nature reviews molecular cell biology:铁死亡的细胞生物学

文摘   2024-11-08 07:00   北京  

介绍:铁死亡是一种非凋亡的细胞死亡机制,其特征是铁依赖的膜脂过氧化。本文综述了铁死亡的细胞机制,包括执行和调控铁死亡的细胞机制,以及不同细胞器和代谢途径如何调节铁死亡敏感性。


铁死亡的一般机制。

铁死亡在质膜上的执行和调控

质膜破裂是导致细胞死亡的一个重要过程。在非凋亡性细胞死亡中,如坏死性凋亡和细胞焦亡,质膜通透性增加是关键步骤,涉及特定成孔蛋白如MLKL、gasdermin D和ninjurin 1。Ninjurin 1可能在某些细胞中铁死亡中起作用,但铁死亡的执行并不需要特定的成孔蛋白。铁死亡的执行和调节主要涉及控制质膜完整性的脂质机制。

  • 铁死亡在质膜上执行:涉及多不饱和脂肪酸(PUFA)含量的磷脂的过氧化和脂质过氧化氢的形成。这些过氧化氢可以与铁反应生成高反应性的脂质自由基,导致细胞死亡。

  • 抑制膜脂过氧化:通常由酶-代谢物系统持续活性抑制,以防止膜脂过氧化物积累至有毒水平。谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)是防止脂质过氧化积累的关键酶。

  • 质膜修复作为抗铁凋亡机制:质膜修复过程对抗铁死亡的终端执行。脂质过氧化可以触发细胞内Ca2+水平增加,从而招募ESCRT-III复合体到质膜进行局部膜修复。

  • 质膜转运蛋白和酶对铁死亡的调节:质膜蛋白通过多种方式贡献铁死亡的执行和调节,包括产生活性氧(ROS)和介导铁或代谢物的运输。

细胞质中发生的铁死亡调节活动

铁死亡执行中心在质膜上,但关键的调节活动发生在细胞质中。例如,硒蛋白的翻译发生在细胞质中,硒代半胱氨酸直接在特定的tRNA上合成。GPX4的辅因子谷胱甘肽(GSH)也在细胞质中合成。

特定细胞器在调节铁死亡中的作用

细胞器以复杂且有时相互冲突的方式影响铁死亡敏感性,如何协调这些作用以产生一致的影响是一个待解决的问题。下面介绍了不同细胞器对铁死亡调节的关键方面。

  • 线粒体:通过多种方式调节铁死亡敏感性,包括形态变化、代谢活动、铁处理和应激响应。


    线粒体中的铁死亡调控。

  • 内质网(ER):在脂质代谢中起重要作用,影响铁死亡敏感性,特别是通过脂质去饱和、磷脂合成和重塑。



    内质网中的铁死亡调节。

  • 脂滴:作为ER衍生的动态脂质储存细胞器,在铁死亡调节中具有上下文特异性作用。



    脂质滴中的 PUFA 通量和封存。

  • 过氧化物酶体:通过合成醚磷脂对铁死亡敏感性做出贡献。

  • 高尔基体:在蛋白质和囊泡运输以及脂质代谢中发挥作用,可能通过影响内源性RTA代谢来增强铁死亡敏感性。

  • 溶酶体:在铁代谢中起作用,调节铁的释放和储存,影响铁死亡敏感性。

  • 细胞核:虽然在铁死亡中的作用不太清楚,但核膜的脂质过氧化可能与DNA损伤有关。

动态和空间分布的过程塑造铁死亡敏感性

  • 脂质代谢:控制铁死亡敏感性,通过控制更易氧化与不易氧化脂质的丰度和定位。

  • 铁死亡扩增机制:随着质膜脂过氧化的增加,可能会触发正反馈机制,加速这一过程。

  • 铁死亡敏感性的反馈抑制:一些机制可能会抑制铁死亡,如通过释放含铁的外泌体来减少脂质过氧化。

  • 细胞内运输:脂质过氧化对分泌途径的功能有深远影响,可能改变细胞对铁死亡的敏感性。

  • 转录程序:不同的转录因子可以诱导基因表达程序,通过调节多个途径和细胞器的功能来调节铁死亡敏感性。

结论与观点

铁死亡是由细胞内多种因素控制的过程,主要特点是质膜脂质过氧化和破裂。关键问题包括脂质过氧化如何扩散和分解,以及如何影响膜破裂。细胞器间的通讯和脂质运输在铁死亡中的作用还需研究。目前的研究主要基于癌细胞,而正常细胞可能有不同的铁死亡机制。

铁死亡调控的细胞图。

细胞对脂质过氧化的敏感性受多种分子影响,这些分子的作用可能因细胞类型而异。要控制铁死亡,需要了解所有相关分子及其在细胞中的作用位置。同时,细胞间的交流和环境分子也会影响铁死亡敏感性。

从细胞生物学角度来看,铁死亡可以通过调节细胞内结构的功能来控制。ESCRT-III复合蛋白在调节多种细胞死亡中起作用,增强这种修复系统可能有助于延迟或防止细胞死亡,对治疗相关疾病有益。同时,抑制这些保护机制可能有助于治疗癌症等疾病。发现铁死亡的新标记物,如转铁蛋白受体和PRDX3,以及对铁死亡细胞形态的分析,对于针对性治疗非常重要。

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