在凋亡、自噬、焦亡等各种形式的程序性细胞死亡(Programmed Cell Death, PCD)中，2012年提出的铁死亡作为科研人员的“新宠”，其研究热度居高不下。除了文章呈井喷式增长，近几年各类资助项目中，也频频出现“铁死亡”的身影。作为自带流量的科研“新星”，铁死亡已成为很多科研人员瞄准的新方向。今天小趣系统的梳理铁死亡的发生机制、检测指标及组学方向研究思路，进而帮助各位老师快速了解铁死亡~

铁死亡是一种铁依赖的程序性细胞死亡，由不受限制的磷脂过氧化作用引起的，这一过程的发生主要依赖于代谢产物活性氧(reactive oxygen species, ROS)、含多不饱和脂肪酸链的磷脂(phospholipid containing polyunsaturated fatty acid chain, PUFA-PL)和铁积累的增加。另外，细胞内和细胞间信号、环境压力也可以通过调节细胞代谢和ROS水平，进而间接影响铁死亡（图1）^[1]。

图1 铁死亡概述

作为区别于细胞凋亡、细胞焦亡、细胞自噬的新型的细胞程序性死亡方式，铁死亡在形态学、生物学及基因水平上均呈现出明显的不同（表1）。

表1 4种细胞死亡途径和相关的形态及其生化标志特征^[2]

细胞在正常代谢过程中，一方面可以产生过氧化脂质的底物和氧化剂，另一方面又可以产生防止脂质过氧化的抑制剂。而铁死亡的发生过程必然存在着脂质过氧化，并且阻止这种过氧化脂质积累的天然防御机制必然会受到损害（图2）^[3]。下面我们一起来看看哪些途径会对铁死亡造成影响~

图2 铁死亡调节机制

1. 经典Cystine/GSH/GPX4调节途径

胱氨酸(Cystine)经嵌于细胞膜表面的SLC7A11和SLC3A2二聚体(System Xc-)进入细胞，然后被氧化成半胱氨酸(Cysteine)，然后经谷氨酸-半胱氨酸连接酶(GCLC)和谷胱甘肽合成酶(GSS)催化合成谷胱甘肽(GSH)。谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)作为一种硒蛋白，能够利用GSH能够将细胞中过氧化磷脂(PUFA phospholipid hydroperoxides, PUFA-PL-OOHs)还原成非致命性PUFA磷脂醇(PUFA phospholipid alcohols, PUFA-PL-OHs)，进而起到抵制细胞铁死亡的作用。

Erastin和RSL3代表着前两类铁死亡诱导化合物，前者通过抑制系统 xc-阻止胱氨酸的摄取，引起胞内半胱氨酸耗竭，进而导致膜结构发生破坏导致细胞的死亡；后者通过抑制GPX4发挥作用，使过氧化磷脂堆积，进而诱导细胞铁死亡的发生。

2. 不依赖GPX4途径调节途径

与GPX4作为铁死亡中枢抑制因子的调控途径不同，已经发现的①铁死亡抑制蛋白1(ferroptosis suppressor protein, FSP1)/CoQ10、②二氢乳清酸脱氢酶 (DHODH))和③环GTP水解酶1(GTP cyclohydrolase, GCH1)/四氢生物蝶呤 (BH4)途径可以通过独立于GPX4的方式来抑制铁死亡。

① NAD(P)H/FSP1/CoQ10途径

FSP1是一种CoQ氧化还原酶。从机制上来看，由于FSP1具有NADH：泛醌还原酶活性，能够还原泛醌形成泛醇，直接减少脂质自由基的生成，或促进维生素E的再生，从而抑制脂质的过氧化和铁死亡。

② DHODH途径

DHODH还可以通过产生线粒体内膜中CoQH2从而在线粒体中抑制铁死亡，这是因为CoQH可以作为一种自由基捕获型抗氧化剂(radical trapping antioxidant)来阻止脂质过氧化，从而抑制铁死亡。

③ GCH1/BH4/DHFR途径

GCH1通过其代谢产物二氢喋呤(BH2)和四氢喋呤(BH4)来抑制铁死亡主要通过两个方面的机制抑制铁死亡：1）GCH1 产生亲脂性抗氧化剂BH4，其功能类似于CoQ10以防止脂质过氧化；2）GCH1介导脂质膜环境的重塑从而增加还原CoQ10的丰度，同时消耗铁死亡的诱导因素PUFA-PL。

3. 脂代谢途径

铁死亡最终是由特定膜脂的过氧化作用驱动的，而脂质发生过氧化的倾向取决于其碳氢键的强度。由于在相邻的C=C双键之间存在异常弱的C-H键，因此PUFA特别容易发生过氧化。在酶ACSL4和LPCAT3的作用下，PUFA与磷脂酰乙醇胺(phosphatidyl ethanolamine,PE)结合形成多不饱和脂肪酸的磷脂(PUFA-PE)，后者易受脂氧合酶(LOX)介导的自由基引发的氧化的影响，诱发铁死亡。

4. 铁代谢途径

进入细胞的Fe³⁺被STEAP3还原成Fe²⁺后，会优先形成各种铁结合复合物，参与到各项生理和生化反应中去。多余的Fe²⁺会在细胞中积累，形成不稳定铁池，通过参与芬顿途径诱导ROS的产生，促进脂质过氧化的发生，最终诱发细胞铁死亡的发生。

除了以上所述途径，铁死亡还受到细胞代谢、AMPK信号通路、鲨烯积累等因素的影响。随着研究的不断深入，铁死亡的调控机制不断被丰富~

2022年，纽约哥伦比亚大学铁死亡专家 Brent R, Stockwell 教授在 Cell上发表了一篇关于铁死亡十周年的综述，指出目前如果研究铁死亡需要鉴定的主要标志物和基因，主要包括：（1）脂质过氧化标志物，（2）线粒体特征 ，（3）基因检测，（4）TfR1亚细胞定位变化检测。四种标志物至少要检测三种，其中脂质过氧化是必须要检测的选项。

检测脂质过氧化的方法包括：

（1）硫代巴比妥酸反应物质(TBARS)测定法；

（2）LC-MS/MS直接检测氧化脂质异前列腺素及脂质组；

（3）C11-BODIPY荧光探针检测脂质氧化物水平；

（4）通过抗体检测脂质过氧化的产物或产物的加合物，例如抗HNEFerAb抗体、HNEJ-1抗体和抗丙二醛(MDA)加合物1F83抗体。

通过LC-MS/MS能够检测到更多的脂质物质及脂质氧化产物，百趣能够提供脂质组及氧化脂质组检测，助力铁死亡组学研究。除此之外，还能基于质谱技术对谷胱甘肽以及铁含量进行绝对定性定量分析~

 图3 铁死亡标志物

参考文献：

[1]. Jiang X, Stockwell BR, Conrad M. Ferroptosis: mechanisms, biology and role in disease. Nat Rev Mol Cell Biol. 2021 Apr;22(4):266-282. doi: 10.1038/s41580-020-00324-8. Epub 2021 Jan 25.

[2]. Tang D, Kang R, Berghe TV, Vandenabeele P, Kroemer G. The molecular machinery of regulated cell death. Cell Res. 2019 May;29(5):347-364. doi: 10.1038/s41422-019-0164-5. Epub 2019 Apr 4.

[3]. Stockwell BR. Ferroptosis turns 10: Emerging mechanisms, physiological functions, and therapeutic applications. Cell. 2022 Jul 7;185(14):2401-2421. doi: 10.1016/j.cell.2022.06.003.

[4]. Yang F, Xiao Y, Ding JH, Jin X, Ma D, Li DQ, Shi JX, Huang W, Wang YP, Jiang YZ, Shao ZM. Ferroptosis heterogeneity in triple-negative breast cancer reveals an innovative immunotherapy combination strategy. Cell Metab. 2023 Jan 3;35(1):84-100.e8. doi: 10.1016/j.cmet.2022.09.021.Epub 2022 Oct 17.

[5]. Lv P, Liu F. Heme-deficient primitive red blood cells induce HSPC ferroptosis by altering iron homeostasis during zebrafish embryogenesis. Development. 2023 Oct 15;150(20):dev201690. doi: 10.1242/dev.201690. Epub 2023 Jun 15.