综述：铁、铜和二硫化物失调：黑色素瘤进展中代谢性细胞死亡的分子交叉点

《Frontiers in Pharmacology》：Iron, copper and disulfide dysregulation: molecular crossroads of metabolic cell death in melanoma progression

本综述系统阐述了铁死亡(ferroptosis)、铜死亡(cuproptosis)和二硫化物死亡(disulfidptosis)这三种代谢性细胞死亡方式在黑色素瘤中的分子机制及其相互作用。文章深入分析了脂质代谢、GPX4、FDX1、SLC7A11等关键靶点，探讨了代谢竞争悖论及其与肿瘤微环境(TME)的互作，并展望了纳米平台、免疫联合治疗等创新策略，为克服黑色素瘤治疗耐药性提供了新的视角和潜在的治疗突破口。

　　

1 引言

黑色素瘤是一种起源于黑素细胞的高度侵袭性恶性肿瘤，其全球发病率和死亡率持续上升，尤其是转移性黑色素瘤患者预后极差。尽管靶向治疗（如BRAF/MEK抑制剂）和免疫检查点抑制剂（如抗PD-1/CTLA-4抗体）显著改善了部分患者的生存，但原发性和获得性耐药依然常见。近年来，代谢性细胞死亡，包括铁死亡、铜死亡和二硫化物死亡，在黑色素瘤研究中展现出独特优势。这类“细胞自杀”机制由营养耗竭或金属离子过载引起的代谢失衡触发，为开发新的治疗策略提供了思路。

2 黑色素瘤中的铁死亡：铁依赖的脂质过氧化驱动细胞死亡

铁死亡是一种铁依赖性、由脂质过氧化驱动的调节性细胞死亡形式。其核心机制涉及脂质代谢、活性氧（ROS）调控和铁稳态三个方面。

2.1 黑色素瘤中的脂质代谢与铁死亡诱导

铁死亡与黑色素瘤中脂质代谢失调密切相关，其中多不饱和脂肪酸（PUFA）代谢是核心分子机制。线粒体中的乙酰辅酶A（acetyl-CoA）与草酰乙酸结合形成柠檬酸，后者在胞质中被ATP柠檬酸裂解酶（ACLY）裂解为乙酰辅酶A和草酰乙酸。乙酰辅酶A在线粒体中也可由乙酸产生，尤其在预后不良的BRAF突变型黑色素瘤脑转移中，细胞对乙酸的依赖性增强。脂肪酸（FA）合成始于乙酰辅酶A羧化酶（ACC）产生丙二酰辅酶A，随后脂肪酸合酶（FASN）复合物迭代延伸碳链产生棕榈酸（C16:0）。研究表明，ACC和FASN在人类黑色素瘤中显著上调。硬脂酰辅酶A去饱和酶（SCD）介导的长链脂肪酸（LCFA）去饱和在黑色素瘤表型转换中起关键作用：低SCD条件会诱导内质网（ER）应激，抑制小眼畸形相关转录因子（MITF），并促进黑色素瘤去分化。

在铁死亡过程中，掺入膜磷脂中的多不饱和脂肪酸（PUFA）的氧化修饰起决定性作用。在氧化应激下，活性氧（ROS）选择性攻击PUFA双键上的氢原子，引发脂质过氧化链式反应。研究表明，磷脂酰乙醇胺（PE）结合的PUFAs（特别是PE-AA和PE-AdA）对铁死亡表现出显著的敏感性，其丰度与酰基辅酶A合成酶长链家族成员4（ACSL4）的活性正相关。同时，脂氧合酶（LOXs，特别是15-LOX1/2）催化PUFAs的酶促氧化。这一过程受到谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）等铁死亡抑制剂的拮抗，形成了铁死亡控制中维持氧化还原平衡的关键调控节点。

2.2 GPX4及其在抑制黑色素瘤铁死亡中的作用

活性氧（ROS），包括过氧化氢（H₂O₂）、羟基自由基（·OH）、单线态氧（¹O₂）和超氧化物（·O₂^?等），是氧化还原过程中的关键信号介质，并 critically 参与铁死亡的启动和进展。线粒体电子传递链被认为是ROS产生的主要来源。在辅酶Q₁₀（CoQ₁₀）介导的电子传递过程中，约有1%–2%的电子在从复合物I和II传递到复合物III时发生泄漏。在特定条件下，这些泄漏的电子与分子氧反应生成超氧自由基（·O₂^?），随后被超氧化物歧化酶（SOD）转化为H₂O₂。H₂O₂随后可通过芬顿反应与游离的Fe²⁺反应，产生高反应活性的羟基自由基（·OH）。在BRAF突变黑色素瘤中，BRAF抑制剂上调氧化磷酸化（OXPHOS），增强线粒体ROS积累和细胞对铁死亡的易感性。此外，NADPH氧化酶（NOX）家族通过跨膜电子转移特异性催化O₂^?的生成。NOX2激活通过依赖于兰尼碱受体（RyR）的钙信号通路刺激ROS产生。

胱氨酸/GSH/GPX4轴是抵御铁死亡的核心防御机制。系统Xc^-是一种异源二聚体跨膜转运蛋白，由轻链xCT（SLC7A11）和重链4F2hc（SLC3A2）组成，以1:1的比例促进胱氨酸和谷氨酸的交换。研究表明，对BRAF抑制剂耐药的黑色素瘤表现出对谷氨酰胺的依赖性增加，并激活NRF2通路，增加xCT表达和GSH水平以逃避铁死亡。相反，去分化的黑色素瘤特征是其基础GSH水平较低，对铁死亡更敏感。细胞内的胱氨酸被还原为半胱氨酸，用于谷胱甘肽（GSH）的生物合成。GSH以还原型（GSH）和氧化型（GSSG）形式存在，通过谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）和谷胱甘肽还原酶（GR）动态平衡。在哺乳动物GPX家族成员（GPX1-GPX8）中，GPX4是唯一能够清除膜脂氢过氧化物的成员。GSH生物合成受分级调控：γ-谷氨酰半胱氨酸连接酶（GCL）催化谷氨酸和半胱氨酸结合形成γ-谷氨酰半胱氨酸（γ-Glu-Cys），随后谷胱甘肽合成酶（GS）添加甘氨酸产生GSH。除了系统Xc^?介导的胱氨酸摄取外，哺乳动物细胞还利用转硫途径从蛋氨酸衍生半胱氨酸。研究表明，升高的肿瘤微环境蛋氨酸水平可能通过该途径破坏GSH稳态。

2.3 黑色素瘤中的铁调节及对铁死亡的敏感性

铁作为生物体中必需的微量金属元素，参与包括氧运输、DNA合成与修复以及线粒体电子传递在内的多种关键生化过程。从化学角度看，铁的价态范围从-2到+7，但生物系统主要利用+2价[亚铁，Fe(II)]和+3价[铁，Fe(III)]氧化还原态。

在黑色素瘤中，铁代谢通过多种途径驱动铁死亡。血红素铁通过顶端膜上的血红素载体蛋白1（HCP1）被肠上皮细胞以完整的卟啉复合物形式摄取。相反，非血红素铁的吸收需要将Fe³⁺还原为Fe²⁺，该过程由十二指肠细胞色素B（DCYTB）催化，随后通过二价金属转运蛋白1（DMT1/SLC11A2）跨膜转运。铁从肠上皮细胞流出依赖于基底外侧膜上铁转运蛋白（FPN/SLC40A1）和血红素（Hp）的协同活性。铁通过FPN挤出到细胞外空间，随后被Hp氧化为Fe³⁺，使其能够与转铁蛋白（TF）结合。血浆中的转铁蛋白-铁复合物通过转铁蛋白受体（TfR）介导的内吞作用被靶细胞内化。该过程涉及囊泡酸化、铁解离、由STEAP3（前列腺六次跨膜上皮抗原3）催化的Fe³⁺还原，以及最终通过DMT1转运到细胞质中。

在黑色素瘤中，不稳定铁池（LIP）的扩大促进芬顿反应，产生启动脂质过氧化（铁死亡的关键特征）的羟基自由基。过量的铁通常由铁蛋白储存，但通过铁蛋白自噬（ferritinophagy）降解铁蛋白会将铁释放回铁池，加速黑色素瘤中的铁死亡。关键的是，铁调节蛋白1（IRP1）在A375和G361黑色素瘤细胞中被铁死亡诱导剂（如erastin, RSL3）上调，通过调节TfR、FPN来增加细胞内铁，从而促进铁死亡。

皮肤内的铁代谢在黑色素瘤发展中也起着关键作用。铁平衡破坏会诱导皮肤微环境中的氧化应激，加速炎症和黑色素瘤风险。缺铁会损害皮肤代谢，而铁过载则通过ROS积累促进铁死亡，这代表了黑色素瘤治疗中一个可靶向的弱点。

2.4 铁死亡抵抗中的替代抗氧化途径

铁死亡调控研究的最新进展揭示了多个独立于经典GSH-GPX4通路的新型抗氧化防御系统，为癌症治疗提供了新的靶向策略。非GPX4依赖性途径也在铁死亡抵抗中起着关键作用，共同构成了一个在多个细胞区室中运作的防御系统。

铁死亡抑制蛋白1（FSP1）主要定位于脂滴和质膜，是独立于谷胱甘肽系统的关键调节因子。它利用NAD(P)H将泛醌（CoQ₁₀）还原为泛醇（CoQ₁₀H₂），后者可以直接中和脂质自由基，从而抑制脂质过氧化。新出现的证据表明，FSP1也可以通过不依赖CoQ10的机制发挥铁死亡抵抗作用，例如通过ESCRT-III复合物促进膜修复。STARD7蛋白控制CoQ10的产生和空间分布：其线粒体形式合成CoQ₁₀，而胞质形式将其递送到各种膜，有助于形成跨膜抗氧化系统。

在线粒体内，二氢乳清酸脱氢酶（DHODH）和硫醌还原酶样蛋白（SQRDL）构成了另一层保护。DHODH是嘧啶合成途径中的关键酶，将线粒体CoQ₁₀还原为CoQ₁₀H₂，并与线粒体GPX4协同对抗线粒体特异性脂质过氧化。当GPX4活性受损时，DHODH通过补偿性上调维持线粒体氧化还原稳态。SQRDL利用亚硒酸盐作为电子供体催化线粒体CoQ₁₀还原。该途径不仅参与抗氧化效应，还通过调节线粒体电子传递链来调节铁死亡易感性。实验表明，同时抑制DHODH和线粒体GPX4会诱导广泛的线粒体脂质过氧化和不可逆的铁死亡，证明了这种双线粒体抗氧化系统内的功能协同作用。

此外，GCH1（GTP环化水解酶1）是合成四氢生物蝶呤（BH4）的限速酶，通过GPX4非依赖性机制抑制铁死亡。作为一种有效的自由基清除剂，BH4直接中和脂质过氧化自由基。在缺乏GPX4的肿瘤细胞中，GCH1-BH4通路常被激活作为一种补偿性生存机制，对维持细胞活力至关重要。

3 黑色素瘤中的铜死亡：铜过载激活的线粒体损伤

2022年，Tsvetkov等人发现了一种新的调节性细胞死亡类型，它依赖于铜并由线粒体蛋白聚集诱导，并将其命名为“铜死亡”。

3.1 铜稳态失调促进黑色素瘤中的铜死亡

系统和细胞水平的铜受到严格调控以防止毒性。膳食中的Cu²⁺被STEAP或DCYTB还原为Cu⁺，然后通过高亲和力铜转运蛋白CTR1（SLC31A1）导入。与正常组织相比，CTR1在黑色素瘤活检组织中过表达。当CTR1不足时，DMT1提供了另一种摄取途径。在细胞内，铜的分布由特定的分子伴侣引导：COX17将铜递送到线粒体；CCS将铜提供给超氧化物歧化酶1（SOD1）用于氧化防御；ATOX1负责将铜转移到高尔基体网络（TGN）中的铜ATP酶（ATP7A/B），并支持铜蓝蛋白等铜酶的合成。同时，铜ATP酶ATP7A（普遍存在）和ATP7B（肝脏特异性）也是细胞铜外排的主要转运蛋白。过量的铜由金属硫蛋白（MTs）储存或主要通过ATP7A和ATP7B从细胞中清除。重要的是，铜外排或储存的中断会引发细胞毒性铜积累，这与黑色素瘤细胞中的铜死亡直接相关。铜螯合活性物质（如D-青霉胺）诱导佛波醇-12-肉豆蔻酸-13-乙酸诱导蛋白1（PMAIP1）表达，从而上调NOXA蛋白，这是黑色素瘤细胞死亡的必要条件，突出了靶向铜稳态作为治疗策略的潜力。

3.2 FDX1和脂酰化蛋白在铜死亡激活中的作用

与铁死亡不同，铜死亡直接由铜过载触发，并对经典的细胞死亡抑制剂表现出独特的抵抗性。黑色素瘤由于其代谢特性对铜毒性表现出特殊的敏感性：35%–50%的野生型、BRAF突变型和患者来源的黑色素瘤细胞严重依赖氧化磷酸化（OXPHOS）获取能量，这使得它们对铜诱导的线粒体损伤敏感。铜死亡的机制与线粒体功能密切相关，因为它可以通过电子传递链抑制剂来抑制。一个关键角色是铁氧还蛋白1（FDX1），其在黑色素瘤和其他癌症中高表达。FDX1将Cu²⁺还原为毒性更强的Cu⁺，并通过与硫辛酸合成酶（LIAS）相互作用激活线粒体蛋白脂酰化。脂酰化是一种翻译后修饰，在铜死亡过程中可能被破坏。值得注意的是，铜直接与脂酰化的DLAT结合，触发其寡聚化。这被认为会产生有毒的蛋白质聚集体，导致细胞死亡。有趣的是，黑色素瘤中FDX1的高表达与对抗PD-L1免疫疗法的改善反应相关，但FDX1敲低会抑制黑色素瘤细胞的体外增殖。铜毒性还会损害铁硫（Fe-S）簇的完整性。最近的研究发现，用铜离子载体处理细胞会导致FDX1依赖性的Fe-S簇蛋白丢失。

4 黑色素瘤中的二硫化物死亡：由二硫键应激触发的新型细胞死亡机制

二硫化物死亡于2023年被鉴定，是一种发生在具有高SLC7A11表达的细胞中的调节性细胞死亡，在葡萄糖缺乏时发生。在葡萄糖饥饿条件下，具有高SLC7A11表达的细胞会经历快速的NADPH耗竭和不溶性二硫化物的异常积累，导致二硫化物死亡。

这种死亡机制不同于凋亡、坏死性凋亡和铁死亡，证据在于对其抑制剂不敏感，并且缺乏经典的标志物，如caspase-3切割、胱氨酸晶体形成或ATP耗竭。去除胱氨酸可以使这些细胞免于葡萄糖饥饿诱导的死亡，而硫醇氧化剂会加剧死亡。糖酵解抑制剂2-脱氧葡萄糖（2DG）出乎意料地通过将葡萄糖类似物转移到磷酸戊糖途径（PPP）中以补充NADPH来减少细胞死亡，这证实NADPH供应而非糖酵解是关键决定因素。二硫键还原剂（例如N-乙酰半胱氨酸、三(2-羧乙基)膦）可恢复NADPH水平并防止细胞死亡，进一步支持二硫键过载是主要原因。

ROS清除剂在不同细胞系中显示出不同的效果，表明ROS可能影响但不启动二硫化物死亡。进一步的机制研究揭示，葡萄糖饥饿的高SLC7A11表达细胞会导致肌动蛋白细胞骨架蛋白（ACPs）内异常的二硫键形成，从而导致肌动蛋白网络崩溃、质膜脱离，并最终导致二硫化物死亡细胞死亡。Rac1-WAVE调节复合物（WRC）通路通过激活Arp2/3介导的分支肌动蛋白聚合和片状伪足形成起着关键作用。这种分支结构为二硫键形成提供了位点。WRC破坏后二硫化物死亡减少，而Rac1激活则增强二硫化物死亡。

相关地，黑色素瘤细胞的运动和侵袭强烈依赖于肌动蛋白细胞骨架的变化。尽管WRC-Arp2/3通路是该过程的主要控制器，但黑色素瘤细胞表现出高度的灵活性。促进黑色素瘤生长和扩散的共激活因子YAP控制Arp2/3亚基ARPC5。该亚基对于保持粘着斑稳定和支持黑色素瘤细胞的侵袭能力至关重要。这种YAP-ARPC5轴代表了影响黑色素瘤中Arp2/3活性和肌动蛋白动力学的替代途径。在使用B16F1黑色素瘤细胞的研究中发现，由Arp2/3驱动并由Rac/Cdc42调节的片状伪足样结构（LLS）可以在没有WRC的情况下形成。这表明黑色素瘤细胞控制其肌动蛋白网络的方式存在更复杂的机制。这些结果表明，黑色素瘤细胞可能具有其他或备用方式来重塑其肌动蛋白结构，这可能会改变它们对WRC激活引起的二硫化物死亡的反应。

5 三种代谢相关细胞死亡途径间的相互作用

铁死亡、铜死亡和二硫化物死亡是由代谢应激触发的程序性细胞死亡途径。它们通过共享的关键分子枢纽形成一个动态的拮抗-协同网络。

5.1 铁死亡、铜死亡和二硫化物死亡之间的代谢资源竞争悖论

铁死亡和二硫化物死亡在NADPH生成和代谢控制方面表现出竞争性调控特征。铁死亡依赖于系统Xc^?对GSH前体的富集以及GPX4-GSH系统的抗氧化能力。相反，二硫化物死亡是由SLC7A11驱动的胱氨酸摄入与NADPH利用之间的不平衡引起的。当葡萄糖受限时，PPP无法提供足够的NADPH，从而影响GPX4的活性。这两种细胞死亡形式之间的代谢资源竞争是显著的。具体而言，高水平的SLC7A11增加了对铁死亡的抵抗力，但由于过度的NADPH消耗也增加了二硫化物死亡的风险。此外，GPX4还作为细胞内铜螯合剂来控制细胞内的铜水平。同时，研究表明，由丁硫氨酸-亚砜亚胺诱导的谷胱甘肽耗竭使癌细胞对铜死亡敏感。代谢水平上的这种竞争可能有助于细胞维持细胞命运选择的平衡。

5.2 铁死亡、铜死亡和二硫化物死亡中的线粒体损伤和金属稳态破坏

铜死亡和二硫化物死亡之间的相互作用主要发生在线粒体代谢的关键点。铜离子通过FDX1-LIAS途径诱导线粒体中脂酰化DLAT的异常聚集，而二硫化物死亡中的NADPH缺乏可能加剧线粒体功能，形成有害循环。铜死亡中涉及ATP7A/B的铜释放机制与铁死亡中由FPN控制的铁输出过程有相似之处。同时，细胞内铁硫簇的稳定性影响铜死亡是否被触发，而铁死亡也依赖于Fe-S簇的生物合成。这表明干扰金属转运系统可能同时影响多种细胞死亡类型。

从进化角度看，涉及金属离子的氧化还原反应自然与细胞代谢的精确控制相冲突，尤其在肿瘤环境中。为了支持快速生长，癌细胞常常过量积累金属离子，但这使它们对多种死亡信号的激活更加敏感。

5.3 肿瘤微环境与铁死亡、铜死亡、二硫化物死亡之间的分子串扰

铁死亡、铜死亡和二硫化物死亡在免疫调节方面具有某些共同特征，但各自表现出独特的生物学特性和作用机制。在肿瘤微环境（TME）内，它们通过代谢重编程、免疫细胞极化和免疫检查点表达调控共同影响抗肿瘤免疫反应。

铁死亡与TME的相互作用是复杂的。免疫细胞对铁死亡的敏感性差异很大。CD8⁺ T细胞在触发癌细胞铁死亡中起着关键作用：CD8⁺ T细胞产生的IFNγ抑制Xc^?系统并上调ACSL4表达，促进肿瘤细胞铁死亡。然而，一些研究表明T细胞本身也容易发生铁死亡。肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）表现出高可塑性，可分化为免疫刺激性的M1或免疫抑制性的M2表型。由于抗氧化能力较低，M2巨噬细胞比M1巨噬细胞更容易发生铁死亡。诱导M2巨噬细胞铁死亡可缓解免疫抑制微环境，调节M1/M2巨噬细胞比例可增强对PD-1治疗的反应性，从而提高癌症免疫疗法的疗效。NK细胞在抗肿瘤免疫中也起着核心作用。TME中NK细胞的失活与氧化应激相关，而激活转录因子NRF2已被证明可恢复NK细胞功能。作为最有效的抗原呈递细胞，树突状细胞（DCs）对于激活初始T细胞和启动T细胞免疫至关重要。GPX4抑制剂RSL3和脂质过氧化产物4-羟基壬烯醛（4-HNE）均可损害树突状细胞（DCs）功能。铁死亡癌细胞对DCs的影响可能取决于铁死亡的阶段。在早期阶段，癌细胞促进DCs成熟；然而，随着铁死亡进展，这种能力下降。尽管如此，这些晚期铁死亡细胞仍然容易被DCs有效吞噬。

铜死亡通过铜依赖性机制调节免疫反应。肿瘤组织中升高的铜水平不仅促进肿瘤增殖和血管生成，还特异性上调PD-L1表达，促进免疫逃逸。铜转运蛋白CTR1与多种免疫细胞的浸润相关，并与乳腺癌和黑色素瘤等癌症的不良预后相关。铜螯合剂可以逆转铜诱导的免疫抑制并增强CD8⁺ T细胞和NK细胞的浸润。

作为一种新发现的细胞死亡形式，二硫化物死亡与免疫微环境的直接联系尚不清楚。然而，其代谢基础与免疫调控显著重叠。葡萄糖、乳酸和胱氨酸等关键代谢物不仅影响二硫化物死亡的发生，还强烈调节免疫细胞功能。例如，肿瘤细胞的高葡萄糖消耗导致TME中的营养缺乏和乳酸积累，从而使TME酸化。这种酸性环境损害T细胞溶细胞活性和细胞因子产生，同时促进巨噬细胞向M2表型极化，并改变调节性T细胞（Treg）的代谢以在低葡萄糖条件下维持其功能。此外，肿瘤细胞GLUT1的表达与CD8⁺ T细胞浸润呈负相关。抑制GLUT1不仅可能诱导二硫化物死亡，还可能增加CD8⁺ T细胞浸润并降低PD-L1水平。胱氨酸缺乏同样破坏T细胞功能，表明调节代谢物水平可能共同诱导二硫化物死亡并重塑免疫微环境。

这三种代谢性细胞死亡形式通过释放和响应免疫信号分子以及代谢竞争与TME相互作用。它们共同参与代谢重编程和免疫检查点调控，并且都具有与免疫疗法结合的潜力。它们的区别在于，铁死亡与免疫细胞调控密切相关，铜死亡更依赖于金属离子稳态和特定蛋白表达，而二硫化物死亡与糖酵解途径关系更密切。目前对其免疫