综述：GSH相关酶GPx4、Chac1和GSTs与癌症中铁死亡的氧化还原调控

《International Journal of Molecular Sciences》：GSH-Related Enzymes GPx4, Chac1, and GSTs and Redox Regulation of Ferroptosis in Cancer

　　

三肽谷胱甘肽（GSH）是细胞中最丰富的非酶抗氧化剂。GSH系统在抗氧化防御氧化应激、支持细胞氧化还原稳态、调节脂质过氧化物的还原以及保护细胞免受铁死亡（ferroptosis）中发挥关键作用，这取决于GSH水平，其动态平衡不仅由GSH合成酶、GSH前体氨基酸转运蛋白和GSH转运蛋白的活性维持，还由GSH相关酶的作用维持。一些GSH相关酶是具有抗氧化功能的关键酶，例如谷胱甘肽过氧化物酶（GPxs），尤其是GPx4，以及谷胱甘肽S-转移酶（GSTs），它们使用GSH作为共底物将氢过氧化物还原为醇，而谷胱甘肽特异性γ-谷氨酰环转移酶1（ChaC1）降解细胞内GSH，因此它们可以相应地导致铁死亡（ferroptosis）的抑制或诱导。铁死亡（ferroptosis）的特征在于由于过度脂质过氧化和铁积累导致的脂质过氧化物积累，这源于铁死亡（ferroptosis）驱动因素与防御系统之间的氧化还原失衡，包括受损的细胞抗氧化系统，特别是GSH代谢的紊乱。评估利用GSH池的GSH依赖性酶对铁死亡（ferroptosis）调节的影响似乎是相关的。本综述提供了对GPx4、ChaC1和GSTs在癌细胞铁死亡（ferroptosis）氧化还原调节中作用的最新探索，重点既包括每种酶活性的调节，也包括它们可能的相互作用，同时考虑了对铁死亡（ferroptosis）诱导风险的影响。

论文主体部分总结如下：

**1. 引言**

谷胱甘肽（GSH）是细胞内最丰富的非酶抗氧化剂，以高浓度（1–5 mM）合成，正常条件下超过98%以还原型（GSH）存在。GSH与氧化型谷胱甘肽（GSSG）的比值（GSH/GSSG）由谷胱甘肽还原酶（GR）维持，确保2GSH/GSSG和NADP/NADPH氧化还原对处于热力学平衡，在支持细胞氧化还原电位中发挥重要作用。肿瘤细胞中升高的GSH水平与肿瘤进展和化疗药物耐药性增加相关。癌细胞表现出异常的氧化还原稳态，活性氧（ROS）产生增强，这与高ROS产生相伴随，并通过提高细胞抗氧化状态进行适应性平衡。GSH通过直接清除ROS以及作为谷胱甘肽过氧化物酶（GPxs）、谷胱甘肽S-转移酶（GSTs）和谷胱甘肽还蛋白（Grxs）等关键抗氧化酶的氧化还原辅助因子来保护细胞。铁死亡（ferroptosis）是一种铁依赖性的非凋亡调节性细胞死亡形式，作为先天肿瘤抑制机制，参与肿瘤生物学过程。间充质和去分化癌细胞以及具有化疗耐药性的肿瘤细胞对铁死亡（ferroptosis）高度易感。铁死亡（ferroptosis）的特征在于脂质过氧化（LPO）和铁积累导致的脂质过氧化物积累，源于驱动因素与防御系统之间的氧化还原失衡，包括GSH代谢紊乱。主要防御机制包括铁死亡抑制蛋白1（FSP1）和辅酶Q10（CoQ10）轴、GTP环化水解酶1和四氢生物蝶呤轴、二氢乳清酸脱氢酶和泛醇轴，以及系统Xc^-/GSH/GPx4通路。GSH系统通过其合成、利用、分布、摄取和分解的精细调控维持动态平衡，是诱导铁死亡（ferroptosis）的核心环节和调控开关。GSH被GPxs、GSTs和Grx等酶消耗用于抗氧化保护，而γ-谷氨酰转肽酶（GGT）用于细胞外GSH和GSSG降解及半胱氨酸摄取，谷胱甘肽特异性γ-谷氨酰环转移酶（ChaC1/ChaC2）催化细胞内GSH降解，可能导致铁死亡（ferroptosis）诱导。本综述更新探索了关键GSH相关酶GPx4、Chac1和GSTs在铁死亡（ferroptosis）氧化还原调节中的作用，重点包括每种酶活性的调节及其可能的相互作用。

**2. 铁死亡（Ferroptosis）：基本通路**

铁死亡（ferroptosis）是一种由铁催化的调节性坏死形式，由铁依赖性磷脂过氧化驱动，其特征为ROS积累和LPO过度产生。铁死亡（ferroptosis）可视为驱动因素与防御系统之间氧化还原失衡的结果，包括磷脂氢过氧化物产生与其GSH依赖性利用速率之间的平衡破坏，导致LPO激活，可通过Fe²⁺池增长触发。脂质过氧化物水平增加，主要是磷脂酰乙醇胺-OOH（PE-OOH），导致铁死亡（ferroptosis），而铁似乎作为催化剂调节剂。多不饱和脂肪酸（PUFA）中，花生四烯酸（AA）和肾上腺酸（AdA）是膜LPO的主要底物。铁死亡（ferroptosis）的特异性生物标志物酰基-CoA合成酶长链家族成员4（ACSL4）激活PUFAs为活性酰基-CoA酯，控制磷脂中PUFA含量。此外，溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3（LPCAT3）恢复含多不饱和脂肪酸的磷脂（PUFA-PLs）。LPO起始阶段，•OH自由基攻击双键，从PUFAs提取氢原子，产生碳中心磷脂自由基（PL˙），与O₂反应形成磷脂过氧自由基（PL-OO˙），导致大量磷脂氢过氧化物（PL-OOHs）产生，由亚铁离子加速。PUFA-PLs的过氧化不仅由Fenton反应引发的非酶自氧化驱动，还由铁依赖性酶促反应驱动，主要由花生四烯酸脂氧合酶（ALOXs）和细胞色素P450氧化还原酶催化。主要初级LPO产物是脂质氢过氧化物，PL-OOHs在细胞膜中的积累被认为是铁死亡（ferroptosis）的标志和限速步骤。次级LPO产物中，丙二醛（MDA）和4-羟基壬烯醛（4-HNE）因其与生物大分子形成共价加合物的能力与铁死亡（ferroptosis）更相关。铁稳态破坏、铁过载及随之而来的细胞氧化还原平衡变化是铁死亡（ferroptosis）的关键驱动因素。通过铁吸收、储存和利用的协同调节维持铁平衡对防御铁死亡（ferroptosis）至关重要。铁水平调节通过二价金属转运蛋白1（DMT1）-转铁蛋白（Tf）系统、hepcidin-FPN轴和铁蛋白-核受体辅激活因子4（NCOA4）通路等协调机制支持。铁死亡（ferroptosis）的主要防御机制包括GSH依赖性系统以及铁死亡抑制蛋白1（FSP1）和辅酶Q10（CoQ10）形成的NAD(P)H/FSP1/CoQ10轴。FSP1消耗NADH/NADPH作为NADH/NADPH依赖性CoQ10氧化还原酶，将CoQ10还原为CoQ10H₂，作为亲脂性抗氧化自由基清除剂，并间接再生α-生育酚以抑制铁死亡（ferroptosis）。FSP1还能通过ESCRT-III依赖性膜修复途径增强细胞膜修复并抑制铁死亡（ferroptosis）。

**3. 铁死亡（Ferroptosis）氧化还原调节中的GSH相关酶**

**3.1. GSH代谢的关键酶与铁死亡（Ferroptosis）的氧化还原控制**

GSH耗竭或抑制会损害抗氧化防御，导致有毒脂质氢过氧化物积累，增加铁死亡（ferroptosis）风险。GSH通过抗氧化保护、硫醇-二硫化物交换、细胞信号转导和基因表达的氧化还原依赖性调节、有毒化合物解毒及类花生酸合成维持细胞氧化还原稳态。GSH直接清除ROS，并作为GSH消耗酶的氧化还原辅助因子。GSH依赖性系统的功能状态不仅由关键GSH合成酶和GSH前体氨基酸转运蛋白的活性决定，还由GSH转运蛋白和GSH相关酶的作用决定。一些GSH相关酶如GPxs、GSTs和Grx具有抗氧化功能，而胞质ChaC1和膜结合酶GGT降解GSH。ChaC1特异性降解细胞内GSH为半胱氨酸-甘氨酸和5-氧代脯氨酸，通过GSH水平调节控制细胞氧化还原状态，并作为促铁死亡（ferroptosis）成分。GGT水解细胞外GSH，为细胞内GSH再合成提供半胱氨酸。GSH生物合成通过两步途径在胞质中进行：第一步由谷氨酸-半胱氨酸连接酶（GCL）催化，第二步由谷胱甘肽合成酶（GS）催化。半胱氨酸是GSH合成速率最关键的，主要通过跨膜胱氨酸-谷氨酸反向转运体（系统Xc^-或xCT）进入细胞。系统Xc^-由轻链亚基SLC7A11和重链亚基SLC3A2组成。SLC7A11过表达与多种癌症相关，通过增加GSH合成抑制铁死亡（ferroptosis）。系统Xc^-抑制剂和GSH耗竭剂属于小分子铁死亡诱导剂（FINs）。GPxs和GSTs使用GSH作为共底物还原氢过氧化物为醇，有效防御氧化应激。GPx4是保护膜免受过氧化损伤的主要酶，通过还原磷脂氢过氧化物、胆固醇氢过氧化物和脂肪酸氢过氧化物，作为铁死亡（ferroptosis）的主要内源性抑制剂。GSTs，特别是GSTP1，作为额外的硒非依赖性防御机制，通过将GSH与4-HNE结合并减少脂质氢过氧化物来抑制铁死亡（ferroptosis）。GSTs还具有蛋白质-蛋白质相互作用能力，参与调节铁死亡（ferroptosis）。

**3.2. ChaC1控制氧化应激、铁死亡（Ferroptosis）和癌症耐药性**

**3.2.1. ChaC1和ChaC2：结构与功能**

ChaC1（阳离子转运调节因子同源物1或谷胱甘肽特异性γ-谷氨酰环转移酶1）是最近确定的铁死亡（ferroptosis）标志物。ChaC1是一种胞质酶，作为γ-谷氨酰环转移酶，特异性将GSH降解为半胱氨酸-甘氨酸和5-氧代脯氨酸，通过GSH水平调节控制细胞氧化还原状态。由于ChaC1仅作用于GSH而不作用于GSSG，其作用导致细胞氧化环境增加。ChaC1可通过降低细胞内GSH水平促进细胞死亡，并通过与应激相关细胞机制相互作用，特别是通过调节包括铁死亡（ferroptosis）在内的细胞死亡途径，促进癌症进展。CHAC1基因位于染色体15q15.1，ChaC1有三种异构体。ChaC1是一种诱导型酶，在特定应激或病理条件下表达，而同源物ChaC2（184个氨基酸残基，20.9 kDa）组成型表达，催化效率较ChaC1弱10-20倍。ChaC2参与细胞氧化还原状态调节，在正常细胞发育中通过调节GSH维持发挥重要作用，在癌症中具有上下文特异性双重作用。ChaC1在癌症中也具有双重作用，但影响更大，不仅参与氧化和ER应激调节及程序性细胞死亡调节，还参与细胞耐药性控制。通过促进铁死亡（ferroptosis）和凋亡以及介导ER应激，ChaC1成为有前景的生物标志物和治疗靶点，尤其是在克服化疗耐药性方面。

**3.2.2. ChaC1的转录和转录后调控及其对癌症铁死亡（Ferroptosis）的影响**

CHAC1表达受ATF4、ATF3、NRF2和STAT3等转录因子调控。转录因子ATF4和ATF3结合CHAC1基因启动子中的关键顺式调控元件（ATF/cAMP反应元件和ATF/CRE修饰元件），在ER应激条件下增强其表达。ATF4-CHOP-ChaC1通路的激活可能促进铁死亡（ferroptosis）。ATF3/ATF4-ChaC1信号通路在克服癌症耐药性中作为GSH降解的核心参与者。转录因子Nrf2在氧化和亲电应激下被激活，并与ChaC1介导的GSH耗竭相互作用。ChaC1与STAT3的相互作用复杂，STAT3负调控CHAC1表达，而CHAC1过表达可增加STAT3磷酸化。转录因子FOXO1通过上调C/EBPδ和ATF4来协调增强CHAC1转录。转录因子p53具有ROS依赖性功能，低ROS下发挥抗氧化作用，高ROS下促进ROS产生导致细胞死亡。突变p53增加细胞内ROS。幽门螺杆菌感染通过过表达ChaC1导致TP53基因突变。CHAC1表达还受非编码RNA（ncRNAs）的转录后调控，例如长链非编码RNA（lncRNA）GDIL通过GDIL/XRN2/ChaC1途径抑制GSH降解，驱动铂类耐药性；microRNA miR-432-5p通过靶向CHAC1 mRNA抑制GSH降解，从而抑制铁死亡（ferroptosis）并增加对多西他赛的耐药性。

**3.3. GPx4、铁死亡（Ferroptosis）及克服癌细胞化疗耐药性**

GPx4在防止铁死亡（ferroptosis）中起关键作用，通过保护细胞免受脂质氧化损伤。在GPx亚型中，只有GPx4能还原嵌入生物膜中的大复合脂质氢过氧化物和胆固醇。GPx4的催化作用基于氧化还原步骤，涉及硒代半胱氨酸活性位点在氧化态和还原态之间的穿梭。GPx4被认为是铁死亡（ferroptosis）的核心调节因子，因为它将磷脂氢过氧化物转化为醇，防止铁依赖性脂质活性氧产生并抑制铁死亡（ferroptosis）。GPx4有三种生理异构体：胞质型（cGPx4）、线粒体型（mGPx4）和核型（nGPx4）。已开发多种策略抑制GPx4活性或促进其降解以诱导铁死亡（ferroptosis）。系统Xc^-/GSH/GPX4轴的调节在调节LPO介导的铁死亡（ferroptosis）中起关键作用。GPx4与肿瘤耐药性相关，抑制其表达、mRNA沉默和直接抑制酶活性可用于克服癌症化疗耐药性。GPx4缺乏传统小分子结合口袋，只有少数抑制剂如ML162、ML210、JKE-167和diarylfuroxan已知。靶向蛋白质降解技术如蛋白水解靶向嵌合体（PROTACs）具有更大潜力。间接抑制剂通过耗竭GSH和抑制其合成来降低GPx4活性。一些化疗药物如顺铂和六甲蜜胺通过直接或间接抑制GPx4促进铁死亡（ferroptosis）。非编码RNA包括miRNAs、lncRNAs和环状RNAs（circRNAs）在调节GPx4活性和GSH-GPx4轴功能中发挥重要作用，影响细胞对铁死亡（ferroptosis）的敏感性并克服耐药性。

**3.4. GST在氢过氧化物解毒和铁死亡（Ferroptosis）调节中的作用**

GST是GSH依赖性抗氧化系统在预防氧化应激和铁死亡（ferroptosis）中的另一关键酶，通过使用GSH作为共底物解毒氢过氧化物。哺乳动物中存在三种GST超家族：经典可溶性、线粒体和膜相关酶。GSTs是重要的II期解毒酶，催化外源性和内源性物质的解毒。GSTs具有硒非依赖性GPx活性，可还原磷脂和游离脂肪酸的氢过氧化物以及胆固醇氢过氧化物。α类GSTs在调节LPO产物细胞内浓度中起重要作用。GSTA1通过其过氧化物酶功能抑制铁死亡（ferroptosis），调节肝细胞癌对索拉非尼的耐药性。GSTA4对4-HNE具有高亲和力，4-HNE与多种细胞死亡类型相关，包括铁死亡（ferroptosis）。GSTP1在癌症中高度表达，通过硒非依赖方式将4-HNE和脂质氢过氧化物转化为无毒脂质醇，防止癌细胞铁死亡（ferroptosis）。GSTP1的抑制可诱导铁死亡（ferroptosis）。GSTs还具有蛋白质-蛋白质相互作用能力，例如GPx4稳定并翻译后调节GSTM1水平，而GSTM3通过直接抑制GPx4表达并稳定USP14/FASN轴来促进铁死亡（ferroptosis）。GSTZ1除了解毒活性外，还可作为马来酰乙酰乙酸异构酶，其缺失导致琥珀酰丙酮积累并激活Nrf2信号通路。GSTZ1通过下调Nrf2和GPx4以及上调HMGB1诱导铁死亡（ferroptosis）。微体谷胱甘肽S-转移酶1（MGST1）是MAPEG家族成员，具有GST和GPx活性，在多种癌症中过表达，通过硒非依赖GPx活性以及结合ALOX5抑制铁死亡（ferroptosis）。MGST1过表达在癌症化疗耐药性形成中起重要作用。

**4. 结论**

铁死亡（ferroptosis）作为铁依赖性的非凋亡调节性细胞死亡形式，是先天肿瘤抑制机制，参与肿瘤生物学过程。由于铁死亡（ferroptosis）由驱动因素与防御系统之间的氧化还原失衡引起，LPO激活与磷脂氢过氧化物产生及其GSH依赖性利用速率之间的平衡破坏可能是其氧化还原调节的关键机制之一。GSH系统在抗氧化防御中起关键作用，调节脂质过氧化物还原并保护细胞免受铁死亡（ferroptosis），其水平在不同类型癌症中升高，GSH相关酶的表达也升高，在调节细胞氧化还原稳态中起重要作用。然而，GSH相关酶GPx4、Chac1和GSTs对铁死亡（ferroptosis）调节具有相反作用。GPx4和GSTs作为具有硒依赖和硒非依赖过氧化物酶活性的酶，通过还原氢过氧化物为醇，有效防御氧化应激和铁死亡（ferroptosis），支持细胞氧化还原稳态；而ChaC1/ChaC2催化细胞内GSH降解，导致铁死亡（ferroptosis）诱导。讨论这些酶的作用机制及其对铁死亡（ferroptosis）诱导的影响，扩展了我们对调节和抑制癌细胞生命活动的通路和方法的理解。通过调节GPx4、GSTs和ChaC1的表达和活性触发铁死亡（ferroptosis），可能是开发更具靶向性癌症治疗的有前景途径。