析了肿瘤生物学中铁死亡的机制基础，并综合出一个概念框架阐明如何将铁死亡作为癌症治疗中的一个可以靶向的弱点。在最后，作者强调了未来研究中的一些关键问题和挑战。
铁死亡的先决条件
铁死亡执行的关键是铁催化的底物——包括多不饱和脂肪酸 (PUFAs) 的磷脂 (PUFA-PLs) ——的过氧化，当这种过氧化超过了铁死亡的防御系统所能提供的缓冲能力时（见下一节），可能导致脂质过氧化物在细胞膜上的致命积累以及随之而来的细胞膜崩坏破裂，从而导致细胞的铁死亡。如本节所述，PUFA-PL 合成和过氧化、铁代谢和线粒体代谢构成了驱动铁死亡的主要先决条件（图 1a）。
1
PUFA-PL的合成和过氧化
Acyl-CoA合成酶长链家族成员4 (ACSL4) 和卵磷脂酰基转移酶3 (LPCAT3) 是PUFA-PL合成的两个关键调控因子（图1b）。ACSL4 催化游离PUFA，例如花生四烯酸和肾上腺酸与 CoA 连接，生成 PUFA-CoA（例如花生四烯酸-CoA 或肾上腺酸-CoA），随后再通过 LPCAT3酯化并掺入PL 形成 PUFA-PL（如花生四烯酸-磷脂酰乙醇胺或肾上腺酸-磷脂酰乙醇胺）。乙酰辅酶A 羧化酶 (ACC) 催化乙酰辅酶 A 羧化生成丙二酰辅酶 A，这是合成一些 PUFA 所必需的（可能在延伸步骤中），因而也是铁死亡所必需的。因此ACSL4、LPCAT3 或 ACC 的失活可以阻断或减弱铁死亡。
有趣的是，尽管在没有 ACSL4 介导 PUFA-PL 合成时发生铁死亡的机制仍不清楚，在某些情况下，p53 介导的铁死亡似乎与 ACSL4 无关。最近的研究结果还表明，作为脂质过氧化的额外底物，在过氧化物酶体中合成的含 PUFA 的醚 PL (PUFA-ePL)有利于铁死亡的发生。
由于 PUFA 中存在双烯丙基部分，因此PUFA-PL 特别容易发生过氧化反应。PUFA-PLs 的过氧化主要由非酶自氧化催化，该自氧化由以铁为催化剂的芬顿反应 (Fenton reaction) 驱动。细胞色素 P450 氧化还原酶 (POR) 介导或花生四烯酸脂氧合酶 (ALOX) 介导的酶促反应也可促进这种脂质过氧化。
尽管 POR 促进脂质过氧化的能力似乎是通过 H2O2 的产生间接产生的，并且 ALOXs 在铁死亡中的作用在一些研究中（包括在谷胱甘肽过氧化物酶 4（GPX4；铁死亡防御系统的一部分）缺失的小鼠表型中通过敲除ALOX15 挽救的实验）被质疑。单不饱和脂肪酸 (MUFA)，例如油酸和棕榈油酸，由于缺乏双烯丙基部分而不易被过氧化。与多不饱和脂肪酸相比，单不饱和脂肪酸通过从细胞膜的磷脂中置换多不饱和脂肪酸，来抑制脂质过氧化和铁死亡。若参与MUFA-PL合成的酶失活，例如硬脂酰辅酶 A 去饱和酶 1 (SCD1) 和 ACSL3，将使癌细胞对铁死亡敏感。
2
铁代谢
铁不仅通过启动非酶促的Fenton反应以直接过氧化 PUFA-PLs，而且还参与脂质过氧化的酶（如 ALOX 和 POR） 的必需辅助因子来控制铁死亡。细胞通常通过协调调节铁的摄取、利用、储存和输出来维持不稳定铁池 (labile iron pool, LIP) 的相对稳定。这些铁代谢过程的调节失衡可以促进或抑制铁死亡，这分别取决于细胞内不稳定铁池的水平是增加还是减少。
例如，细胞内的铁主要以结合铁的形式储存在铁蛋白中，而铁蛋白的自噬降解（ferritinophagy, 铁自噬）将储存在铁蛋白中的铁释放到不稳定的铁池中；因此，阻断核受体共激活因子 4 (NCOA4) 介导的铁自噬会缩小不稳定铁池的水平并抑制铁死亡。相反，通过抑制胞质谷氨酸草酰乙酸转氨酶 1 (GOT1) 来增强铁自噬会扩大不稳定铁池并促进铁死亡（尽管 GOT1的抑制究竟如何促进铁蛋白吞噬介导的游离铁释放仍有待进一步研究）。
3
线粒体代谢
线粒体中的几个代谢过程在触发铁死亡方面具有重要作用（图 1b）。首先，线粒体 ROS 的产生对于脂质过氧化的产生和铁死亡的发生至关重要。线粒体是细胞内ROS 的主要来源，其中电子传递链复合物 I 和 III 的电子泄漏会产生超氧化物，然后通过超氧化物歧化酶将其转化为 H2O2。然后，H2O2 可以通过 Fenton 反应与游离铁反应生成羟基自由基，从而驱动 PUFA-PL 过氧化。
此外，线粒体中的电子传递和质子泵对 ATP 的产生至关重要，同时也促进了铁死亡。具体而言，在 ATP 耗尽的条件下，AMP 活化蛋白激酶 (AMPK) 磷酸化并灭活 ACC，从而抑制 PUFA-PL 合成并阻断铁死亡；相反，在能量充足的情况下（即 ATP充足），AMPK 不能被有效激活，而 ACC 被激活，从而促进 PUFA-PL 合成和铁死亡。最后，线粒体在细胞代谢中生物合成途径中的作用也有助于铁死亡。
铁死亡的发生需要三羧酸 (TCA) 循环和在线粒体中为其提供能量的各种回补反应（例如谷氨酰胺分解），这些反应可能通过促进 ROS、ATP 和/或 PUFA-PL 的产生来驱动铁死亡。因此，线粒体在生物能量、生物合成和 ROS 产生多方面驱动线粒体脂质过氧化，从而导致铁死亡。
铁死亡的防御机制
铁死亡防御机制涉及直接中和脂质过氧化物的细胞抗氧化系统。铁死亡防御机制的研究一直是过去 2 年中铁死亡研究中最令人兴奋和快速发展的领域之一。如下所述，至少有四种具有独特亚细胞定位的铁死亡防御系统。
1
GPX4-GSH抗氧化防御系统
GPX4 是GPX蛋白家族的一员，是唯一能够将 PL-氢过氧化物转化为PL-醇的 GPX 成员。GPX4 的基因敲除或药物抑制会诱导不受限制的脂质过氧化，并在体外和体内环境下诱导铁死亡。GPX4 由三种不同亚细胞定位的亚型组成，即细胞溶质型、线粒体型以及核型GPX4。这些亚型由具有不同转录起始位点的相同 GPX4 基因编码，导致在GPX4 蛋白的N端添加线粒体或核定位序列。
一直以来，人们认为只有细胞溶质型GPX4 在防御铁死亡中起作用，因为它是胚胎发育所必需的，而线粒体型或核型则不是。因为只有细胞溶质型GPX4 （而不是线粒体型或核型GPX4）的重新表达能够显著抑制小鼠胚胎成纤维细胞中GPX4缺失诱导的细胞死亡。然而，最近的研究表明，细胞溶质型和线粒体型GPX4 在防止不同亚细胞定位的铁死亡发生方面尤为重要（见下文）。而核型GPX4在调节铁死亡中的潜在作用仍有待研究。
GPX4的辅酶——还原型谷胱甘肽 (GSH) 是一种含有硫醇的三肽，由甘氨酸、谷氨酸和半胱氨酸三种前体合成，其中半胱氨酸是其合成的限速前体。大多数癌细胞获得半胱氨酸的方式主要是通过 xc-系统 (System xc-) 介导的胱氨酸（一种氧化的二聚体形式的半胱氨酸）入胞，然后在胞质中将胱氨酸还原为半胱氨酸。溶质载体家族 7 成员 11（SLC7A11；也称为 xCT）是系统xc- 中的转运蛋白亚基。用胱氨酸缺乏培养基或通过Erastin或者其他FIN 药理阻断SLC7A11 介导的胱氨酸转运能够在许多类型的癌症细胞中诱导铁死亡。SLC7A11-GSH-GPX4轴被认为构成了防御铁死亡的主要细胞系统（图 1b）。然而，在 GPX4 失活后，仍有一些癌细胞对铁死亡有抵抗力，这表明存在其它的铁死亡防御机制。
2
FSP1-CoQH2抗氧化防御系统
虽然最初GPX4被认为是唯一的铁死亡防御系统，但最近的研究打破了这一认知，发现铁死亡抑制蛋白 1（FSP1；也称为 AIFM2）通过独立于GPX4的方式来抵抗铁死亡。FSP1 定位于质膜（以及其他亚细胞区室），而质膜定位似乎对于 FSP1 发挥抗铁死亡作用是必要且充分的。FSP1 作为 NAD(P)H 依赖性氧化还原酶发挥作用，能够将泛醌（也称为辅酶 Q 或 CoQ）还原为泛醇 (CoQH2)（图 1b）。CoQH2除了众所周知的线粒体电子传递功能外，还可以通过捕获脂质过氧自由基抑制脂质过氧化和铁死亡。因此，有人提出 FSP1作为捕获自由基的抗氧化剂，通过产生非线粒体型CoQH2 池发挥其有效的抗铁死亡活性。但应该注意的是，尽管辅酶 Q 主要在线粒体中合成，但它却已在非线粒体膜中检测到，包括质膜。因此FSP1 用于抵抗铁死亡的非线粒型CoQ的来源仍有待确定。
3
DHODH-CoQH2抗氧化防御系统
最近的一项研究揭示了一种由二氢乳清酸脱氢酶 (DHODH) 介导的线粒体局部防御系统，该系统可以中和因线粒体型GPX4 的缺失而发生在线粒体的脂质过氧化。DHODH 是一种参与嘧啶合成的酶，可将线粒体内膜中的 CoQ 还原为 CoQH2（图 1b）。当 GPX4 急剧失活时，细胞通过显著上调DHODH，导致 CoQH2 生成效率增强，从而中和脂质过氧化并防止线粒体触发的铁死亡。因此，线粒体型GPX4 和 DHODH 的失活会引发足量的线粒体脂质过氧化作用并强烈诱导铁死亡。
重要的是，虽然线粒体型GPX4 和 DHODH 可以通过相互补偿共同抑制线粒体脂质过氧化，但细胞溶质 GPX4 和 FSP1 并不能做到这一点。从表面上看，这是因为它们不位于线粒体中，因此不能解毒积累在线粒体内膜中的脂质过氧化物。这说明了区域分工在铁死亡防御中的重要性。
通过最近的这些研究可以提出一个模型，铁死亡防御系统在其中可以分为两个主要部分，GPX4 系统和 CoQH2 系统，每个部分进一步通过定位细分为非线粒体型的和线粒体型（即细胞溶质型和线粒体型GPX4属于GPX4 系统，非线粒体定位的FSP1和线粒体定位的DHODH属于CoQH2系统）。铁死亡防御中有这种分型，可能是为了减轻线粒体中产生的脂质过氧化物（见线粒体代谢小节），以及应对线粒体的双膜结构特性（这会阻止定位于细胞质以及线粒体之外的细胞器的抗氧化防御系统进入线粒体）。需要进一步的研究来证实这种在铁死亡调节中的区域化模型，并与以前研究中的一些相互矛盾的数据相协调。例如，细胞溶质型GPX4 还被发现定位于线粒体的膜间隙。线粒体中丰富的细胞溶质型GPX4 及其在抑制线粒体内脂质过氧化的潜在作用，仍有待未来研究阐明。
而另一个悬而未决的问题涉及到其他产生CoQH2的线粒体酶在铁死亡调节中的潜在作用，尤其是电子传递链复合物 I 和 II。然而，与 DHODH的抑制不同，通过药物抑制电子传递复合物 I 或 II 似乎不会影响 GPX4失活诱导的铁死亡，其失活甚至促进了对胱氨酸饥饿诱导的铁死亡的抵抗。可以想象，假设复合物 I 或 II有抗铁死亡功能（通过产生线粒体 CoQH2），它也可能会被其促铁死亡功能（通过产生 ROS 或 ATP；参见线粒体代谢小节）抵消。位于线粒体中的其他 CoQH2 产生酶（如电子转移黄素蛋白脱氢酶）在铁死亡调节中的潜在作用有待进一步研究。
4
GCH1-BH4抗氧化防御系统
最近研究确定的GTP 环水解酶 1 (GCH1) 是铁死亡的另一个关键调节因子。四氢生物蝶呤 (BH4) 是芳香族氨基酸羟化酶和其他酶的辅酶，GCH1 介导 BH4 生物合成途径中的限速反应。BH4是另一种能够捕获脂质过氧自由基的抗氧化剂，其抑制铁死亡的功能似乎与其辅酶功能无关。有人提出，GCH1 作为抗氧化剂通过产生 BH4捕获自由基，并通过 GCH1 介导的 CoQH2 和含有两个 PUFA 尾巴的 PL（大多数 PUFA-PL 倾向于表现出不对称结构， 在 sn-2 位有一个 PUFA 尾，在 sn-1 位有一个饱和脂肪酸尾） 的产生来抑制铁死亡（图 1b）。而GCH1-BH4系统所发挥作用的亚细胞定位仍然有待定义。
铁死亡逃避助长肿瘤
越来越多的证据表明，铁死亡是一种关键的肿瘤抑制机制。已有几种肿瘤抑制和致癌信号通路被证明可以促进或抑制铁死亡。同时肿瘤已经进化出至少三种机制来逃避铁死亡并促进肿瘤发展和转移：限制 PUFA-PL 的合成和过氧化，限制游离铁的可用性，上调细胞抗氧化防御系统。
1
抑制PUFA-PL的合成和过氧化
癌细胞中过氧化的 PUFA-PL 水平的下调与铁死亡逃避和肿瘤生长增强有关。钙非依赖性磷脂酶 A2β (iPLA2β) 是 iPLA2 家族的成员，在一些类型的人类癌症中过度表达。最近研究表明 iPLA2β 通过水解过氧化的PL 促进癌细胞逃避铁死亡，而 iPLA2β的下调使癌细胞对铁死亡敏感，并进一步损害异种移植肿瘤的生长。最近的另一项研究表明，脂肪因子chemerin的表达在肾细胞癌 (RCC) 中经常性的上调，并且chemerin可能通过下调过氧化的PUFA-PLs 的水平和促进铁死亡逃避来维持异种移植RCC的生长。
最新的研究结果也强调了肿瘤可以通过调节脂肪酸代谢来逃避铁死亡，这个过程有利于癌症的转移。在通过血液进行全身转移之前，黑色素瘤通常通过淋巴系统进行区域转移。已经证实淋巴环境有助于癌细胞的铁死亡逃避，部分是因为淋巴液中富含油酸（一种 MUFA）和谷胱甘肽，并且游离铁水平低；油酸以 ACSL3 依赖性方式保护黑色素瘤细胞免于铁死亡（如上所述，ACSL3 介导的 MUFA-PL 合成通过从 PL 中置换 PUFA 来抑制铁死亡）。重要的是，淋巴环境赋予癌细胞的铁死亡抗性有助于它们随后在血液转移期间存活。同样，在高胆固醇血症的情况下，癌细胞在体内表现出优异的转移能力，这可能是由于这些细胞中脂滴和 MUFA 的积累增加铁死亡抗性。
2
限制游离铁的可用性
作为氧化还原和铁稳态的重要辅助因子，铁硫簇(ISC)及其相关的调节途径通过减小不稳定铁池使癌细胞逃避铁死亡。半胱氨酸脱硫酶NFS1通过从半胱氨酸中收集硫参与ISC生物合成。NFS1被发现在肺癌中过度表达，并且是体内肺肿瘤生长所必需的，这可能是因为它能够限制游离铁水平并保护癌细胞免受铁死亡。Frataxin是另一种参与 ISC 组装的蛋白质，在不同的癌症类型中被上调，并被证明可以促进癌细胞对铁死亡的抵抗，从而促进异种移植肿瘤的生长。
同样地，最近的另一项研究表明，CDGSH含铁硫结构域蛋白 2 (CISD2) 是头颈癌中高度表达的铁硫蛋白家族的一个成员，可增强癌细胞在体外抵抗铁死亡的能力，其可能通过调节 ISC 的水平以降低游离铁水平。此外，当乳腺癌细胞被从细胞外基质中分离出来时，它们可以上调prominin 2的表达，促进形成含有铁蛋白的囊泡，将铁运输出细胞，从而使自己在体外逃避铁死亡。在上面讨论的一些例子中，癌细胞逃避铁死亡是否有助于增强肿瘤生长或体内转移仍有待确定。
3
上调铁死亡防御
目前对这些机制的研究大多数都集中在 SLC7A11，它在多种人类癌症类型中高度表达。肿瘤抑制因子如 p53、BAP1、Kelch 样 ECH 相关蛋白 1 (KEAP1) 和 ARF (p14) 的失活，或致癌 KRAS 的激活，可以上调 SLC7A11 表达，这种调控可能是独立或依赖于核因子E2 相关因子2 (NRF2) 的 ，结果使肿瘤逃避铁死亡并促进肿瘤生长。作为抗氧化防御的主要调节因子，转录因子 NRF2 控制参与 GPX4-GSH 介导的铁死亡防御的许多基因的转录，包括 SLC7A11，从而促进癌细胞逃避铁死亡。因此，NRF2 信号在许多人类癌症类型中上调。有趣的是，最近的一项研究表明，用 27-羟基胆固醇 (27-HC) 治疗会导致乳腺癌细胞中 GPX4 水平的下调，并且这种效应在对 27-HC 具有抗性的乳腺癌细胞中消失了，这可能说明了这种 27-HC抗性的乳腺癌细胞有着对铁死亡更强的抵抗力和体内转移能力。
肿瘤似乎也利用了其他的机制来防御铁死亡。例如，GCH1 在多种癌症类型中过表达（包括乳腺癌、肺癌和肝癌），这种高表达与体外水平的铁死亡抗性有关。甲羟戊酸途径是CoQH2 的重要来源，而CoQH2在铁死亡防御中起着作用。角鲨烯单加氧酶 (SQLE) 是甲羟戊酸途径中的关键酶， 在ALK+ 间变性大细胞淋巴瘤细胞中， SQLE的表达缺失会阻止胆固醇合成（从而使这类癌细胞变成胆固醇营养缺陷型）并导致上游代谢物角鲨烯的积累。角鲨烯是一种亲脂性抗氧化剂，可在体内水平保护癌细胞逃避铁死亡。这种机制为 ALK+ 间变性大细胞淋巴瘤在氧化应激条件下的生长提供了独特的优势。
肿瘤的铁死亡脆弱性
致癌突变重编程癌细胞中的细胞代谢网络，以满足它们对营养和能量不断增加的需求；这种重编程通常会使癌细胞显露出新的代谢特点，使其中一些细胞特别容易受到铁死亡的影响。在本节中，我们提出癌细胞中三种铁死亡的弱点的概念，即由代谢重编程、基因突变和铁死亡防御不平衡（图 2）。
图 2
1
癌细胞的代谢特征
几项研究表明，处于特定细胞状态的难以治愈型癌细胞出人意料地对铁死亡十分敏感。例如，处于间充质状态的癌细胞通常对常规疗法诱导的细胞凋亡有抵抗力，这种抵抗力强烈依赖于GPX4，并与ZEB1（一种上皮间质转化 (EMT) 驱动因子和脂肪生成因子）的高表达有关。得益于ZEB1在脂质代谢中的核心调节作用，PUFA-PL的合成在间充质状态的癌细胞中增强（图 2a）。这些癌细胞中增加的 PUFA-PL 水平使癌细胞依赖于GPX4的水平来消除脂质过氧化；也因此，这些细胞非常容易受到铁死亡的影响。
相似的，某些具有间充质特征的复发性乳腺癌细胞表现出上调的盘状蛋白结构域受体 2 (DDR2) 表达，这可能是由 EMT 相关的转录因子驱动的；增加的 DDR2 通过 Hippo 通路增加癌细胞对铁死亡的敏感性（其在铁死亡中的作用将在下文进一步讨论）。同样，参与 PUFA 合成的关键酶，例如超长链脂肪酸蛋白 5的延伸 (ELOVL5) 和脂肪酸去饱和酶 1 (FADS1)，被发现在间充质胃癌细胞中选择性过表达，使其对铁死亡敏感（图 2a）。
与GPX4依赖的间充质型耐药癌细胞类似，具有持久耐药性的癌细胞也对铁死亡高度敏感，这可能是因为它们也表现出间充质特征。有趣的是，CD44 是一种在介导透明质酸盐依赖性铁内吞作用，并在间充质型癌细胞中高度表达的跨膜糖蛋白，它可能通过增加细胞内铁的水平来促进间充质型癌细胞对铁死亡的敏感性。此外，去分化型黑色素瘤治疗抵抗细胞亚群也表现出对铁死亡的敏感性，这可能是由于多不饱和脂肪酸的积累和低水平的 GSH导致的（图 2a）。总之，对癌症疗法有抗性的癌细胞由于其代谢状态的改变（例如与 EMT 相关的 PUFA-PL 增加），产生了对铁死亡诱导的敏感性。
由于一些其他的独特代谢特征，某些癌症类型也天然易患铁死亡（图 2a）。如前一节所述，在过氧化物酶体中合成的 PUFA-ePL 为脂质过氧化提供了额外底物。透明细胞 RCC (ccRCC) 细胞表现出高PUFA-ePL丰度，可能是由于它们高表达烷基甘油 - 磷酸合酶 (AGPS；参与 PUFA-ePL 合成的关键酶)，使其对铁死亡敏感。在小细胞肺癌 (SCLC) 中，非神经内分泌 SCLC 细胞比神经内分泌 SCLC 细胞对铁死亡更敏感，至少部分的原因是非神经内分泌 SCLC 细胞过表达 ePL 合成酶使其具有高PUFA-ePLs丰度。
最后，研究发现三阴性乳腺癌细胞对铁死亡敏感。这种易感性归因于它们的几种代谢特征，包括它们丰富的多不饱和脂肪酸水平、扩大的不稳定铁池和减弱的 GPX4-GSH 防御系统 。在上述癌症类型中发现的铁死亡敏感性可能为治疗这类难以治愈型疾病提供新的治疗机会。
2
癌细胞的基因突变
抑癌因子的失活通常会增强铁死亡抗性。然而，在某些情况下，抑癌基因突变可能会意外导致癌细胞对铁死亡敏感。E-钙粘蛋白-神经纤维蛋白 2 (NF2)-Hippo 信号轴是此类意外敏感性的一个典型例子。与其他肿瘤抑制因子（例如，促进铁死亡的 p53、BAP1、KEAP1 和 ARF）不同，这条信号轴抑制铁死亡。E-钙粘蛋白介导的细胞间相互作用以 NF2 依赖性方式激活肿瘤抑制信号通路Hippo的传导，并进一步地抑制 Yes 相关蛋白 (YAP) 或具有 PDZ 结合基序 (TAZ) 的转录共激活因子的转录活性，并下调几种表达铁死亡促进因子的基因，从而抑制铁死亡（这显然与 NF2 的肿瘤抑制功能不一致）（图 2b）。
因此，E-cadherin-NF2-Hippo 通路中任何成分的失活都会增加 YAP 或 TAZ 的表达和/或活性，从而使在该通路中存在突变的癌细胞或肿瘤（例如 NF2 突变间皮瘤）特别容易受到 FINs的影响。VHL肿瘤抑制因子是另一个这样的例子。VHL 在大多数 ccRCC 中丢失 。值得注意的是，缺乏 VHL 的 ccRCC 细胞对铁死亡敏感，而野生型 细胞中VHL 的恢复使它们对铁死亡不敏感。VHL 缺陷型 ccRCCs的这种独特铁死亡弱点可能与多种机制有关，其中最主要是 VHL 缺失使低氧诱导因子 (HIF) 变得稳定，然后HIF的稳定通过诱导低氧诱导型脂滴相关蛋白(HILPDA) 的表达来促进 PUFA 合成（图 2b）。
癌基因的激活也可以使癌细胞对铁死亡敏感。具有表皮生长因子受体 (EGFR) 突变的非小细胞肺癌细胞高度依赖胱氨酸，并且对由 SLC7A11 抑制或胱氨酸缺失诱导的铁死亡敏感（图 2b）。有趣的是，胱氨酸通过非依赖于GSH的机制促进 EGFR 突变癌细胞存活 ，这与最近的研究数据一致，表明部分（半）胱氨酸通过非依赖于GSH的机制促进 GPX4 蛋白合成并抑制铁死亡。
另一个例子说明，异柠檬酸脱氢酶 1 (IDH1) 突变的癌细胞表现出致癌代谢物 2-羟基戊二酸 (2-HG) 水平升高，这会降低 GPX4 蛋白水平，使这些癌细胞对铁死亡敏感（图 2b）。总的来说，癌基因的激活和抑癌因子的失活似乎可以抑制或促进铁死亡，当然这取决于具体情况。促进铁死亡可能会导致对铁死亡的敏感性，从而赋予相应类型的癌细胞潜在的治疗靶点。
铁死亡防御的不平衡
铁死亡防御系统可大致分为 GPX4 依赖型和 GPX4 非依赖型， 一种防御类型的低表达或部分失活会使癌细胞高度依赖于另一类型的铁死亡防御系统，因此对由另一种防御类型失活引起的铁死亡高度敏感（而两种防御类型都完整的正常细胞可能不受这种单一类型抑制的影响）（图 2c）。针对不平衡的铁死亡防御的治疗策略类似于合成致死策略，例如，使用聚（ADP-核糖）聚合酶（PARP）的抑制剂来治疗 BRCA1 缺陷型癌症，这种疗法基于细胞依赖于两条平行的 DNA 修复途径，一种需要PARP，另一种需要 BRCA1。
分析表明 FSP1、DHODH 或 GCH1 低表达的癌细胞系，通常比相应基因高表达的癌细胞系更容易受到 GPX4 抑制剂的影响（事实上，FSP1 被确定为在对这种治疗的影响中最具相关性的基因），支持了上述说法。此外，与 FSP1 野生型对照相比，GPX4 基因缺失在 FSP1 敲除的异种移植肿瘤中更有效地减少了肿瘤生长，而这种肿瘤生长的减少归因于铁死亡。由于目前的 GPX4 抑制剂不适合体内研究（参见展望部分的进一步讨论），这一观察结果是否能适用于GPX4抑制剂的肿瘤治疗仍有待确定。
相反，GPX4 低表达的癌细胞更依赖 FSP1 或 DHODH 来防御铁死亡，因此对 FSP1 或 DHODH 失活的铁死亡敏感性比 GPX4 高表达的癌细胞更高。研究发现， 相比于GPX4高表达，DHODH 抑制剂在GPX4低表达的移植瘤模型中抑制肿瘤生长。同样，GPX4 的低表达（与 ALOX5 的高表达一致）使生发中心 B 细胞样弥漫性大 B 细胞淋巴瘤细胞更易被富马酸二甲酯（一种获准用于银屑病治疗的化合物，通过直接 GSH 琥珀酰化消耗 GSH）诱导铁死亡。这些最近的研究结果表明，可以探索参与铁死亡防御过程的基因表达水平是否能作为选择患者的生物标志物，以对不同类型的铁死亡防御针对性的选择FIN进行治疗。
肿瘤微环境中的铁死亡
最近的研究还表明，肿瘤微环境（TME），特别是其免疫细胞，也可以决定肿瘤是否发生铁死亡。TME 中抗肿瘤免疫的主要执行者 CD8+ 细胞毒性 T 细胞，先是分泌干扰素-γ（IFNγ），随后通过下调 SLC7A11 表达并抑制癌细胞中胱氨酸的摄取，从而增强肿瘤中的脂质过氧化程度并诱导铁死亡（图 3）。
图 3
有趣的是，IFNγ 也被证明可以抑制发生在巨噬细胞中的SLC7A11 介导胱氨酸转运，这表明 IFNγ 可以在癌症和非癌症环境中调节 SLC7A11 的表达和/或活性。此外，免疫检查点抑制剂 (ICIs) 和（半）胱氨酸酶协同促进肿瘤铁死亡，并共同增强 T 细胞介导的抗肿瘤免疫反应，这表明铁死亡是T 细胞介导抗肿瘤活性的一种重要方式，并且阻断 SLC7A11 介导的胱氨酸与 ICI 联合使用是一种潜在的癌症治疗策略。
值得注意的是，铁死亡的癌细胞可以释放多种免疫刺激信号，如高迁移率族框1（HMGB1）、钙网蛋白、ATP和磷脂酰乙醇胺，它们促进树突状细胞成熟，增加巨噬细胞吞噬铁死亡癌细胞的效率，并进一步增强CD8+ T 细胞浸润到肿瘤中（图 3）。具体来说，通过释放免疫刺激信号，早期铁死亡细胞（在用 GPX4 抑制剂处理 1 或 3 小时后）可以促进树突状细胞的表型成熟并引发类似疫苗接种的效应来激活抗肿瘤免疫。这些证据支持铁死亡可能可以是一种具有免疫原性的细胞死亡方式。
诱导一些免疫抑制细胞铁死亡也可以增强抗肿瘤免疫力（图 3）。调节性 T (Treg) 细胞是 CD4+ T 细胞的一种免疫抑制亚型，可阻碍免疫系统对肿瘤的免疫监视。这类细胞对铁死亡具有相对抗性，这可能是由于Treg 细胞GPX4过度活化所导致的。相应地，Treg中的GPX4缺失会有助于其诱导铁死亡，从而有助于抗肿瘤免疫。类似地，具有免疫抑制功能的髓源性抑制细胞 (MDSCs) 表现出对铁死亡的抵抗力，这是由 N-酰基鞘氨醇酰胺水解酶 2 (ASAH2) 介导的 p53-血红素加氧酶 1 (HMOX1) 轴的抑制所驱动的。因此，靶向 ASAH2 诱导 MDSC 中的铁死亡会增加肿瘤浸润性细胞毒性 CD8+ T 细胞的活化并促进肿瘤抑制。
此外，肿瘤相关巨噬细胞 (TAM) 主要表现出 M2型以抑制抗肿瘤免疫。值得注意的是，行使免疫抑制功能的M2型TAM 比 M1 更容易受到 GPX4 抑制诱导的铁死亡，因为它们相比促进肿瘤免疫的TAMs缺乏诱导型一氧化氮合酶 (iNOS) 表达和一氧化氮 (NO•) 生成（NO• 可以解毒脂质过氧化物）。因此，在 M2 样 TAM 中诱导铁死亡而不影响 M1 样 TAM 是克服免疫抑制性 TME 和增强癌症免疫治疗效果的潜在策略。
然而，新出现的证据也表明，铁死亡在肿瘤免疫方面具有促肿瘤作用。源自 T 细胞特异性 敲除Gpx4小鼠的 Gpx4 缺陷型T 细胞在 T 细胞活化后会迅速地在细胞膜上积累脂质过氧化物，并发生铁死亡。此外，在肿瘤来源的 CD8+ T 细胞中检测到大量脂质过氧化物，但在淋巴结中未检测到，这表明铁死亡可能是肿瘤特异性 CD8+ T 细胞的代谢弱点。在这种情况下，铁死亡可能会抑制抗肿瘤免疫并促进肿瘤生长。有研究支持这一观点，CD36介导TME 中的肿瘤浸润性CD8+ T 细胞摄取脂肪酸，CD36的表达上调诱导 CD8+ T 细胞中的脂质过氧化和铁死亡，从而损伤抗肿瘤免疫。CD36 的基因敲除或抑制 CD8+ T 细胞中的铁死亡可有效恢复其抗肿瘤活性，而用 GPX4 抑制剂处理的 CD8+ T 细胞仍经历铁死亡并且抗肿瘤活性受损。此外，T 滤泡辅助 (TFH) 细胞是支持抗肿瘤免疫的 CD4+ T 细胞亚群，对铁死亡高度敏感，GPX4 表达对其生存和功能是必需的（图 3）。
然而，应该注意的是，小鼠中的 Slc7a11 敲除或体内胱氨酸缺乏不会降低 T 细胞的活力或抗肿瘤作用，这可以进一步支持通过靶向 SLC7A11和使用ICIs 协同增强抗肿瘤免疫的策略。GPX4 缺失与 SLC7A11 缺失对 T 细胞功能的不同影响的潜在机制仍然难以捉摸，可能与 SLC7A11 在 T 细胞中的低表达（并且这可能是非必须的）有关 。
在癌症治疗中靶向铁死亡
近年来，由于FINs巨大的治疗潜力，它在癌症研究中引起了相当大的兴趣。此外，已经开发了多种纳米材料来从局部水平诱导铁死亡或增强 FINs 的活性。并且越来越多的证据表明，铁死亡至少部分参与了几种常规癌症疗法（包括放疗、化疗、靶向治疗和免疫治疗）的肿瘤抑制作用，并且 FIN 可以通过增强这些疗法诱导肿瘤铁死亡的功效来增强疗效。如下文所述，用 FIN 诱导铁死亡可能是消除特定特征癌症的一种有前途的治疗策略（表 1）。
表 1
1
利用铁死亡的弱点
如前一节所述，铁死亡代表了某些癌症类型的弱点，通过诱导铁死亡来针对这些脆弱点为癌症治疗提供了机会。值得注意的是，在体外，几种类型的癌细胞（如肺癌和乳腺癌）似乎比其相应的正常上皮细胞对铁死亡更敏感。这些数据强调了靶向铁死亡治疗肿瘤存在着治疗空间，可以在肿瘤中选择性地诱导铁死亡，同时保留正常组织。
2
使抵抗型肿瘤对铁死亡重新敏感
如前所述，不同的铁死亡逃避机制赋予了癌细胞对铁死亡的抵抗力。破坏驱动铁死亡逃避的机制，可以重新使抗铁死亡的癌细胞或肿瘤对铁死亡敏感。某些具有致癌活性的基因介导的铁死亡抗性，可以通过抑制基因本身的蛋白质产物的表达或活性来克服。例如，通过破坏转硫途径中 S-a 去糖基同型半胱氨酸水解酶 (SAHH) 的活性来消耗 DJ1，使异种移植肿瘤对抑制SLC7A11 的 FIN 重新敏感。在一些癌细胞中，转硫途径在重新合成半胱氨酸方面具有组成性活性，而在另一些癌细胞中，转硫酶的表达可以通过胱氨酸饥饿诱导。
因此，虽然癌细胞主要依靠 SLC7A11 介导的胱氨酸摄取来产生细胞内的半胱氨酸，但转硫途径仍然可以扩充细胞内的半胱氨酸库，并保护它们免受胱氨酸饥饿诱导的铁死亡。因此，靶向参与转硫途径的酶，例如 DJ1-SAHH 轴、胱硫醚 β-合酶 (CBS) 和甘氨酸 N-甲基转移酶 (GNMT)，可以增强肿瘤对抑制 SLC7A11 的 FIN 的敏感性。另一个例子说明，通过加速丙酮酸氧化和刺激脂肪酸合成来抑制丙酮酸脱氢酶激酶 4 (PDK4) ，可以使异种移植肿瘤对抑制 SLC7A11 的 FIN 重新敏感。
癌基因诱导的铁死亡抗性也可以通过其下游的效应子介导，通过靶向效应子也可逆转铁死亡抗性。例如，PI3K 主要通过 mTOR 复合物 1 (mTORC1) 促进铁死亡抗性，并且 ，mTORC1 抑制剂与抑制SLC7A11 的FIN的联用，在 PIK3CA 突变或 PTEN 突变的异种移植肿瘤中发挥了有效的肿瘤抑制作用。SLC7A11 抑制剂或（半）胱氨酸蛋白酶抑制剂对诱导KRAS 突变肿瘤（包括来自基因工程小鼠模型的肿瘤）消耗半胱氨酸显示出惊人的功效，从而有效地削弱了 KRAS突变所产生的铁死亡抗性（通过增强细胞内的半胱氨酸和GSH水平）。总体而言，靶向赋予铁死亡抗性的关键致癌途径是癌症治疗的重要策略。
3
将铁死亡抑制剂（FIN）与传统癌症疗法结合
研究人员越来越认识到，各种形式的传统癌症治疗手段可以诱导铁死亡。因此，增强这些疗法（例如，使用 FIN）诱导的铁死亡可以进一步增强它们的治疗效果。放疗（RT）通过多种平行机制诱导铁死亡。为了应对RT ，癌细胞会进化出各种适应性反应（例如上调 SLC7A11 或 GPX4 表达），以拮抗 RT 诱导的铁死亡。因此，靶向 SLC7A11 或 GPX4 的 FIN 与 RT 结合可以通过增强铁死亡敏感性，使癌细胞或异种移植对肿瘤放射增敏。同样，化疗药物吉西他滨 (gemcitabine) 可诱导 GPX4 的表达及其活性。抑制GPX4 可以抵消这种作用，并通过诱导铁死亡来增加癌细胞和异种移植肿瘤对吉西他滨的敏感性。同样，靶向 SLC7A11 的 FIN 可使癌细胞对化疗（例如顺铂 (cisplatin) 和多柔比星 (doxorubicin) ）、免疫治疗（例如 ICI）以及与 RT联合使用的免疫治疗敏感。
值得注意的是，对于某些具有内在或获得性治疗抗性的癌症类型，用 FIN 诱导铁死亡可以恢复其对常规治疗的敏感性。肿瘤抑制因子 TP53 或 KEAP1 突变通过上调 SLC7A11 和其他抗铁死亡机制逃避RT 诱导的铁死亡，导致内在的放射治疗抗性。同时，具有获得性放射治疗抗性的癌细胞也表现出 SLC7A11 上调和对铁死亡的抵抗。因此，由FIN 重新激活铁死亡敏感性可以恢复这些癌细胞和异种移植肿瘤对放射治疗的敏感性。同样，可以使用FIN来克服某些癌症的化疗耐受。据报道，通过添加靶向 SLC7A11 的 FIN 可以消除头颈部鳞状细胞癌细胞和相应异种移植肿瘤中的顺铂耐药性。此外，抑制 SLC7A11 的 FIN 在体外逆转了卵巢癌细胞对多西他赛 (docetaxel) 的耐药性。
在上面讨论的案例中，FIN 与常规疗法相结合以克服治疗抵抗。同样，特异性抑制剂也可以与常规疗法相结合，以促进肿瘤中铁死亡的诱导和逆转治疗抗性。具有高 TYRO3 表达的肿瘤对抗 PD1 或抗 PDL1 治疗具有抗性，而金属硫蛋白 1G (MT1G) 的诱导使癌细胞对多激酶抑制剂索拉非尼 (sorafenib) 产生抗性。最近发现，由这些蛋白质诱导的治疗抗性部分是由铁死亡进程阻滞导致的，可以在体内通过抗 PD1 ，或抗 PDL1 治疗与 TYRO3 抑制剂的组合，或索拉非尼与 MT1G 抑制剂的组合，来恢复铁死亡的敏感型以克服其治疗抗性。
总之，癌症对放疗、化疗、免疫治疗和其他靶向治疗的抗性与铁死亡抗性有关，这种表型可以通过使用 FIN 或其他抑制剂恢复铁死亡敏感性来逆转。值得注意的是，FINs，尤其是抑制 SLC7A11 的 I 类 FINs ，与常规治疗的组合似乎仅对正常细胞造成相对有限的毒性作用，并且在临床前模型中显示出良好的耐受性 ，进一步支持了诱导铁死亡的联合治疗策略的临床应用价值。目前正在进行几项临床试验，以测试 FIN 或具有铁死亡诱导活性的抗癌药物单独或与常规疗法联合在癌症患者中的疗效和安全性（例如，NCT04205357、NCT04092647、NCT02559778、NCT03247088）。
展望
铁死亡是一种受到细胞代谢调节的细胞死亡形式。癌细胞中的代谢途径被广泛的重编程，以满足它们增加的生物能量和生物合成需求，并支持它们快速增殖。这种代谢重编程通常会引起独特的代谢特征，例如 PUFA-PLs 的富集、铁的过载和不平衡的铁死亡防御系统，这可以使癌细胞产生针对铁死亡的可靶向弱点，并为发现癌症中的新治疗靶点提供了令人兴奋的机会。
此外，对于表现出内在或获得性铁死亡抗性的肿瘤，针对潜在的抗性机制可以恢复其对铁死亡的敏感性。通过将 FIN 与可以诱导肿瘤铁死亡的常规疗法相结合，可以进一步提高治疗效果；重要的是，这种联合疗法在临床前模型中显示出良好的协同作用和耐受性。然而，为了评估 FIN 在正常组织中的潜在毒性作用，并确定患者的最佳药物剂量和给药的时间安排，彻底的组织学和药理学分析仍然是必不可少的。为了在癌症治疗中发挥铁死亡诱导策略的全部潜力，未来的研究中还有一些问题有待解决。
GPX4 构成了铁死亡最强大的防御机制，并且几种类型的治疗抵抗性肿瘤对铁死亡十分敏感，突出了 GPX4 抑制剂在靶向癌症中铁死亡易感性中的重要性。GPX4 共价抑制剂 ML210 及其最近设计的衍生物（如 JKE-1674）比 RSL3 和 ML162 更具选择性 ；然而，其中的大多数抑制剂在动物模型中表现出较差（或不清楚）的药理特性，限制了它们的临床转化潜力。开发和优化具有改进药代动力学和选择性的 GPX4靶向药物，仍然是在癌症治疗中应用 GPX4 抑制剂的主要挑战。
在这方面，目前可用的几种具有 GPX4抑制活性的体内抗癌制剂，例如 withaferin A 和 altretamine，可能会为解决这个问题提供一些替代方案。此外，考虑到 Gpx4 是小鼠的必需基因， GPX4 的药理学抑制是否可以选择性地杀死肿瘤且不会在正常组织中引起广泛的毒性和患者无法忍受的副作用，还有待确定。
除了癌细胞，TME 中的其他几种细胞类型，包括促进或抑制抗肿瘤免疫的免疫细胞，也可能对铁死亡敏感。因此，如何平衡地利用癌细胞、抗肿瘤免疫细胞和免疫抑制细胞的铁死亡易感性仍然是一个关键的挑战。为了解决这个问题，全面了解癌细胞和各种免疫细胞对铁死亡的敏感性差异的机制非常重要。此外，仍然迫切需要开发能够准确预测肿瘤对铁死亡诱导反应的预测性生物标志物，尤其是那些可以直接在患者体液和活检标本中检测的生物标志物。这些工具对于针对不同患者使用不同类型的铁死亡靶向疗法至关重要。
对铁死亡机制的更深入了解将继续为靶向癌症中的铁死亡提供关键见解。如上所述，细胞质型 GPX4 是否可以定位于线粒体内并抑制线粒体的脂质过氧化，仍有待阐明。最近提出的铁死亡防御的区室化模型还表明，其他细胞器中可能存在额外的铁死亡防御系统。铁死亡研究的另一个关键问题是质膜上的脂质过氧化是否为铁死亡发生的最后一步，是否还有其他未知的下游步骤来触发质膜破裂和铁死亡。观察到用 DHODH 抑制剂处理的 GPX4 敲除细胞中，细胞溶质 GPX4（可以解毒积聚在质膜上的脂质过氧化物）不能抑制线粒体脂质过氧化诱导的铁死亡，这表明质膜脂质过氧化下游存在额外的铁死亡执行机制。了解这些基本问题可能有助于确定癌症治疗的新靶点。
最后，一般认为参与 PUFA-PL 合成和过氧化的蛋白质（如 ACSL4 或 POR）通过为脂质过氧化组成性供应 PUFA-PL 或 ROS，在铁死亡执行中发挥被动作用（与参与其他细胞死亡机制的细胞死亡发挥主动作用的刽子手蛋白相比，例如 caspase、MLKL 和 gasdermin D，这些蛋白在响应生理因素诱导的细胞死亡中发挥积极作用，相应地，他们的激活受到上游信号的严格控制）。这一观点受到最近一项研究的挑战，该研究表明，最初的铁死亡应激信号会激活蛋白激酶 Cβ 异构体 II (PKCβII)，然后磷酸化 ACSL4 并促进 ACSL4 介导的 PUFA-PL 合成和随后的铁死亡，从而形成正反馈循环以放大铁死亡信号。PKCβII-ACSL4 信号轴的衰减通过抑制肿瘤铁死亡来抑制免疫治疗的功效。
这项研究将为未来的研究提供思路，去了解铁死亡执行中涉及的其他调节机制及其与癌症治疗的相关性。我们设想，未来几年将会有一些令人兴奋的新发现，将把我们对这种有趣的细胞死亡机制的机械理解转化为有效的癌症疗法。
转自：解螺旋
如有侵权，请联系本站删除！
