铁元素是生命中不可缺少的元素之一，其参与合成的物质在机体中发挥着各种重要的生理功能，细胞内的铁原子由铁依赖蛋白网络严格调控。体内大部分铁原子储存于铁蛋白内，当细胞内铁含量减少时，铁蛋白就会被降解释放出游离铁，该过程称为铁自噬。铁自噬受细胞内铁含量调节，而E3泛素连接酶HERC2由于与铁蛋白之一有共同核受体辅助激活因子(NCOA)4结合位点，亦参与铁自噬的调节。研究发现，铁自噬异常与血液系统疾病、中枢神经系统疾病及恶性卵巢肿瘤等疾病的发生、发展密切相关。为针对铁自噬异常靶向治疗相关疾病提供理论指导，笔者拟就铁自噬相关研究进展进行综述。
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铁自噬是由核受体共激活因子(nuclear receptor coactivator，NCOA)4介导的，通过降解铁蛋白释放出游离铁的过程。铁自噬与细胞的生长、增殖、分化、凋亡及癌变等生理、病理过程密切相关。正常生理情况下，铁自噬受到铁依赖蛋白网络的严格调控，以保持细胞内铁原子平衡，发挥铁原子的正常生理功能，但是过度激活铁自噬会引起细胞发生铁死亡。铁自噬在血液系统疾病中发挥着双向作用，适量的铁自噬对红系分化发挥重要作用，而过度激活铁自噬与慢性髓细胞白血病(chronic myeloid leukemia，CML)，多发性骨髓瘤(multiple myeloma，MM)等血液系统恶性肿瘤的发生、发展密切相关。另一方面，过度的铁自噬，亦会导致某些非血液系统疾病的发生，如部分中枢神经系统疾病、恶性肿瘤，以及可促进心肌细胞肥大的发生等。因此，铁自噬被认为是上述相关疾病治疗的靶点之一。为针对铁自噬异常靶向治疗上述疾病提供一定的理论指导，笔者就铁自噬相关研究进展进行综述如下。
铁元素为人体所必需，主要存在于血液中，其次是肝。在血液中铁原子通过转铁蛋白进行转运，并以铁蛋白形式贮存于肝，血清中仅含有少量铁蛋白。铁原子的生理作用主要包括：参与氧的储存与运输、参与机体新陈代谢、提高免疫功能、防止上皮组织受损、维持正常造血功能等[1,2]。在生物体内存在着严格的铁代谢调控机制，以确保体内铁原子始终处于正常生理水平。如果铁代谢失调、体内铁缺乏或者铁过载均会导致各种相关临床疾病的发生。因此，细胞中的铁含量被严格控制是至关重要的，而铁代谢是由铁依赖蛋白网络系统严格调控的过程[3]。体内大部分铁原子被储存于铁蛋白中，铁蛋白是一个由24个亚基组成的复合物，该复合物由铁蛋白重链(ferritin heavy，FTH)与铁蛋白轻链(ferritin light，FTL)组成，可以存储多达4 500个铁离子。当细胞中的铁含量较低时，铁蛋白被降解，进而释放出铁离子供细胞使用，这一过程称为铁自噬[4,5]。
自噬是细胞在饥饿、营养缺乏、生长因子缺乏、能量匮乏或者受到应激性的死亡威胁等一系列因素的刺激下，细胞中溶酶体分解细胞器及蛋白等物质的过程。自噬存在于任何真核细胞，其有利于细胞代谢与更新，能够维持细胞存活、分化、发育及维持内环境稳态等[6]。而铁自噬作为自噬的一种，具有类似的生理作用。铁自噬是由Mancias等[7]于2014年首次提出，该研究者通过定量蛋白质组学鉴定出NCOA4作为一种选择性自噬的受体，介导铁蛋白在自噬体中被降解，使得与铁蛋白结合的铁离子释放，成为游离铁，并将这个过程称为铁自噬。正常生理情况下，铁储存于铁蛋白中，而当细胞内铁缺乏时，含有铁离子的铁蛋白与NCOA4结合形成复合物，介导铁自噬释放出铁离子。通过定量蛋白组学方法，证实NCOA4为一种分子质量为70 kDa的蛋白质。NCOA4包括4个结构域，分别为NCOA4α、NCOA4β、NCOA4-N末端及NCOA4-C末端。然而，研究结果证实，铁蛋白仅与NCOA4α及NCOA4-C末端结合，而不与另外2个结构域结合[8]。通过丙氨酸扫描诱变方法进一步测定发现，NCOA4α及NCOA4-C末端结构域中W497、I489、S492、L494及L498部分区段是与铁蛋白结合重要部分[9]。而体内铁蛋白复合物是由FTL、FTH1构成的24个亚基复合物。最近，Mancias等[10]研究结果表明，NCOA4可选择性地识别铁蛋白中的FTH1亚基，其中FTH1 R23被证实是铁蛋白与NCOA4结合必不可少的重要结构。NCOA4-铁蛋白复合物形成后，将与自噬相关因子(autophagy related gene，ATG)8结合，进而与初级自噬体结合，之后初级自噬体发展成为自噬体，降解铁蛋白进而释放出游离铁。释放出的游离铁可以合成血红蛋白、调节肝细胞内铁代谢，以及参与中枢神经系统疾病的发生、发展等。
铁自噬受细胞内铁含量的调节。当细胞内铁含量增高时，NCOA4水平较低，从而抑制铁自噬，并促进铁蛋白的积累；当细胞内铁含量降低时，NCOA4水平较高，从而促进铁自噬[11]。细胞内铁含量调节NCOA4水平的机制如下。通过蛋白组学研究结果显示，E3泛素蛋白连接酶HERC2可以通过泛素-蛋白酶体系统调节NCOA4水平，而既往相关研究结果已经证实，NCOA4具有多泛素化位点[10,11]。2015年，Mancias等[10]应用铁螯合剂及铁过载剂处理人结肠癌HCT116细胞系，通过免疫印迹分析观察到在应用铁过载剂后，大量的NCOA4与HERC2结合，也就是说当游离铁充足的时候，二者之间的结合强度是增强的。相反，在铁螯合剂处理细胞使细胞内游离铁减少时，二者之间的结合强度显著减弱。HERC2与NCOA4结合位点和NCOA4与铁蛋白的结合位点相同。HERC2调节NCOA4水平的分子机制为HERC2可以降解铁敏感蛋白。当细胞内铁缺乏时，铁敏感蛋白会迅速变成不稳定形态物质，并通过E3泛素连接酶，导致铁敏感蛋白表达水平减低，进而使HERC2失去活性。同时，铁敏感蛋白表达水平减低亦会导致铁蛋白转运受体活性不稳定，从而抑制铁蛋白转运[12]。总而言之，当细胞内铁缺乏时，可以通过促进NCOA4介导的铁自噬，以及抑制IRP2介导的铁蛋白转运功能这2条途径，动员细胞中铁蛋白分解，释放出游离铁直到细胞内铁含量恢复至正常生理水平。适当的铁自噬会保持细胞内铁离子平衡，而过度激活铁自噬会导致细胞内铁过载，进而诱发相关疾病。
凋亡是指为了维持细胞内环境稳定，由基因控制的细胞自主有序死亡的过程[13]，而铁死亡是一种新形式的程序性死亡，其发生是以一种游离铁依赖的方式积累细胞中的活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)[14,15]。铁死亡过程中产生的小分子混合物(erastin)可以通过抑制胱氨酸-谷氨酸反向转运体，导致谷胱甘肽耗竭，而谷胱甘肽为细胞内重要的抗氧化物质[16]。目前，铁死亡的具体生理作用仍未完全阐明，但是已经有研究报道，在人类部分疾病中，铁死亡发挥了一定作用[17]。例如，铁死亡可以诱导某些器官缺血性损伤，抑制铁死亡已经被研究证实可以有效地治疗缺血/再灌注诱导的器官损伤[18]。在肿瘤中，铁死亡通过抑制肿瘤抑制因子P53功能，从而发挥诱导肿瘤细胞生长的作用[19]。铁自噬在调节铁死亡过程中发挥重要的作用，主要是通过调节细胞内铁平衡及ROS产生。铁自噬被激活后，导致细胞内铁蛋白降解，从而增加细胞内铁含量。细胞内铁过载使细胞短时间内积聚大量ROS，而这则是铁死亡发生的重要环节[20]。
缺铁性贫血是全球性疾病，其主要原因是骨髓铁供应减少。铁储存量的连续损耗导致缺铁性贫血及一系列机体生理功能的削弱。铁自噬的目的则是释放出铁蛋白内的铁离子供机体使用。研究结果表明，红细胞生成需要NCOA4介导的铁自噬[21]。骨髓内红细胞分化及晚期血红蛋白的合成均需要大量的游离铁支持。而人体中3～5 g的铁原子来源于红细胞血红蛋白中的血红素。动物实验结果表明，机体内所获得的大多数游离铁来源于铁蛋白降解，而这个过程就是NCOA4介导的铁自噬[22]。最近研究发现，在CML K562细胞株中敲除NCOA4后，该细胞株中血红蛋白mRNA转录及蛋白表达水平明显降低(P<0.001)，这提示，敲除NCOA4可严重破坏红细胞生成[10]。Bellelli等[23]针对NCOA4在调节全身铁平衡的作用进行研究，通过基因工程技术构建NCOA4敲除小鼠发现，与野生型小鼠相比，NCOA4敲除小鼠铁蛋白不能释放出铁离子，进而导致小细胞多色素性贫血的发生。因此，适量的铁自噬可以促进红细胞的正常生长与发育，而过度的铁自噬则会释放出大量铁离子造成铁过载，引发血液系统疾病[24]。例如，过度的铁自噬可以促进CML细胞增殖，抑制CML细胞凋亡，导致CML进展。同时，过度的铁自噬亦可以作为BCR-ABL融合基因下游信号通路刺激因子，而该信号通路在CML病程的各个时期发挥重要作用，从而促进CML的发生、发展[25]。
铁自噬在自噬导致的一些神经性病变过程中发挥着重要作用[26]。大脑内铁过载或者缺乏是诸多神经退行性疾病的共同特征。铁代谢紊乱是导致此类疾病发生的主要原因之一。在部分神经退行性疾病中，相关蛋白的聚集、累积及降解通路的受损(自噬-溶酶体通路)与大脑内铁代谢平衡的失调是其发病原因之一，而铁自噬则是联系自噬功能及铁代谢的关键点。自噬的损伤主要由于自噬-溶酶体通路相关基因突变，影响细胞内囊泡的运输，导致异常自噬产生[27]。由于异常激活的自噬会直接或者间接影响铁蛋白的降解，进而导致部分神经变性疾病中铁自噬异常[28]。激活铁自噬会在神经元内产生过度的游离铁，进而在细胞内发生氧化应激作用；抑制铁自噬则会导致溶酶体内铁过载，使溶酶体发生氧化应激而导致神经元死亡[29]。因此，过度或者缺乏铁自噬，均会对神经元产生毒性作用或者影响细胞内铁原子的生物利用度，进而导致诸多中枢神经系统疾病发生，包括阿尔茨海默病、帕金森病、亨廷顿病、肌萎缩侧索硬化症及多发性硬化等[30,31,32]。
恶性卵巢肿瘤为常见的女性生殖器官恶性肿瘤之一，对女性生命造成严重威胁。铁过载则被认为是导致子宫内膜异位进展为恶性卵巢肿瘤的原因之一。研究结果表明，恶性卵巢肿瘤进展相关的基因突变包括，① c-MYC原癌基因，位于染色体8q24.21，在卵巢癌患者中其表达水平超过正常参考值范围上限的20%；② P53肿瘤抑制因子，位于染色体17p12.1，在95%卵巢癌患者中存在突变；③ KRAS原癌基因，位于染色体12q12.1，在恶性卵巢肿瘤患者中其表达水平超过正常参考值范围上限的10%等[33]。然而，c-MYC、P53及KRAS等原癌基因突变大部分是由于累积过量ROS所导致的[34]。而过度激活铁自噬，会导致细胞内铁含量升高。铁过载会使细胞短时间内积聚大量ROS，促进恶性卵巢肿瘤的发生、发展[35]。同时，Bast等[36]通过免疫印迹、PCR方法测定非恶性卵巢肿瘤细胞株T80细胞与恶性卵巢肿瘤HEY细胞的NCOA4蛋白及其mRNA表达水平发现，HEY细胞NCOA4α蛋白表达水平为T80细胞的2.2～2.6倍(P＝0.008 4)，NCOA4β蛋白表达水平为T80细胞的1.3～1.6倍(P＝0.002 6)；HEY细胞NCOA4α mRNA相对表达水平为T80细胞的2.7倍(P＝0.060 0)，NCOA4β mRNA相对表达水平为T80细胞的1.3倍(P＝0.019 1)。这提示，恶性卵巢肿瘤与NCOA4 mRNA转录及NCOA4蛋白表达水平密切相关。因此，针对NCOA4受体的靶向治疗为治疗恶性卵巢肿瘤潜在疗法之一。
1993年，O′Dowd等[37]发现一种新型的G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptor，GPCR)。随后，Tatemoto等[38]又发现GPCR的内源性配体apelin。apelin包括多种亚型，其中apelin-13具有正性肌力，可以促进血管平滑肌细胞增殖，并且参与心肌肥厚、动脉粥样硬化、高血压等心血管疾病的发生、发展[39]。研究发现，apelin-13通过激活NCOA4源性ROS，进而促进血管平滑肌细胞增殖，以及内皮细胞与单核细胞的黏附[40]。应用生物信息学方法分析结果显示，apelin-13与铁自噬底物FTH、FTL具有相互作用，进而诱导铁自噬。铁自噬可导致心肌细胞内具有氧化活性的游离铁大量增加，诱发Fenton反应，从而促进线粒体内活性氧的大量生成，损伤心肌细胞、促进心肌细胞肥大[41]。
过度的铁自噬造成铁过载，而铁过载使细胞内ROS增加，继而损伤DNA，破坏蛋白与脂质，从而导致基因突变及细胞损害。铁螯合剂则是通过螯合细胞内的游离铁，从而抑制核苷酸还原酶，进而影响DNA的合成与修复。此外，诸多其他受细胞内铁含量调控的基因，亦因铁螯合剂的应用受到影响，如抑癌基因P53、P21，以及细胞周期蛋白基因等。去铁胺是用于治疗全身性铁过载相关疾病的药物之一，属于羟肟酸络合剂。羟肟酸基可与3价铁离子(Fe3＋)形成稳定、无毒的水溶性铁胺复合物。1991年，去铁胺就被证实可以改善阿尔茨海默病患者的生活能力，但是由于其脂溶性差，血脑屏障透过率低，因此在治疗过程中存在部分治疗相关不良反应，如厌食症状等[42]。2012年，Hanson等[43]通过在小鼠模型中经鼻饲给药后解决了上述脂溶性差而导致的不良反应的发生。地拉罗司亦为铁螯合剂之一，主要用于治疗输血引起的铁过载。Kim等[44]进行的体外实验结果证实，地拉罗司与伊马替尼联合应用，可以克服CML细胞株K562、KU812耐药性，并且通过免疫印迹法测定发现，二者联合使用，可以增加CML细胞的凋亡蛋白的表达水平，并降低BCR-ABL融合基因表达(P<0.001)，从而达到抑制CML细胞持续增殖的效果。
铁自噬普遍存在于真核细胞中，以维持细胞中正常铁稳态。近年来，由于分子生物学等实验检测技术的日趋完善，铁自噬研究取得了长足进展，但是对于铁自噬的起源、相关信号转导、调节机制及其对细胞影响等方面的研究尚不全面，其在部分血液系统肿瘤中的作用及意义也尚未明确。通过对铁自噬影响疾病的进程在基础研究与临床上的应用，还需进一步研究，铁自噬的分子生物学机制及相关信号通路的深入研究，必将为治疗铁自噬异常相关疾病提供新的思路。
所有作者均声明不存在利益冲突
