细胞程序性坏死与铁死亡调控机制：对比、关联与医学启示

细胞程序性坏死与铁死亡调控机制：对比、关联与医学启示一、引言1.1研究背景与意义细胞死亡是生物体生长发育、组织稳态维持以及应对外界刺激过程中的重要生理和病理现象，对维持机体的正常功能和内环境稳定起着关键作用。细胞程序性坏死（programmednecrosis，PN）和铁死亡（ferroptosis）作为两种新型的细胞程序性死亡方式，近年来成为细胞死亡研究领域的热点。细胞程序性坏死，也被称为坏死性凋亡，是一种由死亡受体介导、信号通路精确调控的细胞死亡形式，有别于传统意义上的被动坏死。其主要通过调控细胞死亡相关基因，如受体相互作用蛋白激酶1（RIPK1）、受体相互作用蛋白激酶3（RIPK3）和混合谱系激酶结构域样蛋白（MLKL）等，以及不同的细胞信号通路，如核因子κB（NF-κB）、丝裂原活化蛋白激酶（MAPKs）等来发挥作用。在生理状态下，细胞程序性坏死参与胚胎发育、免疫调节等过程；而在病理状态下，它与肿瘤、神经系统疾病、多种炎症性疾病以及缺血-再灌注损伤等密切相关。例如，在肿瘤发生发展过程中，肿瘤细胞可能通过逃避细胞程序性坏死来实现无限增殖和转移；在神经系统疾病中，神经细胞的程序性坏死可能导致神经元的大量死亡，进而引发认知障碍和神经功能缺失。铁死亡则是一种铁依赖性的、由脂质过氧化积累引发的新型调节性细胞死亡方式，其发生机制与体内铁离子代谢失衡密切相关。当细胞内铁离子稳态失调，过多的铁离子参与芬顿反应（Fentonreaction），产生大量的活性氧（ReactiveOxygenSpecies，ROS），尤其是羟基自由基（・OH）。这些自由基能够攻击细胞膜上的多不饱和脂肪酸（PolyunsaturatedFattyAcids，PUFAs），引发脂质过氧化链式反应。脂质过氧化产物的不断积累会导致细胞膜结构和功能的破坏，最终致使细胞死亡。铁死亡在形态学、生物化学和遗传学等方面与传统的细胞凋亡、坏死和自噬等细胞死亡形式存在显著差异。在生理过程中，铁死亡参与了胚胎发育、组织重塑和免疫防御等；在病理情况下，它与肿瘤、神经退行性疾病（如阿尔茨海默病、帕金森病）、心血管疾病（如心肌缺血-再灌注损伤、心力衰竭）、肝脏疾病以及肾脏疾病等多种人类重大疾病的发生发展紧密相连。在肿瘤治疗领域，诱导肿瘤细胞发生铁死亡为攻克癌症提供了新的策略方向，有望克服传统化疗和放疗的耐药性难题；在神经退行性疾病研究中，深入了解铁死亡机制有助于揭示疾病的发病根源，为开发有效的治疗手段奠定基础。深入探究细胞程序性坏死和铁死亡的调控机制，对于全面理解细胞死亡的生物学过程、疾病的发生发展机制以及开发创新的治疗策略具有不可估量的重要意义。从基础研究角度而言，揭示这两种细胞死亡方式的精确调控机制，能够极大地丰富我们对细胞命运决定和生命活动本质的认识，填补细胞死亡领域的知识空白，为后续的研究搭建坚实的理论框架。在疾病治疗方面，精准把握其调控机制可以为多种疾病提供全新的治疗靶点和策略。对于肿瘤治疗，通过靶向细胞程序性坏死和铁死亡的关键调控分子，有望开发出特异性高、副作用小的新型抗癌药物，诱导肿瘤细胞死亡，抑制肿瘤生长和转移；在神经系统疾病、心血管疾病等领域，通过调节相关调控通路，可以干预细胞的死亡进程，减轻组织损伤，促进组织修复和功能恢复，为这些严重威胁人类健康的疾病带来新的治疗希望。1.2研究目的与方法本研究旨在全面且深入地解析细胞程序性坏死和铁死亡的调控机制，阐明二者之间的交叉关联，并探索其在医学领域的潜在应用价值，为相关疾病的防治提供坚实的理论基础和创新的治疗策略。具体而言，将通过以下几个方面达成研究目标：其一，系统地探究细胞程序性坏死和铁死亡各自的调控因素，包括相关基因、蛋白以及小分子物质等，同时明确其上下游信号通路，揭示这些调控因素如何通过信号通路精确地调节细胞死亡过程；其二，深入剖析细胞程序性坏死和铁死亡之间的交叉调控机制，探究在何种条件下、通过何种分子机制二者会相互影响，以及这种交叉调控在生理和病理状态下的意义；其三，结合临床疾病样本和动物模型，研究细胞程序性坏死和铁死亡在肿瘤、神经系统疾病、心血管疾病、炎症性疾病等多种疾病发生发展过程中的作用，并基于研究结果，探索针对这些疾病的以调控细胞程序性坏死和铁死亡为靶点的新型治疗方法和干预策略。为实现上述研究目的，本研究将综合运用多种先进的实验技术和方法：细胞实验：选用多种不同类型的细胞系，如人胚肾细胞系HEK293、乳腺癌细胞系MCF-7、神经母细胞瘤细胞系SH-SY5Y等，通过体外细胞培养技术，构建细胞程序性坏死和铁死亡的实验模型。利用这些模型，观察细胞在不同处理条件下的形态变化、死亡特征，检测细胞死亡相关指标，如细胞活力、乳酸脱氢酶（LDH）释放、细胞凋亡率等，以确定细胞程序性坏死和铁死亡的发生情况。基因编辑技术：采用CRISPR-Cas9基因编辑技术，构建细胞程序性坏死和铁死亡相关信号通路关键基因的敲除、敲入及过表达细胞系。通过对这些基因编辑细胞系的研究，明确相关基因在细胞程序性坏死和铁死亡调控中的功能和作用机制。同时，运用RNA干扰（RNAi）技术，特异性地抑制相关基因的表达，进一步验证基因功能。蛋白质免疫印迹（Westernblot）：通过Westernblot技术，检测细胞程序性坏死和铁死亡相关蛋白，如RIPK1、RIPK3、MLKL、GPX4、FSP1等的表达水平和磷酸化状态，分析这些蛋白在不同信号通路激活或抑制条件下的变化规律，从而揭示信号通路的传导机制和蛋白之间的相互作用关系。免疫荧光染色：利用免疫荧光染色技术，对细胞程序性坏死和铁死亡相关蛋白进行细胞内定位和可视化分析，观察蛋白在细胞死亡过程中的动态变化，为研究其功能提供直观的形态学证据。实时定量聚合酶链式反应（qRT-PCR）：通过qRT-PCR技术，检测细胞程序性坏死和铁死亡相关基因的mRNA表达水平，分析基因转录水平的调控机制，以及不同刺激因素对基因表达的影响。代谢组学分析：运用代谢组学技术，对细胞程序性坏死和铁死亡过程中的代谢物进行全面分析，鉴定与细胞死亡相关的关键代谢物及其代谢通路，深入了解细胞死亡过程中的代谢变化和调控机制。动物实验：建立肿瘤、神经系统疾病、心血管疾病等动物模型，通过体内实验研究细胞程序性坏死和铁死亡在疾病发生发展中的作用。利用基因敲除动物、转基因动物以及药物干预等手段，验证体外实验的结果，并探索基于调控细胞程序性坏死和铁死亡的疾病治疗策略。数据分析和生物信息学：运用统计学方法对实验数据进行分析，评估不同因素对细胞程序性坏死和铁死亡的影响程度和显著性差异。同时，借助生物信息学工具，整合分析基因、蛋白和代谢组学数据，构建细胞程序性坏死和铁死亡的调控网络，挖掘潜在的调控机制和治疗靶点。二、细胞程序性坏死调控机制2.1关键调控蛋白及作用2.1.1RIPK1和RIPK3受体相互作用蛋白激酶1（RIPK1）和受体相互作用蛋白激酶3（RIPK3）在细胞程序性坏死的调控过程中发挥着极为关键的核心作用，它们是启动细胞程序性坏死信号通路的关键蛋白。RIPK1是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，包含N端激酶结构域以及RIP同型相互作用模块（RHIM）。在正常生理状态下，RIPK1处于未激活状态，它通过与其他蛋白形成复合物，参与多种细胞信号通路的调控，维持细胞的正常生理功能。当细胞受到特定刺激，如肿瘤坏死因子（TNF）、Toll样受体（TLR）配体、病毒感染等时，RIPK1会被招募到细胞膜上的相应受体复合物中，发生磷酸化修饰从而被激活。以TNF刺激为例，TNF与肿瘤坏死因子受体1（TNFR1）结合后，会诱导TNFR1三聚化，进而招募RIPK1、肿瘤坏死因子受体相关死亡结构域蛋白（TRADD）、细胞凋亡抑制蛋白（cIAPs）等形成复合物I。在复合物I中，cIAPs会对RIPK1进行泛素化修饰，这种修饰在一定程度上抑制了RIPK1的激酶活性，使细胞倾向于存活。然而，当cIAPs的活性被抑制，或者RIPK1上的泛素链被去泛素化酶去除时，RIPK1会发生去泛素化，从而暴露出其激酶活性位点，导致RIPK1被激活。激活后的RIPK1会进一步招募RIPK3，二者通过各自的RHIM结构域发生同型相互作用，形成一种高度有序的复合物——坏死小体（necrosome）。这种相互作用是基于RHIM结构域之间的特异性氨基酸序列识别和分子间的相互作用力，使得RIPK1和RIPK3能够精确地结合在一起，形成稳定的坏死小体结构。2012年，李继喜教授发现哺乳动物TNF引起细胞程序性坏死过程中RIP1/RIP3复合物形成功能性淀粉样纤维，通过信号放大平台引起细胞坏死。2018年，李继喜教授团队与美国哥伦比亚大学、哈佛大学医学院团队合作通过固体核磁共振技术（ssNMR）和X-光晶体衍射方法首次解析了RIPK1-RIPK3异源淀粉样信号复合物的高分辨率三维结构，发现RIPK1与RIPK3以1：1的堆积方式形成异源复合物，其中RIPK1上的Ser535和RIPK3上的Cys455形成特殊条带。与RIPK1、RIPK3本身形成的同源淀粉样纤维相比，在同一个β-片层中RIPK1-RIPK3具有更有效的嵌合堆积方式，更大的疏水区域以及最稳定的能值，从结构角度阐释了RIPK1-RIPK3复合物激活细胞程序性坏死的分子基础。坏死小体的形成是细胞程序性坏死信号传导过程中的一个关键节点，它标志着细胞程序性坏死信号通路的正式启动。在坏死小体中，RIPK1和RIPK3的激酶活性相互激活，通过一系列磷酸化级联反应，将细胞程序性坏死的信号进一步传递下去。具体而言，RIPK1通过磷酸化RIPK3上的特定丝氨酸残基（如小鼠RIPK3的Ser227和人RIPK3的Ser232），激活RIPK3的激酶活性；而激活后的RIPK3又会反过来磷酸化RIPK1，进一步增强RIPK1的激酶活性，形成一个正反馈调节回路，放大细胞程序性坏死的信号。这种正反馈调节机制确保了细胞程序性坏死信号一旦启动，就能够迅速而有效地传递，使细胞不可逆地走向坏死。RIPK1和RIPK3的激活还会引发下游一系列信号分子的募集和激活，进一步调控细胞程序性坏死的进程和相关生物学效应。例如，激活的RIPK3可以招募并磷酸化混合谱系激酶结构域样蛋白（MLKL），从而启动MLKL介导的细胞死亡执行过程。此外，RIPK1和RIPK3的激活还可能通过调节其他信号通路，如丝裂原活化蛋白激酶（MAPKs）通路、核因子κB（NF-κB）通路等，影响细胞的炎症反应、免疫应答等生物学过程，使细胞程序性坏死与机体的整体生理病理状态紧密联系起来。2.1.2MLKL混合谱系激酶结构域样蛋白（MLKL）作为细胞程序性坏死下游的关键执行蛋白，在细胞程序性坏死的最终执行阶段发挥着决定性作用，它直接介导了细胞膜的破坏和细胞死亡的发生。在正常生理状态下，MLKL以单体形式存在于细胞质中，处于非活化状态。其结构主要包括N端的4个螺旋束结构域（4HB）和C端的激酶样结构域（KL），其中KL结构域虽然具有激酶的结构特征，但缺乏关键的催化活性氨基酸残基，因此不具备激酶活性。当细胞程序性坏死信号通路被激活，上游的RIPK3被RIPK1磷酸化激活后，激活的RIPK3会特异性地磷酸化MLKL的C端结构域，主要是Thr357和Ser358位点（小鼠中的对应位点为Thr356和Ser357）。这种磷酸化修饰会引起MLKL的构象发生显著变化，使其从非活化的单体状态转变为活化的多聚体状态。具体来说，磷酸化后的MLKL，其N端的4HB结构域会发生暴露和重排，暴露出原本被掩盖的疏水区域，这些疏水区域之间通过相互作用，促使MLKL分子之间发生寡聚化，形成多聚体结构。寡聚化后的MLKL会发生从细胞质向细胞膜的迁移过程。这一迁移过程涉及到多种分子机制和细胞内结构的参与。研究表明，MLKL的迁移可能与细胞骨架系统相互作用，通过微丝、微管等细胞骨架的动态变化，为MLKL的转运提供动力和轨道。此外，一些分子伴侣蛋白也可能参与其中，帮助MLKL在细胞内进行正确的定位和转运。当MLKL多聚体迁移到细胞膜后，会与细胞膜上的磷脂分子发生相互作用，插入细胞膜中，在细胞膜上形成孔道结构。MLKL的4HB结构域中的一些带正电荷的氨基酸残基与细胞膜磷脂头部的负电荷相互吸引，使得MLKL能够稳定地结合在细胞膜上，并进一步插入细胞膜内部。随着MLKL多聚体在细胞膜上的不断积累和组装，形成的孔道逐渐增大，导致细胞膜的通透性增加。大量的离子和小分子物质可以自由进出细胞，破坏了细胞内的离子平衡和渗透压平衡。细胞开始发生肿胀，细胞器受损，最终导致细胞膜破裂，细胞内容物释放到细胞外，引发炎症反应，细胞发生程序性坏死。2014年，研究人员通过冷冻电镜技术观察到了MLKL多聚体在细胞膜上形成的孔道结构，其直径约为1-2纳米，这一结构特征与细胞程序性坏死过程中细胞膜的破坏和细胞死亡的发生密切相关。MLKL介导的细胞膜穿孔破裂是细胞程序性坏死的标志性事件，它直接导致了细胞的死亡和组织损伤的发生。在多种疾病模型中，如缺血-再灌注损伤、神经退行性疾病、炎症性疾病等，都观察到了MLKL的激活和细胞膜穿孔的现象，进一步证实了MLKL在细胞程序性坏死中的关键执行作用。2.2信号通路及调控过程2.2.1TNF诱导的信号通路在细胞程序性坏死的众多诱导因素中，肿瘤坏死因子（TNF）发挥着重要且典型的作用，其诱导的信号通路是细胞程序性坏死调控机制研究的关键模型。当TNF与肿瘤坏死因子受体1（TNFR1）特异性结合后，会迅速引发一系列复杂且有序的分子事件，这是细胞程序性坏死信号通路启动的关键起始步骤。TNF与TNFR1的结合具有高度的特异性，二者通过分子间的相互作用力，精准地识别并结合在一起。这种结合会诱导TNFR1发生三聚化，即三个TNFR1分子聚集在一起，形成一个稳定的三聚体结构。三聚化后的TNFR1构象发生显著变化，暴露出其胞内段的死亡结构域（DD）。死亡结构域是一种富含α-螺旋的结构域，它在细胞凋亡和程序性坏死的信号传导中起着关键作用。TNFR1的死亡结构域会招募肿瘤坏死因子受体相关死亡结构域蛋白（TRADD），TRADD通过其自身的死亡结构域与TNFR1的死亡结构域发生同型相互作用，形成一个稳定的复合物。这种相互作用是基于死亡结构域之间的特异性氨基酸序列识别和分子间的相互作用力，使得TRADD能够精确地结合到TNFR1上。随后，细胞凋亡抑制蛋白（cIAPs）和受体相互作用蛋白激酶1（RIPK1）等也会被招募到该复合物中，共同形成复合物I。cIAPs能够对RIPK1进行泛素化修饰，这种修饰在一定程度上抑制了RIPK1的激酶活性，使细胞倾向于存活。具体而言，cIAPs通过其E3泛素连接酶活性，将泛素分子连接到RIPK1的特定赖氨酸残基上，形成多聚泛素链。这些多聚泛素链可以招募其他蛋白质，形成一个更大的复合物，从而抑制RIPK1的激酶活性。然而，当cIAPs的活性被抑制，或者RIPK1上的泛素链被去泛素化酶去除时，RIPK1会发生去泛素化，从而暴露出其激酶活性位点，导致RIPK1被激活。激活后的RIPK1会进一步招募受体相互作用蛋白激酶3（RIPK3），二者通过各自的RIP同型相互作用模块（RHIM）发生同型相互作用，形成坏死小体（necrosome）。坏死小体是细胞程序性坏死信号传导过程中的关键复合物，它的形成标志着细胞程序性坏死信号通路的正式启动。在坏死小体中，RIPK1和RIPK3的激酶活性相互激活，通过一系列磷酸化级联反应，将细胞程序性坏死的信号进一步传递下去。RIPK1通过磷酸化RIPK3上的特定丝氨酸残基（如小鼠RIPK3的Ser227和人RIPK3的Ser232），激活RIPK3的激酶活性；而激活后的RIPK3又会反过来磷酸化RIPK1，进一步增强RIPK1的激酶活性，形成一个正反馈调节回路，放大细胞程序性坏死的信号。这种正反馈调节机制确保了细胞程序性坏死信号一旦启动，就能够迅速而有效地传递，使细胞不可逆地走向坏死。坏死小体中的RIPK3会进一步招募并磷酸化混合谱系激酶结构域样蛋白（MLKL），这是细胞程序性坏死执行阶段的关键步骤。RIPK3通过其激酶活性，特异性地磷酸化MLKL的C端结构域，主要是Thr357和Ser358位点（小鼠中的对应位点为Thr356和Ser357）。这种磷酸化修饰会引起MLKL的构象发生显著变化，使其从非活化的单体状态转变为活化的多聚体状态。磷酸化后的MLKL，其N端的4个螺旋束结构域（4HB）会发生暴露和重排，暴露出原本被掩盖的疏水区域，这些疏水区域之间通过相互作用，促使MLKL分子之间发生寡聚化，形成多聚体结构。寡聚化后的MLKL会发生从细胞质向细胞膜的迁移过程，最终插入细胞膜中，在细胞膜上形成孔道结构。随着MLKL多聚体在细胞膜上的不断积累和组装，形成的孔道逐渐增大，导致细胞膜的通透性增加，细胞发生肿胀，细胞器受损，最终导致细胞膜破裂，细胞内容物释放到细胞外，引发炎症反应，细胞发生程序性坏死。在TNF诱导的细胞程序性坏死过程中，当细胞内的凋亡抑制蛋白cIAPs功能正常时，RIPK1会被泛素化修饰而失活，细胞主要激活NF-κB和丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）等细胞存活信号通路，促进细胞存活和炎症反应。当cIAPs的活性被抑制，如使用cIAPs抑制剂处理细胞时，RIPK1会发生去泛素化并被激活。若此时细胞内的半胱天冬酶-8（Caspase-8）活性正常，激活的RIPK1会诱导Caspase-8活化，进而触发细胞凋亡。当Caspase-8的活性被抑制，如使用Caspase-8抑制剂处理细胞时，激活的RIPK1则会通过与RIPK3相互作用，形成坏死小体，激活细胞程序性坏死通路。2.2.2其他外界刺激引发的信号通路除了TNF诱导的经典信号通路外，多种其他外界刺激也能够诱导细胞发生程序性坏死，这些刺激通过各自独特的信号转导机制，激活细胞程序性坏死的相关信号通路，进一步丰富了细胞程序性坏死调控机制的复杂性和多样性。Toll样受体（TLRs）作为一类重要的模式识别受体，在先天性免疫应答中发挥着关键作用，其激活也与细胞程序性坏死密切相关。TLRs能够识别病原体相关分子模式（PAMPs）和损伤相关分子模式（DAMPs），如细菌的脂多糖（LPS）、病毒的双链RNA等。当TLRs与相应的配体结合后，会发生二聚化或多聚化，招募含有Toll/白细胞介素-1受体（TIR）结构域的接头蛋白，如髓样分化因子88（MyD88）或TIR结构域衔接蛋白诱导IFN-β（TRIF）。在某些情况下，TRIF介导的信号通路会激活细胞程序性坏死。TRIF通过其TIR结构域与TLR的TIR结构域相互作用，招募RIPK1和RIPK3。RIPK1和RIPK3通过RHIM结构域相互作用，形成坏死小体，进而激活MLKL，引发细胞程序性坏死。在巨噬细胞中，当受到LPS刺激时，LPS与TLR4结合，通过TRIF招募RIPK1和RIPK3，激活细胞程序性坏死，释放炎症因子，增强机体的免疫防御反应。干扰素（IFNs）是一类具有广泛抗病毒、免疫调节和抗肿瘤活性的细胞因子，其信号通路也与细胞程序性坏死存在紧密联系。IFNs与细胞表面的相应受体结合后，会激活Janus激酶（JAK）-信号转导及转录激活因子（STAT）信号通路，诱导一系列干扰素刺激基因（ISGs）的表达。一些ISGs产物能够参与细胞程序性坏死的调控。双链RNA依赖的蛋白激酶（PKR）是一种重要的ISGs产物，当细胞受到病毒感染等刺激时，PKR会被激活。激活的PKR可以磷酸化eIF2α，抑制蛋白质合成，同时也能通过与RIPK1和RIPK3相互作用，激活细胞程序性坏死信号通路。研究表明，在病毒感染的细胞中，IFN-α/β可以通过激活PKR，诱导细胞发生程序性坏死，从而限制病毒的复制和传播。病原感染是诱导细胞程序性坏死的重要因素之一，不同病原通过不同的机制激活细胞程序性坏死信号通路。细菌感染时，细菌的某些成分或分泌的毒素可以直接或间接激活细胞程序性坏死。革兰氏阴性菌的LPS可以通过TLR4激活细胞程序性坏死；金黄色葡萄球菌分泌的α-毒素能够破坏细胞膜，激活RIPK1和RIPK3，引发细胞程序性坏死。病毒感染也能诱导细胞程序性坏死，病毒感染细胞后，其核酸或蛋白可以被细胞内的模式识别受体识别，激活相关信号通路。水疱性口炎病毒（VSV）感染细胞后，病毒的双链RNA可以被视黄酸诱导基因I（RIG-I）样受体识别，激活下游信号通路，导致RIPK1和RIPK3的激活，引发细胞程序性坏死。在病毒感染过程中，细胞程序性坏死不仅可以限制病毒的复制和传播，还能通过释放损伤相关分子模式，激活免疫系统，增强机体对病毒的免疫应答。2.3最新研究进展与发现近年来，随着研究的不断深入，细胞程序性坏死领域取得了一系列令人瞩目的最新研究进展与发现，这些成果为我们深入理解程序性坏死机制带来了新的视角和突破。在关键蛋白复合物的结构解析方面取得了重大突破。2018年，李继喜教授团队与美国哥伦比亚大学、哈佛大学医学院团队合作，通过固体核磁共振技术（ssNMR）和X-光晶体衍射方法，首次成功解析了RIPK1-RIPK3异源淀粉样信号复合物的高分辨率三维结构。研究发现，RIPK1与RIPK3以1：1的堆积方式形成异源复合物，其中RIPK1上的Ser535和RIPK3上的Cys455形成特殊条带。与RIPK1、RIPK3本身形成的同源淀粉样纤维相比，在同一个β-片层中RIPK1-RIPK3具有更有效的嵌合堆积方式、更大的疏水区域以及最稳定的能值。这一结构解析成果从原子层面揭示了RIPK1-RIPK3复合物激活细胞程序性坏死的分子基础，为深入理解坏死小体的组装机制和信号传导过程提供了关键的结构信息。它有助于解释RIPK1和RIPK3如何通过特异性相互作用形成稳定的坏死小体，以及这种复合物如何激活下游信号通路，进而推动细胞走向程序性坏死。基于这一结构，研究人员可以更有针对性地设计小分子抑制剂或调节剂，干预RIPK1-RIPK3复合物的形成和功能，为相关疾病的治疗提供潜在的药物靶点。相分离调控机制成为细胞程序性坏死研究的新热点。2024年1月24日，中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心许代超团队在MolecularCell期刊发表了题为“PARP5AandRNF146phaseseparationrestrainsRIPK1-dependentnecroptosis”的研究论文，报道了新的程序性坏死的死亡检查点，并揭示了该检查点以相分离的形式调控程序性坏死的分子机制。研究发现，PARP5A和RNF146蛋白通过共分相的方式促进了其对活化后的RIPK1-K376位点的聚ADP核糖基化（PARylation）依赖的泛素化修饰（PARdU），阻止了程序性坏死的发生。当RIPK1在TNF-RSC中不能被正常的检查点所抑制时，比如K376位点没有被正常的泛素化，这部分RIPK1就会发生激活，通过变构招募接头蛋白TAX1BP1，从而进一步将有功能的PARP5A和RNF146蛋白复合物招募到激活的RIPK1上。PARP5A和RNF146分别通过PARP5A介导的PARylation和RNF146介导的PARdU修饰在激活的RIPK1的K376位点上连接泛素链，使其被蛋白酶体降解，进而阻止了程序性坏死的发生。进一步研究发现，PARP5A和RNF146可以发生共相分离，且依赖于PARP5A的HPS结构域。这种相分离现象可以增加其局部浓度，对于在PARP5A催化的RIPK1PARylation修饰和随后RNF146催化的PARdU修饰至关重要。该研究首次将相分离与RIPK1介导的程序性坏死相联系，从概念上提出了相分离触发的RIPK1-K376位点的PARdU修饰作为一种替代性的细胞死亡检查点的重要性。它为细胞程序性坏死的调控机制提供了全新的认识，拓展了我们对细胞死亡调控网络的理解。相分离作为一种新的调控机制，可能在其他细胞死亡方式以及生理病理过程中也发挥着重要作用，为相关领域的研究开辟了新的方向。基于这一发现，研究人员可以探索通过调节相分离过程来干预细胞程序性坏死的发生，为治疗与程序性坏死相关的疾病提供新的策略。全新的细胞核程序性坏死通路被揭示。中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心许代超课题组在《自然-细胞生物学》（NatureCellBiology）上发表研究论文，揭示了由毒性蛋白prelaminA启动的细胞核程序性坏死通路。PrelaminA由LMNA基因编码，是核纤层蛋白laminA的前体蛋白。在正常情况下，位于细胞核内的prelaminA经过法尼基化修饰最终被锌金属蛋白酶ZMPSTE24剪切去除C-端形成成熟的laminA。然而，在一类罕见的人类早衰疾病中，LMNA或ZMPSTE24基因突变会造成法尼基化的prelaminA不能被正常剪切而在细胞中发生累积。研究发现，ZMPSTE24缺失使得细胞对于TNF刺激引起的细胞死亡更加敏感，而且这种敏感性的增加是由RIPK1/RIPK3/MLKL介导的程序性坏死引起的，且依赖于prelaminA蛋白的累积。定位于细胞核膜内侧的prelaminA可以发挥支架蛋白的功能，通过其C-端招募被TNF激活的RIPK1进入细胞核内，并促进核RIPK1的进一步活化，进而诱导核RIPK3的激活以及核坏死小体的形成，最终导致核MLKL的激活、核膜的破裂，以及DNA向胞质中的泄露和细胞死亡。这种细胞核坏死途径依赖于prelaminA的法尼基化修饰，法尼基修饰将prelaminA锚定在细胞核膜内侧，有助于稳定prelaminA所形成的平台功能，从而促进细胞核内坏死小体的装配。该研究确定了非典型的由prelaminA介导的细胞核至细胞质的程序性坏死途径，以及其在prelaminA相关的早衰疾病中的重要作用。这一发现不仅丰富了我们对细胞程序性坏死通路的认识，还为早衰疾病的发病机制提供了新的见解。它提示我们，细胞核在细胞程序性坏死过程中可能扮演着更为重要的角色，不仅仅是作为遗传物质的储存场所，还可能直接参与细胞死亡的调控。对于早衰疾病的治疗，这一发现为临床上采用法尼基转移酶抑制剂进行干预提供了理论依据，有望通过阻断细胞核程序性坏死通路来缓解早衰症状，为早衰疾病的治疗开辟新的途径。三、铁死亡调控机制3.1核心调控因素3.1.1铁代谢相关铁在铁死亡中占据着核心地位，是引发铁死亡的关键要素，其参与的氧化还原反应在铁死亡进程中发挥着决定性作用。细胞内的铁主要以二价铁离子（Fe²⁺）和三价铁离子（Fe³⁺）的形式存在，它们在细胞的生理和病理过程中扮演着不同的角色。正常情况下，细胞通过精密的调控机制维持铁离子的稳态，以确保细胞的正常功能。细胞通过转铁蛋白受体1（TfR1）摄取转铁蛋白（Tf）携带的铁离子。TfR1在细胞膜表面大量表达，它能够特异性地结合Tf，形成Tf-TfR1复合物，然后通过内吞作用进入细胞。在细胞内的酸性环境中，Tf释放出Fe³⁺，Fe³⁺被还原为Fe²⁺后，通过二价金属转运体1（DMT1）转运到细胞质中，进入细胞的铁代谢循环。细胞内的铁离子还可以与铁蛋白结合，形成铁蛋白复合物，作为铁的储存形式。铁蛋白由24个亚基组成，能够储存大量的铁离子，当细胞需要铁时，铁蛋白可以释放出铁离子，满足细胞的需求。当铁代谢失衡时，过多的铁离子会参与氧化还原反应，尤其是芬顿反应（Fentonreaction）。在芬顿反应中，Fe²⁺与过氧化氢（H₂O₂）反应，生成极具活性的羟基自由基（・OH）。其反应方程式为：Fe²⁺+H₂O₂→Fe³⁺+・OH+OH⁻。羟基自由基是一种强氧化剂，具有极高的反应活性，能够攻击细胞内的各种生物大分子，尤其是细胞膜上的多不饱和脂肪酸（PUFAs）。细胞膜上的PUFAs含有多个不饱和双键，这些双键容易被羟基自由基攻击，引发脂质过氧化链式反应。羟基自由基首先从PUFAs的双键上夺取一个氢原子，形成脂质自由基（L・），脂质自由基与氧气反应，生成脂质过氧自由基（LOO・），LOO・又可以从另一个PUFA分子上夺取氢原子，形成脂质过氧化物（LOOH），并产生新的脂质自由基，如此循环往复，导致脂质过氧化反应不断放大。脂质过氧化产物的大量积累会严重破坏细胞膜的结构和功能，导致细胞膜的通透性增加，细胞内的离子平衡和渗透压平衡被打破，最终引发细胞死亡。在神经退行性疾病如帕金森病中，大脑中的铁代谢失调，铁离子大量积累，通过芬顿反应产生的羟基自由基引发脂质过氧化，导致神经元细胞膜损伤，神经细胞死亡，进而引发一系列神经功能障碍。在肝脏疾病中，铁过载会导致肝细胞内铁离子浓度升高，激活芬顿反应，引发脂质过氧化，损伤肝细胞，影响肝脏的正常代谢和解毒功能。细胞内的铁代谢还受到多种蛋白和信号通路的精细调控。铁调节蛋白1（IRP1）和铁调节蛋白2（IRP2）是铁代谢调控的关键蛋白，它们能够与铁反应元件（IREs）结合，调节铁相关蛋白的表达。当细胞内铁离子浓度较低时，IRP1和IRP2与IREs结合，抑制铁蛋白的翻译，促进TfR1的表达，从而增加细胞对铁的摄取；当细胞内铁离子浓度较高时，IRP1和IRP2与IREs的结合能力减弱，铁蛋白的翻译增强，TfR1的表达下降，减少细胞对铁的摄取。此外，一些信号通路如丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）通路、磷脂酰肌醇3激酶（PI3K）-蛋白激酶B（Akt）通路等也参与了铁代谢的调控。这些信号通路可以通过调节IRP1、IRP2以及其他铁代谢相关蛋白的活性和表达，影响细胞内铁离子的稳态，进而影响铁死亡的发生发展。3.1.2脂质过氧化脂质过氧化在铁死亡过程中扮演着关键角色，是导致细胞死亡的直接原因，其过程涉及多不饱和脂肪酸在相关酶催化下参与膜磷脂合成，以及后续引发的一系列导致细胞死亡的反应。多不饱和脂肪酸（PUFAs）是细胞膜磷脂的重要组成部分，在酰基辅酶A合成酶长链家族成员4（ACSL4）和溶血卵磷脂酰胆碱酰基转移酶3（LPCAT3）等酶的催化下，参与膜磷脂的合成。ACSL4能够特异性地催化游离的PUFAs，如花生四烯酸（AA）和肾上腺酸（AdA），与辅酶A（CoA）结合，形成PUFA-CoA。这一反应需要消耗ATP，为脂肪酸的活化过程，使得脂肪酸具有更高的反应活性。随后，PUFA-CoA在LPCAT3的作用下，与溶血磷脂酰胆碱（LPC）发生酯化反应，将PUFA连接到LPC的甘油骨架上，形成含有PUFA的磷脂酰胆碱（PC），即PUFA-PC。PUFA-PC进一步参与细胞膜磷脂双分子层的构建，赋予细胞膜独特的流动性和功能。在正常生理状态下，细胞膜上的PUFA-PC处于动态平衡，维持着细胞膜的正常结构和功能。当细胞受到氧化应激等刺激时，细胞膜上的PUFAs会发生脂质过氧化反应。脂质过氧化是一个复杂的过程，可分为引发、传播和终止三个阶段。在引发阶段，细胞内的活性氧（ROS），特别是羟基自由基（・OH），通过从PUFAs的双键上夺取一个氢原子，引发脂质过氧化反应。如前文所述，芬顿反应中产生的羟基自由基具有极高的反应活性，能够轻易地攻击PUFAs。以花生四烯酸为例，羟基自由基与花生四烯酸反应，夺取其双键上的一个氢原子，形成花生四烯酸自由基（AA・）。在传播阶段，花生四烯酸自由基（AA・）迅速与氧气反应，生成花生四烯酸过氧自由基（AAOO・）。AAOO・具有很强的氧化性，它可以从另一个花生四烯酸分子上夺取氢原子，形成花生四烯酸过氧化物（AAOOH），同时产生新的花生四烯酸自由基（AA・）。这个新产生的花生四烯酸自由基又可以继续与氧气反应，形成新的花生四烯酸过氧自由基，如此循环往复，使得脂质过氧化反应不断放大，产生大量的脂质过氧化物。在终止阶段，当两个自由基相互结合时，脂质过氧化反应终止。如两个花生四烯酸自由基（AA・）结合，形成稳定的二聚体，或者花生四烯酸自由基（AA・）与其他抗氧化物质如维生素E、谷胱甘肽等提供的氢原子结合，形成稳定的花生四烯酸分子，从而终止脂质过氧化链式反应。随着脂质过氧化的不断进行，大量的脂质过氧化物在细胞膜上积累，导致细胞膜的结构和功能遭到严重破坏。脂质过氧化物具有较高的反应活性，它们可以与细胞膜上的蛋白质、胆固醇等分子发生反应，形成交联产物，改变细胞膜的流动性和通透性。脂质过氧化物还可以激活细胞膜上的离子通道，导致离子失衡，细胞内钙离子浓度升高，进一步激活一系列钙依赖性酶，如磷脂酶、蛋白酶等，这些酶的激活会导致细胞膜和细胞器膜的降解，细胞内容物泄漏，最终导致细胞死亡。在缺血-再灌注损伤中，组织缺血时，细胞内的氧自由基产生增加，再灌注时，大量的氧气进入组织，为脂质过氧化提供了充足的底物，导致细胞膜脂质过氧化加剧，细胞死亡，造成组织损伤。在肿瘤细胞中，诱导脂质过氧化可以作为一种治疗策略，通过破坏肿瘤细胞膜的完整性，诱导肿瘤细胞发生铁死亡，从而抑制肿瘤的生长和转移。3.2抗氧化防御系统与铁死亡3.2.1GPX4的关键作用谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）作为细胞内最为关键的氢过氧化物清除剂，在铁死亡的调控中占据着核心地位，其通过高效清除脂质过氧化物，成为抑制铁死亡发生的关键防线。GPX4是一种含硒的酶，其活性中心含有硒代半胱氨酸（Sec），这一特殊的氨基酸赋予了GPX4独特的催化活性。在细胞内，GPX4以谷胱甘肽（GSH）为底物，通过氧化还原反应，将毒性较强的脂质过氧化物（LOOH）还原为相对稳定的脂质醇（LOH），从而有效抑制脂质过氧化链式反应的进行。其催化反应的具体过程为：GPX4的硒代半胱氨酸残基首先与脂质过氧化物的过氧键发生亲核反应，形成一个硒代亚磺酸中间体。随后，GSH与该中间体反应，将硒代亚磺酸还原为硒醇形式，同时GSH被氧化为氧化型谷胱甘肽（GSSG）。在此过程中，脂质过氧化物被还原为脂质醇，从而避免了其对细胞膜的损伤。通过这一反应机制，GPX4能够及时清除细胞内产生的脂质过氧化物，维持细胞膜的稳定性和完整性，防止细胞因脂质过氧化而发生铁死亡。在正常细胞中，GPX4的表达和活性维持在一定水平，能够有效地清除细胞代谢过程中产生的少量脂质过氧化物，确保细胞的正常功能。当GPX4的活性受到抑制或其表达水平降低时，细胞内的脂质过氧化物无法被及时清除，会迅速积累，导致细胞膜的氧化损伤加剧，进而引发铁死亡。许多铁死亡诱导剂，如RSL3、ML162等，都是通过直接作用于GPX4，使其活性丧失，从而诱导细胞发生铁死亡。RSL3能够与GPX4的活性位点紧密结合，阻断其催化反应，使GPX4无法发挥清除脂质过氧化物的功能。在使用RSL3处理细胞后，细胞内的脂质过氧化物水平会急剧升高，线粒体膜电位下降，细胞逐渐出现铁死亡的形态学特征，如线粒体皱缩、膜密度增加等。一些基因突变或疾病状态也会影响GPX4的表达和活性。在某些肿瘤细胞中，由于基因的突变或表观遗传修饰的改变，导致GPX4的表达下调，使得肿瘤细胞对铁死亡的敏感性增加。在神经退行性疾病中，如阿尔茨海默病和帕金森病，患者大脑中的GPX4活性降低，脂质过氧化产物积累，神经元发生铁死亡，进而导致神经功能障碍。3.2.2其他抗氧化机制除了GPX4-GSH系统这一主要的抗氧化防线外，细胞内还存在多种其他抗氧化机制，如铁死亡抑制蛋白1（FSP1）-泛醇（CoQH2）系统、二氢乳清酸脱氢酶（DHODH）-CoQH2系统等，它们在铁死亡的调控中也发挥着不可或缺的重要作用，共同维持着细胞的氧化还原稳态。铁死亡抑制蛋白1（FSP1）-泛醇（CoQH2）系统是近年来发现的一条重要的抗铁死亡通路。FSP1，也被称为凋亡诱导因子线粒体相关2（AIFM2），是一种NAD(P)H依赖的氧化还原酶。它主要定位于质膜，能够利用NAD(P)H作为电子供体，将泛醌（CoQ，也称为辅酶Q）还原为泛醇（CoQH2）。泛醇具有强大的自由基捕获能力，能够有效地清除脂质过氧化过程中产生的脂质自由基，从而阻断脂质过氧化链式反应的传播，抑制铁死亡的发生。具体而言，当细胞受到氧化应激刺激，脂质过氧化反应启动时，产生的脂质自由基（L・）会与氧气反应生成脂质过氧自由基（LOO・），LOO・具有很强的氧化性，能够进一步攻击细胞膜上的脂质分子，导致脂质过氧化反应不断放大。而FSP1还原生成的泛醇（CoQH2）可以与脂质过氧自由基（LOO・）发生反应，将其还原为相对稳定的脂质过氧化物（LOOH），同时泛醇（CoQH2）被氧化为泛醌（CoQ）。这样就中断了脂质过氧化链式反应的传播，保护细胞膜免受进一步的氧化损伤，使细胞避免发生铁死亡。研究表明，在GPX4功能缺失的情况下，FSP1-CoQH2系统能够发挥代偿作用，维持细胞的存活。在一些肿瘤细胞中，FSP1的高表达与肿瘤对铁死亡诱导剂的耐药性相关，通过抑制FSP1的活性，可以增强肿瘤细胞对铁死亡的敏感性，提高肿瘤治疗的效果。二氢乳清酸脱氢酶（DHODH）-CoQH2系统同样在铁死亡调控中扮演着重要角色。DHODH是一种线粒体酶，参与嘧啶核苷酸的从头合成途径。它能够催化二氢乳清酸氧化为乳清酸，在此过程中，DHODH将电子传递给泛醌（CoQ），使其还原为泛醇（CoQH2）。与FSP1-CoQH2系统类似，DHODH-CoQH2系统产生的泛醇（CoQH2）可以通过捕获脂质自由基，抑制脂质过氧化，从而发挥抗铁死亡的作用。在肿瘤细胞中，抑制DHODH的活性会导致泛醇（CoQH2）生成减少，脂质过氧化水平升高，细胞对铁死亡的敏感性增强。研究人员使用DHODH抑制剂处理肿瘤细胞，发现细胞内的脂质过氧化物积累，细胞存活率下降，表明DHODH-CoQH2系统在维持肿瘤细胞的氧化还原稳态和抵抗铁死亡方面具有重要意义。DHODH-CoQH2系统还与肿瘤的代谢重编程密切相关。在肿瘤细胞中，嘧啶核苷酸的合成需求增加，DHODH的活性也相应上调，这可能有助于肿瘤细胞维持足够的泛醇（CoQH2）水平，抵抗铁死亡，促进肿瘤的生长和发展。3.3最新研究成果在铁死亡的最新研究中，LKB1-AMPK信号通路在铁死亡调控中的作用机制被进一步揭示。哈尔滨工业大学高明辉课题组在《信号转导与靶向治疗》发表的研究论文表明，葡萄糖的缺失可抑制由erastin或RSL3诱导的铁死亡，这表明葡萄糖对细胞铁死亡是必需的。细胞的代谢和能量感受器AMPK在其中发挥关键作用，当葡萄糖缺乏时，细胞内AMP/ATP比值增加，进而激活AMPK。研究发现，激活AMPK能够抑制铁死亡的发生，而抑制AMPK能够促进铁死亡的发生。AMPK的上游激酶LKB1是一个非常关键的肿瘤抑制蛋白，在肺癌等肿瘤中突变频率非常高。携带LKB1突变的非小细胞肺癌细胞对铁死亡异常敏感，这表明铁死亡诱导剂可能是携带LKB1突变的肿瘤的有效候选药物。该研究进一步发现，当细胞受到铁死亡刺激时，AMPK被激活，进而磷酸化并抑制AMPK下游底物乙酰辅酶A羧化酶1（ACC1）的活性，抑制脂肪酸的合成，从而减缓脂质氧化物的积累和铁死亡的发生。这一研究成果不仅揭示了LKB1-AMPK信号通路在调节铁坏死中的重要作用，还为开发靶向携带LKB1突变基因的肿瘤的特异性药物奠定了理论基础。SLC25A1-ACLY轴对FSP1蛋白稳定性的调控及其在肿瘤治疗中的潜在价值也有了新发现。2025年1月29日，深圳湾实验室肿瘤研究所尹成骞研究员团队联合山东大学基础医学院初波教授、南京中医药大学药学院年永教授在TheEMBOJournal发表的研究论文揭示，柠檬酸转运体SLC25A1是RSL3诱导铁死亡的关键调控因子。在多种肿瘤细胞中敲低SLC25A1，会显著增加细胞对RSL3、erastin及胱氨酸饥饿诱导的铁死亡的敏感性。在小鼠肝脏缺血再灌注模型中，SLC25A1也被证实具有抑制铁死亡的作用。SLC25A1将线粒体内柠檬酸转运至细胞质后，ATP柠檬酸裂解酶（ACLY）会将柠檬酸转化为草酰乙酸和乙酰辅酶A。敲低SLC25A1会导致细胞质柠檬酸及乙酰辅酶A水平显著下降，敲低ACLY亦会增加细胞对RSL3和erastin诱导的铁死亡敏感性，而双敲SLC25A1与ACLY未表现出累加效应。外源性补充醋酸盐能够恢复细胞存活，进一步证实了SLC25A1与ACLY协同通过生成乙酰辅酶A来抑制铁死亡。研究还发现，SLC25A1和ACLY通过驱动线粒体柠檬酸盐转运及细胞质乙酰辅酶A的合成，维持FSP1的乙酰化水平，进而阻止其被泛素化降解，从而调控铁死亡敏感性。这一发现为肿瘤治疗提供了新的潜在靶点和治疗策略，有望通过调节SLC25A1-ACLY轴来调控铁死亡，增强肿瘤治疗的效果。同济大学王平团队在铁死亡敏感性决定机制方面取得重要突破，确定了7-脱氢胆固醇（7-DHC）在保护细胞免受磷脂过氧化和铁死亡中的作用。2024年1月31日，该团队在Nature在线发表的研究论文利用全基因组CRISPR-Cas9筛选，发现参与远端胆固醇生物合成的酶通过决定7-脱氢胆固醇（7-DHC）的水平在调节铁死亡中具有关键但相反的作用。7-脱氢胆固醇是远端胆固醇生物合成的中间代谢物，由甾醇C5-去饱和酶（SC5D）合成，并由7-DHC还原酶（DHCR7）代谢，用于胆固醇合成。研究人员发现，MSMO1、CYP51A1、EBP和SC5D等通路组分是铁死亡的潜在抑制因子，而DHCR7则是一个促铁死亡基因。在机制上，7-DHC通过使用共轭二烯发挥其抗磷脂自氧化功能，并保护血浆和线粒体膜免受磷脂自氧化，从而指示铁死亡监测。通过药物靶向EBP阻断内源性7-DHC的生物合成可诱导铁死亡并抑制肿瘤生长，而通过抑制DHCR7增加7-DHC水平可有效促进癌症转移并减轻肾脏IRI的进展。这一研究成果突出了远端胆固醇生物合成途径在病理生理条件（如癌症和IRI）中的重要作用，为代谢稳态维持与细胞命运决定之间的调控机制提供了新的理论依据，也为治疗肿瘤及缺血再灌注器官损伤等铁死亡密切相关疾病提供了潜在的靶点和策略。中山大学肿瘤防治中心朱孝峰和邓蓉团队发现了铁死亡过程中脂质过氧化感知分子PKCβII，揭示了其介导脂质过氧化迅速扩增促进铁死亡的分子机制。通过成簇规律间隔短回文重复序列及其相关蛋白9（CRISPR-Cas9）及激酶抑制剂库筛选，发现蛋白激酶C-βⅡ亚型（PKCβII）发挥促进铁死亡的作用。PKCβII是脂质过氧化物的感知分子，其激活是铁死亡执行所必需的。利用免疫共沉淀、磷酸化位点预测、体外激酶、特异性磷酸化抗体制备及脂质组学等方法证实，PKCβII磷酸化ACSL4T328位点，促进ACSL4激活。激活的ACSL4显著促进含不饱和脂肪酸磷脂的合成，进一步诱导脂质过氧化物的产生。脂质过氧化-PKCβII-ACSL4正反馈轴的持续运转，启动了脂质过氧化的快速扩增过程，最终诱导铁死亡的发生。在铁死亡相关的动物模型中进一步证实PKCβII磷酸化ACSL4迅速扩增脂质过氧化的过程在铁死亡中的作用。发现与ACSL4-WT（野生型ACSL4）相比，ACSL4-T328A（磷酸化失活突变型ACSL4）肿瘤对PD-1抗体敏感性下降。敲除PKCβII显著抑制肿瘤对PD-1抗体的敏感性，过表达PKCβII能回复肿瘤的免疫治疗疗效，且铁死亡抑制剂显著抑制PKCβII介导的免疫治疗疗效增强。这表明PKCβII-ACSL4通过促进铁死亡增强免疫治疗疗效，提示PKCβII及ACSL4可作为肿瘤免疫治疗疗效的分子标记物和靶标。四、细胞程序性坏死与铁死亡的关联与对比4.1调控机制的相似性4.1.1信号通路的交叉细胞程序性坏死和铁死亡的信号通路存在复杂的交叉联系，这使得它们在细胞死亡调控网络中相互影响，共同参与细胞命运的决定。肿瘤坏死因子（TNF）信号通路在细胞程序性坏死中发挥着经典且关键的作用，同时也与铁死亡存在密切关联。当细胞受到TNF刺激时，TNF与肿瘤坏死因子受体1（TNFR1）结合，引发一系列信号转导事件。在细胞程序性坏死过程中，RIPK1和RIPK3被招募并激活，形成坏死小体，进而激活MLKL，导致细胞膜破裂，细胞发生程序性坏死。研究发现，TNF刺激还能够通过激活丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）通路，影响铁死亡的发生。TNF-TNFR1信号通路激活后，会激活p38MAPK和JNK等MAPK家族成员。p38MAPK的激活可以上调转铁蛋白受体1（TfR1）的表达，增加细胞对铁的摄取，从而为铁死亡提供更多的铁离子。激活的JNK可以磷酸化并抑制B细胞淋巴瘤-2（Bcl-2）蛋白的活性，Bcl-2是一种抗凋亡和抗铁死亡的蛋白，其活性的抑制会使细胞对铁死亡更加敏感。在TNF刺激的细胞中，当同时抑制细胞程序性坏死通路（如使用RIPK1抑制剂Necrostatin-1）和铁死亡通路（如使用铁螯合剂去铁胺）时，细胞的存活率显著提高，表明TNF信号通路可以同时激活细胞程序性坏死和铁死亡，二者存在信号交叉。Toll样受体（TLRs）信号通路同样在细胞程序性坏死和铁死亡中扮演重要角色。TLRs能够识别病原体相关分子模式（PAMPs）和损伤相关分子模式（DAMPs），激活下游信号通路。在细胞程序性坏死方面，TLR4与配体结合后，通过TRIF招募RIPK1和RIPK3，激活细胞程序性坏死。在铁死亡方面，TLR4信号通路的激活可以通过调节炎症因子的表达，影响细胞内的氧化还原状态，从而促进铁死亡的发生。TLR4激活后，会诱导核因子κB（NF-κB）的活化，导致炎症因子如白细胞介素-1β（IL-1β）和肿瘤坏死因子α（TNF-α）的表达增加。这些炎症因子可以促进活性氧（ROS）的产生，加剧氧化应激，从而增加细胞对铁死亡的敏感性。研究表明，在巨噬细胞中，使用TLR4激动剂LPS刺激后，细胞内的ROS水平升高，脂质过氧化增加，铁死亡相关蛋白如谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）的表达下降，细胞发生铁死亡。同时，LPS刺激也可以激活细胞程序性坏死通路，当使用RIPK1抑制剂或RIPK3抑制剂处理细胞时，LPS诱导的细胞死亡明显减少，表明TLR4信号通路在细胞程序性坏死和铁死亡之间存在信号交叉。4.1.2关键蛋白的潜在联系细胞程序性坏死的关键蛋白如RIPK1、RIPK3、MLKL等与铁死亡调控蛋白（如GPX4、FSP1等）之间存在着潜在的相互作用和功能关联，这进一步揭示了两种细胞死亡方式之间的紧密联系。RIPK1作为细胞程序性坏死信号通路的关键起始蛋白，被发现与铁死亡存在关联。研究表明，RIPK1的激酶活性可以调节细胞内的氧化还原平衡，从而影响铁死亡的发生。在某些细胞模型中，抑制RIPK1的激酶活性可以降低细胞内的ROS水平，减少脂质过氧化，抑制铁死亡的发生。具体机制可能是RIPK1通过激活下游的信号分子，如p38MAPK和JNK，调节抗氧化酶的表达和活性，从而影响细胞内的氧化还原状态。RIPK1还可能通过与铁死亡相关蛋白直接相互作用，调控铁死亡。有研究报道，RIPK1可以与铁死亡抑制蛋白1（FSP1）相互作用，影响FSP1的功能。FSP1是一种NAD(P)H依赖的氧化还原酶，能够通过还原泛醌（CoQ）生成泛醇（CoQH2），抑制脂质过氧化，从而发挥抗铁死亡作用。RIPK1与FSP1的相互作用可能干扰了FSP1的酶活性或其在细胞内的定位，进而影响铁死亡的调控。RIPK3在细胞程序性坏死中起着核心作用，它与铁死亡的调控也存在潜在联系。有研究发现，RIPK3的激活可以导致细胞内的代谢重编程，影响铁死亡相关的代谢通路。RIPK3激活后，会上调一些参与脂肪酸代谢和氧化磷酸化的基因表达，改变细胞内的脂质组成和能量代谢状态。这些代谢变化可能会影响铁死亡的发生，因为铁死亡与脂质过氧化密切相关，而脂肪酸代谢和能量代谢的改变会影响脂质的合成、氧化和过氧化过程。在某些肿瘤细胞中，抑制RIPK3的表达或活性可以降低细胞对铁死亡诱导剂的敏感性，表明RIPK3可能通过调节细胞代谢，参与铁死亡的调控。RIPK3还可能通过与铁死亡相关蛋白相互作用，直接调控铁死亡。虽然目前关于RIPK3与铁死亡调控蛋白直接相互作用的研究较少，但从细胞程序性坏死和铁死亡信号通路的交叉性推测，RIPK3可能与GPX4、FSP1等铁死亡调控蛋白存在某种未知的相互作用，需要进一步深入研究。MLKL作为细胞程序性坏死的执行蛋白，其与铁死亡的关系也逐渐受到关注。有研究表明，MLKL的激活可以导致细胞膜的损伤，增加细胞对铁死亡诱导剂的敏感性。当细胞发生程序性坏死时，MLKL被RIPK3磷酸化激活，形成多聚体并迁移到细胞膜上，在细胞膜上形成孔道，导致细胞膜的通透性增加。这种细胞膜的损伤可能会破坏细胞内的离子平衡和氧化还原稳态，使细胞更容易受到铁死亡诱导剂的影响。在缺血-再灌注损伤模型中，MLKL的激活不仅导致细胞程序性坏死，还伴随着铁死亡的发生。抑制MLKL的活性可以减少细胞的死亡，同时降低铁死亡相关指标，如脂质过氧化水平和铁离子浓度。这表明MLKL的激活可能通过破坏细胞膜的完整性，引发一系列细胞内变化，从而促进铁死亡的发生。MLKL与铁死亡调控蛋白之间是否存在直接相互作用尚不清楚，但从其在细胞程序性坏死中的作用以及与铁死亡的关联推测，MLKL可能通过影响细胞膜的状态，间接调控铁死亡相关蛋白的功能，这为进一步研究二者的关系提供了方向。4.2调控机制的差异4.2.1触发因素的不同细胞程序性坏死主要由细胞外刺激或病原体感染等多种因素触发，这些刺激能够激活特定的信号通路，启动细胞程序性坏死过程。肿瘤坏死因子（TNF）是引发细胞程序性坏死的经典刺激因子之一。当TNF与肿瘤坏死因子受体1（TNFR1）结合后，会诱导TNFR1三聚化，招募肿瘤坏死因子受体相关死亡结构域蛋白（TRADD）、受体相互作用蛋白激酶1（RIPK1）和细胞凋亡抑制蛋白（cIAPs）等形成复合物I。在复合物I中，cIAPs对RIPK1进行泛素化修饰，在一定程度上抑制RIPK1的激酶活性，使细胞倾向于存活。然而，当cIAPs的活性被抑制，或者RIPK1上的泛素链被去泛素化酶去除时，RIPK1会发生去泛素化并被激活。激活后的RIPK1进一步招募受体相互作用蛋白激酶3（RIPK3），二者通过RIP同型相互作用模块（RHIM）相互作用，形成坏死小体，激活下游的混合谱系激酶结构域样蛋白（MLKL），引发细胞程序性坏死。Toll样受体（TLRs）配体、病毒感染等也能诱导细胞程序性坏死。TLRs能够识别病原体相关分子模式（PAMPs）和损伤相关分子模式（DAMPs），当TLRs与相应配体结合后，会招募含有Toll/白细胞介素-1受体（TIR）结构域的接头蛋白，如髓样分化因子88（MyD88）或TIR结构域衔接蛋白诱导IFN-β（TRIF）。在某些情况下，TRIF介导的信号通路会激活RIPK1和RIPK3，进而引发细胞程序性坏死。病毒感染时，病毒的核酸或蛋白可以被细胞内的模式识别受体识别，激活相关信号通路，导致RIPK1和RIPK3的激活，引发细胞程序性坏死。水疱性口炎病毒（VSV）感染细胞后，病毒的双链RNA可以被视黄酸诱导基因I（RIG-I）样受体识别，激活下游信号通路，导致RIPK1和RIPK3的激活，引发细胞程序性坏死。相比之下，铁死亡主要由铁代谢失衡和脂质过氧化触发，其发生与细胞内的氧化还原状态密切相关。铁代谢失衡是引发铁死亡的关键因素之一。正常情况下，细胞通过转铁蛋白受体1（TfR1）摄取转铁蛋白（Tf）携带的铁离子，维持铁离子的稳态。当细胞内铁离子代谢失调，过多的铁离子会参与芬顿反应（Fentonreaction）。在芬顿反应中，Fe²⁺与过氧化氢（H₂O₂）反应，生成极具活性的羟基自由基（・OH）。其反应方程式为：Fe²⁺+H₂O₂→Fe³⁺+・OH+OH⁻。羟基自由基能够攻击细胞膜上的多不饱和脂肪酸（PUFAs），引发脂质过氧化链式反应。细胞膜上的PUFAs含有多个不饱和双键，这些双键容易被羟基自由基攻击，形成脂质自由基（L・），脂质自由基与氧气反应，生成脂质过氧自由基（LOO・），LOO・又可以从另一个PUFA分子上夺取氢原子，形成脂质过氧化物（LOOH），并产生新的脂质自由基，如此循环往复，导致脂质过氧化反应不断放大。脂质过氧化产物的大量积累会严重破坏细胞膜的结构和功能，导致细胞膜的通透性增加，细胞内的离子平衡和渗透压平衡被打破，最终引发细胞死亡。在神经退行性疾病如帕金森病中，大脑中的铁代谢失调，铁离子大量积累，通过芬顿反应产生的羟基自由基引发脂质过氧化，导致神经元细胞膜损伤，神经细胞死亡，进而引发一系列神经功能障碍。除了铁代谢失衡，一些小分子化合物也可以作为铁死亡的触发因素。erastin是一种典型的铁死亡诱导剂，它能够抑制胱氨酸/谷氨酸反向转运体（systemXc⁻）的功能，减少细胞对胱氨酸的摄取。胱氨酸是合成谷胱甘肽（GSH）的前体物质，GSH的合成受阻会导致细胞内GSH水平下降。GSH是谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）的底物，GSH水平的降低会抑制GPX4的活性，使细胞无法有效清除脂质过氧化物，从而引发铁死亡。RSL3则是通过直接作用于GPX4，使其活性丧失，导致脂质过氧化物积累，诱导细胞发生铁死亡。4.2.2执行过程的区别从形态学角度来看，细胞程序性坏死和铁死亡有着显著的差异。在细胞程序性坏死过程中，细胞首先会发生明显的肿胀，这是由于细胞膜的通透性增加，大量的水分和离子进入细胞内，导致细胞体积增大。细胞器也会出现肿胀现象，尤其是线粒体，其形态变得肿胀、模糊，内部结构紊乱。随着坏死进程的推进，细胞膜逐渐失去完整性，发生破裂，细胞内容物释放到细胞外。这些释放的细胞内容物中含有损伤相关分子模式（DAMPs），如高迁移率族蛋白B1（HMGB1）等，它们能够激活周围细胞的炎症反应，引发免疫应答。细胞核在细胞程序性坏死过程中也会发生变化，染色质逐渐凝聚，核膜破裂，最终细胞核解体。在缺血-再灌注损伤模型中，心肌细胞发生程序性坏死时，可观察到心肌细胞肿胀明显，细胞膜破裂，细胞器受损，细胞核固缩，周围组织出现炎症细胞浸润。铁死亡在形态学上具有独特的特征，主要表现为线粒体的特异性改变。线粒体是铁死亡发生的关键场所，在铁死亡过程中，线粒体体积明显缩小，呈现浓缩状态。线粒体的内膜密度增加，线粒体嵴减少甚至消失，这些变化导致线粒体的功能受损，能量代谢紊乱。细胞膜在铁死亡早期通常保持相对完整，但随着脂质过氧化的加剧，细胞膜的结构逐渐被破坏。细胞膜上的脂质过氧化物积累，导致细胞膜的流动性降低，通透性增加。细胞内的离子平衡被打破，钙离子、铁离子等大量涌入细胞内，进一步加剧了细胞的损伤。细胞核在铁死亡过程中一般没有明显的染色质凝聚现象，核膜也相对完整，直到细胞死亡后期才会出现细胞核的变化。在使用铁死亡诱导剂erastin处理肝癌细胞时，通过电镜观察可以发现，肝癌细胞的线粒体明显浓缩，膜密度增加，线粒体嵴减少，而细胞核形态基本正常，细胞膜表面出现一些小泡状结构，这是脂质过氧化导致细胞膜损伤的表现。在生物化学方面，细胞程序性坏死和铁死亡也存在明显的区别。细胞程序性坏死主要依赖于RIPK1、RIPK3和MLKL等蛋白组成的信号通路。如前文所述，当细胞受到刺激后，RIPK1和RIPK3通过RHIM结构域相互作用，形成坏死小体。坏死小体中的RIPK3会磷酸化MLKL，使其从细胞质转移到细胞膜上，形成孔道，导致细胞膜破裂。在这个过程中，还会伴随着一些炎症因子的释放，如肿瘤坏死因子α（TNF-α）、白细胞介素-1β（IL-1β）等，这些炎症因子参与了炎症反应的激活。铁死亡的生物化学过程则主要围绕铁离子和脂质过氧化展开。铁离子在铁死亡中起着核心作用，通过芬顿反应产生的羟基自由基引发脂质过氧化。脂质过氧化过程中会产生一系列的脂质过氧化产物，如丙二醛（MDA）、4-羟基壬烯醛（4-HNE）等，这些产物可以作为检测铁死亡的重要指标。谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）是抑制铁死亡的关键酶，它能够利用谷胱甘肽（GSH）将脂质过氧化物还原为脂质醇，从而抑制脂质过氧化。当GPX4的活性被抑制或其表达水平降低时，脂质过氧化物无法被及时清除，导致铁死亡的发生。此外，铁死亡还涉及到一些代谢通路的改变，如脂肪酸代谢、氨基酸代谢等。在铁死亡过程中，脂肪酸的合成和代谢会发生异常，一些参与脂肪酸代谢的酶，如酰基辅酶A合成酶长链家族成员4（ACSL4）等，其表达和活性会发生变化，影响脂质的组成和代谢，进而促进铁死亡的发生。五、在疾病中的作用及治疗意义5.1在肿瘤中的作用5.1.1促进肿瘤发生发展在肿瘤的发生发展过程中，细胞程序性坏死和铁死亡的异常调控往往起到了推波助澜的作用，它们通过多种机制促进肿瘤细胞的增殖、转移和耐药，对肿瘤的恶性进程产生了深远影响。在多种肿瘤类型中，细胞程序性坏死和铁死亡的异常与肿瘤的发生发展密切相关。在乳腺癌中，研究发现肿瘤细胞中RIPK1和RIPK3的表达水平与肿瘤的侵袭性和转移能力呈正相关。高表达RIPK1和RIPK3的乳腺癌细胞能够激活细胞程序性坏死信号通路，促进肿瘤细胞的迁移和侵袭。其机制可能是激活的细胞程序性坏死信号通路通过调节细胞骨架的重塑，增强肿瘤细胞的运动能力。乳腺癌细胞中RIPK1和RIPK3的激活可以上调基质金属蛋白酶（MMPs）的表达，MMPs能够降解细胞外基质，为肿瘤细胞的迁移和侵袭提供条件。在肝癌中，铁死亡的抑制也与肿瘤的发展密切相关。肝癌细胞中谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）的高表达能够抑制铁死亡的发生，使肝癌细胞对氧化应激的耐受性增强，从而促进肿瘤细胞的增殖和存活。GPX4可以通过清除细胞内的脂质过氧化物，维持细胞膜的稳定性，减少细胞死亡，为肝癌细胞的生长提供有利条件。细胞程序性坏死和铁死亡异常促进肿瘤发生发展的具体机制主要包括以下几个方面。在肿瘤细胞增殖方面，细胞程序性坏死相关蛋白RIPK1和RIPK3的激活可以促进肿瘤细胞的增殖。RIPK1和RIPK3激活后，会通过激活下游的核因子κB（NF-κB）信号通路，上调一系列与细胞增殖相关的基因表达，如细胞周期蛋白D1（CyclinD1）、原癌基因c-Myc等。这些基因的上调可以促进肿瘤细胞进入细胞周期，加速细胞增殖。在铁死亡方面，抑制铁死亡可以为肿瘤细胞的增殖提供有利环境。肿瘤细胞中高表达的铁死亡抑制蛋白1（FSP1）能够通过还原泛醌（CoQ）生成泛醇（CoQH2），抑制脂质过氧化，从而保护肿瘤细胞免受铁死亡的影响。FSP1的高表达使得肿瘤细胞能够在氧化应激条件下继续增殖，促进肿瘤的生长。在肿瘤细胞转移方面，细胞程序性坏死和铁死亡异常也发挥着重要作用。细胞程序性坏死信号通路的激活可以增强肿瘤细胞的迁移和侵袭能力。如前文所述，激活的RIPK1和RIPK3可以上调MMPs的表达，降解细胞外基质，为肿瘤细胞的迁移创造条件。RIPK1和RIPK3还可以通过调节细胞粘附分子的表达，改变肿瘤细胞与周围细胞和基质的粘附特性，促进肿瘤细胞的脱离和转移。在铁死亡方面，肿瘤细胞中铁死亡相关蛋白的异常表达可以影响肿瘤细胞的转移能力。研究发现，一些肿瘤细胞中ACSL4的高表达与肿瘤的转移能力增强相关。ACSL4能够催化花生四烯酸（AA）和肾上腺酸（AdA）等多不饱和脂肪酸与辅酶A结合，形成PUFA-CoA，促进含有PUFA的磷脂合成。这些富含PUFA的磷脂更容易发生脂质过氧化，可能通过调节细胞膜的流动性和信号传导，影响肿瘤细胞的迁移和侵袭能力。肿瘤细胞的耐药性是肿瘤治疗中的一大难题，细胞程序性坏死和铁死亡异常与肿瘤细胞耐药密切相关。在细胞程序性坏死方面，肿瘤细胞可能通过激活细胞程序性坏死信号通路来逃避化疗药物的杀伤作用。一些化疗药物如顺铂、阿霉素等可以诱导肿瘤细胞发生程序性坏死，但肿瘤细胞可以通过上调RIPK1和RIPK3的表达，增强细胞程序性坏死的抵抗能力，从而产生耐药性。在铁死亡方面，肿瘤细胞通过抑制铁死亡来逃避铁死亡诱导剂的杀伤作用。肿瘤细胞中高表达的GPX4可以降低细胞对铁死亡诱导剂的敏感性，使肿瘤细胞在铁死亡诱导剂的作用下仍能存活。一些肿瘤细胞还可以通过上调FSP1的表达，增强对铁死亡的抵抗能力，导致肿瘤细胞对铁死亡诱导剂产生耐药性。5.1.2抑制肿瘤生长细胞程序性坏死和铁死亡的独特机制为肿瘤治疗开辟了崭新的道路，通过巧妙地诱导肿瘤细胞发生程序性坏死或铁死亡，有望实现抑制肿瘤生长的目标，为肿瘤患者带来新的希望。诱导肿瘤细胞发生程序性坏死是一种极具潜力的肿瘤治疗策略。研究表明，使用细胞程序性坏死诱导剂能够有效地激活肿瘤细胞的程序性坏死信号通路，促使肿瘤细胞走向死亡。肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体（TRAIL）是一种能够诱导肿瘤细胞程序性坏死的细胞因子。TRAIL与肿瘤细胞表面的死亡受体DR4和DR5结合后，能够招募死亡结构域蛋白（FADD）和半胱天冬酶-8（Caspase-8），形成死亡诱导信号复合物（DISC）。在某些情况下，当Caspase-8的活性受到抑制时，DISC中的RIPK1会被激活，进而招募RIPK3，形成坏死小体，激活细胞程序性坏死信号通路，导致肿瘤细胞发生程序性坏死。在对乳腺癌细胞的研究中发现，使用TRAIL联合Caspase-8抑制剂处理乳腺癌细胞，能够显著诱导乳腺癌细胞发生程序性坏死，抑制肿瘤细胞的生长。一些小分子化合物也可以作为细胞程序性坏死诱导剂。Necrosulfonamide是