Iron in ferroptosis
从名字本身可以明显看出，铁死亡依赖于铁。首先，非酶促的、铁依赖的芬顿连锁反应可能是铁死亡的必要条件:当GPX4被抑制时，PLOOHs可以持续更长时间，启动芬顿反应以快速扩增PLOOHs，这是铁死亡的标志(图3)。多羟基化合物可以与亚铁离子和三价铁离子反应，分别产生自由基PLO和PLOO，驱动破坏性的过氧化链式反应。然而，应该注意的是，至少在这种铁催化的链式反应的起始阶段，亚铁离子可能更占优势，因为铁离子在细胞中的溶解度和生物利用度相当差。此外，LOX和POR需要铁来催化。铁对于过多的氧化还原代谢过程也是必不可少的，这些过程涉及细胞活性氧的产生。
鉴于铁在细胞存活和死亡中的核心作用，细胞铁稳态受到精确控制并不奇怪，主要是通过铁调节蛋白IRP1和IRP2，它们参与参与细胞内铁储存/释放和导入/导出的基因的转录后调节。可以想象，许多细胞过程通过改变细胞不稳定铁的含量来改变细胞对铁死亡的敏感性。例如，通过铁储存蛋白铁蛋白的自噬降解来增加细胞铁的可利用性会促进铁死亡。同样，转铁蛋白及其受体通过将铁输入细胞而共同促进铁死亡。相反，增强细胞铁输出的机制已被证明使细胞对铁死亡抵抗。此外，通过血红素加氧酶1(HO-1)介导的血红素降解释放铁也与铁死亡有关；然而，一系列相互矛盾的数据表明HO-1促进或抑制铁死亡。
最近的小鼠体内模型研究进一步阐明了铁代谢调节在铁死亡中的作用。例如，铁蛋白重链的基因缺失可能通过增强铁死亡敏感性而导致心肌病。有趣的是，小鼠肝细胞特异性敲除转铁蛋白编码基因导致了意想不到的表型:用富含铁的饮食喂养敲除小鼠增加了肝细胞(通常在体内合成转铁蛋白的细胞)的铁负荷。这使得小鼠更容易发生肝纤维化，这可以通过亲脂性自由基捕获抗氧化剂来改善，表明铁死亡与这种肝脏病理有关。这项研究进一步表明，在缺乏转铁蛋白表达的情况下，肝细胞代偿性地上调金属转运蛋白SLC39A14的表达，导致铁的过度输入，进而导致铁死亡。（主要通过一个体内实验验证了铁死亡在肝纤维化中的作用）
Metabolic inputs into ferroptosis
铁、脂类、活性氧和胞囊蛋白在铁死亡中的作用暗示了这种细胞死亡方式和细胞代谢之间的密切联系。蒋和他的同事试图确定新陈代谢是如何决定细胞命运的，他们的研究揭示了铁代谢与新陈代谢之间的复杂关系。自噬的分解代谢过程是应对各种压力的关键生存机制，但自噬是否以及如何促进细胞死亡(即“自噬细胞死亡”)已经争论了十年。他们发现，在氨基酸饥饿(一种引发强自噬的情况)时，自噬会促进快速的非凋亡、非坏死形式的细胞死亡，但前提是培养基中要提供全血清。发现铁载体转铁蛋白和血清中的氨基酸谷氨酰胺是这种形式的细胞死亡所必需的，并且从细胞培养基中特异性去除胱氨酸足以引发死亡。对铁的依赖和胱氨酸的保护作用表明，在这些条件下，铁死亡是细胞死亡的一种机制。自噬在胱氨酸剥夺诱导的铁死亡中的作用是通过铁蛋白的自噬降解(也称为铁蛋白自噬)，导致细胞不稳定铁含量增加，从而对铁死亡敏感。
谷氨酰胺代谢或谷氨酰胺分解对胱氨酸剥夺诱导的铁死亡的需求将铁缺乏症与氧化代谢联系起来。谷氨酰胺是一种关键的间变性代谢物，它为线粒体三羧酸(TCA)循环提供燃料，从而增加线粒体呼吸的速率并增加ROS的生成潜力。因此，线粒体的正常代谢功能似乎与铁死亡有关——这一结论随后通过各种药理学、细胞和遗传学分析得到验证。值得注意的是，线粒体早些时候被证明是氧化应激的积极参与者。除了线粒体，植物细胞还拥有另一种独特的细胞器——叶绿体，它可以进行一系列氧化还原合成代谢反应。由于在植物中观察到依赖于铁和活性氧的铁死亡，一个有趣的推测是叶绿体在植物铁死亡的调节中也可能起重要作用。
基于这些发现，人们也可以提出过多的假设和问题。例如，葡萄糖，线粒体TCA循环的主要燃料，会调节铁死亡吗？事实上，葡萄糖饥饿最近被证明可以抑制铁死亡，80。然而，从机制上看，这似乎主要是由于关键能量传感器AMP激活激酶(AMPK)介导的信号传递，而不是TCA和线粒体呼吸的调节(稍后详述)，这表明铁死亡有多种代谢输入，目前尚不清楚。与此相关的是，如果谷氨酰胺的铁死亡功能仅仅是通过其支持线粒体呼吸的作用，那么谷氨酰胺对于胱氨酸剥夺诱导的铁死亡是必不可少的，即使细胞在大量葡萄糖的存在下培养，葡萄糖应该单独支持TCA活性并确保高呼吸潜力。此外，作为铁死亡的基础，线粒体代谢是通过产生特定的脂质前体用于PLOOH合成(TCA循环的中间体可以参与脂肪生成)还是通过产生ROS(氧化代谢反应的天然副产物)来促进铁死亡？线粒体活性和谷氨酰胺分解对半胱氨酸剥夺诱导的铁死亡至关重要，但对GPX4抑制诱导的铁死亡不可或缺，这一观察为后一种可能性提供了更多支持。（The observation that both the mitochondrial activity and glutaminolysis are crucial for cysteine deprivation-induced ferroptosis, but are dispensable for that induced by GPX4 inhibition, lends more support to the latter possibility.）
GPX4-independent surveillance pathways
虽然胱氨酸-谷胱甘肽-GPX4轴被认为是阻止哺乳动物铁死亡的主要机制，但全基因组筛选发现了与GPX 4无关的铁死亡监测机制。第一种机制涉及铁死亡抑制蛋白1(FSP1；也称为AIFM2)。AIFM1，FSP1的同源物，最初被认为是促凋亡的(如FSP1/AIFM 2)，现在认为与线粒体膜间蛋白的运输和正确折叠有关。类似地，FSP1缺乏实质性的促凋亡功能，但事实上保护细胞免受GPX4抑制或基因缺失诱导的铁死亡。FSP1是肉豆蔻酰化的，与几种细胞膜结构相关，包括质膜、高尔基体和核周结构。肉豆蔻酰化位点的突变取消了它的抗铁死亡功能。从机理上来说，由于其NADH:泛醌氧化还原酶活性，FSP1通过还原泛醌(或其部分氧化产物半氢醌)产生泛醌醇来抑制脂质过氧化和铁死亡，泛醌醇又可以直接还原脂质自由基以终止脂质自氧化，或者通过再生氧化的α-生育酚自由基(维生素E)来间接抑制脂质过氧化和铁死亡。泛醌的这种保护作用揭示了一个长期以来的谜，即为什么一些细胞和组织，如高代谢活性的肝细胞，含有大量线粒体外泛醌，这与其在线粒体电子转运链中的典型作用不一致。
在另一项研究中，据报道GTP环水解酶1 (GCH1)通过其代谢产物四氢生物蝶呤(BH4)和二氢生物蝶呤(BH2)来防止铁下垂死亡。BH4被证明能保护含有两个PUFA尾的磷脂免受氧化降解，这可能涉及双重机制:作为一种直接的自由基捕获抗氧化剂和参与泛醌合成，90(图2c)。虽然Gch1在保护组织和器官免受铁死亡方面的作用仍有待阐明，但基因敲除研究表明，小鼠失去GCH1会导致妊娠中期心动过缓和胚胎死亡。
除了这些直接作用于脂质双层中的过氧化物或通过天然存在的自由基捕获抗氧化剂作用于磷脂自由基的系统之外，还可能存在保护免受有害脂质过氧化的其他细胞内在机制。据报道，胆固醇途径的代谢产物角鲨烯的积累在胆固醇营养缺陷型淋巴瘤细胞系和原发性肿瘤中具有抗铁死亡活性，尽管这是一种癌症亚型特异性作用还是一种一般的保护机制仍有待证明。
Regulation of ferroptosis
可以想象，调控铁死亡相关促进或监测分子、氧化还原和铁稳态以及细胞代谢的生物过程会影响铁死亡过程。正如预期的那样，氧化应激反应转录因子NRF2可以通过刺激其多个典型靶基因的表达来减轻铁死亡。此外，越来越多的证据表明，在特定的生物学环境下，多种信号通路可以决定细胞对铁死亡的敏感性。
Regulation of ferroptosis suppressors
尽管GPX4和FSP1在限制铁死亡方面具有重要意义，但关于细胞在生理和病理条件下如何调节其抗铁死亡潜能的研究却知之甚少。然而，似乎GPX4和FSP1至少在某种程度上与甲羟戊酸途径相交:该途径的输出之一，异戊烯基化，稳定硒代半胱氨酸特异性tRNA(Trsp)，这是合成包括GPX4在内的硒代酶所必需的，并且作为甲羟戊酸途径的最终代谢物之一，泛醌是FSP1的主要底物，如上所述。
GPX4是人类25种硒蛋白之一，因此其表达受细胞硒利用率的调节。例如，在出血性中风小鼠模型中，硒补充被证明通过协调激活转录因子TFAP2c和Sp1来提高神经元中GPX4的表达，这可以保护组织免受损伤。然而，应该注意的是，GPX4可以被认为是一种管家蛋白，在大多数组织和器官中组成型表达，不像真正的硒响应蛋白，如硒蛋白P(SELEOP)、GPX1和GPX3。据报道，其他调节GPX4表达的转录因子包括肠细胞中的C/EBPα和一些癌细胞中的NF-Y。据报道，转录后富含鸟嘌呤的序列结合因子1(GRSF1)与线粒体形式的Gpx4 mRNA的5’非翻译区结合，导致在精子发育过程中起重要作用的线粒体GPx4翻译增加。然而，这些调节事件与铁死亡的相关性仍未确定。
越来越多的证据表明GPX4也在活性和稳定性水平上受到调节。例如，由于持续的氧化应激和伴随的谷胱甘肽缺乏，活性位点硒代半胱氨酸的谷胱甘肽依赖性减少受损，可能通过称为β-裂解的过程中形成氧化还原死亡的脱氢丙氨酸而导致GPX4的不可逆失活。低水平的谷胱甘肽也可能引发硒酸和相邻氨基酸之间形成硒酰亚胺，从而保护酶在急性氧化应激条件下不可逆失活。然而，需要进一步探索这些机制是否在病理状态下发挥作用，如缺血-再灌注损伤；据报道，肠缺血与低得多的GPX4活性和水平有关。此外，包括RSL3在内的几种公认的铁死亡诱导剂，通过包括活性位点硒代半胱氨酸共价修饰、甲羟戊酸代谢破坏和一般铁依赖性氧化应激在内的机制，最终导致GPX4的活性、合成和稳定性受损。
作为一种突出的铁死亡抑制基因，FSP1最初被描述为p53应答基因，因此最初被称为p53应答基因3 (PRG3)。FSP1是转录因子NRF2、CRBP107和PPARα108的靶标。有趣的是，在T细胞成淋巴细胞淋巴瘤细胞中，据报道FSP1的表达被母体表达的长非编码RNA 3(MEG3)上调，并被miR-214抑制，miR-214是两种参与肿瘤发展的调节性RNA。除了转录调控之外，几乎没有人知道FSP1的氧化还原酶活性是如何调控的，以及它的亚细胞定位如何影响它在不同生理和病理生理过程中的作用。但FSP1对还原和氧化底物(包括NADH、NADPH、泛醌和α-生育酚)的混杂性表明其活性的复杂调节。
Hippo–YAP signalling in ferroptosis
Hippo–YAP途径涉及无数的生物功能，包括细胞增殖和器官大小控制。对这一途径在铁死亡中的作用的研究始于一项观察，即高密度生长的细胞通常更能抵抗半胱氨酸剥夺和GPX4抑制诱导的铁死亡。这一观察令人想起早期的报告，重要的是包括在极高密度下培养或作为球体培养(细胞间接触是优选的)促进Gpx4敲除细胞存活的证明。从机制上讲，上皮细胞铁死亡的细胞密度效应是由E-钙粘蛋白介导的细胞-细胞接触介导的，这种接触通过NF2(也称为Merlin)肿瘤抑制蛋白激活河马信号，从而抑制核易位和转录共调节因子YAP的活性。因为YAP针对几种铁死亡的调节因子，包括ACSL4、转铁蛋白受体TfR1和其他可能的调节因子，铁死亡的易感性将不可避免地依赖于海马通路的活性，对海马通路的抑制和YAP激活使铁死亡的易感性增加(图4)。与这一发现相一致的是，在主要表达TAZ而非γ-氨基丁酸的肾癌细胞中，TAZ是γ-氨基丁酸的近亲，也显示出以细胞密度调节的方式增强铁死亡。
E-钙粘蛋白-NF2-HIPPO-YAP/TAZ通路在决定铁死亡中的作用具有重要意义。首先，由于该途径的多种成分在癌症中经常发生突变，主要导致YAP/TAZ表达和/或活性增加，铁死亡诱导可能被用作治疗这些特定癌症的潜在治疗方法，这一主题将在下面进一步讨论。其次，由于在不表达E-钙粘蛋白的非上皮细胞中也观察到这种细胞密度依赖性铁死亡，因此应该考虑其他钙粘蛋白或细胞粘附分子也可以介导抑制铁死亡的类似机制。第三，HIPPO-YAP通路在发育中很重要，并与各种其他信号通路相互作用，从而在铁死亡和正常细胞生物学之间提供了大量潜在的联系。最后，我们很容易推测钙粘蛋白可能是保护细胞免受氧化应激的挑战及其最具破坏性的后果——铁死亡。
AMPK signalling and ferroptosis
直觉上，能量和代谢压力会导致能量损失，从而导致维持体内平衡所需的系统级联失效，如细胞膜上依赖能量的离子梯度，最终导致细胞死亡。此外，葡萄糖饥饿的代谢应激细胞增加了ROS的产生，表明葡萄糖饥饿促进了铁死亡。令人惊讶的是，葡萄糖饥饿阻断铁死亡。发现这种保护作用依赖于能量感应激酶AMPK的活性。因此，当葡萄糖不存在时，AMPK被激活，启动一个针对铁缺乏症的能量应激保护程序，该程序涉及多不饱和脂肪酸的生物合成受损，而多不饱和脂肪酸对于脂质过氧化驱动的铁死亡是必不可少的。这一发现具有实际应用价值，因为发现激活这一能量应激程序可以预防肾缺血-再灌注损伤。通俗的说，这种保护机制可能是抵御器官损伤的第一道防线，器官损伤可能与能量衰竭有关。
Hypoxia signalling and ferroptosis
鉴于铁动力细胞死亡是由磷脂过氧化作用驱动的，一个长期存在的问题是它是否取决于氧浓度，因为分子氧可以首先被各种酶代谢为超氧阴离子(O-)，然后经过歧化形成过氧化氢(H2O2)。然而，一项早期的铁死亡研究表明，在1%的氧气中，对erastin诱导的铁死亡的敏感性几乎没有损失，这表明缺氧不能抑制铁死亡。事实上，有证据表明缺氧促进了铁死亡。首先，应考虑缺氧与线粒体复合体ⅲ产生的活性氧增加有关，线粒体复合体ⅲ可通过损伤线粒体膜直接导致脂质过氧化，导致细胞内H2O2水平升高以支持芬顿反应和/或通过压倒细胞的抗氧化能力来起作用。此外，缺氧驱动缺氧诱导因子(HIFs)的激活，最近对透明细胞癌的研究发现，这些细胞对GPX4抑制诱导的铁死亡的高敏感性是由HIF2α亚型驱动的。在这种情况下，缺氧诱导因子2α被证明是缺氧诱导的脂滴相关蛋白(HILPDA)表达的原因，然后驱动多不饱和脂质的富集。透明细胞癌在组织学染色时具有特征性的透明细胞质染色，并且难以治疗，这表明了这一发现的临床意义。此外，推测HIF2α–HILPDA驱动的对铁死亡的敏化作用可能是一种消除新生缺氧肿瘤的古老方法也很有诱惑力。
Biological functions of ferroptosis
铁死亡的机制表明了它潜在的进化起源:自从地球上的生物开始使用氧气驱动新陈代谢，主要是通过一系列化学氧化还原反应，过渡金属铁已经成为催化这些反应的主要因素。这种铁依赖的氧化还原代谢不可避免的副产品是活性氧，包括多羟基化合物。当多能干细胞的细胞水平超过某个阈值时，细胞就会发生铁死亡。可以想象，GPX4和FSP1等多种监测机制已经进化为保护细胞免受铁死亡。因此，推测起来，铁死亡可能是在富含铁和氧的环境中出现的最古老的调节细胞死亡形式。但是铁死亡有什么有益的、生理上相关的作用吗？理论上这是可能的。一个相关的例子可能是活性氧和脂质氢过氧化物。这些物种最初被认为仅仅是新陈代谢的有毒“副产品”，但我们现在知道它们赋予基本的生理功能，例如细胞信号和免疫，它们是在几个亚细胞位点故意产生的，以调节细胞生理事件。类似地，铁死亡也可能被用来完成对生命有益的任务。越来越多的证据，尽管是间接的，表明铁死亡在肿瘤抑制和免疫监视中的生理功能。
Ferroptosis in tumour suppression
多种肿瘤抑制因子已被证明能使细胞对铁死亡敏感。因此，一个合理的假设是铁死亡有助于这些肿瘤抑制因子的抗肿瘤活性；也就是说，肿瘤抑制可能是铁死亡的先天生理功能。在这些肿瘤抑制因子中，p53参与了铁死亡的研究。通过对p53特异性赖氨酸乙酰化位点的详细分析，发现p53可以通过抑制系统xc-亚单位SLC7A11的转录来增强铁死亡，并且这种功能可能有助于p53在体外和体内的肿瘤抑制功能。此外，p53的易患癌单核苷酸多态性导致P47S氨基酸取代，被发现赋予癌细胞对铁死亡的抗性。然而，尚不清楚p53促铁死亡活性的丧失是否是这些特异性突变引起的唯一功能性后果。值得注意的是，与这些研究相反，也有报道称p53通过调节其其他转录靶点来预防铁死亡。鉴于p53可以调节一大群参与各种生物过程的靶基因，它在铁死亡中的确切作用很可能取决于环境。
与p53相似，肿瘤抑制因子和表观遗传调节因子BAP1也可以通过下调SLC7A11的表达来促进铁死亡。但是与p53不同，p53的铁死亡促进活性单独被认为足以抑制体内中的肿瘤发生，尚不清楚BAP1的铁死亡促进活性对其肿瘤抑制功能的贡献有多大。
延胡索酸酶是一种在TCA循环中催化延胡索酸转化为苹果酸的酶，是平滑肌瘤和乳头状肾细胞癌中真正的肿瘤抑制剂。这种酶对TCA循环活动至关重要，因此对细胞能量和代谢物的产生也至关重要，但它是如何反直觉地抑制肿瘤生长的，以及它是如何仅在少数特定癌症类型中抑制肿瘤生长的，目前尚不清楚。延胡索酸酶参与线粒体TCA循环的促铁死亡功能使这些问题变得清晰。癌症的发展通常与线粒体活性氧生成的增加有关，这为这些细胞的铁死亡提供了条件。延胡索酸酶功能的丧失将影响线粒体的氧化功能，这一方面将损害生长能力，但另一方面，将使细胞对铁死亡更具抵抗力，从而提高它们的存活率和癌变的可能性。
Ferroptosis in immune surveillance
与其他形式的调节性细胞死亡不同，如凋亡、焦脱和坏死，它们显然是由免疫系统参与调节免疫反应的，但很大程度上仍然不清楚通过外源性或内源性机制引起的敏化或触发铁死亡是否可以发挥类似的“生理作用”。有一些初步证据表明，铁死亡在免疫细胞诱导细胞死亡方面可能很重要。一份报告表明，系统xc-的表达被干扰素-γ(IFNγ)抑制，CD8+T细胞产生的这种细胞因子最近被证明与肿瘤细胞对铁死亡的敏化有关。免疫细胞诱导铁死亡的这种直接机制是否与生理相关仍不清楚。另一份报告表明，白细胞介素-4和白细胞介素-13抑制某些细胞(包括肾、肺、脾和心脏)中GPX4的表达，同时ALOX15的表达增加，从而允许花生四烯酸代谢物的大量产生。由于已知GPX4通过降低脂质过氧化物浓度来抑制LOXs和环氧化酶的活性，因此GPX4的活性受损可能对免疫调节脂质介质的分泌产生深远的影响，这反过来可能通知免疫系统处于铁死亡敏感状态的细胞的存在，从而有助于免疫监测(检测损伤或恶性肿瘤)。
铁死亡在免疫反应中的潜在功能并不局限于哺乳动物系统，也可能与植物有关。最近的一份报告表明，在水稻中，诱导铁死亡样细胞死亡——与脂质过氧化有关，并受到铁螯合剂的抑制——通过清除受感染的细胞和防止病原体扩散来防止真菌稻瘟病菌的感染。有趣的是，米曲霉特定细胞的类似铁死亡的死亡是其在宿主中发育所必需的。因此，这一发现也首次暗示了铁死亡的潜在发育作用。