转铁蛋白受体（TfR1/CD71）作为铁死亡调控靶点及其在病毒感染中的作用机制综述

《Biochemistry (Moscow)》：Transferrin Receptor as a Target for Regulation of Ferroptosis and Some Viral Infections

　　

本综述致力于阐述铁死亡（ferroptosis）的分子机制。铁死亡是一种依赖于脂质过氧化（lipid peroxidation, LPO）并由转铁蛋白受体（transferrin receptor, TfR1或CD71）介导的铁内流所限定的程序性细胞死亡类型。除铁饱和转铁蛋白（transferrin, Tf）外，转铁蛋白受体的配体还包括其同源蛋白乳铁蛋白（lactoferrin, Lf）和黑转铁蛋白（melanotransferrin），以及重链铁蛋白（heavy-chain ferritin）和人血清白蛋白（human serum albumin, HSA）与血红素（heme）的复合物。激活铁死亡（包括通过增加肿瘤细胞内不稳定铁池（labile iron pool）的方式）被认为是抗击癌症的一种有前景的策略。然而，多种致病性人类病毒，包括流感病毒（influenza virus）、SARS-CoV-2冠状病毒和狂犬病病毒（rabies virus），利用与TfR1的结合来感染细胞并影响铁死亡过程。本综述总结了关于天然及合成TfR1调控因子的信息，包括它们影响铁死亡发展的机制及其作为抗病毒药物的应用前景。

主体内容总结

转铁蛋白受体基因表达及其产物功能的调控

转录水平的表达调控。 TfR1基因启动子含有缺氧反应元件（hypoxia-response element, HRE），可结合缺氧诱导因子-1α（hypoxia-inducible factor-1 alpha, HIF-1α），从而增加转铁蛋白受体mRNA的转录。这一机制促进肿瘤细胞在缺氧或游离铁池耗竭条件下的存活。氧和铁离子均为脯氨酰羟化酶（prolyl hydroxylases）活性所必需，该酶在常氧条件下促进HIF-1α的泛素化。乳铁蛋白（Lf）作为转铁蛋白的同源蛋白，以更高亲和力结合铁（III）离子，其脱铁形式（apo-form）能够稳定HIF-1α并增强TfR1以及铜蓝蛋白（ceruloplasmin）的表达。后者促进铁离子负载并氧化为Fe(III)态进入转铁蛋白和乳铁蛋白的脱铁形式。铁饱和形式的Lf即使在缺氧条件下也能降低HIF-1α的稳定性，从而增强肿瘤细胞中的铁死亡，这一效应可能与其诱导脂质过氧化（LPO）的能力相关。HIF-1依赖性TfR1转录激活还受促炎因子NF-κB增强，该因子在炎症期间促进细胞内铁的螯合。胰岛素是HIF-1依赖性TfR1转录的另一个正调控因子，同时促进肝细胞中TfR1介导的铁储存。TfR1参与肿瘤进展还得到原癌基因c-Myc对其基因转录激活的支持，c-Myc是恶性肿瘤的特征性因子。此外，抑制TfR1可通过将细胞周期阻滞于G1期来阻断B细胞淋巴瘤的分裂，而体内TfR1表达增加则赋予肿瘤细胞生存优势并显著加速肿瘤生长。值得注意的是，c-Myc上调铁调控蛋白2（iron regulatory protein 2, IRP2）的表达，后者通过调控mRNA稳定性来控制TfR1和铁蛋白的表达。

翻译水平的表达调控。 铁调控蛋白（iron regulatory proteins, IRPs）与TfR1 mRNA 3′端发夹结构元件的结合影响mRNA稳定性，是基因表达在mRNA稳定性层面调控的经典范例。当铁水平充足时，IRP1作为三羧酸循环酶乌头酸酶（aconitase）发挥作用，催化柠檬酸异构化为(2R,3S)-异柠檬酸，该酶的构象和催化活性需要Fe-S簇的维持。在铁缺乏条件下，IRP1失去Fe-S簇，IRP2逃避泛素化；在此状态下，两种蛋白均与TfR1 mRNA 3′非翻译区中的铁反应元件（iron-responsive elements, IREs）结合，保护mRNA免受核酸内切酶介导的降解。相反，当铁水平升高时，IRP2泛素化增加，IRP1获得Fe-S簇后失去结合IRE并阻断TfR1 mRNA降解的能力。铁蛋白mRNA中的IRE位于5′端；铁缺乏期间IRP1或IRP2与该位点结合抑制铁蛋白翻译，而铁浓度升高时IRP1和IRP2不与铁蛋白mRNA相互作用，从而允许这一铁储存蛋白启动翻译。近期鉴定出的小分子化合物V004-00872可破坏IRE-IRP相互作用，在10 μM浓度下显著增强铁蛋白合成，同时将TfR1合成和细胞铁摄取降低至几乎检测不到的水平。含卤代酮基团的化合物（如蛋白酶抑制剂和除草剂）对铁蛋白和TfR1合成的影响表明，氯甲基酮基团在破坏IRE-IRP相互作用中发挥关键作用。

TfR1的翻译后调控。 受体胞内结构域中Y20残基的磷酸化对TfR1内化至关重要。这一修饰加速其与铁饱和转铁蛋白复合物的摄取并触发JUN信号级联。Y20H突变是首个与疾病相关联的TfR1基因突变，可导致慢性免疫缺陷，其特征为B和T淋巴细胞增殖减少及抗体类别转换受损。除Src激酶外，TfR1还可被c-Abl激酶和表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor, EGFR）磷酸化。从苎麻中分离的化合物补骨脂查尔酮（bavachalcone）可阻断TfR1与EGFR的相互作用并抑制TfR1磷酸化，该化合物与DNA损伤剂吉西他滨（gemcitabine）表现出协同抗肿瘤效应。TfR1参与DNA修复的证据来自其转位至细胞核的非经典功能，通过与肿瘤抑制因子p53相互作用参与核苷酸切除修复。结直肠癌样本分析显示核TfR1水平与肿瘤恶性程度呈正相关。TfR1基因敲除导致鼻咽癌模型中肿瘤生长显著抑制，除预期的铁摄取和铁蛋白合成减少外，还观察到PI3K/Akt/mTOR信号通路抑制，导致凋亡诱导、细胞周期阻滞以及参与上皮-间质转化的蛋白合成改变。TfR1与自噬的关联得到受体硬脂酰化效应的支持，该修饰抑制线粒体融合蛋白2（mitofusin 2）依赖性线粒体碎片化并阻断藤黄酸（gambogic acid）诱导的TfR1介导的JNK信号通路激活。E3泛素连接酶HUWE1的底物包括TfR1、p53、c-Myc、EGFR和mitofusin 2，HUWE1介导的TfR1降解导致急性肝损伤中铁死亡减少。铁死亡诱导剂erastin可触发TfR1上S687残基N-乙酰葡糖胺的切割，该修饰促进受体与E3泛素连接酶MARCH8的关联，后者通过在K665残基上连接泛素来调节TfR1稳定性。因此，erastin通过抑制TfR1降解，经额外的谷胱甘肽（GSH）非依赖途径增强肝细胞癌细胞对铁死亡的敏感性。

合成和天然转铁蛋白受体调控因子对铁死亡的影响

在TfR1的天然配体中，首先应提及由重链组成的H-铁蛋白（H-ferritin），它将铁递送入细胞，以及人血清白蛋白（HSA）与血红素的复合物。后者诱导血红素加氧酶-1（heme oxygenase-1）表达和细胞不稳定铁池的增加。结构分析显示，转铁蛋白（Tf）和血色素沉着病因子（hemochromatosis factor）竞争结合TfR1，而H-铁蛋白不与它们竞争，而是与TfR1的顶端结构域相互作用。因此，与Tf介导的铁摄取不同，铁蛋白铁的摄取不受配体过量时血色素沉着病因子向转铁蛋白受体2再分布及铁调素（hepcidin）激活这一调控机制的约束。鉴于HSA-血红素复合物和H-铁蛋白均增加细胞不稳定铁池，它们应被归类为促进铁死亡的因素。乳铁蛋白（Lf）作为TfR1的天然配体，根据其铁饱和状态可对铁死亡产生不同效应。脱铁乳铁蛋白（apo-Lf）有效抑制庆大霉素诱导的急性肾损伤和热射病诱导的肠屏障损伤中的铁死亡，具体机制为抑制ACSL4/TfR1/NCOA4铁死亡通路和MAPK通路，并通过下调铁死亡调控分子miR-378a-3p和LINC00618来调节Xc^-系统、GPX4和FSP1的活性。在APP/PS1/LF转基因小鼠中，星形胶质细胞Lf表达通过降低铁浓度、活性氧（ROS）生成和GPX4降解速率来抑制神经元铁死亡。脱铁乳铁蛋白触发Nrf2信号通路，通过GSH依赖机制促进铁死亡抑制。

关于ferristatin II的作用机制研究显示，铁饱和转铁蛋白的存在可阻断该染料诱导TfR1降解的能力。利用TfR1 RGD基序（G647A）的定点突变研究表明，突变的TfR1(G647A)几乎无法内化标记的转铁蛋白，且铁饱和转铁蛋白的存在不抑制ferristatin II诱导的TfR1(G647A)降解。同一研究中，给大鼠施用ferristatin II不仅降低了血清中铁浓度和转铁蛋白铁饱和度，还降低了肝脏TfR1水平并将铁调素浓度提高约九倍。鉴于铁饱和转铁蛋白在过载TfR1时触发血色素沉着病因子向转铁蛋白受体2再分布从而启动铁调素表达，研究者假设ferristatin II将血色素沉着病因子从其与TfR1的复合物中置换出来。ferristatin II的作用机制似乎与TfR1 Y20磷酸化无关，因为替换该氨基酸残基并未阻止而仅减缓了ferristatin II的作用。血管紧张素II 1型受体相关蛋白（ATRAP）与TfR1的相互作用不仅增强TfR1内化，还抑制ferristatin II诱导的TfR1降解。ferristatin II作为TfR1药理学抑制剂，在创伤性脑损伤小鼠模型中降低了铁死亡严重程度，并在IL-1β作为铁死亡诱导剂处理12小时后减少了软骨细胞外基质降解。在棕色脂肪细胞的肾上腺素能刺激过程中，ferristatin II药理学抑制和siRNA敲低TfR1均降低了细胞内铁浓度，并阻止了氧消耗增加和产热标志物诱导。以珊瑚虫中分离的细胞毒性生物碱muriceidine A为基础，合成了一系列衍生物，其中化合物12b降低了TfR1表达并通过下调FGFR1激酶诱导程序性细胞死亡。一系列合成的氟化铁（III）氯代salophen配合物可有效调节TfR1表达、细胞铁摄取和线粒体呼吸活性，表明可诱导铁死亡。关于藤黄酸及其多种合成衍生物的抗肿瘤活性的大规模研究取得了有前景的结果，这些研究源于发现TfR1在藤黄酸细胞毒活性中发挥关键作用。