提到肝病，跨不过的铁死亡！

众所周知，肝脏是铁储存的主要部位，在铁过量时肝脏会成为其损伤的主要靶器官，并可导致肝纤维化和肝癌等。而铁的代谢与铁死亡有关，调控铁死亡可以影响肝脏疾病进程。你是否了解其中的调控机制呢？

近日，浙江大学医学院王福俤教授团队与闵军霞教授团队在 Nature 子刊 Cell Death & Differentiation 上发表综述，深度阐述了肝脏在处理营养物质中的生理作用、铁死亡在肝病发病机制中的角色以及靶向铁死亡治疗肝病的潜力[1]。>>>。

铁死亡不同于其他类型的细胞死亡，如细胞凋亡、自噬和细胞焦亡等，铁死亡是一种铁依赖性的细胞死亡形式，并伴随着大量的脂质过氧化。越来越多的研究表明，铁死亡在各种肝病的发病机制中发挥着重要作用，包括血色素沉着症、酒精相关肝病（ALD）、丙型肝炎病毒（HCV）感染、非酒精性脂肪性肝炎（NASH）和肝细胞癌 (HCC) 等。

铁死亡诱导

1、铁代谢失调引发铁死亡

作为人体储存多余铁和合成铁调素的主要器官，肝脏是维持人体内铁平衡的功能基石。当细胞中铁足够时，转铁蛋白结合的铁减少，以限制过量的铁积累。当铁过量时，过量的铁会促进氧化还原活性的非转铁蛋白结合铁（NTBI）。

核受体共激活剂 (NCOA4) 已被证明可以作为一种与铁蛋白结合的受体，将其输送到自溶酶体可释放游离铁。游离铁通过芬顿反应参与活性氧（ROS）的产生，ROS 堆积，最终引起细胞氧化性死亡。

Figure 1. 肝脏中铁的代谢

2、过氧化脂质的积累导致铁死亡

“脂质过氧化”是一个模糊的概念，因为其产物可以通过自氧化（由碳和氧中心自由基介导）或酶催化过程自发形成。含有双烯丙基碳的多不饱和脂肪酸 (PUFA) 对脂质过氧化高度敏感，且多种 PUFA 可能参与铁死亡途径。

而细胞是否经历铁死亡很大程度上取决于来自亚细胞器的交织信号，如线粒体、溶酶体和过氧化物酶体，它们在铁死亡过程中协调 ROS 的产生和脂质氧化。例如，溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶 3 (LPCAT3) 和酰基辅酶 A 合成酶长链家族成员 4 (ACSL4)——它们通过细胞膜中氧化磷脂的积累来驱动铁死亡。

铁死亡诱发多种肝病

1、铁死亡引发急性肝损伤（ALI）

ALI 的特点是患者的肝细胞功能迅速下降。在大多数情况下，ALI 是由药物、酒精、缺血/再灌注损伤（IRI）或病毒性肝炎引起的。但铁死亡抑制剂 liproxstatin-1 (Lip-1) 可显著降低肝脏 IRI 和肾脏 IRI，这表明铁死亡在 IRI 中起重要的致病作用 。

最近，一项涉及人类受试者的研究发现，肝脏供体中升高的血清铁蛋白水平与移植受者的肝损伤风险显著升高有关，并且，使用 Fer-1、α-生育酚和 DFO 等化合物可阻断铁死亡预防肝 IRI。

2、铁死亡增加慢性肝损伤和纤维化

大多数肝纤维化病例归因于慢性乙型肝炎病毒 (HBV) 和/丙型肝炎病毒 (HCV) 感染 。

最近，题为 Characterization of ferroptosis in murine models of hemochromatosis  的研究报道了铁死亡在铁过载时引起的肝损伤和纤维化中的致病作用。研究人员还通过临床数据发现了转铁蛋白可通过阻断铁死亡来预防肝纤维化，这为预防铁死亡引起的肝纤维化提供了可能的治疗靶点。

3、铁死亡和脂肪性肝炎

脂肪变性和脂肪性肝炎是肝病的两种病理表现。最近，在一项小鼠实验中发现，铁死亡与 NASH 早期脂肪性肝炎炎症的发作有关，抑制铁死亡可显著降低 NASH 的严重程度。此外，12/15-脂氧合酶在功能上与过氧化氢-磷脂酰乙醇胺相关的铁死亡有关。花生四烯酸 12-脂氧合酶 (ALOX-12) 通过与乙酰辅酶 A 羧化酶 1 (ACC1) 的相互作用可促进 NASH 的进展。但铁死亡是否在 ALOX-12 介导的 NASH 中起作用仍是一个未解之谜。

铁死亡的调节

1、GSH/GPX4  axis 抑制铁死亡

研究认为 GPX4 是细胞生存的关键，也是铁死亡的核心调控蛋白，GPX4 能降解小分子过氧化物和某些脂质过氧化物，抑制脂质过氧化。如果不能有效地被 GPX4 淬灭，磷脂氢过氧化物能够在过渡金属(如铁)存在的情况下引发催化反应，最终导致细胞死亡。而细胞中 GPX4 表达下调则会对铁死亡更敏感，敲除 GPX4 即可诱导铁死亡发生；相反，若上调 GPX4 的表达，则会产生对铁死亡的耐受。例如，丁硫氨酸亚砜胺 (BSO) 可抑制 GSH 合成、下调 GPX4 活性，导致铁死亡发生。RSL3 可以直接与 GPX4 蛋白结合使其失活，诱导脂质 ROS 产生，导致细胞铁死亡发生。

Figure 2. 全身铁稳态的调节

2、线粒体和 DHODH 抑制铁死亡

线粒体对于维持细胞活力至关重要，因为它们在生物能量学、新陈代谢和各种信号通路中发挥关键作用。线粒体呼吸过程中会产生 ROS，ROS 通过与脂质双层中的 PUFA 反应触发脂质过氧化诱导细胞死亡。在一项研究中，来自美国德克萨斯大学 MD 安德森癌症研究中心的研究人员发现了一个保护线粒体脂质免受氧化损伤的系统。相关研究结果于2021年5月12日在线发表在 Nature 期刊上，论文标题为“DHODH-mediated ferroptosis defence is a targetable vulnerability in cancer”，研究揭示了存在于线粒体中的酶 DHODH 保护细胞免受铁死亡，有助开发出新的抗癌疗法。

3、氧化应激相关转录因子调节铁死亡

铁死亡是一个高度复杂且可修改的过程，需要转录因子来抑制或激活铁死亡相关基因的表达。TP53、NRF2、ATF4、YAP1、TAZ 等多种转录因子在铁死亡中的作用总结于图 3。在这些转录因子中，NRF2 是铁死亡的关键负调节因子。NRF2 的活性由 KEAP1/CUL3/RBX1/E3 泛素连接酶复合物介导。与之相比，在氧化应激下，NRF2 从 KEAP1 解离并转移到细胞核，在那里它激活含有抗氧化反应元件 (ARE) 的靶基因的表达，其中许多已被证明在防御铁死亡中发挥作用。并且 NRF2 的激活可调节 FTH1、FTL1、SLC40A1、ABCB6 和 HMOX1 等铁相关基因，进而促进 GSH 的合成，限制 ROS 的产生，并再生 NADPH。

值得注意的是 p53 蛋白通过两种不同的机制控制铁死亡。

①通过抑制 SLC7A11 基因来促进铁死亡。

②通过负调节二肽基肽酶 4 (DDP-4) 来抑制铁死亡。

在几种癌细胞系中，ATF4（激活转录因子 4）的消耗也被证明会增加 erastin 诱导的铁死亡和 RSL3 诱导的铁死亡。最后，Hippo 通路通过转录调节 TFRC（编码 TFR1）和 ACSL4 基因来促进铁死亡。因此，氧化应激相关转录因子似乎可以协调细胞对铁死亡的敏感性。

Figure 3. 铁死亡过程中涉及的调节信号通路和防御机制

铁死亡诱导剂及抑制剂

1、诱导剂

铁死亡诱导化合物（FINs）被广泛认为是开发新型癌症药物的有希望的方法。根据其作用方式，FIN分为四类。

I 类 FINs 通过抑制 system xc- 消耗细胞内 GSH 来激活铁死亡 ；

II类 FINs 通过与 GPX4 共价结合导致有毒脂质过氧化物的积累并诱导铁死亡。值得注意的是，药物耐受性癌细胞特别容易受到 GPX4 抑制剂的影响；

III类 FINs（如FIN56）通过角鲨烯合成酶 - 甲羟戊酸途径间接抑制和灭活 GPX4，该途径参与线粒体电子传递链，并且还具有内源性亲脂性抗氧化剂的功能；

IV类 FINs 通过引起铁过载或激活血红素氧合酶1 (HO-1) 诱导铁死亡。

Figure 4. 铁死亡的遗传和药理学诱导剂

2、抑制剂

目前主要使用三种方法抑制铁死亡：铁螯合、防止脂质过氧化和清除脂质过氧化物。在这三种方法中，铁螯合剂和亲脂性抗氧化剂是广泛接受的铁死亡抑制剂。铁螯合剂如去铁胺 (DFO)、去铁酮和环吡酮螯合铁并通过限制芬顿反应来防止脂质过氧化的传播。迄今为止，只有少数铁螯合剂获得 FDA 批准或进行临床试验治疗铁过载相关疾病。

Figure 5. 铁死亡的遗传和药理学抑制剂

总结

铁代谢失调与多种肝病的发展有关，包括病毒感染性肝病、铁过载病以及从 NAFLD 到 HCC 的进展。这些肝脏疾病可以使用铁死亡抑制剂或铁死亡诱导剂进行治疗。感染性肝病可以分别使用宿主细胞和病毒的铁死亡抑制剂和铁死亡诱导剂来治疗。

Figure 6. 靶向铁死亡治疗肝病

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参考文献：

1.Chen J, Li X, Ge C, Min J, Wang F. The multifaceted role of ferroptosis in liver disease [published online ahead of print, 2022 Jan 24]. Cell Death Differ. 2022;10.1038/s41418-022-00941-0. doi:10.1038/s41418-022-00941-0

2.Asrani SK, Devarbhavi H, Eaton J, Kamath PS. Burden of liver diseases in the world. J Hepatol. 2019;70:151–71.

3.Luedde T, Kaplowitz N, Schwabe RF. Cell death and cell death responses in liver disease: mechanisms and clinical relevance. Gastroenterology. 2014;147:765–83.

4.Schwabe RF, Luedde T. Apoptosis and necroptosis in the liver: a matter of life and death. Nat Rev Gastroentero Hepat. 2018;15:738–52.

5.Friedmann Angeli JP, Schneider M, Proneth B, Tyurina YY, Tyurin VA, Hammond VJ, et al. Inactivation of the ferroptosis regulator Gpx4 triggers acute renal failure in mice. Nat Cell Biol. 2014;16:1180–91.

6.Gautheron J, Gores GJ, Rodrigues CMP. Lytic cell death in metabolic liver disease. J Hepatol. 2020;73:394–408.

7.Stockwell BR, Friedmann Angeli JP, Bayir H, Bush AI, Conrad M, Dixon SJ, et al. Ferroptosis: a regulated cell death nexus linking metabolism, redox biology, and disease. Cell. 2017;171:273–85.

8.Xie Y, Hou W, Song X, Yu Y, Huang J, Sun X, et al. Ferroptosis: process and function. Cell Death Differ. 2016;23:369–79.

9.Zheng J, Conrad M. The metabolic underpinnings of ferroptosis. Cell Metab. 2020;32:920–37.

10.Nie J, Lin B, Zhou M, Wu L, Zheng T. Role of ferroptosis in hepatocellular carcinoma. J Cancer Res Clin Oncol. 2018;144:2329–37.