细胞死亡机制：铁死亡

什么是铁死亡？

铁死亡是一种铁依赖的程序性细胞死亡形式，具有独特的形态和生化特征，导致脂质过氧化物的增加。从形态学角度看，发生铁死亡的细胞会呈现线粒体体积缩小、双层膜密度增加、线粒体嵴减少或消失等特征。其细胞膜保持完整，细胞核大小正常，且不会出现凋亡中常见的染色质凝聚现象。与坏死性凋亡和细胞焦亡等其他受调控的坏死形式类似，铁死亡同样会引发细胞膜完整性丧失，但其作用机制存在差异。这种膜完整性的丧失会通过释放损伤相关分子模式 (DAMP) 来触发炎症反应。 

本文将深入探讨铁死亡的关键机制、信号通路及相关蛋白，包括铁稳态调控、脂质代谢以及氧化应激调节在此过程中的作用。

铁稳态

游离的二价铁离子 (Fe²⁺) 可通过芬顿反应诱发自发性脂质过氧化，产生的活性氧簇会破坏细胞膜结构。由于铁死亡具有铁依赖性，因此参与铁稳态调控和 Fe²⁺ 可利用度的通路都会影响该过程。值得注意的是，去铁胺等常见铁螯合剂可抑制铁死亡。

铁稳态调控涉及吸收、运输、利用和储存等多个环节。三价铁离子 (Fe³⁺) 在血液中通过与肝脏合成的糖蛋白——转铁蛋白结合进行运输。当转铁蛋白-铁复合物与转铁蛋白受体（CD71/TFRC，一种 II 型跨膜受体）结合后，铁离子被转运至细胞内。在细胞内体中，STEAP 家族蛋白会将 Fe³⁺ 还原为二价铁。而铁蛋白作为细胞内主要的铁储存蛋白，由重链 (FTH) 和轻链 (FTL) 组成，能够以无毒的生物可利用形式储存铁离子。通过铁蛋白自噬（一种选择性自噬过程），溶酶体介导的铁蛋白降解会释放铁离子，从而促进铁死亡发生。

使用重组单克隆抗体 FTH1 (D1D4) Rabbit mAb #4393 对石蜡包埋的人子宫内膜腺癌细胞进行免疫组织化学分析。

铁蛋白自噬由核受体共激活因子 4 (NCOA4) 介导，其作为铁蛋白的选择性货物受体，可被靶向输送至自噬体。此外，膜蛋白铁转运蛋白 1 (FPN1) 也能通过将细胞内铁离子转运至血液中来调节铁外排。

使用重组单克隆抗体 NCOA4 (E8H8Z) Rabbit mAb #66849（上图）或 β-Actin (D6A8) Rabbit mAb #8457（下图）对不同细胞系提取物进行蛋白质印迹 (WB) 分析。HT-1080 和 OVCAR-4 细胞的 NCOA4 表达水平较低，与预期一致。

抵御氧化应激

调节细胞防御氧化应激的通路对于缓解铁死亡至关重要。小分子亲脂性自由基清除剂（如 ferrostatin-1 和 liproxstatin-1）可以抑制铁死亡。尤其是，谷胱甘肽通路已被确定为关键的抗氧化剂防御通路。代谢蛋白谷胱甘肽过氧化物酶 4 (GPX4) 是这一过程的核心参与者，它可以将 GSH 转化为氧化型谷胱甘肽 (GSSH)，从而限制细胞毒性脂质过氧化作用并保护细胞抵抗铁死亡。GPX4 抑制剂 RSL3 是铁死亡的强效诱导剂。

使用重组单克隆抗体 GPX4 (E5Y8K) Rabbit mAb #59735（一种铁死亡标记物）对石蜡包埋的人乳头状甲状腺癌组织进行免疫组织化学分析。

谷胱甘肽过氧化物酶通路进一步受系统 Xc- 的调控，该系统 Xc- 是一种氨基酸反向转运体，由二硫键连接的 xCT/SLC7A11 和 SLC3A2 (4F2hc/CD98) 异二聚体组成。System Xc 抑制剂 erastin 同样是铁死亡的强效诱导剂。

使用重组单克隆抗体 4F2hc/SLC3A2 (D3F9D) XP^® Rabbit mb #47213（绿色）对 HeLa 细胞（左图，高表达）或 SH-SY5Y 细胞（右图，低表达）进行免疫荧光 (IF) 分析。蓝色伪彩 = DRAQ5^® #4084（荧光 DNA 染料）。

另一个关键的防御调节因子是转录因子 NRF2。NRF2 参与调控包括 GPX4 在内的氧化应激相关基因，在抵抗铁死亡过程中发挥关键作用。

使用 SimpleChIP^® Plus Enzymatic Chromatin IP Kit (Magnetic Beads) #9005 对经 DEM（50 μM，3 小时）处理的 MEF 细胞的交联染色质与重组单克隆抗体 NRF2 (D1Z9C) XP^® Rabbit mAb #12721 进行染色质免疫沉淀。使用 DNA Library Prep Kit for Illumina^® (ChIP-seq, CUT&RUN) #56795 制备 DNA 文库。结果图显示在染色体 8（上图）内的结合，包括 NRF2 的已知靶标基因 NQO1（下图）（参见包含 ChIP-qPCR 数据的其他结果图）。

在正常情况下，NRF2 的表达通过与 KEAP1 相互作用而受到抑制，KEAP1 是导致 NRF2 蛋白酶体降解的泛素 E3 连接酶复合物的一部分。在氧化应激期间，KEAP1 会发生构象变化，从而破坏这种相互作用，导致 NRF2 稳定化。

使用重组单克隆抗体 KEAP1 (D6B12) Rabbit mAb #8047（上图）或 α-Tubulin (11H10) Rabbit mAb #2125（下图），对经 100 nM SignalSilence^® Control siRNA (Unconjugated) #6568 (-), SignalSilence^® KEAP1 siRNA I #5285 (+) 或 SignalSilence^® KEAP1 siRNA II #5289 (+) 转染的 OVCAR8 细胞提取物进行蛋白质印迹分析。KEAP1 (D6B12) Rabbit mAb 可确认 KEAP1 表达沉默，而 α-Tubulin (11H10) Rabbit mAb 则用作上样对照。

该过程通过自噬通路进一步调控，其中自噬货物受体 SQSTM1/p62 可以竞争性抑制 KEAP1-NRF2 复合物，从而导致 NRF2 上调。

使用重组单克隆抗体 SQSTM1/p62 (D6M5X) Rabbit mAb #23214 对石蜡包埋的小鼠前胃组织进行免疫组织化学分析。

脂质代谢

脂质代谢是指脂质的分解和合成过程。脂质可能含有仅含碳-碳单键的饱和脂肪酸，或含有一个或多个碳-碳双键的不饱和脂肪酸。含有多不饱和脂肪酸 (PUFA) 的脂质在铁死亡过程中易发生过氧化反应。

ACSL4 作为脂质代谢关键酶，同样是铁死亡的重要调控因子。ACSL4 能促进花生四烯酸等 PUFA 掺入磷脂，这一过程会增强脂质过氧化反应。ACSL4 的高表达会导致细胞对铁死亡的敏感性增加。

使用 ACSL4 (F6T3Z) Rabbit mAb #38493（绿色）、DyLight 554 Phalloidin #13054（红色）和 DAPI #4083（蓝色）对 Caki-1 细胞和 MCF7 细胞进行免疫荧光分析。

用于研究铁死亡的抗体小包装组合

监测铁死亡的工具可能涉及多种方法，包括药理学敏感性（例如铁螯合剂和抗氧化剂）、关键靶标表达（GPX4、SCL7A11、铁蛋白、NRF2 等）的变化、监测活性氧和脂质过氧化以及谷胱甘肽测定。

CST 提供用于研究铁死亡以及其他几种代谢通路的小包装组合，以帮助您识别与您的研究相关的蛋白并专注于开展初步研究：

• Ferroptosis Antibody Sampler Kit #29650：该试剂盒包含针对关键铁死亡调节剂（例如 GPX4、KEAP1 和 NRF2）的抗体。它非常适合研究铁死亡细胞死亡的分子机制及其通过 KEAP1-NRF2 轴等通路的调控。
• Redox/Ferroptosis Antibody Sampler Kit #70703：该试剂盒旨在研究氧化还原调节和铁死亡过程之间的关系，包含 AIFM2/FSP1、GPX4 和硫氧还蛋白的抗体。
• Iron Homeostasis/Ferroptosis Antibody Sampler Kit #36354：该试剂盒包括抗转铁蛋白、转铁蛋白受体和铁转运蛋白-1 的抗体，以及 FTH1 等铁死亡相关标记物抗体。
• Lipid Metabolism/Ferroptosis Antibody Sampler Kit #58434：对于研究脂质重塑及其对铁死亡细胞死亡影响的研究人员，该试剂盒包含 ACSL1、ACSL2、ACSL3、ACSL4、LPCAT 和 SREBP-1 的抗体。
• Glutathione Metabolism/Ferroptosis Antibody Sampler Kit #84600：该试剂盒包含与检测谷胱甘肽代谢和铁死亡相关的蛋白抗体，包括 GPX4、xCT/SLC7A11、GCLC、谷氨酰胺酶-1、谷氨酰胺酶-2、GOT1 和 GOT2 的抗体。

其他资源

要更多了解参与多种类型细胞死亡的机制、形态和关键蛋白质，请下载下面的指南： 

阅读细胞死亡机制系列中的其他博客： 

• 细胞死亡机制：凋亡
• 细胞死亡机制：坏死和坏死性凋亡
• 细胞死亡机制：焦亡

探索 CST^® TUNEL 试剂盒的信息，它可以有效检测正在经历凋亡和其他形式的程序性细胞死亡的细胞。

选择以下参考文献

• Galluzzi L, Vitale I, Aaronson SA, et al. Molecular mechanisms of cell death: recommendations of the Nomenclature Committee on Cell Death 2018. Cell Death Differ. 2018;25(3):486-541. doi:10.1038/s41418-017-0012-4
• Frank D, Vince JE. Pyroptosis versus necroptosis: similarities, differences, and crosstalk. Cell Death Differ. 2019;26(1):99-114. doi:10.1038/s41418-018-0212-61.
• Escobar ML, Echeverría OM, Vázquez-Nin GH. Necrosis as Programmed Cell Death. In: Cell Death - Autophagy, Apoptosis and Necrosis. InTech. 
• Yang WS, Stockwell BR. Ferroptosis: Death by Lipid Peroxidation. Trends Cell Biol. 2016;26(3):165-176. doi:10.1016/j.tcb.2015.10.014
  

2025 年 4 月更新。最初发布于 2021 年 6 月。20-CEP-94379 和 25-HMC-18550