本文是一篇综述，选自nature  review

摘要：调节细胞死亡过程的发现促进了癌症治疗的进展。在过去的十年中，铁死亡，一种由过度脂质过氧化驱动的铁依赖形式的调节性细胞死亡，与各种类型肿瘤的发展和治疗反应有关。实验试剂(如erastin和RSL3)、批准的药物(如索拉非尼、柳氮磺胺吡啶、他汀类和青蒿素)、电离辐射和细胞因子(如IFNγ和TGFβ1)可诱导铁死亡和抑制肿瘤生长。然而，铁死亡性损伤可以在肿瘤微环境中引发炎症相关的免疫抑制，从而促进肿瘤生长。铁死亡对肿瘤生物学的影响程度尚不清楚，尽管一些研究发现了癌症相关基因(如RAS和TP53)突变、编码参与应激反应途径(如NFE2L2信号传导、自噬和缺氧)的蛋白质的基因突变、上皮-间充质转化与激活铁死亡的治疗反应之间的重要相关性。在这里，我们介绍了铁死亡的关键分子机制，描述了铁死亡和肿瘤相关信号通路之间的相互作用，并讨论了铁死亡在全身治疗、放射治疗和免疫治疗中的潜在应用。

大多数癌症治疗策略旨在选择性地消除癌细胞，而不伤害非恶性细胞。调节性细胞死亡(RCD)过程的不同致死子程序不同地影响肿瘤进展和对治疗的反应。与意外细胞死亡相比，RCD由特定的信号转导途径控制，这些途径可以通过药理学或遗传干预来调节。最广泛研究的RCD类型是细胞凋亡、焦亡、坏死和铁死亡，每一种都有独特的分子机制。死亡受体和线粒体途径是凋亡激活的两种最常见的机制，一个称为胱天蛋白酶的细胞内蛋白酶家族负责这些形式的RCD的效应期。焦亡也是一个半胱天冬酶依赖的过程，其效应期需要半胱天冬酶1或半胱天冬酶11介导的gasdermin D的裂解来释放其N端结构域，从而可以寡聚化并在质膜中形成孔。坏死的发生没有半胱天冬酶的激活，而是涉及其他效应分子，如假激酶MLKL，由RIPK3介导的磷酸化激活。

铁死亡这个术语是在2012年提出的，指的是一种由无限制的脂质过氧化和随后的质膜破裂引起的铁依赖性RCD。铁死亡可通过外在或内在途径诱发。外源途径是通过抑制细胞膜转运蛋白如胱氨酸/谷氨酸转运蛋白(也称为系统xc)或通过激活铁转运蛋白5-羟色胺转运蛋白和乳转铁蛋白来启动的。内在途径通过阻断细胞内抗氧化酶(如谷胱甘肽过氧化物酶GPX4)而被激活。尽管这一过程不涉及胱天蛋白酶、MLKL或gasdermin D的活性，但铁死亡的效应分子仍有待鉴定。值得注意的是，氧化损伤，一种由谷氨酸介导的神经细胞xc系统抑制引起的氧化损伤，其分子机制与铁死亡相似。

细胞凋亡在过去的30年里得到了广泛的研究；然而，肿瘤学中以凋亡调节因子(如来自半胱天冬酶或BCL-2家族的蛋白质)为靶点的治疗药物的临床应用仍然面临挑战。对凋亡的抵抗是癌症的标志，因此，靶向非凋亡的RCD过程可能提供抑制肿瘤生长的替代策略。三个早期临床前观察支持某些致癌信号和铁死亡诱导之间的联系:(1)铁死亡激活剂erastin被鉴定，因为它能够选择性地在含有突变型而非野生型RAS的癌细胞中触发细胞死亡；(2)RAS-RAF-MEK-ERK通路的激活是erastin诱导的细胞死亡所必需的和(3)铁，已知对癌细胞增殖很重要，也是erastin诱导的细胞死亡所必需的。随后的研究发现了一种通过铁积累、脂质过氧化和膜损伤控制铁死亡的复杂信号通路。

该网络作为肿瘤学中潜在的新靶点已经引起了极大的关注(表1)。特别是，对传统疗法有抵抗力或具有高转移倾向的癌细胞可能特别容易发生铁死亡敏感，从而开辟了靶向治疗研究的新领域。作为对先前综述的补充，我们旨在深入了解铁死亡在肿瘤发展中的机制和功能，并将其作为潜在的治疗靶点。我们描述了肿瘤异质性和与铁死亡敏感阈值相关的信号，并强调了临床应用的潜在治疗药物。

Oxidative damage in ferroptosis

铁积累和脂质过氧化是铁死亡过程中引发膜氧化损伤的两个关键信号。铁死亡的核心分子机制涉及调节氧化损伤和抗氧化防御之间的平衡。

Iron toxicity

与非恶性细胞相比，癌细胞(尤其是癌症干细胞)的生长强烈依赖于微量元素铁。流行病学证据表明，高膳食铁摄入量增加了几种癌症类型的风险(如肝细胞癌(HCC)和乳腺癌)。这些特点表明，铁螯合药物(如去铁胺)或增加铁介导毒性的药物(如索拉非尼、柳氮磺吡啶、他汀类和青蒿素等诱导铁死亡的药物)可用于治疗癌症患者。

在动物模型中，由于多种水平的干预(如增加铁吸收、减少铁储存和限制铁流出)导致的铁积累增加通过整合的信号通路促进铁死亡。5-羟色胺转运体介导或乳转铁蛋白介导的铁摄取通过转铁蛋白受体(TFRC)和/或另一种未知受体促进铁转运，而SLC40A1介导的铁输出抑制铁转运。铁蛋白(一种铁储存蛋白)的自噬降解通过增加细胞间铁水平来增强铁死亡，而外泌体介导的铁蛋白输出抑制铁死亡。参与铁硫簇生物发生铁利用的几种线粒体蛋白(包括NFS1、ISCU26、CISD1和CISD2)可能通过降低有效的氧化还原活性铁含量来负调节铁死亡。过量的铁通过至少两种机制促进随后的脂质过氧化:通过依赖铁的芬顿反应产生活性氧和激活含铁的酶(例如，脂氧合酶)。因此，铁螯合剂和抗氧化剂可防止铁中毒。铁螯合剂去铁胺联合常规经动脉化疗栓塞的安全性和有效性目前正在不能切除的HCC患者中进行研究(NCT03652467)。

Lipid peroxidation

在铁死亡过程中，多不饱和脂肪酸(PUFAs)，特别是花生四烯酸和肾上腺素酸，最容易发生过氧化反应，从而导致脂质双层的破坏，影响膜功能。细胞膜中多不饱和脂肪酸的生物合成和重塑需要酶ACSL4和LPCAT3。ACSL4催化游离花生四烯酸或肾上腺素酸和辅酶a的结合，分别形成衍生物AA–CoA或AdA–CoA，然后LPCAT3促进它们酯化成膜磷脂酰乙醇胺，形成AA–PE或AdA–PE。ACSL3将单不饱和脂肪酸(MUFAs)转化为它们的酰基辅酶a酯，以结合到膜磷脂中，从而保护癌细胞免受铁敏感性。AMPK介导的beclin1磷酸化通过抑制还原型谷胱甘肽(GSH)的产生而促进铁死亡，而AMPK介导的ACAC磷酸化被认为通过限制PUFA的产生而抑制铁死亡。这些研究扩展了AMPK的已知功能，揭示了这种激酶作为能量传感器的作用，通过不同下游底物的磷酸化决定细胞命运。过氧化物酶体介导的缩醛磷脂生物合成为铁缺乏症期间的脂质过氧化提供了另一种PUFA来源。最后，不同的脂氧合酶在介导脂质过氧化以产生氢过氧化物AA-PE-OOH或AdA-PE-OOH方面具有环境依赖性作用，这些氢过氧化物促进铁死亡。例如，脂氧合酶ALOX5、ALOXE3、ALOX15和ALOX15B负责来源于各种肿瘤类型(BJeLR、HT-1080或PANC1细胞)的人细胞系中的铁死亡，而ALOX15和ALOX12在来源于非小细胞肺癌(NSCLC)的H1299细胞中介导p53诱导的铁死亡。

几种膜电子转移蛋白，特别是POR和NADPH氧化酶(NOXs)有助于铁死亡脂质过氧化的活性氧产生。在其他情况下，哺乳动物线粒体电子传递链和三羧酸循环，再加上谷氨酰胺分解和脂质合成信号，参与了铁死亡的诱导，尽管线粒体在铁死亡中的作用目前仍有争议。当新的治疗方法可用时，进一步评估不同类型肿瘤中脂质过氧化调节因子的表达谱对指导患者选择是至关重要的

Antioxidant defence

抗氧化酶GPX4可以直接将磷脂氢过氧化物还原为羟基磷脂，从而作为癌细胞中铁死亡的中心阻遏物。GPX4表达和生存结果之间的关系是肿瘤类型依赖性的。例如，GPX4的高表达水平与乳腺癌患者的预后呈负相关，但与胰腺癌患者的良好生存结果呈正相关。GPX4在铁死亡中的表达和活性依赖于谷胱甘肽和硒的存在。谷胱甘肽是由半胱氨酸、甘氨酸和谷氨酸三种氨基酸合成的；半胱氨酸的可用性是这一过程的主要限制因素。在哺乳动物细胞中，xc系统在将胱氨酸(半胱氨酸的氧化形式)导入细胞用于随后的GCL介导的谷胱甘肽生产中起主要作用。系统xc由两个子单元组成，SLC7A11和SLC3A2。SLC7A11的表达和活性进一步被NFE2L2正向调节，并被肿瘤抑制基因负向调节，如TP53、BAP1和BECN1。这种双重调节构成了一种微调机制来控制铁死亡中的谷胱甘肽水平。谷胱甘肽的其他来源可能包括反式硫化途径，该途径由氨酰基-tRNA合成酶家族负调节，如CARS1，CARS1中的一些多态性与胃癌风险增加相关。GPX4以谷胱甘肽为底物，将膜脂氢过氧化物还原为无毒的脂醇。在GPX4中用半胱氨酸残基取代硒代半胱氨酸(U46C)增加了它的铁死亡抗性。对系统xc(用伊拉斯汀、柳氮磺胺吡啶或索拉非尼)或GPX4(用RSL3、ML162、ML210、FIN56或FINO2)的药理学抑制诱导铁死亡。同样，SLC7A11或GPX4的基因缺失会导致脂质过氧化，并导致某些细胞或组织的铁死亡。GPX4缺失还介导小鼠中的其他RCD过程(如凋亡、坏死和焦亡)，表明脂质过氧化位于这些途径的十字路口，尽管下游效应物可能有所不同。

几个非GPX4途径，包括AIFM2–CoQ10、GCh1–BH4和ESCRT- III膜修复系统，在防止铁死亡期间的氧化损伤方面也具有作用。这些修复途径之间可能存在协同或互补效应。事实上，AIFM2调节还原性CoQ10产生，但也可以通过激活ESCRT-III膜修复系统来防止癌细胞的铁死亡。

Cancer- related pathways in ferroptosis

RAS

RAS家族(HRAS、NRAS和KRAS)的癌基因是所有人类癌症中最常见的突变。在发现索托菲尼之前，这些蛋白质被认为是“undruggable”，索托菲尼是KRAS-G12C突变蛋白质的直接抑制剂，在非小细胞肺癌患者中具有很好的活性，尽管对这种化合物的获得性抗性是常见的。KRAS-G12C的另一种选择性抑制剂阿达格列西布也显示出对KRAS-G12C阳性非小细胞肺癌和其他实体肿瘤患者的令人鼓舞的临床活性。其他针对RAS信号传导的间接策略依赖于筛选RAS依赖性生长抑制剂或特定细胞死亡诱导剂时识别的小分子。铁死亡诱导剂erastin和RSL3对工程化RAS突变肿瘤细胞显示出选择性致死作用。RAS或其下游信号分子(BRAF、MEK和ERK)的遗传或药理学抑制逆转了erastin和RSL3的抗癌活性，可能是因为突变的RAS信号通过调节铁代谢相关基因(如TFRC、FTH1和FTL19)的表达丰富了细胞铁库。KRAS突变型肺腺癌细胞对SLC7A11抑制剂诱导的铁敏感；此外，在EGFR具有上游突变的非小细胞肺癌衍生细胞对铁死亡敏感。这些临床前的发现支持了铁死亡的诱导可能是对抗致癌性RAS携带肿瘤的合适策略的观点。

在临床前研究中，致癌RAS突变体(NRASV12、KRASV12和HRASV12)的异位表达降低了RMS13横纹肌肉瘤衍生细胞的铁死亡易感性，表明这些突变可能在特定情况下抑制铁死亡。此外，对117种癌细胞系对erastin的反应的分析揭示了RAS依赖和RAS非依赖铁死亡机制，这些试图破译使某些癌症易受铁死亡诱导的特定遗传特征的努力正在进行中。

TP53（双面作用的因子之一）

在大约50%的人类癌症中，TP53是双等位基因突变或缺失的，导致野生型P53活性的丧失和肿瘤进展。所有人类癌症中最常见的六种TP53突变包括R175H(5.6%)、R248Q (4.37%)、R273H (3.95%)、R248W (3.53%)、R273C (3.31%)和R282W(2.83%)。众所周知，p53是一种转录因子，它与靶基因的启动子结合，然后激活或抑制基因合成。例如，p53主动调节BBC3(也称为PUMA)和BAX的表达，以诱导凋亡。相比之下，p53介导的SLC7A11转录抑制促进癌细胞的铁死亡。TP53改变(突变或多态性)改变了P53促进细胞凋亡和铁死亡的能力。p53 3KR (K117R，K161R，K162R)乙酰化缺陷突变株不能诱导细胞凋亡，但完全保留了诱导肺癌细胞系铁死亡的能力。另一个乙酰化缺陷突变体p53 4KR(K98R和3KR)和p53 P47S(一种位于p53 N端反式激活结构域的多态性)也不能诱导铁死亡。有趣的是，p53 R273H和R175H不能结合DNA，但仍然可以通过抑制其他转录因子的活性来抑制SLC7A11的表达，从而表明整合的转录因子网络控制了铁死亡主要调控因素的表达。

一些代谢相关基因，如SAT1、FDXR和GLS2，已被报道为在各种条件下负责p53介导的铁死亡的直接靶标，从而强调了p53在铁死亡中作为参与代谢的基因的调节剂的重要性。p53还具有通过直接结合二肽基肽酶DPP4来抑制人结直肠癌细胞中氮氧化物介导的脂质过氧化或通过诱导纤维肉瘤细胞中CDKN1A的表达来限制铁死亡的能力。DPP4抑制剂(如vildagliptin、alogliptin和linagliptin)用于降低2型糖尿病患者的血糖水平，并可能限制铁死亡激活剂的抗癌活性。迄今发表的数据不仅暗示脂质过氧化是铁死亡的关键因素，而且单一p53靶基因或结合蛋白在铁死亡中的总体重要性可能是细胞类型特异性的。此外，MDM2和MDMX这两种结合p53并调节其稳定性的蛋白质以与p53无关的方式促进癌细胞中的铁死亡，从而强调了铁死亡中p53的稳定性可能不依赖于来自MDM家族的蛋白质。Eprenetapopt和COTI-2都旨在重新激活突变型p53，目前正在应用于急性髓系白血病(AMLNCT03931291)和各种实体恶性肿瘤(NCT04383938和NCT02433626)；这些药物的临床活性可能与铁死亡有关。

NFE2L2

NFE2L2是氧化应激信号的主要调节因子，在肿瘤进展中具有双重作用:NFE2L2活性不足可导致早期肿瘤发生，而NFE2L2高组成性活性可触发肿瘤进展和对治疗的抵抗。NFE2L2在癌细胞中的表达不仅受KEAP1介导的蛋白质降解调节，还受致癌信号通路(如KRAS-BRAF-MYC)的转录调节。临床前研究表明NFE2L2信号是抵抗铁死亡的重要防御机制，并与HCC细胞对索拉非尼的抗性有关。Sequestosome 1是一种多功能支架蛋白，可结合KEAP1，并防止其在癌细胞的铁死亡过程中结合新合成的NFE2L2。

NFE2L2通过反式激活铁代谢(包括SLC40A1、MT1G、HMOX1和FTH1)、谷胱甘肽代谢(包括SLC7A11、GCLM和CHAC1)和ROS解毒酶(包括TXNRD1、AKR1C1、AKR1C2和AKR1C3、SESN2、GSTP1和NQO1)中涉及的几种细胞保护基因来抑制铁死亡中的氧化损伤。NFE2L2中的功能获得突变或KEAP1中的功能丧失突变进一步增加了氧化应激反应的复杂性，这反过来可能影响对铁死亡的抗性。NFE2L2对铁死亡抗性的贡献和NFE2L2抑制剂(如布鲁塞尔醇和葫芦巴碱)增强铁死亡的治疗潜力需要在临床前和临床研究中进一步探讨。

HIF

缺氧促进肿瘤形成和治疗抵抗。缺氧的主要调节因子——缺氧诱导因子包括一个氧不稳定的α亚单位(包括缺氧诱导因子1α、EPAS1(也称为缺氧诱导因子2α)和缺氧诱导因子3α)和一个组成型表达的β亚单位(ARNT)。在常氧条件下，缺氧诱导因子EGLN家族的成员将缺氧诱导因子1α和EPAS1羟基化，然后被E3泛素连接酶VHL识别用于蛋白酶体降解。在低氧条件下，羟化酶失活导致HIF1α和EPAS1积累并与ARNT形成异二聚体，从而诱导参与低氧适应和存活的基因转录。HIF1α和EPAS1表达在多种癌症类型中都升高，通常与患者预后不良有关.

在临床试验中，已经探索了使用小分子，如2-甲氧基雌二醇(NCT00030095)、BAY 87-2243 (NCT01297530)、PX-478 (NCT00522652)和PT2385抑制缺氧诱导因子信号的策略。在这些药物中，PT2385可以稍微提高转移性透明细胞肾细胞癌(RCC)患者的生存率，而长期使用PT2385会导致获得耐药性。在临床前研究中，缺氧诱导因子似乎在调节癌细胞铁死亡中具有双重作用。EGLN用于催化缺氧诱导因子羟基化，不仅是氧的铁依赖性传感器，也是半胱氨酸的铁依赖性传感器。铁螯合剂可能通过抑制EGLN的活性来提高缺氧诱导因子的稳定性。在HT-1080纤维肉瘤细胞中，缺氧诱导的HIF1α表达通过增加脂肪酸结合蛋白3和7的表达来抑制铁死亡，从而促进脂肪酸摄取并增加脂质储存能力以避免随后的脂质过氧化。相反，在肾细胞癌衍生的细胞中，EPAS1的激活通过上调HILPDA的表达而促进铁死亡，从而增加PUFA的产生和随后的脂质过氧化。相比之下，在肾细胞癌衍生的细胞中，活化的EPAS1通过上调HILPDA的表达促进铁死亡，从而增加PUFA产生和随后的脂质过氧化。因此，有效控制缺氧诱导因子介导的信号是维持脂质稳态以调控铁死亡反应所必需的。如果将肿瘤细胞中铁死亡调控蛋白基因的表达作为纳入/排除标准，临床试验中缺氧诱导因子抑制剂的使用可能会得到改善。

Epithelial- to- mesenchymal transition

上皮-间充质转化(EMT)是上皮细胞失去与上皮表型相关的极性和细胞间粘附特性，并逐渐获得与间充质表型相关的迁移和侵袭能力的过程。在临床实践中，EMT被认为会产生癌症干细胞，导致转移性扩散并导致治疗耐药性。EMT介导的肿瘤转移和耐药性是由转录因子刺激的，如SNAI1、TWIST1和ZB1，它们都是肿瘤学中潜在的治疗靶点。除了限制大多数抗癌治疗的效果，EMT信号还可以促进铁死亡(图3)。人类癌细胞系和器官样细胞中的高度间充质样细胞状态与对铁死亡易感性相关。ZB1的高基线转录水平与细胞对铁死亡敏感性相关，部分归因于ZB1诱导的PPARγ的上调，PPARγ是肝脏脂质代谢的主要调节因子。EMT的积极调节因子蛋白LYRIC(也称为间粘附素)通过抑制GPX4和SLC3A2的表达来促进铁死亡。CD44依赖性铁内吞作用的增加促进了铁依赖性去甲基化酶的活性，从而促进了与EMT信号传导相关的基因的表达，从而使乳腺癌细胞对铁死亡敏感。来自这些临床前研究的数据表明，EMT可能赋予铁死亡治疗的敏感性。

EMT的第一步涉及上皮细胞之间接触的中断。钙粘蛋白1介导的细胞-细胞接触据报道可防止铁死亡。相反，SNAI1、TWIST1或ZB1表达增加可恢复铁死亡敏感性。其他细胞粘附促进剂，如整合素亚单位α6和β4，也能保护体外乳腺癌衍生细胞不发生铁死亡。相比之下，参与HIPPO途径的转录因子(如YAP1和WWTR1(也称为TAZ，通常在发育过程中控制细胞数量和器官大小)的激活通过调节铁死亡调节剂(如ACSL4、TFRC、EMP1和ANGGPTL4)的表达促进癌细胞的铁死亡。总的来说，这些发现强调了理论上的使用铁死亡诱导药物特异性消除具有间充质样表型的癌细胞的可能性。

未完待续………………