靶向铁死亡的表观遗传调控：脓毒症相关急性肾损伤的潜在治疗方法

《Clinical Epigenetics》：Targeting the epigenetic regulation of ferroptosis: a potential therapeutic approach for sepsis-associated acute kidney injury

这篇综述聚焦脓毒症相关急性肾损伤（AKI），探讨了铁死亡在其中的作用，以及表观遗传调控对铁死亡的影响机制，包括 DNA 甲基化、组蛋白修饰等，为脓毒症相关 AKI 的靶向治疗提供了新方向，极具研究价值。

　　

脓毒症相关急性肾损伤概述

急性肾损伤（AKI）是一种因多种原因导致肾功能快速下降的临床综合征，表现为肾小球滤过率骤降、血清肌酐升高、少尿甚至无尿，严重时可发展为肾衰竭或死亡。脓毒症是引发 AKI 的主要原因之一，约 60% 的脓毒症患者会并发 AKI 。脓毒症目前被定义为机体对感染的失调反应所导致的危及生命的器官功能障碍综合征。

脓毒症诱导 AKI 的机制主要有炎症、微循环功能障碍和代谢重编程。炎症方面，细菌感染后，病原体和宿主免疫细胞释放炎症介质，这些介质与模式识别受体（PRR）结合，激活下游信号级联反应，促使促炎分子合成与释放。Toll 样受体（TLR）是肾小管上皮细胞表面的 PRR，感染时，损伤相关分子模式（DAMPs）和病原体相关分子模式与之结合，激活核因子 κB（NF-κB），引发一系列反应，损伤肾小管上皮细胞。NOD 样受体蛋白 3（NLRP3）炎症小体也在脓毒症相关 AKI 的炎症级联反应中发挥关键作用，敲除 NLRP3 可减轻肾脏炎症和损伤。

微循环功能障碍方面，过去认为肾血流减少致急性肾小管坏死是脓毒症相关 AKI 的主要原因，但近期研究表明，脓毒症时肾血流可能正常甚至增加，却存在组织缺氧，这意味着脓毒症主要通过微循环功能障碍影响肾脏。脓毒症时，肾小动脉收缩、扩张异常，导致肾小球滤过率降低，还会促使微血栓形成。改善肾微循环可抑制肾脏病理改变，提升肾功能。

代谢重编程方面，正常情况下肾细胞通过有氧呼吸产生 ATP，而脓毒症时肾小管上皮细胞代谢模式发生改变。早期代谢反应中，有氧糖酵解占主导，氧化磷酸化（OXPHOS）受抑制，引发细胞炎症；适应性分解代谢阶段，代谢从有氧糖酵解转变为 OXPHOS，细胞炎症减轻。丙酮酸激酶 M2 表达上调会促进有氧糖酵解，产生高浓度乳酸，增强细胞炎症反应；激活腺苷 5'- 单磷酸（AMP）激活的蛋白激酶（AMPK）则可改善 OXPHOS 和线粒体功能。此外，脓毒症时葡萄糖、脂质和氨基酸代谢均发生改变，早期代谢重编程对肾脏有一定保护作用，而适应性分解代谢阶段可提高生存率。

铁死亡的机制

铁死亡是一种铁依赖的非凋亡程序性细胞死亡方式，于 2012 年由 Dixon 提出，在形态、生物化学和遗传学方面与凋亡、坏死和自噬不同。其特征为铁代谢失调、脂质过氧化以及特定调节通路的参与。

在铁代谢过程中，Fe³⁺与转铁蛋白结合，通过转铁蛋白受体 1（TFR1）进入细胞，被还原为 Fe²⁺后进入细胞质不稳定铁池。当铁过载时，不稳定铁池中的过量 Fe²⁺通过芬顿反应产生高活性羟基自由基，与细胞膜中的多不饱和脂肪酸（PUFA）反应，生成大量活性氧（ROS），促进细胞发生铁死亡。

脂质是细胞膜的主要成分，由于细胞膜中 PUFA 含有大量不饱和双键，易成为 ROS 的攻击目标。在酰基辅酶 A 合成酶长链家族成员 4（ACSL4）和溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶 3（LPCAT3）的催化下，PUFA 合成并插入膜磷脂形成 PUFA-PL 复合物，再经脂氧合酶氧化生成有毒的 PUFA-PL-OOH，激活铁死亡。内质网是脂质过氧化的关键部位，铁死亡时脂质过氧化先在内质网积累，再转移到质膜。

铁死亡的调节主要通过一些关键通路。System X_c^-是由轻链和重链组成的异二聚体，其关键成分溶质载体家族 7 成员 11（SLC7A11）可将胱氨酸转运进细胞，参与谷胱甘肽（GSH）合成，为谷胱甘肽过氧化物酶 4（GPX4）提供电子，还原有毒的磷脂氢过氧化物，抑制脂质过氧化和铁死亡。核因子红细胞 2 相关因子 2（Nrf2）是一种转录因子，与核因子结合调节细胞抗氧化基因的表达。在细胞质中，Kelch 样 ECH 相关蛋白 1（Keap1）与 Nrf2 结合，氧化应激时，Keap1 降解，Nrf2 进入细胞核与抗氧化反应元件（ARE）结合，激活抗氧化基因转录，其可调节 System X_c^-和 GPX4，抑制铁死亡。辅酶 Q10（CoQ10）在线粒体电子传递链中起重要作用，铁死亡抑制蛋白 1（FSP1）可将 CoQ10 还原为泛醇，有效减少脂质过氧化，防止铁死亡。四氢生物蝶呤（BH4）可维持细胞氧化还原稳定，GTP 环化水解酶 1（GCH1）促进 GTP 还原为 BH4，减少细胞内 ROS，抑制铁死亡。

脓毒症与铁稳态的关系

铁是大多数生物体必需的微量元素，细菌在生长过程中需要铁作为催化氧化还原反应的酶的辅助因子。脓毒症时，宿主与病原体竞争铁，肝脏合成并释放铁调素，促使铁转运蛋白降解，防止细胞内铁流失。细菌则通过分泌铁载体获取环境中的铁。研究表明，铁与某些微生物的致病性密切相关，铁水平升高通常有利于微生物生长，也会促进脓毒症发展。

铁稳态与炎症、代谢重编程和微循环功能障碍密切相关。细胞内铁过载可促使细胞进入炎症和代谢重编程状态，铁稳态失调会增加不稳定铁池，产生 ROS，损伤血管内皮，加速血管老化，还会导致微血管和大血管结构改变。铁调素可降低血清铁，减轻脓毒症诱导的炎症，缓解 AKI，在脓毒症相关 AKI 中发挥重要保护作用。

铁死亡对脓毒症相关 AKI 的影响

铁死亡与脓毒症相关 AKI 的多种发病机制密切相关，在炎症、微循环功能障碍和代谢重编程过程中均发挥重要作用。

在炎症方面，铁死亡会释放炎症分子，促进 DAMPs 释放，DAMPs 信号可被 PRRs 识别，激活炎症反应。此外，ROS、花生四烯酸、PUFA、低密度脂蛋白和线粒体等在铁死亡促进炎症的过程中也起重要作用。抑制铁死亡可减轻炎症，缓解脓毒症相关 AKI，如黑色素纳米颗粒可通过减少铁积累抑制铁死亡和炎症，Maresin 共轭组织再生 1 可激活 Nrf2 信号抑制铁死亡，调节炎症。同时，炎症也可调节铁死亡，敲除 NLRP3 炎症小体可抑制小鼠肾脏铁死亡和炎症。

在微循环功能障碍方面，致病性微生物入侵人体后会导致肾脏微循环功能障碍，促进 AKI 发展。铁死亡的关键特征脂质过氧化与微循环功能障碍可能存在潜在联系。非转铁蛋白结合铁可诱导 ROS 产生，加速血管老化，影响微循环功能。抑制铁死亡可保护微血管，如使用 ferrostatin-1 抑制铁死亡可减轻动脉粥样硬化，异丹叶大黄素可抑制线粒体相关铁死亡，减少微血管损伤。

在代谢重编程方面，铁死亡与糖酵解、脂质代谢和氨基酸代谢存在动态相互作用。脓毒症早期，细胞代谢以有氧糖酵解为主，高浓度乳酸可促进 ATP 生成，抑制铁死亡；适应性分解代谢阶段，细胞代谢转变为 OXPHOS，虽产生更多 ATP，但也生成更多 ROS，使细胞更易发生铁死亡。这表明代谢重编程在脓毒症时可抑制铁死亡，保护细胞，延缓脓毒症相关 AKI 的发展。

靶向铁死亡的表观遗传调控在脓毒症相关 AKI 中的作用

表观遗传调控是一种不改变 DNA 序列却能改变生物体表型的机制，主要包括 DNA 甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑和非编码 RNA（ncRNA）调控。在脓毒症中，铁死亡相关基因的转录发生显著变化，表观遗传调控在其中发挥关键作用，影响炎症、微循环功能障碍和代谢重编程，进而对脓毒症相关 AKI 的发生和发展产生重要影响。

DNA 甲基化是在 DNA 甲基转移酶的作用下，向 CpG 二核苷酸添加甲基，改变 DNA 化学性质和结构，影响基因表达。黑色素瘤抗原 A6 基因可调节 AMPK，其表达增加会促进脂质过氧化和铁死亡；Nrf2 启动子高甲基化会抑制 Nrf2 表达，诱导铁死亡；FSP1 启动子的 DNA 甲基化会沉默 FSP1，促进铁死亡 。因此，深入研究铁死亡相关基因的 DNA 甲基化机制对脓毒症相关 AKI 的治疗具有重要意义。

组蛋白是维持染色质结构的重要蛋白质，组蛋白修饰包括乙酰化、甲基化、泛素化和乳酸化等，可影响染色质结构和基因表达。组蛋白乙酰化方面，E1A 结合蛋白 P300（EP300）乙酰转移酶可加速热休克蛋白家族 A 成员 5（HSPA5）乙酰化，促进铁死亡，而组蛋白去乙酰化酶 6 可限制 HSPA5 乙酰化，增强细胞对铁死亡的抵抗 。JQ1 可抑制含溴结构域蛋白 4 表达，促进铁死亡；抑制组蛋白去乙酰化酶 1/2 可激活 Nrf2 - 血红素加氧酶 1（Hmox1）信号通路，抵抗铁死亡 ；组蛋白去乙酰化酶 9 可促进 TFR1 表达，诱导铁死亡 。组蛋白甲基化方面，抑制赖氨酸特异性去甲基化酶 1 可抑制 System X_c^-，促进铁死亡，还可上调 TFR1 和 ACSL4 表达，诱导铁死亡 ；赖氨酸特异性甲基转移酶 2B 可促进铁死亡和炎症 。组蛋白泛素化方面，肿瘤抑制蛋白 BRCA1 相关蛋白 1 可抑制 SLC7A11 表达，促进铁死亡；泛素连接酶多梳抑制复合物 1 对 SLC7A11 表达的调节则较为复杂 。组蛋白赖氨酸乳酸化方面，脓毒症时细胞代谢改变使乳酸生成增加，可促进组蛋白 H3 赖氨酸 18 乳酸化，稳定 ACSL4 mRNA，促进铁死亡；组蛋白 H3 赖氨酸 14 乳酸化也可促进铁死亡 。

染色质是真核细胞间期核内储存和调节遗传信息的核心结构，染色质重塑通过改变染色质对转录因子的可及性，调节基因表达。生物信息分析发现，高迁移率族 AT-hook 蛋白 1 和淋巴细胞特异性解旋酶等染色质重塑蛋白可调节铁死亡，它们通过与特定基因的启动子结合，影响基因转录，抑制铁死亡，且染色质重塑因子与炎症存在重要联系，有望成为脓毒症相关 AKI 的潜在治疗靶点。

ncRNA 是不编码蛋白质的 RNA 分子，在疾病发展过程中起关键作用，可分为微小 RNA（miRNA）、长链非编码 RNA（lncRNA）、环状 RNA（circRNA）和 Piwi 相互作用 RNA（piRNA）。ncRNA 可调节铁死亡相关基因的 DNA 甲基化和组蛋白修饰，如 circHIPK3 可促进 GPX4 DNA 甲基化，抑制其表达，促进铁死亡；lncRNA FAM83H-AS1 可抑制铁死亡；lncRNA BDNF-AS 可保护细胞免受铁死亡 ；LINC01232 可抑制铁死亡 。此外，ncRNA 还与有丝分裂稳定性有关，可能通过调节有丝分裂稳定性影响铁死亡，为脓毒症相关 AKI 的治疗提供新靶点。

临床可行性分析

目前，针对铁死亡的表观遗传调控的临床研究尚处于早期阶段。一项 I 期研究表明，使用组蛋白去乙酰化酶抑制剂 Belinostat 治疗可显著上调几乎所有患者样本中 SLC7A11 的表达，显示出其在体内缓解铁死亡的潜力 。尽管目前相关临床研究主要集中于其他疾病，但未来探究其在脓毒症相关 AKI 中的适用性具有重要意义。动物研究虽已证明靶向铁死亡的表观遗传调控具有治疗潜力，但仍需更大样本量的研究来确定更多治疗靶点，未来可适时开展小规模临床试验评估新疗法的可行性和疗效。

三维表观遗传学

染色质的基本结构单位是由 DNA 和组蛋白组成的核小体，基因表达不仅受 DNA 甲基化和组蛋白修饰等局部遗传变异的调控，还受染色质对转录因子可及性的影响，而染色质可及性与染色质三维结构密切相关。增强子不一定调节最近的启动子，其与启动子的相互作用通常跨越较长基因组距离。高分辨率 3D 基因组技术在识别顺式元件（启动子、增强子、沉默子等）与转录调控的连接性方面发挥关键作用，基于染色体构象捕获（3C）技术发展出了多种技术，推动了 3D 基因组学的发展。近期研究发现，染色质三维结构的变化对铁死亡具有调节作用，虽其具体机制尚未完全明确，但未来研究有望揭示更多相关信息，为深入理解铁死亡机制和临床应用提供帮助。

结论

脓毒症时，炎症、微循环功能障碍和代谢重编程会导致肾脏损伤，严重时可发展为 AKI，威胁患者生命。铁死亡作为一种新型程序性细胞死亡方式，在脓毒症相关 AKI 的发生发展中起重要作用，影响炎症、微循环功能障碍和代谢重编程，对其治疗具有重要意义。表观遗传调控通过多种机制影响铁死亡相关基因的表达，在铁死亡过程中发挥关键作用，各调控机制之间存在相互作用，染色质三维结构变化也参与铁死亡调节，有助于发现新的临床治疗靶点。然而，在临床应用前仍需保持谨慎态度。目前该领域尚处于起步阶段，需要更多临床前研究；表观遗传调控可能影响多个铁死亡调节因子，结果可能偏离预期，需进一步深入研究其调控网络；同时，还需考虑调节铁死亡的效率、可行性和成本效益等问题，根据患者具体情况实施个性化治疗。未来对表观遗传调控影响铁死亡的深入研究，将有助于更好地理解脓毒症相关 AKI 的发病机制，为寻找新的治疗靶点提供方向。