从内质网与线粒体到线粒体相关膜（MAMs）：心血管疾病中铁死亡的整合调控与治疗靶点

《Redox Report》：From ER and mitochondria to contact sites: integrated regulation of ferroptosis in cardiovascular diseases

　　

铁是细胞氧化还原稳态的中心调节因子，支持关键生理过程。鉴于其关键生物学重要性，铁稳态在全身和细胞水平均受到严格调控。铁死亡（ferroptosis）是一种代谢调控的、铁依赖性的细胞死亡形式，其特征是铁催化氧化还原反应驱动的磷脂氢过氧化物（PL-OOH）积累，最终导致氧化性膜损伤。越来越多证据表明，铁死亡源于多个亚细胞器的协同活动，而非孤立通路。在此背景下，内质网（ER）和线粒体最近被确立为铁死亡信号的关键调节者。值得注意的是，线粒体相关膜（MAMs）通过空间协调氧化还原信号和脂质过氧化、钙通量、线粒体代谢和脂质重塑，日益被认为是铁死亡级联中的中心枢纽，充当细胞对铁死亡易感性的调节者及其执行的关键位点。由于对线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）的强依赖，心脏对铁稳态扰动特别敏感。值得注意的是，越来越多证据支持铁死亡在心血管疾病（CVDs）中的致病作用，将铁依赖性氧化应激与心肌细胞功能障碍和组织损伤联系起来。因此，铁死亡已成为心血管病理中的潜在治疗靶点。本综述探讨ER和线粒体功能障碍如何促进CVDs中的铁死亡信号，并讨论MAMs可能作为协调这些过程的中心调控界面的假说。阐明这些机制对于开发旨在调节铁死亡并限制CVDs进展的新型治疗策略至关重要。

1. 引言
铁参与氧运输、DNA合成以及三羧酸循环（TCA）和电子传递链（ETC）等基本细胞功能。心脏高度依赖有氧线粒体三磷酸腺苷（ATP）生成，因而对铁稳态紊乱敏感；铁缺乏与心力衰竭及不良预后相关，而铁过载可促进活性氧（ROS）生成并导致心肌病。铁死亡（ferroptosis）是代谢调控的铁依赖性细胞死亡，由铁催化磷脂氢过氧化物（PL-OOH）蓄积和氧化性膜损伤定义，缺少类似凋亡的专用基因组编码执行机器。线粒体与内质网（ER）被认为是铁死亡通路的关键细胞器，而线粒体相关膜（MAMs）整合Ca²⁺信号、脂质代谢和线粒体稳态，并已被发现为脂质过氧化早期位点和线粒体脂质自由基转运的重要调节者；但其是否直接驱动铁死亡执行仍待明确。本文聚焦CVDs中铁死亡与线粒体、ER功能障碍，并提出MAMs作为铁死亡刺激感受器与调控界面的概念框架。

2. 铁代谢
2.1 铁稳态
人体铁大部分位于血红蛋白，少量存在于肌红蛋白、铁蛋白（FTH）和含铁酶辅因子中。膳食铁经十二指肠和空肠上段吸收，Fe³⁺可经铁还原酶DcytB（Cybrd1）还原为Fe²⁺后吸收，血红素铁可经内吞及转运体途径吸收并由血红素加氧酶1（HMOX1）降解释放铁。血液中铁主要与转铁蛋白（Tf）结合，心肌细胞经转铁蛋白受体1（TfR1）介导内吞摄取铁；TfR2也表达于心脏，其β亚型缺失在心肌缺血/再灌注（I/R）损伤中显示心脏保护作用。内体中Fe³⁺释放并还原为Fe²⁺，经二价金属转运体1（DMT1）进入胞质，进入铁蛋白或胞质不稳定铁池（LIP）。铁转运蛋白（FPN）是已知唯一哺乳动物铁输出蛋白。线粒体铁代谢参与铁–硫（Fe─S）簇（ISC）生物合成、利用和储存；线粒体铁蛋白（mtFTH1）可缓冲Fe²⁺，线粒体基质中代谢可用铁构成线粒体不稳定铁池（mtLIP）。线粒体外膜（OMM）铁转运机制尚未完全阐明，电压依赖性阴离子通道（VDAC）和线粒体钙单向转运体（MCU）可能参与；内膜铁摄取主要归因于mitoferrin蛋白SLC25A37/mitoferrin-1和SLC25A28/mitoferrin-2。心肌细胞中ER/高尔基体锌–铁转运体ZIP13也调节胞质与线粒体铁分布，ABCB8参与维持线粒体铁稳态。

2.2 铁稳态调控
全身铁平衡由铁调素（hepcidin）维持，细胞水平由铁调节蛋白（IRPs）结合mRNA非翻译区铁反应元件（IREs）调控TfR1、DMT1和FTH1表达。铁缺乏时IRPs结合IREs抑制铁蛋白翻译并促进TfR合成。FTH1还可经铁蛋白自噬（ferritinophagy）降解，核受体共激活因子4（NCOA4）结合FTH1并递送至自噬体，与溶酶体融合后降解释放铁。铁可用性的严格调控因而成为细胞对氧化损伤和铁死亡易感性的关键决定因素。

3. 铁死亡
3.1 分子触发与执行通路
铁死亡是一种非caspase依赖的调节性细胞死亡（RCD），由膜内PL-OOH致死性蓄积驱动，源于抗氧化防御无法抵消代谢性氧化应激。其执行依赖三个相互关联特征：氧化还原活性铁可用、膜多不饱和脂肪酸（PUFAs）富集以及脂质过氧化物防御崩溃。LIP提供Fe²⁺启动氧化级联。心肌细胞线粒体经ETC产生超氧阴离子（O₂^•?），经歧化生成过氧化氢（H₂O₂），在mtLIP存在下经Fenton化学产生羟基自由基（•OH），攻击富含PUFA的磷脂；心磷脂是线粒体特异性敏感底物。H₂O₂还可扩散至胞质，在质膜和ER附近触发广泛Fenton反应。Fe²⁺可分解PL-OOH为磷脂烷氧自由基，放大链式反应。脂氧合酶（LOX）催化PUFA-磷脂酰乙醇胺（PE）立体特异性加氧，细胞色素P450氧化还原酶（POR）轴在ER膜驱动铁依赖性过氧化。膜脂组成由长链酰基辅酶A合成酶4（ACSL4）和溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3（LPCAT3）重塑，ACSL4激活花生四烯酸/肾上腺素酸并促进其掺入膜PE，形成促铁死亡脂质特征；ACSL4缺失细胞对铁死亡抵抗。ACSL4定位于ER和MAMs，使接触位点成为脂质重塑与线粒体ROS产生空间耦合的“铁死亡突触”。铁、酶性脂质过氧化和促铁死亡膜组成汇聚导致PL-OOH蓄积并执行铁死亡。

3.2 细胞内在抗铁死亡保护机制
谷胱甘肽过氧化物酶4（GPx4）轴是核心防御，利用system Xc^?导入胱氨酸合成的还原型谷胱甘肽（GSH）将PL-OOH还原为PL-OH。GPx4药理抑制或GSH耗竭可触发铁死亡。FSP1–辅酶Q10（CoQ₁₀）轴是平行防御：铁死亡抑制蛋白1（FSP1）经N端豆蔻酰化募集至质膜，催化NADPH依赖的CoQ₁₀还原为泛醇（CoQ₁₀H₂），作为亲脂性自由基捕获抗氧化剂（RTA）拦截脂质过氧自由基。GTP环水解酶1–四氢生物蝶呤（GCH1–BH4）轴提供针对多不饱和脂酰尾磷脂的尾特异性保护。

4. 心血管疾病中的铁死亡
CVDs涉及心脏和血管疾病，心肌细胞进行性损伤是核心，CVDs为全球主要死因。铁死亡被认为是CVDs的重要贡献者。心脏对线粒体氧化磷酸化依赖、心肌细胞膜PUFA含量高及血流动力学应激造成的慢性氧化负担，使其易发生铁死亡。

4.1 内质网的调控作用
4.1.1 铁死亡中的内质网信号
ER是单层脂质双层构成的管网，负责蛋白合成折叠、Ca²⁺储存及脂质/类固醇代谢。未折叠或错误折叠蛋白蓄积触发ER应激并激活未折叠蛋白反应（UPR），主要感受器为IRE1α、PERK和ATF6，正常时与伴侣蛋白BiP结合而失活。CVDs中持续ER应激可通过重塑氧化还原平衡、脂质代谢和抗氧化能力降低铁死亡阈值。ER膜富含PUFA磷脂并具备过氧化酶机器，是脂质过氧化重要位点。POR–CYB5R1轴将NAD(P)H电子传递给氧生成H₂O₂，再经Fe²⁺ Fenton反应产生•OH并启动PL-OOH形成。ER也是防御位点：system Xc^?导入胱氨酸维持ER近端GSH；丝氨酸合成通路限速酶磷酸甘油酸脱氢酶（PHGDH）和磷酸丝氨酸磷酸酶（PSPH）支持一碳代谢和转硫途径，维持GSH及抗氧化酶活性；ER膜PUFA掺入减少可限制易过氧化底物。

4.1.2 内质网应激作为CVDs中铁死亡的双向调节者
未解决ER应激可作为铁死亡上游促进因素。主动脉夹层模型中，水飞蓟宾减轻PERK和IRE1α激活，并上调丝氨酸合成通路、恢复GSH池和抗氧化酶活性。薯蓣皂苷通过抑制PERK–eIF2α–ATF4轴同时减轻ER应激和心肌细胞铁死亡。肥胖相关心脏重塑中ER应激是铁死亡易感因素，化学伴侣TUDCA减轻ER应激、脂质过氧化并保护线粒体，而棕榈酸可取消保护。相反，ER功能障碍也常是铁死亡下游后果。多柔比星（DOX）诱导心脏损伤中GPx4受损/耗竭引发铁死亡并伴ER应激标志物激活；分选连接蛋白3（SNX3）缺失提供心脏保护，而erastin可逆转。动脉粥样硬化中异常脂质代谢可能经ER功能调节诱导铁死亡。总体支持ER应激与铁死亡形成自我强化环路，方向取决于背景和刺激。

4.2 线粒体的调控作用
4.2.1 铁死亡中的线粒体信号
线粒体为双层膜细胞器，协调Ca²⁺信号、氧化还原稳态和铁代谢。ETC来源O₂^•?、mtLIP驱动Fenton化学和心磷脂位点特异性过氧化使其成为铁死亡易感性关键决定因素。线粒体防御包括mtGSH/mtGPx4、mtFTH1、超氧化物歧化酶2（SOD2）及内膜锚定的二氢乳清酸脱氢酶（DHODH），后者催化NADPH非依赖CoQ₁₀还原为CoQ₁₀H₂。铁死亡细胞线粒体呈现收缩、膜密度增加和OMM破裂等特征。线粒体代谢对胱氨酸剥夺或erastin诱导铁死亡必要，对RSL3诱导铁死亡则较大程度非必需；erastin经system Xc^?抑制导致胱氨酸耗竭，影响GSH、辅酶A（CoA）和ISC合成；RSL3直接抑制GPx4，线粒体更多作为氧化损伤放大调节者。

4.2.2 线粒体对CVDs中铁死亡的调控
线粒体铁死亡轴可分为三层：铁流入与缓冲（ZIP13/mtFTH1）、门控与氧化还原整合（VDAC1）以及抗氧化执行（mtGSH/mtGPx4/DHODH）。

4.2.2.1 线粒体铁代谢作为铁死亡易感性的中心决定因素
I/R可下调ZIP13，伴system Xc^?/GSH/GPx4轴受损、ISC生物合成缺陷、线粒体Fe²⁺蓄积和心肌细胞铁死亡。mtFTH1限制mtLIP扩张；天然黄酮Alpinetin可稳定mtFTH1，维持线粒体铁平衡并减轻I/R细胞模型中的铁死亡和凋亡。

4.2.2.2 VDAC1作为线粒体铁处理与抗氧化防御之间的整合门户
VDAC1是OMM主要通道，介导胞质与线粒体间代谢物和离子转运，并可能整合线粒体铁稳态与抗氧化能力。I/R中VDAC1信号与mtFTH1依赖性铁缓冲耦合：缺氧/复氧（A/R）时VDAC1上调促进线粒体功能障碍，增加mtFTH1可逆转。VDAC1还可扰动氧化还原环境损害mtGPx4活性；白藜芦醇下调VDAC1伴随GPx4功能保留、脂质过氧化降低和铁死亡减轻。VDAC1上调可扩大mtLIP并损害GPx4功能，下调或功能受限则保护线粒体；其直接协调程度尚待明确。

4.2.2.3 线粒体GSH/GPx4与DHODH轴作为心血管疾病中铁死亡的调节者
mtGSH/mtGPx4轴是线粒体抗氧化防御关键效应器：激活mtGPx4可减少脂质氢过氧化物并限制DOX–Fe²⁺复合物在线粒体蓄积。线粒体GSH由SLC25A11转运体维持；DOX促进FUNDC2与SLC25A11相互作用，损害GSH导入、升高线粒体ROS并加速脂质过氧化。I/R中巴戟天寡糖（MOO）经抑制NADPH氧化酶NOX4恢复mtGPx4并增强SOD2活性；糖尿病心肌病中线粒体靶向抗氧化剂SS-31激活mtGSH/mtGPx4轴、减少线粒体Fe²⁺蓄积并抑制线粒体依赖性铁死亡。DHODH提供GSH非依赖的平行防御，与mtGPx4共同构成分层防御架构。

4.3 MAMs是否决定CVDs中的铁死亡易感性？新兴机制与功能意义
ER与线粒体膜形成约10–50 nm的动态接触区，即MAMs，协调Ca²⁺稳态、线粒体动力学、脂质转运和生物发生。MAMs多蛋白复合物将结构系连与离子转移、氧化还原感知或脂质转位等铁死亡相关生化活动耦合。VDAC与ER的1,4,5-三磷酸肌醇受体（IP3R）、伴侣蛋白葡萄糖调节蛋白75（Grp75）及内膜MCU形成Ca²⁺传递桥；VDAC1还可能调节线粒体铁转运和稳态。MAMs也是应激信号枢纽，ER应激感受器PERK和IRE1α富集形成氧化应激和代谢脆弱微域；VDAC3半胱氨酸残基可作为氧化还原敏感开关，减轻线粒体ROS蓄积。RMDN3/PTPIP51–VAPB系连复合物响应线粒体ROS增加ER–线粒体接触，RMDN3的TPR结构域将脂质自由基从线粒体转移至ER，防止蓄积和细胞死亡。HMOX1是铁死亡易感性的悖论性调节者，催化血红素降解生成胆绿素、胆红素和Fe²⁺；Fe²⁺经Fenton化学放大氧化应激，而胆红素具抗氧化作用。HMOX1主要位于ER，应激时可重分布，MAMs可能是其转运路线；HMOX1来源Fe²⁺、线粒体ROS和ER来源PUFA磷脂可在接触位点汇聚，胆绿素/胆红素提供局部抗氧化平衡。HMOX1在动脉粥样硬化、糖尿病心肌病和I/R中参与铁死亡。MAMs还富集脂质代谢酶；VDAC1/VDAC2二聚体具磷脂翻转酶功能，介导ER来源磷脂包括PUFA种类跨OMM转运；MAMs富集磷脂酰丝氨酸合酶1/2（PSS1/PSS2），并调节ACSL4依赖性磷脂重塑。SAP30BP经MFN2–ACSL4轴加重高糖诱导心肌细胞铁死亡；压力负荷心肌病中ACSL4上调加重心功能障碍。急性心肌梗死中缺血激活PERK并破坏其与MFN2相互作用，导致MAMs重塑、线粒体氧化还原失衡和铁死亡。MAMs亦为磷脂过氧化早期热点；增强ER–线粒体接触可促进RSL3诱导铁死亡执行，而缺血应激下MAM完整性破坏也可因线粒体稳态受损和ROS增加而促进铁死亡。因此MAMs并非固有促或抗铁死亡结构，其功能状态、分子组成和重塑动态决定适应性应激或铁死亡执行。MAMs在铁死亡条件下的分子组成、因果关系及选择性治疗靶向仍待系统研究。

5. 结论与未来展望
抗铁死亡治疗在CVDs等病理中临床前证据增加，代表化合物包括亲脂性自由基捕获抗氧化剂ferrostatin-1、liproxstatin-1及铁螯合剂去铁胺（DFO）和去铁酮，但短半衰期、低生物利用度、化学不稳定性和脱靶效应限制临床转化。第二代抑制剂UAMC-3203及γ-松油烯等非经典RTA显示改进潜力；线粒体靶向Mito-DFO/DFX和MitoTEMPO可提高通路特异性；抑制15LOX-2/PEBP1复合物可防止PUFA-PE过氧化并保留生理脂氧合酶信号。线粒体、ER与MAMs互作日益被视为铁死亡敏感性调控中心。未来需开发更稳健抗铁死亡药物及区分铁死亡与其他RCD的特异性生物标志物，并识别铁死亡调控通路新靶点。靶向MAM界面的线粒体–ER动态 Crosstalk 具前景，可选择性调节铁死亡信号并保留基本细胞功能。线粒体还与细胞核及溶酶体等形成动态接触；溶酶体协调铁摄取、储存、动员和再循环，线粒体–溶酶体接触和铁蛋白自噬共同控制细胞内不稳定铁池和铁死亡易感性。未来研究应超越MAMs单一焦点，探索多细胞器接触位点如何协同协调铁代谢、脂质过氧化和应激信号。