神经外科

神经细胞铁死亡在脑出血中的机制研究与展望

作者:佚名 来源:中风与神经疾病杂志 日期:2020-10-14
导读

         脑出血(Intracerebralhemorrhage,ICH)已成为全球每年影响数百万人生命的高发病率和死亡率的疾病之一。虽然治疗ICH的药物和方法已经取得了较大的进展,但发现新的神经细胞死亡机制,探求新的干预靶点和手段仍是治疗ICH、减少病死率、致残率亟需解决的问题。 1.铁死亡的概述 Ferroptosis即铁死亡,2012年由Dixon等首次提出。Dixon团队研究发现致癌的RAS选择性

关键字:  神经细胞 

        脑出血(Intracerebralhemorrhage,ICH)已成为全球每年影响数百万人生命的高发病率和死亡率的疾病之一。虽然治疗ICH的药物和方法已经取得了较大的进展,但发现新的神经细胞死亡机制,探求新的干预靶点和手段仍是治疗ICH、减少病死率、致残率亟需解决的问题。

1.铁死亡的概述

        “Ferroptosis”即铁死亡,2012年由Dixon等首次提出。Dixon团队研究发现致癌的RAS选择性致死小分子爱拉斯汀(Erastin)能够引发一种独特的铁依赖形式的细胞死亡,这种特殊形式的细胞死亡不会被caspase依赖性凋亡,自噬以及其他细胞死亡形式的抑制剂阻断,而是被铁螯合剂以及一些亲脂性抗氧化剂,脂质过氧化抑制剂等显著抑制。铁死亡不同于其他形式的细胞死亡,在形态学上,发生铁死亡的细胞表现为线粒体体积缩小、双层膜密度增加,线粒体嵴减少或消失。

        在生化水平上,谷胱甘肽(γ-glutamylcysteinylglycine,GSH)耗竭,谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathioneperoxidase4,GPX4)活性下降,二价铁离子以类似芬顿(Fenton)反应的方式产生大量活性氧簇(reactiveoxygenspecies,ROS),脂质氧化物不能经GPX4催化的谷胱甘肽还原反应代谢,继而氧化膜脂质,促使细胞膜完整性缺失,发生铁死亡。

2.铁死亡与脑出血

        脑出血(ICH)是死亡率最高的脑卒中亚型。ICH后,除了血肿导致的最初物理压迫外,血肿释放的过量血红蛋白和铁在脑实质中积累,导致铁和脂质代谢紊乱,加速神经毒性。研究发现脑出血后的继发性损伤不仅是由铁离子催化氧化反应产生的大分子物质随机破坏的结果,而且还会引发一种程序性的死亡,即铁死亡。Zille等发现ICH后神经细胞存在铁死亡的药理学改变和分子学特征。

        Li等也用透射电镜在血肿周围神经细胞内发现铁死亡特征性线粒体形态萎缩,可为脑出血后铁死亡的发生提供强有力的证据。Zhang等在利用胶原酶诱导的ICH模型中也发现了铁死亡,并证实使用Ferrostatin-1可以预防在培养的海马切片中,血红蛋白引起的神经元铁死亡和铁沉积。同时在脑出血的体内模型中观察到TUNEL标记的DNA内切核裂解;在体外模型中观察到暴露在血红素诱导下的细胞质膜的溶解,前者代表铁死亡另一重要特征,后者是铁死亡发生的重要步骤。因此限制铁死亡相关的病理过程与减少脑损伤和改善ICH患者的生活质量密切相关。

3.脑出血过程中影响铁死亡的主要因素

        3.1铁代谢

        虽然神经细胞铁死亡的机制网络尚不明确,但铁代谢障碍被认为是铁死亡的关键因素。通常Fe2+被二价金属转运体1(divalentmetaltransportor1,DMT1)转运吸收进入肠上皮细胞,也可以通过血红素载体蛋白以血红素形式吸收进入细胞。后经铜蓝蛋白(ceruloplasmin,CP)氧化为Fe3+,与膜上完全不含铁的转铁蛋白(apotransferrin,ApoTf)结合,形成Tf-Fe3+复合物,后由膜转铁蛋白受体(transferrinreceptor,TFR)识别并结合,形成转铁蛋白(transferrin,Tf)复合物,内吞进入细胞,由于质子进入核内体的主动运输使腔内pH值降低,导致复合物中的Fe3+被释放,ApoTf和TfR被回收到细胞膜,重新开始识别游离铁和转铁蛋白络合物。

        释放的Fe3+必须经过十二指肠酶细胞色素b还原酶(Dcytb)将其还原为Fe2+或被STEAP家族还原酶的6个跨膜上皮抗原成员还原为Fe2+后经DMT1或铁代谢调节因子锌铁调控蛋白(ZRT/IRT-likeproteins,ZIP)家族中的两种蛋白(ZIP8/14)转运进入胞质不稳定铁池(labileironpool,LIP)才能被机体所利用。其中大部分铁存于血红蛋白中以供氧运输,另外一部分以铁蛋白的形式储存,铁池中的铁也用于线粒体氧化磷酸化。

        多余部分Fe2+则由膜铁转出蛋白(ferroportin,Fpn)转出细胞,在十二指肠的基底外侧由膜铁转运辅助蛋白(hephaestin,HEPH)或CP将转出细胞的Fe2+转化为Fe3+,然后与ApoTf结合重新进入循环。然而过量Fe2+,可大大加速人体内饱和脂肪酸的脂质过氧化,对线粒体电子传递链产生活性氧的酶(如NADPH氧化酶、脂氧合酶)造成影响,进而产生活性氧(ROS),铁沉积所引起的氧化反应若超过细胞的抗氧化能力水平则可导致氧化应激信号的启动,直接或间接地引起大分子的物质如蛋白质、核酸和脂质损伤,导致细胞损伤或死亡。另外铁调素(Hepcidin)是一种肽激素,主要在肝脏中产生。其表达在转录水平受到铁水平、促红细胞生成素水平以及细胞环境的影响。Hepcidin翻译后与Fpn的结合会引起Fpn的降解,从而抑制铁的输出。

        PCBP家族蛋白(poly-(rC)-bindingprotein,PCBP)和核受体共激活因子4(cargoreceptor,NCOA4)也被报道对铁蛋白结合铁的释放至关重要。PCBP1和PCBP2被认为是细胞质铁伴侣,它们负责将铁运送到铁蛋白,供铁代谢、储存、转运使用。NCOA4被认为是介导铁蛋白自噬的相关蛋白,在铁蛋白自噬过程中起重要调节作用。研究发现铁毒性引起的ICH早期脑损伤可以被铁螯合剂改善,使用铁螯合剂(去铁胺、2,2'-联吡啶或VK-28)可以减少铁的积累,减轻灰白质损伤,改善功能预后,虽然铁离子加速铁死亡的具体机制尚不清楚,但铁螯合剂已被证实可抑制铁离子捐赠电子到氧气以形成ROS。

        另外在胶原酶诱导的血管损伤的体内模型中,在损伤部位或远端直接注射铁卟啉菌抑制剂可减少受损细胞的数量和损伤的大小,改善动物的神经功能。因此脑出血患者可以从减少Hb和Fe2+诱导的毒性中受益。另外研究发现大鼠脑出血模型中DMT1表达水平增高,DMT1是铁代谢中唯一向胞内转运铁的蛋白,其表达增高可直接导致胞内铁含量增加。

        张红霞等通过观察大鼠蛛网膜下腔出血(subarachnoidhemorrhage,SAH)后DMT1的表达变化及铁死亡情况发现,DMT1的表达增高可引起铁含量增高、脂质过氧化产物MDA增高以及GPX4的持续减少,引起铁死亡的发生,而DMTI的抑制剂依布硒林可以减少细胞内铁、MDA含量,增加GSH含量和提高GPX4活性,改善脑水肿和神经功能评分,其机制很可能是减少了铁向胞内的转运继而减轻铁死亡,从而对SAH后早期脑损伤起到保护作用。

        在转录水平上,ApoTf和TfR从细胞外环境中将铁输入细胞内的过程也受到主要转录因子铁反应元件结合蛋白2(ironresponseelementbindingprotein2,IREB2)的调节,当其基因沉默后,不仅影响铁的摄入,还能够使铁蛋白重链和轻链表达增加,降低细胞内铁含量,抑制Erastin诱导的铁死亡。Chang等发现,脑出血小鼠模型口服表儿茶素(EC)具有神经保护作用,EC可以减少ICH小鼠模型的早期脑损伤,降低病变体积,改善神经系统的缺陷,其作用机制除了通过Nrf2信号通路提供神经保护之外,还通过非Nrf2依赖途径降低HO-1水平和脑铁沉积,并调控铁死亡相关基因,使脑出血后6hIREB2mRNA水平下降20%。

        Reed等的研究发现铁调节蛋白2(IRP2)表达通过减少TfR的表达减少铁的吸收,通过诱导铁蛋白的表达增加游离铁的储存,因此,IRP2在防止细胞铁超载中起保护作用,可能潜在地抑制铁死亡。因此,调控细胞铁代谢和铁蛋白自噬的相关受体是调控铁死亡的重要节点之一。

        3.2脂质过氧化

        细胞的氧化还原状态取决于细胞生成的活性成分与细胞本身的抗氧化防御系统之间的平衡。活性氧(ROS)、活性氮(RNS)和活性脂(RLS)等活性物质在介导正常细胞生理活性和信号传导中起着重要作用;过多的活性物质可以靶向细胞内大分子物质导致功能障碍。其中ROS和RNS与血浆或细胞器膜多不饱和脂肪酸(polyunsaturatedfattyacids,PUFAs)发生反应产生脂质过氧化物就是引起脂类大分子损伤的一个重要例子。其中脂质过氧化产生的RLS包括4-羟基-2-壬烯醛(4-hydroxy-2-nonenal,4-HNE)和丙二醛(malondialdehyde,MDA),与多种疾病的发生有关,其中包括癌症、卒中、神经变性疾病、心血管疾病和肝病等。

        一般来讲抗氧化剂,如超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)是抵御过量ROS的第一道防线。然而,在过量Fe2+存在的情况下,H2O2可以通过芬顿反应产生羟基自由基(OH-),促进PUFAs如(花生四烯酸/肾上腺酸(arachidonicacid,AA/adrenicacid,AdA))在细胞膜上的氧化。AA/AdA必须被酯化成膜磷脂才能传递铁死亡信号,因此,负责AA/AdA自由扩散以及活化和酯化进入磷脂(PLs)的分子途径都会影响细胞膜脂质过氧化的敏感性。

        Agmon等研究发现酯酰基辅酶A合成酶长链家族成员4(Acyl-CoAsynthetaselong-chainfamilymember4,ACSL4)可以催化AA/AdA成为花生四烯酸/肾上腺-COA,(adrenicacid/arachidonicacid-CoA,AA/AdA-CoA),溶血卵磷脂酰基转移酶3(lysophosphatidylcholineacyltransferase,3LPCAT3)可以将AA/AdA-CoA插入到溶血磷脂Lyso-PE,参与磷脂酰乙醇胺-多不饱和脂肪酸(phosphatidylethanolamine-adrenicacid/arachidonicacid,PE-AA/AdA)等膜磷脂的合成。磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine,PE)是被氧化并驱使细胞朝向铁死亡发生的关键磷脂。在ALOX15存在的情况下,可将PE-AA/AdA进一步氧化成双/三氧化磷脂酰乙醇胺(PE-AA/AdA-OO(O))。

        目前认为PL-OOH的积累是铁死亡的一个重要特征,GPX4使用两个GSH分子作为电子供体,可将脂质过氧化氢(LOOH)还原为脂质醇(LOH),从而减少对膜功能的损害。目前在人类和小鼠脑出血后均可观察到脂氧合酶和脂质过氧化物的增加。其中环加氧酶-2(cyclooxygenase-2,COX-2)是催化体内AA合成前列腺素(PG)步骤中的限速酶。Li等在胶原酶诱导小鼠ICH模型中观察到,前列腺素内过氧化物合酶2(productcyclooxygenase-2,PTGS2)编码的COX-2在ICH后神经元高度表达,在小鼠脑出血病灶原位或脑室注射Ferrostatin-1后血肿周围组织脂质氧自由基和COX-2的产生被抑制,减少了ICH后的继发性脑损伤,为ICH患者提供了潜在临床治疗。

        另外研究表明GPX4抑制与COX-2和脂氧合酶(即ALOX15)的表达增加有关,同时ALOX15抑制剂Zileuton也能保护HT22细胞免受Erastin诱导的铁死亡。另外据报道,ALOX15通过与细胞内各种细胞器的膜结合参与细胞器的程序性降解,并进一步在体外发现ALOX15与线粒体结合,导致膜解体和ROS的产生。因此通常COX-2和ALOX15也都被认为是脂质过氧化和铁死亡的标志物。另外还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamideadeninedinucleotidephosphate,NADPH)作为GSH还原酶的辅酶,在其存在下,GSH还原酶可将GSSH还原为GSH,调控铁死亡,同时还发现在铁死亡过程中产生的ROS与NADPH氧化酶(nicotinamideadeninedinucleotidephosphateoxidase,NOXs)增强相关。

        此外,ACSL4的缺乏可防止RSL3诱导的线粒体外膜破裂。因此还原剂NADPH和ACSL4的低水平也都是与增强的铁死亡敏感性相关的生物标志物。因此调控脂质代谢过程中的酶和提高细胞抗氧化作用是调节铁死亡的另一个潜在靶点。

        3.3谷氨酸代谢

        胱氨酸/谷氨酸反向转运蛋白系统(SystermXc-)是由溶质载体家族3成员2(SLC3A2/4F2hc)和溶质载体家族7成员11(SLC7A11/xCT)两个亚基以二硫键结合形成的异二聚体,是细胞内重要的抗氧化体系。在细胞外氧化状态下,胱氨酸(cystine,Cys)通过浓度驱动的、非Na+依赖的SystermXc-系统以1∶1的比率与谷氨酸(glutamate,Glu)进行交换,Cys摄取入胞内,并被迅速还原成半胱氨酸,参与胞内GSH的合成;GPX4作为哺乳动物中修复脂质细胞氧化损伤的硒蛋白,可使用两个GSH分子作为电子供体,将磷脂过氧化氢(PL-OOH)还原为无毒脂醇(L-OH),保护细胞膜结构及功能不受损害,同时将胞内GSH转化为氧化型谷胱甘肽(GSSG)。GSH耗竭诱导GPX4失活,会增加细胞内脂质过氧化导致铁死亡。

        Zhang等研究表明,在脑出血急性期GPX4的表达明显减少,增加GPX4水平可使神经元免于铁死亡,改善预后;并进一步证明GPX4的基因过表达可以显著提高GPX4的水平,缓解脑出血后的氧化应激状态和神经功能缺损;相反使用特异性抑制剂或基因敲减抑制GPX4水平会加速脑出血后脑损伤。另有研究表明半胱氨酸可以促进GSH的产生,细胞渗透性半胱氨酸类似物N-乙酰半胱氨酸(N-acetyl-cysteine,NAC)可以中和花生四烯酸依赖的ALOX15催化所产生的毒性脂质,进而保护脑组织免受脑出血相关细胞铁死亡的影响。

        另一方面SystermXc-对细胞外谷氨酸的浓度异常敏感,文献表明在各种脑损伤情况下神经细胞外谷氨酸浓度均明显升高,进而抑制SystermXc-的转运作用,使胞内GSH明显减少,引发细胞铁死亡。同时,谷氨酸还有神经递质的作用,谷氨酸水平过高会导致谷氨酸受体过度刺激导致兴奋性毒性和神经细胞死亡。Castillo等对124例自发性脑出血患者进行研究结果表明,脑出血患者的预后与谷氨酸的浓度密切相关。另外谷氨酸的浓度还与脑出血的残腔体积和不良的神经功能有关。因此如何降低细胞外谷氨酸的积累,调节谷氨酸代谢以及提高细胞内的抗氧化能力是减轻铁死亡的又一关键环节之一。

        3.4线粒体功能损伤

        线粒体是细胞内最重要的细胞器之一,虽然线粒体在铁死亡中明显受损,但有证据表明线粒体并没有驱动细胞铁死亡过程。缺乏线粒体的细胞对铁死亡仍然敏感。研究表明线粒体外膜破裂是一个晚期事件,与细胞裂解密切相关,而线粒体以外的脂质过氧化作用发生在线粒体脂质过氧化之前。然而对于靶向线粒体的抗氧化作用说法也不尽相同,有研究表明线粒体靶向的活性氧清除剂(mitoquinone,MitoQ)可以从RSL3毒性中拯救神经元细胞。而线粒体靶向的自由基清除剂却被相反地被报道为疗效欠佳。

        Krainz等研究结果表明,在缺血/再灌注诱导的组织损伤、急性肾损伤和其他涉及铁死亡途径的病理中,防止线粒体脂质氧化可能会提供一个可行的治疗机会。而且线粒体靶向的XJB-5-131,JP4-039以及其他硝基类脂质过氧化缓凝剂是一种有效的铁死亡抑制剂。另外线粒体铁代谢在一定程度上与铁死亡发生有关。MitoNEET又称CISD1,是一种含铁的线粒体外膜蛋白,参与线粒体的铁输出。

        敲除MitoNEET会加剧Erastin的毒性,增加线粒体铁含量和脂质过氧化作用,而MitoNEET的稳定减弱了Erasin毒性,降低了线粒体脂质过氧化作用。另外电压依赖性阴离子通道(voltage-dependentanionchannels,VDACs),也被称为膜孔蛋白,是真核细胞输送离子和代谢物的跨膜通道,其在线粒体外膜上分布较多。Erastin可以与线粒体外膜上的VDAC2和VDAC3结合,改变膜的通透性。除此之外,Erastin也可改变VDAC的离子选择性,导致通道只允许阳离子进入线粒体内,引起线粒体功能障碍和氧化剂释放,最终导致细胞死亡。

        线粒体铁蛋白(Mitochondrialferritin,FtMt)是位于线粒体中的一种储存铁的蛋白质,最新研究表明FtMt可显著调节细胞铁代谢,其过度表达可显著抑制神经母细胞瘤细胞中Erastin诱导的铁死亡发生。研究发现铁死亡中FtMt的保护作用体现在对VDAC2/3表达的抑制和NOX2的抑制。NOX2活化作为ROS生成的主要NADPH氧化酶异构体,可以显著促进中枢神经系统的病理氧化应激。该研究揭示了FtMt对Erastin诱导的铁死亡的保护作用。因此靶向线粒体铁代谢也为识别神经细胞中抑制铁死亡的新靶点提供了新思路。

4.脑出血过程中铁死亡相关的分子调控

        4.1Nrf2-ARE

        细胞铁死亡的发生与铁稳态、氧化还原稳态的失调关系密切。除了GPX4,核因子相关因子2(nuclearfactorerythroid-2-relatedfactor2,Nrf2)在调节脑出血后氧化反应,减轻氧化损伤方面也起重要作用。通常情况下细胞内Nrf2主要通过与三种不同的E3泛素连接酶(KEAP1-CUL3-RBX1、SCF/β-TrCP、synoviolin/Hrd1)形成复合物保持较低水平。

        由于基因突变、氧化应激,其他因子的竞争性结合,或外源性药物抑制,会使这些复合物的形成受到影响,进而引起Nrf2释放,并转位到细胞核以启动抗氧化反应元件(antioxidantresponseelement,ARE)激活一组细胞保护基因的转录,抵抗毒性损伤。有研究表明Nrf2核积累可以减少脑出血早期的脑损伤,并进一步证实在脑出血后72h,Nrf2基因敲除小鼠较野生型小鼠脑出血诱导的病变体积更大,铁超载细胞更多。

        Nrf2不仅参与氧化还原稳态的调节,其在铁稳态调节以及血红素代谢方面也起重要作用。参与铁储存的蛋白如轻链铁蛋白和重链铁蛋白(lightchain/heavychainofferritin,FTL/FTH1),以及参与铁输出的Fpn均由Nrf2调控。此外,对血红素代谢起重要调节作用的血红素加氧酶1(hemeoxygenase1,HMOX1)、铁螯合酶以及血红素转运体溶质载体家族48成员A1(solutecarrierfamilymember48memberA1,SLC48A1)均受到Nrf2的上调。另外与铁死亡发生相关的两个最关键的靶点SystermXc-和GPX4,已被确定也由Nrf2调节,其抑制可直接引发铁死亡。此外,Nrf2在调节线粒体功能方面也起着重要作用,Nrf2可以与线粒体结合,从而监测和响应线粒体功能的变化。

        Nrf2还调节线粒体动力学,包括生物合成,以及线粒体自噬(通过P62依赖的,PINK1/Parkin独立机制)。另外线粒体靶向抗氧化剂MitoQ的保护作用也涉及Nrf2激活。因此,靶向Nrf2在以脂质过氧化和铁死亡为特征的疾病中仍然是一种非常可行的方法。

        4.2p53

        典型的肿瘤抑制因子p53在拮抗脑出血大鼠神经细胞凋亡中发挥重要作用,最近大量研究表明p53也是调控铁死亡的重要转录介质,实验研究发现p53可以负性调节SystermXc-的亚基(SLC7A11)的转录,使其对铁死亡敏感,其能力与应用药物抑制SCL7A11导致铁死亡效果相当。

        另一方面,p53依赖的p21(CDKN1A)的转录,以及p53依赖的DPP4的核聚集,似乎也可以通过保持氧化还原平衡来抑制铁死亡。在机制上,p53-p21通路的激活很可能通过提高GSH水平抑制毒性脂质ROS的积累,来抑制铁死亡。但关于p21是如何促进GSH的合成的还不清楚。关于p53是如何在铁死亡过程中发挥作用的,OU等做了进一步实验,鉴定了SAT1(编码spermidine/spermineN1-acetyltransferase1)基因作为p53的转录靶点,可以增加ALOX15的表达。ALOX15是将氧化应激转化为铁死亡脂质过氧化的核心介质。

        然而,尽管发现了SAT1与ALOX15诱导表达的相关性,但SAT1调控ALOX15表达的确切机制仍不清楚,推测SAT1可能通过影响细胞多胺水平间接调控ALOX15的表达。然而p53是否在其基础活性之外激活才会对脑出血后铁死亡产生影响以及p53是怎样与ROS相互作用的还有待于进一步考究。

        4.3NCOA4

        核受体共激活因子4(cargoreceptor,NCOA4)被认为是介导铁蛋白自噬的相关蛋白。铁蛋白可以抑制过量的胞浆铁,从而赋予氧化应激下的细胞保护功能。而铁蛋白自噬是铁储存蛋白的一种自噬降解,在缺铁期间维持体内铁的平衡。铁死亡的触发被证明是过度激活了铁蛋白的自噬,在铁蛋白分解代谢的过程中增加了不稳定铁池中的铁含量,促进了ROS的积累,从而诱发铁死亡;抑制NCOA4可以抑制铁蛋白降解,从而抑制铁死亡。

        有研究表明蛛网膜下腔出血后早期自噬被激活,自噬可能通过降解神经元内铁蛋白,增加神经元内游离铁和脂质过氧化物含量,从而促进神经元铁死亡,加重蛛网膜下腔出血后的脑损伤。

        4.4Mevalonatepathway(甲戊二羟酸途径)

        硒元素是GPX4生物合成的元素之一,GPX4有一个硒代半胱氨酸活化位点(Sec),硒元素可以通过调节GPX4的丰度和活性调控铁死亡的发生,甲戊二羟酸途径的抑制剂,如他汀类药物已被证明可以干扰Sec和细胞培养中GPX4的生物合成进而影响铁死亡的发生。除此之外,在脑出血模型中研究发现单纯的脑室硒给药,可以增强GPX4的表达,抑制GPX4依赖性的铁死亡,显著改善脑出血大鼠的行为缺陷;全身应用脑渗透剂硒肽也可以激活其稳态转录,抑制细胞死亡,促进出血性卒中后的功能恢复。

        对GPX4的详细启动子分析表明,TFAP2c/Sp1是铁依赖性刺激或硒给药的驱动转录因子。TFAP2c/Sp1能感觉到细胞“硒”或硒代半胱氨酸的药理学变化,含硒的半胱氨酸肽Tat-SelPep可以通过与TFAP2c/Sp1的DNA结合来增强GPX4等硒蛋白和转录程序中的含有硒的其他基因转录,促进保护脑出血后脑细胞免受铁死亡影响,改善小鼠出血性卒中。另外甲戊二羟酸途径还可以产生辅酶Q10(coenzymeQ10,CoQ10),CoQ10通过在细胞膜上发挥抗氧化功能而成为铁死亡的内源性抑制剂。

        4.5Thetranssulfurationpathway(转硫途径)

        除了细胞外摄取半胱氨酸,某些哺乳动物细胞还能利用蛋氨酸作为硫供体,通过转硫途径,利用中间体同型半胱氨酸和胱硫醚合成新生半胱氨酸。因此绕过SystermXc-,所以此类细胞可抵抗SystermXc-抑制所导致的铁死亡。研究表明半胱氨酸-tRNA合成酶(CARS)的敲减可以防止脂质过氧化产物的生成,抑制Erastin诱导的铁死亡,而对铁稳态无影响。进一步研究发现CARS的缺失可诱导转硫途径,并抑制由胱氨酸缺乏引起的细胞铁死亡。

        由此可见转硫途径在铁死亡的发生中也起重要作用。但目前该途径在脑出血模型中的作用研究还很少。转硫途径是否在脑出血中有重要意义,以及发生条件还有待于进一步研究。

        4.6HIF和ATF4

        研究表明铁螯合剂是通过靶向铁依赖性酶-低氧诱导因子脯氨酰羟化酶(thehypoxia-induciblefactorprolylhydroxylases,HIF)防止谷氨酸或氯化血红素诱导的脑出血体外模型中神经元铁死亡,而不是通过抑制芬顿反应。HIF是亮氨酸拉链转录因子(activatingtranscriptionfactor4,ATF4)依赖的前体转录所必需的酶。ATF4是氧化稳态及细胞存活的关键调节因子。在皮质神经元中,铁死亡可以诱导ATF4,以及与细胞死亡相关的基因的转录。

        在脑出血48h内,ATF4在血肿周围脑组织神经元中表达显著升高,72h达到高峰,其作为PERK通路的下游因子参与脑出血后内质网应激与自噬发生。另有研究表明在原发性脑瘤(WHOIII级和IV级胶质瘤)中ATF4的表达促进了肿瘤细胞的恶性程度和神经元损伤。而siRNA介导的ATF4的敲除减弱了这些胶质瘤的恶性特征。进一步的实验表明,ATF4可以以SystemXc-依赖性的方式介导神经细胞铁死亡。但HIF是否催化ATF4形成参与脑出血后神经细胞铁死亡,以及ATF4本身在脑出血后神经元损伤中除了介导内质网应激和自噬,是否介导铁死亡等问题还有待于进一步深入研究。

5.不足与展望

        铁死亡是最近才被描述的一种新型细胞死亡现象,以往关于铁死亡的研究多数集中在肿瘤疾病、神经退行性疾病、脑、心脏,肾脏等缺血性疾病,对于脑出血后铁死亡的研究仍然处于初步阶段。目前对于铁死亡的研究还缺乏像细胞凋亡(如caspases家族激活)、自噬(如自噬溶酶体形成)等特异性的标志物来反应铁死亡发生。

        同时关于它的机制和调节因素,还有很多没有被发现,我们只是通过查阅文献发现脑出血中有神经细胞铁死亡这种现象存在,同时还发现一些参与调节铁死亡的通路和因子,但哪些在脑出血后神经细胞铁死亡中发挥主要作用,是否还存在其他途径的调控?仍有诸多疑惑有待解决。脑出血后神经细胞铁死亡的发现对于提高出血后神经细胞存活率,改善脑出血患者预后无疑是一种福音,但如何识别铁死亡下游信号或铁依赖性ROS的执行途径,找到干预的确切靶点仍是后期研究的重点。

        来源:李明月,邹伟.神经细胞铁死亡在脑出血中的机制研究与展望[J].中风与神经疾病杂志,2020,37(07):658-662.

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