Ferroptosis: 과거, 현재 및 미래

2020

Ferroptosis: past, present and future

https://www.nature.com/articles/s41419-020-2298-2

Ferroptosis: past, present and future - Cell Death & Disease

Ferroptosis는 최근 몇 년 동안 발견된 새로운 유형의 세포 사멸이며 일반적으로 세포 사멸 과정에서 다량의 철 축적 및 지질 과산화를 동반합니다. 

ferroptosis의 발생은 철 의존적입니다. 페롭토시스 유도 인자는 다양한 경로를 통해 글루타티온 과산화효소에 직간접적으로 영향을 미쳐 항산화 능력이 감소하고 세포 내 지질 활성 산소 종(ROS)이 축적되어 궁극적으로 산화적 세포 사멸을 초래할 수 있습니다. 

• Ferroptosis는 철 의존으로 발생하는 새로운 유형의 계획된 세포 사멸입니다.
• Ferroptosis는 종양, 신경 질환, 급성 신장 손상, 허혈/재관류 등과 같은 많은 질병의 발생 및 발달에 중요한 조절 역할을 합니다.
• ferroptosis 경로를 활성화하거나 차단하여 질병의 진행을 완화하여 많은 질병에 대한 유망한 치료 전략을 제공합니다.

질문

• ferroptosis와 다른 유형의 세포 사멸 사이의 관계는 무엇입니까? 시너지인가 적대감인가?
• 철분은 과산화지질의 생성을 촉진하는 데 필요합니까, 아니면 다른 물질이 ferroptosis에서 철분을 대신할 수 있습니까?
• ferroptosis에서 철의 하류 조절 메커니즘은 무엇입니까?
• ferroptosis는 어떻게 염증의 발달을 촉진할 수 있습니까?

전통적으로 세포 사멸은 세포 사멸과 괴사로 구분되었습니다. 

최근 연구에 따르면 괴사 및 세포자멸사 외에도 고유한 생물학적 과정과 병태생리학적 특성을 갖는 자가포식, 괴사 및 괴사성 세포자살과 같은 다른 새로운 프로그램된 죽음 모드가 있음이 밝혀졌습니다. 

2012년 Dixon은 지질 활성 산소 종(ROS)의 축적을 특징으로 하는 철 의존성, 비-세포자멸사 방식인 ferroptosis의 개념을 처음 제안했습니다. 

Ferroptosis는 세포 형태 및 기능에서 괴사, 세포 사멸 및 자가 포식과 분명히 다릅니다(표 1 ).

세포질과 소기관의 팽창, 세포막의 파열과 같은 전형적인 괴사의 형태적 특징을 갖지 않으며, 세포 수축, 염색질 응축, apoptotic body의 형성 및 cytoskeleton의 붕괴와 같은 전통적인 세포 apoptosis의 특성 특징을 갖지 않는다.

autophagy와 달리 ferroptosis는 전형적인 폐쇄 이중층 막 구조(autophagic vacuoles)를 형성하지 않습니다.. 

형태학적으로 ferroptosis는 주로 세포 사멸의 다른 모드와 다른 과정인 막 밀도 증가 및 미토콘드리아 크리스타의 감소 또는 소실과 함께 미토콘드리아의 명백한 수축으로 나타납니다 

 

 

Ferroptosis는 신경계 질환, 심장 질환, 간 질환, 위장 질환, 폐 질환, 신장 질환, 췌장 질환 등과 같은 여러 시스템 질환에서 중요한 역할을 했습니다.

 

2003년 Dolma et al. RAS를 발현하는 암세포에 선택적으로 치명적인 영향을 미치는 새로운 화합물인 에라스틴(Erastin)을 발견했지만 세포 사멸 방식이 이전에 관찰된 것과 달랐다. 

핵 형태 변화, DNA 단편화 및 caspase 활성화는 없었고 이 과정은 caspase 억제제에 의해 되돌릴 수 없었습니다. 

그 후 Yang 과 Yagoda 는 이 세포 사멸 패턴이 철 킬레이트제에 의해 억제될 수 있음을 발견하고 이러한 패턴의 세포 사멸을 유발할 수 있는 또 다른 화합물인 RSL3을 발견했습니다. 2012년, 딕슨 1et al. 이 세포 사멸 페로프토시스를 정식으로 명명했습니다. 

 

Ferroptosis는 세포 사멸의 새로운 모드입니다. 

형태학적으로 ferroptosis는 감소된 미토콘드리아 부피, 증가된 이중층 막 밀도 및 미토콘드리아 크리스타 의 감소 또는 소실과 같이 세포에서 주로 발생 하지만 세포막은 손상되지 않고 핵 크기가 정상이며 염색질 농도가 없습니다. 

생화학적으로, 세포내 글루타티온(GSH) 고갈 및 글루타티온 퍼옥시다제 4(GPX4)의 활성 감소, 지질 과산화물은 GPX4 촉매 환원 반응에 의해 대사될 수 없으며, Fe 2+Fenton과 같은 방식으로 지질을 산화시켜 많은 양의 ROS를 생성하여 ferroptosis를 촉진합니다 .

유전적으로 ferroptosis는 여러 유전자에 의해 조절되는 생물학적 과정입니다. 

Ferroptosis는 주로 철 항상성 및 지질 과산화 대사의 유전 적 변화를 포함하지만 특정 조절 메커니즘은 추가 연구가 필요합니다. 

 

ferroptosis를 유발하는 다양한 물질은 4가지 범주로 나눌 수 있습니다. 

한 범주에는 시스템 Xc-를 직접적으로 억제하여 GSH 수준을 감소시키는 프로토타입 ferroptosis 유도제인 에라스틴이 포함됩니다. 그러나 에라스틴에는 미토콘드리아 기능 장애를 유발하는 또 다른 표적인 전압 의존성 음이온 채널(VDAC)도 있습니다. 최근에, 에라스틴에 의한 페로프토시스의 활성화가 리소좀 관련 막 단백질 2a의 수준을 증가시켜 샤페론 매개 자가포식을 촉진하고, 이는 차례로 GPX4의 분해를 촉진하는 것으로 밝혀졌습니다.. 

두 번째 범주에는 RSL3 및 DPI7이 포함되며, 이는 GPX4 활성을 직접적으로 억제하여 페로프토시스를 유도합니다. 

세 번째 범주는 ferroptosis를 유도하는 두 가지 방법이 있는 FIN56을 포함합니다. 

첫째, FIN56은 GPX4 분해를 촉진합니다. 

둘째, FIN56은 효소 스쿠알렌 합성효소에 결합하여 내인성 항산화 보조효소 Q10(COQ10)을 고갈시킵니다. 이 과정은 FIN56 유도 ferroptosis에 대한 세포 감도를 향상시킵니다 . 

최종 범주에는 불안정한 철의 직접적인 산화와 GPX4의 비활성화가 결합된 효과로 인해 페로프토시스를 유발하는 아르테미시닌과 많은 공통점을 가진 유기 과산화물인 FINO2가 포함됩니다.. 

 

ferroptosis의 기전에 대한 연구가 심화됨에 따라 철 킬레이트제 외에도 ferrostatin-1(Fer-1), liproxstatin-1 및 비타민 E와 같은 많은 특정 ferroptosis 억제제가 발견되었습니다. 

이러한 물질은 지질 과산화물의 형성을 억제하여 페로프토시스를 억제합니다(표 2 ). 

 

Table 2 The common inducers and inhibitors of ferroptosis.

 Mechanisms                                                                                              Drugs or compounds

Inducer	Class1: Inhibit system Xc- and prevent cystine import	erastin, Sorafenib, Sulfasalazine
	Class2: Inhibit GPX4	RSL3, (1S,3R)-RSL3, DPI7, DPI10
	Class3: Degrade GPX4, bind to SQS and deplete antioxidant CoQ10	FIN56
	Class4: Oxidize ferrous iron and lipidome directly, inactivate GPX4 indirectly	FINO2
	Supplement: Target VDACs, degrade GPX4	erastin
Inhibitor	Class1: Inhibit accumulation of iron	DFO, Deferoxamine mesylate, 2,2’-pyridine
	Class2: Inhibit lipid peroxidation	Fer-1, SRS11–9, SRS16–86, Liproxststatin-1, Vitamin E

1. Ace acetaminophen, ART artesunate, COQ10 coenzyme Q10, DFO deferoxamine, Fer-1 Ferrostatin-1, GPX4 glutathione peroxidase 4, GSH glutathione; RSL3 Ras-selective lethal small molecule 3, VDACs voltage-dependent anion channels.

 

그림은 ferroptosis의 조절 경로를 보여주며, 크게 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다.

 

첫 번째는 시스템 Xc-의 억제, 황 전달 경로, MVA 경로, 글루타민 경로 및 p53 조절 축과 같은 GSH/GPX4 경로에 의해 조절됩니다.

둘째, 페리틴 대사와 관련된 ATG5-ATG7-NCOA4 경로 및 IREB2의 조절과 같은 철 대사의 조절 기전과 p62-Keap1-NRF2 및 HSPB1의 조절 경로는 모두 철에 영향을 미친다.

세 번째 범주는 지질 조절 및 ferroptosis에 영향을 미치는 P53-SAT1-ALOX15, ACSL4, LPCAT3 등과 같은 지질 대사 관련 경로입니다.

또한, 에라스틴은 미토콘드리아에 작용하여 페로프토시스를 유도합니다.

또한 최근 연구에 따르면 FSP1-CoQ10-NAD(P)H 경로는 GPX4 및 글루타티온과 협력하여 인지질 과산화 및 ferroptosis를 억제하는 독립적인 병렬 시스템으로 존재합니다.

 

기전

시스템 Xc-를 억제하여 페로프토시스 유도

시스템 Xc-는 인지질 이중층에 널리 분포되어 있는 아미노산 항수송체입니다.

시스틴과 글루타메이트는 시스템 Xc-에 의해 1:1 1 의 비율로 세포 안팎으로 교환됩니다.. 

흡수된 시스테인은 세포에서 시스테인으로 환원되어 GSH 합성에 관여합니다. 

GSH는 글루타티온 퍼옥시다제(GPX)의 작용으로 ROS와 반응성 질소를 감소시킵니다. 

시스템 Xc-의 활성을 억제하는 것은 시스틴의 흡수를 억제하여 GSH의 합성에 영향을 미치며, 이는 GPX 활성의 감소, 세포 항산화 능력의 감소, 지질 ROS의 축적, 그리고 궁극적으로 산화적 손상 및 ferroptosis의 발생으로 이어진다. 

또한, P53은 SLC7A11의 발현을 하향 조절하여 시스템 Xc-시스틴 흡수를 억제하여 GPX4의 활성에 영향을 미쳐 세포 항산화 능력의 감소, 지질 ROS의 축적 및 페로프토시스를 초래할 수 있습니다 

GPX4를 억제하여 ferroptosis 유도

GPX 계열의 많은 구성원 중에서 GPX4는 ferroptosis의 발생에 중추적인 역할을 하며 주로 과산화지질의 형성을 억제하여 ferroptosis 발생의 주요 조절자입니다. 

GPX4는 GSH를 산화된 글루타티온(GSSG)으로 변환하고 세포독성 지질 과산화물(L-OOH)을 해당 알코올(L-OH)로 환원합니다. 

GPX4 활성의 억제는 ferroptosis의 지표인 lipid peroxides의 축적으로 이어질 수 있습니다.

셀레노시스테인은 GPX4 활성 그룹의 필수 아미노산 중 하나입니다 . 

셀레노시스테인 tRNA는 셀레노시스테인을 GPX4 에 삽입하는 데 필요합니다 . 

메발로네이트(MVA) 경로는 셀레노시스테인 tRNA의 성숙을 조절함으로써 GPX4의 합성에 영향을 미쳐 페로프토시스의 발생을 조절할 수 있습니다. 

MVA 경로에서 IPP와 COQ10은 이 경로의 두 가지 중요한 생성물입니다 . 

따라서 MVA 경로를 억제하면 셀레노시스테인 tRNA의 합성을 하향 조절하여 GPX4 활성에 영향을 미치고 ferroptosis를 유도할 수 있습니다.

미토콘드리아 VDAC 매개 Ferroptosis

VDAC는 이온과 대사 산물을 운반하고 ferroptosis에서 중요한 조절 역할을 하는 transmembrane channel입니다 . 

Yagoda et al. 는 에라스틴이 VDAC에 작용하여 미토콘드리아 기능 장애를 일으키고 많은 양의 산화물을 방출하여 결국 철 매개 세포 사멸을 초래한다는 것을 발견했습니다.

P53 매개 ferroptosis

P53 유전자는 중요한 종양 억제 유전자입니다. 

P53 매개 세포주기 억제, 노화 및 세포 사멸은 종양의 발생 및 발달에 중요한 역할을 하지만 ferroptosis에서 P53의 역할은 아직 명확하지 않습니다. 

최근 아세틸화 결핍 P53 돌연변이가 페로프토시스를 촉진하는 것으로 밝혀졌습니다.

추가 연구에 따르면 P53은 SLC7A11의 발현을 하향 조절하여 시스틴의 시스템 Xc-흡수를 억제하여 GPX4의 활성에 영향을 미치고 항산화 능력, ROS 축적 및 페로프토시스를 감소시킬 수 있음을 발견했습니다. 

또한 P53-SAT1-ALOX15 경로는 ferroptosis의 조절에도 관여합니다.

SAT1은 P53의 전사 표적이며 폴리아민 이화작용을 위한 중요한 속도 제한 효소입니다. 

SAT1의 활성화는 arachidonate lipoxygenase 15(ALOX-15)의 발현 수준과 밀접한 관련이 있는 ROS에 의해 유도된 지질 과산화 및 ferroptosis를 유도합니다. 

 

다른 연구에서는 P53의 발현이 일부 세포에서 ferroptosis를 억제하는 것으로 나타났습니다. 

Tarangelo Aet al. 안정한 정상적인 P53은 시스템 Xc-의 활성을 감소시켰지만 또한 페로프토시스에 대한 일부 세포의 감수성을 감소시켰다는 것을 발견했습니다.

ferroptosis 감도를 감소시키는 이 과정은 GSH 대사와 세포내 GSH를 조절하는 P53 전사 표적인 CDKN1A(P21을 인코딩함)의 관여를 필요로 합니다.

 

따라서 P53은 양방향 경로를 통해 ferroptosis를 조절할 수 있지만 특정 메커니즘은 여전히 ​​추가 연구가 필요합니다.

ferroptosis suppressor protein 1(FSP1)의 역할(이전에는 apoptosis-inducing factor mitochondrial 2(AIF-M2)로 알려짐)

최근 2건의 연구에서 ferroptosis의 발생에서 FSP1/AIFM2의 역할이 보고되었으며, ferroptosis를 조절하고 세포자멸사 유도 인자(AIF)를 재도입하는 새로운 효과적인 방법이 밝혀졌습니다.

AIF는 ferroptosis의 개념 이전에 제안되었으며 apoptosis의 연구에 참여했습니다. 

Susin et al.AIF를 미토콘드리아 플라보단백질 및 세포사멸 세포사멸의 미토콘드리아 이펙터로 확인하면서 비카스파제 의존성 세포사멸을 유도하는 분자를 찾았습니다. 

재조합 AIF는 분리된 핵에서 염색질 응축과 DNA의 대규모 단편화를 유발합니다. 

그것은 정제된 미토콘드리아가 세포자살 형성 단백질인 시토크롬 c와 카스파제-9를 방출하도록 유도합니다.

이전에 AIFM2로 알려진 FSP1이 효과적인 ferroptosis-resistance factor임을 확인했습니다.

FSP1은 GPX4 결실로 유도된 페롭토시스에 보호 효과가 있음이 밝혀졌습니다.

또한, FSP1의 과발현은 세포자멸사를 유도하지 않았고, p53의 활성화는 FSP1 발현을 증가시키지 않았다. 

추가 연구에 따르면 COQ10(유비퀴논-10이라고도 함)을 감소시키는 산화환원효소 및 지질 과산화물의 증식을 멈추는 친유성 라디칼 포획 항산화제로서의 기능을 수행합니다. 

Dollet al.은 FSP1은 NAD(P)H에 의한 COQ10 재생을 촉매하고 FSP1-COQ10-NAD(P)H 경로는 GPX4 및 글루타티온과 협력하여 인지질 과산화 및 ferroptosis를 억제하는 독립적인 병렬 시스템임을 보여주었습니다.

또한, FSP1의 발현은 수백 개의 종양 세포주에서 ferroptosis 내성과 양의 상관관계가 있었고, FSP1은 배양 및 마우스 종양 이종이식에서 폐암 세포에서 ferroptosis 내성을 매개합니다. 

결론적으로, 본 연구는 FSP1의 발견이 ferroptosis 경로를 완성함을 시사한다.

ferroptosis에서 철 대사

장 흡수 또는 적혈구 분해에 의해 형성된 Fe 2+ 는 세룰로플라스민에 의해 Fe 3+ 로 산화될 수 있으며 , 이는 세포막 상의 트랜스페린(TF)에 결합하여 TF-Fe 3+ 를 형성하고, 이는 막 단백질 TF 수용체 1( TFR1) 이 복합체를 세포내로 이입합니다 . 

그런 다음 Fe 3+ 는 (STEAP3)에 의해 Fe 2+ 로 환원 되고 그런 다음 불안정한 철 풀(LIP)과 페리틴에 저장되며, 이는 (DMT1) 또는 (ZIP8/14)에 의해 매개됩니다. 

과량의 Fe 2+ 는 FPN(ferroportin)에 의해 Fe 3+ 로 산화됩니다 . 

내부 철의 이러한 재활용은 세포의 철 항상성을 엄격하게 제어합니다. TFR 1을 암호화하는 유전자인 TFRC를 억제하면 헴 옥시게나제-1(HO-1)이 철 을 보충하여 에라스틴 유도 페로프토시스를 가속화할 수 있습니다 .

철 대사의 주요 전사 인자인 철 반응 요소 결합 단백질 2(IREB2)의 발현을 억제하면 FTL과 FTH1의 발현을 크게 증가시켜 에라스틴에 의해 유도된 페로프토시스를 억제할 수 있습니다 .

지질 대사 경로

철 의존성 지질 ROS 축적은 모든 경로에서 ferroptosis에 관여합니다. 

지질 대사는 ferroptosis와 밀접한 관련이 있습니다. 

고도불포화지방산(PUFA)은 지질 과산화에 민감하며 페로프토시스의 필수 요소 중 하나입니다. 

유리 PUFA는 합성 지질 신호 전달 매체의 기질이지만 막 인지질로 에스테르화되고 ferroptosis 신호를 전달하기 위해 산화되어야 합니다. 

연구에 따르면 아라키돈산(AA) 또는 그 유도체 아드레날린을 함유한 포스파티딜에탄올아민(PE)이 세포에서 페로프토시스를 유도하는 핵심 인지질입니다. 

Acyl-CoA 합성효소 장쇄 패밀리 구성원 4(ACSL4) 및 (LPCAT3)은 PE의 생합성 및 리모델링에 참여하고 PUFA를 활성화하고 PUFA의 막횡단 특성에 영향을 미칩니다. 

따라서 ACSL4 및 LPCAT3의 발현을 줄이면 세포 내 과산화지질 기질 축적이 감소하여 페로프토시스가 억제됩니다.

기타 경로

ferroptosis의 발생은 또한 유황 전달 경로 및 기타 경로에 의해 조절될 수 있습니다. 

산화 스트레스 하에서 메티오닌은 황 전달 경로를 통해 시스틴으로 전환될 수 있으며 GSH는 합성되어 항산화 효과를 더욱 발휘할 수 있습니다 .

또한, p62-Keap1-NRF2 , ATG5-ATG7-NCOA4 및 글루타민 대사 경로는 세포 내 철 이온 및 ROS의 형성을 효과적으로 조절할 수 있으며 페로프토시스에서 조절 역할을 할 수 있습니다(그림 2 ).