科学雑誌『Cell』に掲載された論文「Ferroptosis」で、この人気研究分野を理解しましょう

フェロトーシス（Ferroptosis）の発案者であるBrent R. Stockwellが、フェロトーシス10周年を記念して研究の進展に関するレビューを執筆し、科学術誌『Cell』（インパクトファクター66.85（2022年））に掲載されました。この分野においては国立科学財団によるプロジェクト数や助成金額が年々増加しており、関連する論文はCNSで注目され、相次ぎ発表されています！（図1）

図1　鉄依存性細胞死に関する文献の発展や変化のマイルストーン

フェロトーシスとは、鉄依存性の脂質過酸化による細胞死のことです。細胞培養を通じて鉄キレート剤や親油性抗酸化剤による細胞死の抑制効果を評価することができます。

 I. フェロトーシスの3つの主要な研究分野：代謝メカニズム、活性酸素種の制御、鉄の制御

 1. フェロトーシスの基礎――アミノ酸と脂質の代謝機構――

 還元された酸化シスチンはグルタチオン（GSH）依存性の細胞死を引き起こします。それはビタミンE処理によって防がれます。リン脂質（PL）は、膜の主要成分であり、膜脂質に存在する場合、PUFA部がフェロトーシスに必要な過酸化物の基質として働くことができます。

 2. 研究者たちは、生体分子の酸化的損傷の生物学的意義を解明しました

 XCシステムは、GSHの重要なアミノ酸成分であり、入力シスチンの抗トランスポーターとして作用し、「酸化ストレス」（過酸化水素などの酸化物質による）を防ぎます。グルタチオンペルオキシダーゼ4（GPX4）（GPX4はフェロトーシスの中心的阻害因子である）はセレンタンパク質の一種で、GSH依存性ペルオキシダーゼとして膜中の脂質の酸化に対抗します。エラスチンはXCシステムにおけるシスチンの取り込みを阻害することでフェロプトーシスを誘導し、シスチンとGSHの枯渇を招きます。GPX4はRSL3の分子標的であり、酸化による非アポトーシス性細胞死を制御します。

 3. 鉄と鉄代謝調節の重要性

 フェントン（Fenton）は、鉄塩が過酸化物と反応してヒドロキシルラジカルを生成すること（Fe 2+ + HOOH → Fe 3+ + OH - + OH⋅）を発見したため、現在この反応は「フェントン反応」と命名されています。その主なメカニズムはトランスフェリン（Tf）の形による鉄の輸送です。鉄輸送タンパク質フェロポルチンの発見は、鉄のホメオスタシスに対す理解を深め、これらの研究の基礎を固めました。

 Ⅱ. フェロトーシスのメカニズム

図2　フェロトーシスのメカニズム

 ●アシルCoA（CoA）合成酵素長鎖ファミリーメンバー4（ACSL4）とリゾホスファチジルコリンアシルトランスフェラーゼ3（LPCAT3）を不活性化すると、これらの細胞は2種類のGPX4阻害剤であるRSL3とML162に耐性を示しました。ACSL4の過剰発現はフェロトーシスに感受性があり、ACSLファミリーはフェロトーシスに必須です。脂肪酸のCoAエステルへの活性化はフェロトーシスの重要な制御ステップです。PUFAの生合成はフェロトーシスの感受性を調節する一つの手段です：アデノシン一リン酸活性化プロテインキナーゼ（AMPK）を活性化することによってフェロトーシスに対する抵抗性を促進します；アセチル-CoAカルボキシラーゼ（ACC）を制御することによってPUFAの生合成を制限することができます。結論として、PUFAを含む膜局在脂質（PL、エーテル脂質、またその他のグリセロール由来脂質）はフェロトーシスの重要なドライバーであることだと考えられます。

 ● オレイン酸のような一価不飽和脂肪酸（MUFA）は、その抗フェロトーシス作用にはACSL3が必要です。

 ● 多剤耐性遺伝子MDR1はGSHの喪失を引き起こすことでフェロトーシスに対する感受性を高めます。cys異化酵素cysジオキシゲナーゼ1（CDO1）はcysを分解しGSHを消費することでフェロトーシスに対する感受性を高めます。

 ● 化合物FIN56はGPX4の分解を誘導し、メバロン酸経路におけるコエンザイムQ10（CoQ10）の過剰枯渇によってフェロトーシスに対する感受性を高めます。

 ● GPX4は独立的に脂質活性酸素の蓄積を制御できます。近年、GPX4に依存せずにフェロトーシスを抑制する3つのシステムが同定されました：フェロトーシス抑制タンパク質1(FSP1)/CoQ 10、ジヒドロオロチン酸デヒドロゲナーゼ(DHODH)、GTP環化ヒドロラーゼ1(GCH1)/テトラヒドロビオプテリン(BH4)は、GPX4と独立してフェロトーシスを抑制します。GCH1またはDHODHが高発現している細胞はフェロトーシスに対してより高い抵抗性をしめしました。低発現の細胞はフェロトーシスに対してより高い感受性を示します。

 ● B細胞で同定されたアミノ酸オキシダーゼインターロイキン-4誘導遺伝子1（IL4i1）は、IL-4誘導に応答する遺伝子として代謝産物インドール-3-ピルビン酸（In3Py）を産生します。これはフリーラジカルを介してフェロトーシス消去機構を阻害し、フェロトーシスを減弱させるように調整された遺伝子発現プロファイルを持ちます。

 ● PUFA含有脂質の過酸化は、細胞内の鉄プールによって駆動され、活性鉄がフェントン反応を引き起こし、脂質過酸化とアラキドン酸リポキシゲナーゼ（ALOXs）などの鉄依存性酵素の産生を誘発します。これによって、フェントン反応の基質となる脂質過酸化物の形成を開始します。これらの過酸化脂質はフェントン反応の基質となっています。15-リポキシゲナーゼはPE結合タンパク質1（PEBP1）と複合体化し、遊離PUFAからPUFA- PLへの酵素基質を特異的に触媒することができます。さらに、p53依存性のフェロトーシスには12-リポキシゲナーゼが必要です。シトクロムP450オキシドレダクターゼ（POR）もまた、フェロトーシス中の脂質過酸化に寄与しています。このことから、いくつかの鉄含有酵素には、フェロトーシスにつながる脂質過酸化を促進する能力があることが示唆されました。

 ● フェロポルチンまたはプロミン-2（prom2） を介したフェリチンポリベシクル（MVB）による鉄の産出は、細胞内の鉄を枯渇させ、脂質の過酸化能を低下させ、細胞のフェロトーシスに対する抵抗性を高めます。

 ● エラスチンとRSL3は、それぞれSystem Xc-とGPX4を介したシスチンの取り込みを阻害することにより作用する鉄死滅誘導化合物の最初の2つのクラスを表します。FIN56は第3の化合物としてGPX4の分解を誘導します。FINO2は第4のフェロトーシス誘導化合物であり、FINO2はFe(II)をFe(III)に酸化します。鉄キレート剤はその致死活性をより効果的に阻害します。エラスチン処理後よりもFINO2処理後に検出される酸化脂質の分布が広いことから、FINO2がフェントン反応でFe(II)と反応してアルコキシルラジカルを生成し、脂質の過酸化反応を直接開始することが示唆されました。

 ● フェロトーシスに対する抵抗性の3つの主要なメカニズムが同定されています。抗酸化制御因子NRF2、トランス硫酸化経路、mTOR（mechanistic target of rapamycin）。

 Ⅲ. フェロトーシスの生理的機能

図3　フェロトーシスの生理的機能

フェロトーシスを検出するためのマーカーの発見はフェロトーシスに関与する生物学的研究における重要な進歩です。フェロトーシスが鉄依存性の脂質過酸化によって駆動されるので、フェロトーシスから脂質過酸化イベントを検出することは必要だと考えられます（図4）。フェロトーシスが進行すると、ミトコンドリアは通常、フェロトーシス中に収縮した密集した形態を示しています。また、特定の遺伝子発現の変化を検出することもできます。TfR1のアップレギュレーションと細胞膜へ移動することは、鉄死細胞をマークすることができます。これらのマーカーを用いて、この古典的な細胞死における自然な生理学的機能の多くが発見されました。

図4　フェロトーシスのマーカー

Ⅳ. フェロトーシスが関与する病理学的背景

 上記のフェロトーシスの一般的な生理的機能に加え、フェロトーシスは多くの病症にもかかわっています（図5）。

図5　フェロトーシスにおけるオルガネラと器官の役割

1. 鉄過剰症

 最近の報告によると、高鉄食を与えたマウスと遺伝性ヘモクロマトーシスに関連する変異を持つマウスは、フェロトーシスのマーカーで示された肝障害を発症させたが、これはフェロスタチン1阻害剤によって回復されました。

 2. 器官の損傷

 最近の研究では、多臓器不全症候群（MODS）は集中治療室（icus）の重症患者によくみられました。報告によると、それがフェロトーシスに関与している可能性があります。また、176人の重症成人患者における触媒鉄およびマロンジアルデヒド（脂質過酸化のマーカー）の血漿レベルは、患者の連続臓器不全評価（SOFA）スコアと正の相関があったと指摘されました。さらに、マウスに硫酸鉄を投与すると多臓器障害が起こり、腎臓、肝臓、筋肉、心臓、血漿の障害マーカーが上昇したが、これはフェロトーシスの阻害剤（ビタミンEなど）によって抑制されたことが報告されました。したがって、フェロトーシスを阻害することは、集中治療環境における多臓器障害を予防するための有効な戦略であると考えられます。

 3. 網膜変性症

 網膜色素上皮細胞は、網膜疾患（加齢黄斑変性など）中に変性・死滅したが、プルシアンブルーのナノ粒子は、これらの細胞死を抑制することができます。

 4. 神経変性

 フェロトーシスは、ハンチントン病（HD）、アルツハイマー病（AD）、PD、筋萎縮性側索硬化症（ALS）などさまざまな神経変性疾患とが関連していることが数多く報告されています。CuII(atsm)は前臨床および臨床的に有効なALS治療薬の1つであり、フェロトーシスを阻害することができます。

 5. 感染症

 C型肝炎ウイルス（肝疾患の主な原因である）の複製は宿主細胞のフェロトーシスの活性化によって抑制されます。

 重症急性呼吸器症候群コロナウイルス2（SARS-CoV-2）は、感染時にフェロトーシスを活性化する可能性があります。

 ゼブラフィッシュにおけるM. marinae感染は、ヘムオキシゲナーゼ1（HMOX1）によって抑制されます。フェロスタチン1に処理され、ヘム中の鉄の利用可能性が調節されます。

 フェロトーシスは緑膿菌感染を促進します。

 6. 自己免疫疾患

 全身性エリテマトーデス（SLE）は、好中球におけるフェロトーシスの活性化に関連する自己免疫疾患です。免疫反応の過剰活性化を伴う喘息は、免疫原性ミトコンドリアDNAを放出する気道上皮細胞のフェロトーシスによって誘発され、または悪化される可能性があります。フェロトーシスが好中球や気道上皮細胞で起こると、過剰な免疫活性化を引き起こし、自己免疫疾患を発症させます。

 7. 腫瘍

 フェロトーシスは腫瘍抑制機構として機能することが報告されているが、フェロトーシスの消失は腫瘍形成を促進する可能性があります。セレノプロテインはがんリスクの予測因子であり、セレンは腫瘍組織で上昇することから、腫瘍形成におけるGPX4の存在量と活性の上昇を示唆します。

 Ⅴ. フェロトーシスの治療への応用

 現在、脂質過酸化を監視することは、フェロトーシスの存在を確認する一つの方法として応用されています。脂質過酸化を検出する方法には、LC-MS/MSによるイソプロスタンの酸化産物または脂質過酸化産物を検出するためのチオバルビツール酸反応性物質（TBARS）アッセイ、C11-BODIPY蛍光プローブの使用が含まれます。それに、脂質過酸化生成物によって形成された付加物を検出する抗体と反応する抗体が用いられています。例えば抗HNE FerAb抗体、HNEJ-1抗体、抗マロンジアルデヒド(MDA)付加物1F83抗体、3F3-FMA抗体、およびその他の検出用抗TfR1抗体、それらを使用することで脂質過酸化を検出することもできます。CHAC1、PTGS2、SLC7A11、ACSL4のようないくつかの遺伝子はフェロトーシス中に誘導され、一方RGS4はフェロトーシス中に発現を低下しました。これらの遺伝子の変化する発現は、フェロトーシスの指標としてqPCRによって検出することができます。

 1. フェロトーシスのプロモーター

 細胞死の方法として、フェロトーシスは、がん細胞、炎症細胞、活性化線維芽細胞など、問題のある細胞タイプの排除に利用できる可能性があります。フェロトーシスを誘導するメカニズムとしては、（1）XCシステムの阻害、（2）GPX4の阻害・分解・不活性化、（3）還元性CoQ10の枯渇、（4）脂質による誘導（過酸化物、鉄、多価不飽和脂肪酸の過剰負荷による過酸化）の4つが同定されています。

 ● XCシステムの阻害は、フェロトーシスを誘発する強力なメカニズムです。この抗転座タンパク質の構造的に異なる複数の小分子阻害剤 (エラスチン、スルファサラジン、Glu など) は、システム Xc- を阻害し、フェロトーシスを誘発します。

 ● システインの減少は、XCシステムの細胞外基質を除去し、またフェロトーシスを誘導します。

 ● GPX4の遺伝子不活性化、あるいは低分子を介した阻害や分解は、多くの細胞種でフェロトーシスを誘導します。

 ● メバロン酸経路を介したCoQ10生合成の阻害、およびCoQ10還元酵素（AIFM2/FSP1やDHODHなど）の不活性化は、フェロトーシスを誘導します。

 ● フェロトーシスは、過剰な鉄、PUFA、過酸化物（tBOOHやFINO 2など）の処理によって誘導されます。

 2. フェロトーシス阻害剤

 ● フェロスタチン-1とリプロックススタチンはフリーラジカル捕捉剤として脂質過酸化の進行を抑制します。

 ● コレステロール低下薬のプロブコールはフェロトーシスを阻害し、Glu毒性モデルに有効です。

 ● ネクロスタチン-1（nec-1）は、ネクロプトーシスを阻害するRIPK1阻害剤です。

 ● セレニウムの投与は脳卒中のフェロトーシスを抑制します。

 ● ミトコンドリア標的一酸化窒素XJB-5-131はアポトーシスとフェロトーシスを抑制します。