鐵死亡機制全解析及其在多種疾病研究中的應用_abio生物試劑品牌網
鐵死亡與多種疾病如神經退行性疾病、心血管疾病及癌癥均有著密切聯系。鐵死亡誘導劑常用于消除癌細胞、炎性細胞等病變細胞,也可與化療或放射療法聯用。鐵死亡抑制劑在神經退行性疾病、心血管疾病等疾病中顯示出保護作用,抑制鐵死亡可以減輕病理過程帶來的細胞損傷和功能喪失。因此,研究鐵死亡可為疾病機制的理解、治療靶點的發現、抗腫瘤藥物的開發、克服傳統化療的耐藥性提供新方向[1][2][3]。
01
System xc- -GSH-GPX4 途徑[1][4]
鐵死亡主要由鐵依賴性脂質過氧化引起,其分子機制包括多種,如 System xc- -GSH-GPX4 途徑、鐵代謝 途徑、脂代謝途徑、甲羥戊酸途徑和其他途徑 (AIFM2-CoQ10, GCH1-BH4, ESCRT-III 膜修復系統以及 DHODH 通路等)。
System xc- -GSH-GPX4 是細胞內重要的抗氧化體系,主要通過三個步驟發揮作用。
1.1 System xc- —關鍵上游節點
System xc- 由 2 個亞基(SLC7A11 和 SLC3A2)組成。 SLC7A11 為功能亞基,負責主要的轉運活性, 對胱氨酸(Cystine; Cys2)和谷氨酸(Glu)有高度特異性,而 SLC3A2 則作為伴侶蛋白。 System xc- 以 1:1 的比例進行胞內谷氨酸和胞外胱氨酸的交換轉運。
1.2 GSH—核心的抗氧化劑
胱氨酸進入細胞后,可被GSH 或硫氧還蛋白還原酶 (TrxR1)還原為半胱氨酸(Cysteine; Cys)。隨后, 半胱氨酸在谷氨酸 - 半胱氨酸連接酶(GCL)和谷胱甘肽合成酶(GSS)的催化作用下合成 γ- 谷氨酰 半胱氨酸 (γ-GC)。隨后,γ-GC和甘氨酸(Gly)被GSS催化生成谷胱甘肽(GSH)。GSH 的其他來源可能 包括反式硫化途徑(transsulfuration),該途徑受氨酰基 -tRNA合成酶家族(如CARS1)的負向調節。
GSH以還原型 (G-SH) 和氧化型(GS-SG,谷胱甘肽二硫化物 ) 存在,GSH 通過G-SH和GS-SG 之間的 轉換發揮電子供體或受體的作用,從而維持細胞中氧化還原穩態。
1.3 GPX4—核心下游抗氧化劑
Fe2+ 可通過芬頓反應產生大量的磷脂氫過氧化物(PLOOH)。谷胱甘肽過氧化物酶(GPX4)能夠利用 GSH 將 PLOOH 還原為脂質醇(PLOH),從而保護細胞免于鐵死亡。具體而言,在 GPX4 的催化循環中, 硒醇(-SeH)是 GPX4 的主要活性基團,GSH 是 GPX4 的主要還原性輔因子,-SeH 被 PLOOH 氧化成硒酸 (-SeOH),GSH 可以還原 -SeOH 并進一步激活 GPX4,釋放 GS-SG 以防止 GPX4 失活。GS-SG 在谷胱甘肽還原酶(GR)和輔酶 NADPH 的作用下被還原為 G-SH。
| MCE 熱銷產品— System xc- -GPX4 抑制劑 |
| Cat. No. | Product Name | Bioactivity |
| HY-15763 | Erastin | 抑制 System xc- ,干擾胱氨酸的吸收并消耗 GSH |
| HY-100218A | RSL3 | 抑制 GPX4 的活性 |
| HY-100003 | ML 210 | |
| HY-103087 | FIN56 | GPX4以減少降解劑,調控角鯊烯合 CoQ10 水平酶(SQS) |
| HY-N0504 | Lovastatin 洛伐他汀 |
HMGCR抑制劑,抑制 GPX4生物合成 |
| HY-17502 | Simvastatin 辛伐他汀 |
| MCE 熱銷產品— System xc- -GPX4 激活劑 |
| Cat. No. | Product Name | Bioactivity |
| HY-B0451 | Dopamine多巴胺 | 增強GPX4蛋白的穩定性 |
| HY-14909 | Bardoxolone(CDDO)巴多索隆 | 抑制 和脂質過氧化HSP90,進而抑制GPX4 降解 |
| HY-Y0326 | β-Mercaptoethanol β-巰基乙醇 | 將 Cys2 還原為 Cys, 增加 Cys 的吸收 |
| HY-115627 | PKUMDL-LC-101-D04 | GPX4 激活劑 |
| HY-N0382 | Galangin 高良姜素 |
激活SLC7A11/GPX4 |
| HY-14590 | Kaempferol 山奈酚 |
激活 Nrf2/SLC7A11/GPX4 |
MCE 客戶使用產品發表的部分文獻
Nature.2024 Jul;631(8021):654-662.
Nature. 2024 Feb;626(7998):411-418.
Nature. 2020 Mar;579(7799):433-437.
02
鐵代謝途徑[1]
鐵的積累是啟動鐵死亡過程中膜氧化損傷的關鍵信號。增加鐵的吸收、減少鐵的儲存和限制鐵的流出均可 導致鐵的積累增加,并促進鐵死亡。
2.1 鐵的攝取
血清轉鐵蛋白(Serotransferrin)通過轉鐵蛋白受體(TFRC)介導 Fe3+ 的攝取,進入細胞后在內體酸性 環境中被還原為 Fe2+,由金屬轉運體 SLC11A2(也稱 DMT1)釋放至細胞質中。
此外,乳鐵蛋白 (Lactotransferrin)和血紅素(Haem)通過細胞膜中的不同吸收途徑提供額外的鐵來源。另外, 鐵儲存蛋白復合物(FTH1/FTL)可通過 NCOA4介導的自噬被降解(Ferritinophagy),從而增加 Fe2+ 的水平。
過量的 Fe2+ 可以通過兩種機制產生活性氧(ROS),隨后導致脂質過氧化,誘導鐵死亡。
1. 鐵依賴性芬頓反應;
2. 激活含鐵酶如脂氧合酶(ALOXs)。ACSL4和LPCAT3促進多不飽和脂肪酸(PUFA)摻入磷脂中形成 含多不飽和脂肪酸的磷脂(PUFA-PL),并對 ALOXs介導自由基引發的氧化作用敏感,從而產生 PL-PUFA-OOHs。
2.2 鐵的流出
Fe2+ 主要由細胞膜上的 SLC40A1 輸出,但也可以通過 Prominin 2 介導的外泌體(Exosome)以鐵蛋白 的形式輸出,從而抑制鐵死亡。
| MCE 熱銷產品— 鐵過載劑與螯合劑 |
| Cat. No. | Product Name | Bioactivity |
| HY-50898 | Lapatinib 拉帕替尼 |
鐵過載劑,增加細胞游離鐵含量; EGFR 和 HER2 抑制劑 |
| HY-19424 | Hemin 氯化血紅素 |
鐵過載劑;含鐵的卟啉化合物 |
| HY-B0094 | Artemisinin 青蒿素 |
鐵過載劑 誘導鐵蛋白降解,增加細胞游離鐵 |
| HY-B1625 | Deferoxamine 去鐵胺 |
鐵離子螯合劑 |
| HY-B0568 | Deferiprone 去鐵酮 |
|
| HY-N0005 | Curcumin 姜黃素 |
鐵離子螯合劑; p300/CREB 抑制劑,抗氧化劑 |
MCE 客戶使用產品發表的部分文獻
Cell Metab. 2024 Sep 28:S1550-4131(24)00366-8.
Nat Cell Biol. 2024 Sep;26(9):1545-1557.
Cell Mol Immunol. 2023 Jan;20(1):51-64.
Nat Cell Biol. 2021 Jan;23(1):40-48.
Nat Nanotechnol. 2021 Oct;16(10):1150-1160.
03
脂代謝途徑[1][5]
脂質過氧化過程中,自由基(例如 H2O2,O2? - 和 ?OH)可攻擊含有碳碳雙鍵的脂質,特別是存在于質膜或 有膜細胞器的多不飽和脂肪酸(PUFA)。過度的脂質過氧化通過產生有毒的磷脂氫過氧化物(PLOOH), 在促進鐵死亡中起著重要作用。
除了通過激活 ACSL4-LPCAT3-ALOX 軸以外,幾種膜電子轉移蛋白如細胞色素 P450 氧化還原酶(POR) 和 NADPH 氧化酶(NOX)可促進鐵死亡中脂質過氧化產生。POR 與細胞色素 B5 還原酶 1(CYB5R1) 的偶聯 會介導 H2O2 的產生,NOX 介導 O2 ?- 的產生,隨后通過鐵催化的芬頓反應驅動脂質過氧化和鐵死亡。因此, POR/CYB5R1,NOX 和 ACSL4-LPCAT3-ALOX 途徑均可促進 PLOOH 的產生。
相反,System xc- -GSH-GPX4,AIFM2-CoQ10,GCH1-BH4 軸的激活限制了鐵死亡中的脂質過氧化。 PLOOH 介導的膜損傷可以通過 ESCRT-III 膜修復系統進行修復。
| MCE 熱銷產品— 脂質過氧化物抑制劑 |
| Cat. No. | Product Name | Bioactivity |
| HY-139180 | PRGL493 | ACSL4 抑制劑 |
| HY-17386 | Rosiglitazone 羅格列酮 |
ACSL4 抑制劑 PPARγ 激動劑 |
| HY-13956 | PIoglitazone 吡格列酮 |
|
| HY-50935 | Troglitazone 曲格列酮 |
|
| HY-14164 | Zileuton 齊留通 |
5-LOX(ALOX-5)抑制劑 |
| HY-103157 | PD146176 | 15-LOX(ALOX-15)抑制劑 |
| HY-N0196 | Baicalein 黃芩素 |
12/15-LOX(ALOX-12/ALOX-15)抑制劑 |
MCE 客戶使用產品發表的部分文獻
Cell. 2024 Nov 19:S0092-8674(24)01270-4.
Cancer Cell. 2024 May 13;42(5):869-884.e9.
Cell Metab. 2023 Jan 3;35(1):200-211.e9.
Cell Metab. 2021 Mar 2;33(3):581-597.e9.
04
甲羥戊酸 (Mevalonate, MVA) 途徑[1][6]
MVA 途徑中,三個乙酰輔酶 A 分子(Acetyl-CoA)縮合產生 HMG-CoA。然后,HMG-CoA 還原酶(HMGCR) 不可逆地將 HMG-CoA 還原為 MVA。
MVA 通過一系列酶促步驟轉化為異戊烯基二磷酸(IPP)。IPP 可調控 硒代半胱氨酸(Sec)-tRNA 的成熟。Sec 是 GPX4 活性中心的氨基酸之一,其合成需要 Sec-tRNA 作為轉運體。 因此,MVA 途徑可通過調節 Sec-tRNA 的成熟來影響 GPX4 的合成,從而調控鐵死亡。

知識卡片
在鐵死亡的芬頓反應中,第一步是 H2O2 在 Fe2+ 存在下生成強氧化能力的羥基自由基(?OH), ?OH 能夠從含 多不飽和脂肪酸的磷脂(PUFA-PL)的雙烯丙基位置奪取氫原子,生成脂質自由基(Lipid radical, PL?),并與 氧分子發生反應,從而形成脂質過氧化自由基(Lipid peroxyl radical, PLOO?)。
PLOO? 可從磷脂(PL)分子中 提取氫形成脂質過氧化物 (PLOOH)和脂質自由基(PL?),形成連鎖反應。在 Fe2+ 的存在下,PLOOH 可被還原 成 PL-O?,有助于連鎖反應傳播。
研究發現,許多抗氧化劑(例如:Ferrostatin-1, Liproxstatin-1),可捕獲自由基,抑制鐵死亡過程中由芬頓反應 驅動的 PUFA-PL 的自氧化 [7][8]。

MCE 熱銷產品— 抗氧化劑
| Cat. No. | Product Name | Bioactivity |
| HY-100579 | Ferrostatin-1 (Fer-1) | 捕獲脂質過氧化物自由基,防止 自由基鏈式反應,抑制脂質過氧化 |
| HY-12726 | Liproxstatin-1 (Lip-1) | |
| HY-N0683 | α-Vitamin E α-維生素 E | 維生素 E,抗氧化劑,清除自由基 |
| HY-101445 | Trolox | 維生素 清除 ROS E 類似物,抗氧化劑, 和脂質過氧化物 |
MCE 客戶使用產品發表的部分文獻
Nature. 2024 Jul;631(8021):654-662.
Cell Stem Cell. 2024 Oct 3;31(10):1484-1500.e9
Cell. 2024 Feb 1;187(3):624-641.e23.
Nat Nanotechnol. 2021 Oct;16(10):1150-1160.
05
其他途徑
5.1 AIFM2-CoQ10 通路
CoQ10 的還原形式泛醇(Ubiquinol)可捕獲脂質過氧化物自由基,抑制脂質過氧化,而 AIFM2(FSP1) 可催化 CoQ10 的再生,也可通過激活 ESCRT-III 膜修復系統來預防癌細胞中的鐵死亡[1][9]。
5.2 ESCRT-III 膜修復系統
ESCRT-III 系統(由 12 個亞基組成)是一種重要的膜修復機制,可以限制壞死性凋亡、細胞焦亡和 鐵死亡[10]。
5.3 GCH1-BH4 通路
GCH1 是 BH4(抗氧化劑)合成的限速酶,而 BH4 的含量會影響細胞對鐵死亡的敏感性。GCH1-BH4 軸 可控制 BH4 的內源性產生、CoQ10 豐度,以及異常磷脂的過氧化,從而抑制鐵死亡[11]。
5.4 DHODH 通路
DHODH,位于線粒體內膜外表面的酶,是細胞增殖和 DNA合成中的重要酶。DHODH 負責催化嘧啶 核苷酸合成途徑中二氫乳清酸(DHO)氧化為乳清酸(OA),同時將內膜中的CoQ10 還原為泛醇 (Ubiquinol)來抑制線粒體內膜的鐵死亡。DHODH 所介導的抗鐵死亡機制獨立于細胞質中的 GPX4 和 FSP1 路徑。因此,在線粒體 GPX4 功能缺失時,DHODH 能通過維持 CoQ10/泛醇抗氧化系統來部分 補償,從而延緩鐵死亡的發生 [12]。
MCE 熱銷產品
| Cat. No. | Product Name | Bioactivity |
| HY-136057 | iFSP1 | CoQ10 發生鐵死亡,增強癌細胞對鐵死亡誘導劑的敏感度 還原酶(FSP1)抑制劑,誘導低表達 GPX4 癌細胞 |
| HY-108325 | Brequinar | CoQ10 誘導鐵死亡 還原酶(DHODH)抑制劑,在缺乏 GPX4 的條件下 |
MCE 客戶使用產品發表的部分文獻
Nature. 2024 Feb;626(7998):411-418.
Nature. 2022 Apr;604(7904):134-140.
Cell Discov. 2022 May 3;8(1):40.
06
鐵死亡化合物庫
鐵死亡與多種疾病都有密切的關系,如癌癥、神經退行性疾病、急性腎功能衰竭等。高通量篩選是小分子 藥物開發的重要方法,可以快速有效的得到先導化合物。MCE 鐵死亡化合物庫 (HY-L051) 集合了 1,000+ 種 文獻報道的具有誘導或抑制鐵死亡相關的化合物及與鐵死亡密切相關的靶點對應的化合物,可以用于 鐵死亡機制及相關疾病的研究。
客戶驗證
案例一:鐵死亡誘導劑與抑制劑調控 MSCs 細胞鐵死亡

案例二:FSP1 抑制劑增強 A549 細胞對鐵死亡誘導劑的敏感性

MCE 驗證數據
案例:鐵死亡誘導劑與抑制劑調控 HT-1080 細胞鐵死亡

參考文獻:
[1] Nat Rev Clin Oncol. 2021 May;18(5):280-296.
[2] Cell. 2022 Jul 7;185(14):2401-2421.
[3] Cell Death Dis. 2020.11:88.
[4] Front Pharmacol. 2022 Aug 29;13:910292.
[5] Front Cell Dev Biol. 2021 Mar 25;9:646890.
[6] Signal Transduct Target Ther. 2021 Feb 3;6(1):49.
[7] PLoS Biol. 2018 May 24;16(5):e2006203.
[8] Front Pharmacol. 2024 May 23;15:1407335.
[9] Nature. 2019 Nov;575(7784):693-698.
[10] Biochem Biophys Res Commun. 2020 Feb 5;522(2):415-421.
[11] ACS Cent Sci. 2020 Jan 22;6(1):41-53.
[12] Nature. 2021 May;593(7860):586-590.
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