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Oxid Med Cell Longev. 2019; 2019: 5080843.
Published online 2019 Oct 13. doi: 10.1155/2019/5080843
PMCID: PMC6815535
PMID: 31737171
Reactive Oxygen Species-Induced Lipid Peroxidation in Apoptosis, Autophagy, and Ferroptosis
Lian-Jiu Su, 1 Jia-Hao Zhang, 1 Hernando Gomez, 2 Raghavan Murugan, 2 Xing Hong, 1 Dongxue Xu, 1 Fan Jiang, 1 and Zhi-Yong Peng
1 , 2
Author information Article notes Copyright and License information PMC Disclaimer
Abstract
Reactive oxygen species- (ROS-) induced lipid peroxidation plays a critical role in cell death including apoptosis, autophagy, and ferroptosis. This fundamental and conserved mechanism is based on an excess of ROS which attacks biomembranes, propagates lipid peroxidation chain reactions, and subsequently induces different types of cell death. A highly evolved sophisticated antioxidant system exists that acts to protect the cells from oxidative damage. In this review, we discussed how ROS propagate lipid peroxidation chain reactions and how the products of lipid peroxidation initiate apoptosis and autophagy in current models. We also discussed the mechanism of lipid peroxidation during ferroptosis, and we summarized lipid peroxidation in pathological conditions of critical illness. We aim to bring a more global and integrative sight to know how different ROS-induced lipid peroxidation occurs among apoptosis, autophagy, and ferroptosis.
활성 산소 종(ROS-)에 의한
지질 과산화 lipid peroxidation 는
세포 사멸,
오토파지,
페로펩토시스 등 세포 사멸에 중요한 역할을 합니다.
이 기본적이고 보존된 메커니즘은
생체막을 공격하고
지질 과산화 연쇄 반응을 전파하여
다양한 유형의 세포 사멸을 유도하는 과잉 ROS에 기반합니다.
고도로 진화한 정교한 항산화 시스템이 존재하여
산화적 손상으로부터 세포를 보호하는 역할을 합니다.
이 리뷰에서는
ROS가 지질 과산화 연쇄 반응을 전파하는 방법과
지질 과산화 생성물이 현재 모델에서
세포 자멸사 및 자가포식을 시작하는 방법에 대해 논의했습니다.
또한 페로셉토시스 중
지질 과산화의 메커니즘에 대해 논의하고,
중병의 병리학적인 조건에서 지질 과산화에 대해 요약했습니다.
우리는
세포 사멸, 자가포식, 페로펩토시스 사이에서
ROS에 의한 지질 과산화가 어떻게 다르게 발생하는지 보다
글로벌하고 통합적인 시각을 제공하는 것을 목표로 합니다.
1. Introduction
Reactive oxygen species (ROS) are produced by normal physiological processes and play important roles in cell signaling and tissue homeostasis [1]. However, excess radical species produce adverse modifications to cell components and augment various pathogenesis, such as lipids, proteins, and DNA damage [2]. Cellular membranes or organelle membrane, due to their high polyunsaturated fatty acids (PUFAs), are especially susceptible to ROS damage, which is called “lipid peroxidation.” Lipid peroxidation is a process in which free radical species such as oxyl radicals, peroxyl radicals, and hydroxyl radicals remove electrons from lipids and subsequently produce reactive intermediates that can undergo further reactions. The lipid peroxidation damages phospholipids directly and can also act as cell death signal which induces programmed cell death. Oxidized phospholipids can also play an important role in many inflammatory disease and frequently mediate proinflammatory change [3]. Recently, ferroptosis, a new form of programmed cell death, has been found to be caused by lipid peroxidation [4], which highlights lipid peroxidation during the physiological process of cell death. It is therefore of great interest to understand how ROS is produced and eliminated and how ROS-induced lipid peroxidation contributes to cell death. In this review, we summarize the processes of ROS-induced lipid peroxidation among apoptosis, autophagy, and ferroptosis and discuss how they come together to affect the fate of a cell in a more global and integrative way.
1. 소개
활성 산소종(ROS)은
정상적인 생리적 과정에서 생성되며
세포 신호 전달과 조직 항상성에 중요한 역할을 합니다[1].
그러나
과도한 활성산소는
세포 구성 요소에 부정적인 변형을 일으키고
지질, 단백질, DNA 손상과 같은 다양한 발병 기전을 강화합니다[2].
세포막이나 세포소기관막은
고도불포화지방산(PUFA)이 많기 때문에 특히
"지질 과산화"라고 하는
ROS 손상에 취약합니다.
지질 과산화는
옥실 라디칼, 퍼옥실 라디칼, 하이드 록실 라디칼과 같은
자유 라디칼 종이
지질에서 전자를 제거한 후
추가 반응을 일으킬 수 있는 반응성 중간체를 생성하는 과정입니다.
oxyl radicals, peroxyl radicals, and hydroxyl radicals remove electrons from lipids and subsequently produce reactive intermediates that can undergo further reactions
지질 과산화는
인지질을 직접 손상시키고
세포 사멸 신호로 작용하여
프로그램된 세포 사멸을 유도할 수도 있습니다.
산화 인지질 Oxidized phospholipids 은
또한 많은 염증성 질환에서 중요한 역할을 할 수 있으며
종종 전염증성 변화를 매개합니다 [3].
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0891584922004555?via%3Dihub
최근에는
세포 사멸의 생리적 과정에서
지질 과산화를 강조하는 새로운 형태의 프로그램된 세포 사멸인
페로펩토시스[4]가
지질 과산화에 의해 발생한다는 사실이 밝혀졌습니다.
따라서
ROS가 어떻게 생성되고 제거되는지,
그리고 ROS에 의한 지질 과산화가 세포 사멸에 어떻게 기여하는지를
이해하는 것은 큰 관심사입니다.
이 리뷰에서는
세포 사멸,
자가포식,
페로펩토시스 중
ROS에 의한 지질 과산화 과정을 요약하고
이들이 어떻게 결합하여 세포의 운명에 영향을 미치는지
보다 종합적이고 통합적인 방식으로 논의합니다.
2. Generation of ROS and Antioxidant System
2.1. Generation of ROS
ROS are partially reduced oxygen-containing molecules, which are free radicals and/or oxygen derivatives, including superoxide anion, hydrogen peroxide, hydroxyl radical, lipid hydroperoxides, and peroxyl radicals. Most intracellular ROS are derived from superoxide radical, whose formation is mainly through NADPH oxidases (NOXs), xanthine oxidase (XO), and the mitochondrial electron-transport chain (mETC) in endogenous biologic systems [5, 6]. ROS are converted to hydrogen peroxide by the superoxide dismutase (SOD) and yield the highly toxic hydroxyl radical in the presence of reduced iron (Fe2+) through the Fenton reaction which have different peroxide species to generate hydroxyl (·OH) or alkoxyl (RO·) radicals [7]. Ferric iron (Fe3+) can be recycled to Fe2+ via the Haber-Weiss reaction by oxidation with a peroxyl radical to oxygen [8, 9] (Figure 1). Imbalance in the rate of ROS generation leads to oxidative stress and consequent production of free radicals that can damage DNA, proteins, and lipids [10].
2. ROS 생성 및 항산화 시스템
2.1. ROS의 생성
ROS는
부분적으로 환원된 산소 함유 분자로,
과산화물 음이온,
과산화수소,
하이드록실 라디칼,
지질 하이드로퍼옥사이드 및
퍼옥실 라디칼을 포함한 자유 라디칼 및/또는 산소 유도체입니다.
superoxide anion,
hydrogen peroxide,
hydroxyl radical,
lipid hydroperoxides, and
peroxyl radicals
대부분의 세포 내 ROS는
슈퍼옥사이드 라디칼에서 파생되며,
이는 주로 내인성 생물학적 시스템에서
NADPH 산화효소(NOX),
크산틴 산화효소(XO) 및
미토콘드리아 전자 수송 사슬(mETC)을 통해 형성됩니다[5, 6].
ROS는
슈퍼옥사이드 디스뮤타제(SOD)에 의해
과산화수소로 전환되고
환원된 철(Fe2+)이 있는 상태에서
다른 과산화물 종을 갖는 펜톤 반응을 통해
독성이 강한 하이드 록실 라디칼을 생성하여
하이드 록실 (-OH) 또는 알콕실 (RO-) 라디칼을 생산합니다 [7].
철(Fe3+)은
하버-바이스 반응을 통해
과산화 라디칼을 산소로 산화시켜
Fe2+로 재활용할 수 있습니다[8, 9](그림 1).
ROS 생성 속도의 불균형은
산화 스트레스와 결과적으로
DNA, 단백질 및 지질을 손상시킬 수 있는
자유 라디칼의 생성으로 이어집니다 [10].
Generation of ROS and lipid peroxidation in cell death. (a) Generation of ROS; ROS are derived from superoxide radical, whose formation is mainly through NADPH oxidases, xanthine oxidase, and the mitochondrial electron-transport chain. Polyunsaturated fatty acids containing phospholipids can generate alkoxyl (RO·) radicals by Fenton chemistry reaction. (b) The products of lipid peroxidation induce apoptosis and autophagy via different pathways. (c) GPX4 activity decreases and a depletion of GSH causes lipid peroxidation and consequently to ferroptosis.
세포 사멸에서 ROS의 생성 및 지질 과산화.
(a) ROS 생성; ROS는 과산화 라디칼에서 파생되며, 주로 NADPH 산화 효소, 크산틴 산화 효소 및 미토콘드리아 전자 전달 사슬을 통해 형성됩니다. 인지질을 포함하는 고도 불포화 지방산은 펜톤 화학 반응에 의해 알콕실(RO-) 라디칼을 생성할 수 있습니다.
(b) 지질 과산화의 생성물은 다른 경로를 통해 세포 사멸과 자가 포식을 유도합니다.
(c) GPX4 활성이 감소하고 GSH가 고갈되면 지질 과산화가 일어나고 결과적으로 페로펩토시스가 발생합니다.
2.2. Antioxidant System
Antioxidants can counteract free radicals and neutralize oxidants. The general endogenous antioxidant system consist of (1) enzymatic antioxidants like superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT) and glutathione peroxidase (GPx), and thioredoxin (Trx); and (2) nonenzymatic antioxidants that include vitamins or its analogs (vitamins A, C, and E; coenzyme Q10; and flavonoids), minerals (selenium and zinc), and metabolites (bilirubin and melatonin) (Figure 2).
2.2. 항산화 시스템
항산화제는 자유 라디칼에 대응하고 산화제를 중화시킬 수 있습니다. 일반적인 내인성 항산화 시스템은 (1) 슈퍼옥사이드 디스뮤타제(SOD), 카탈라제(CAT), 글루타치온 퍼옥시다제(GPx), 티오레독신(Trx) 같은 효소 항산화제와 (2) 비타민 또는 그 유사체로 구성된 비효소 항산화제로 구성됩니다; 그리고 (2) 비타민 또는 그 유사체(비타민 A, C, E, 코엔자임 Q10, 플라보노이드), 미네랄(셀레늄 및 아연), 대사산물(빌리루빈 및 멜라토닌)을 포함하는 비효소성 항산화제(그림 2).
Antioxidant system protects cell from ROS-induced lipid peroxidation.
2.2.1. Enzymatic Antioxidants
The enzymatic antioxidants have an effective protective effect against oxidative attack due to the ability to decompose ROS [11]. Among them, SOD is very important for living cell because most of ROS is produced from superoxide. SOD can catalyze the conversion of superoxide into oxygen and hydrogen peroxide [12]. CAT can decompose the hydrogen peroxide into molecular oxygen and water. CAT significantly reduced oxidative stress and restored mitochondrial structure by enhancing the mitochondrial membrane potential (Δψm) so as to play an antiapoptotic effect and normalize replicative and wound healing capacity [13, 14]. Glutathione peroxidases (GPxs) consist of multiple isoenzymes with distinct subcellular locations exhibiting different tissue-specific expression patterns [15, 16]. During persistent oxidative stress, GPxs become the main H2O2-scavenging enzymes after ascorbate peroxidases being inhibited [17]. GPxs detoxify other toxic organic hydroperoxides by catalyzing the reduction of H2O2 and hydroperoxides to water or alcohols [16]. The thioredoxin (Trx) antioxidant system is composed of NADPH, thioredoxin reductase (TrxR), and Trx. Trx and TrxR catalyze the NADPH-dependent reduction of the active-site disulfide in oxidized Trx to give a dithiol in reduced Trx. NADPH maintains CAT in the active form and is used as a cofactor by TRX and GSH reductase, which converts glutathione disulfide (GSSG) to glutathione (GSH), a cosubstrate for the GSH-Pxs. The reaction sequence of TrxR-mediated reduction of protein disulfides has been reviewed [18]. The thioredoxin (Trx) and glutathione (GSH) systems could be complementary to each other. The TrxR1/Trx1 system can sustain reduced GSH pools in the absence of glutathione reductase [19].
2.2.1. 효소 항산화제
효소 항산화제는
ROS를 분해하는 능력으로 인해
산화 공격에 대한 효과적인 보호 효과가 있습니다 [11].
그중에서도 SOD는
대부분의 ROS가 슈퍼옥사이드에서 생성되기 때문에
살아있는 세포에 매우 중요합니다.
SOD는
슈퍼옥사이드가 산소와 과산화수소로 전환되는 것을 촉매할 수 있습니다 [12].
CAT는
과산화수소를
분자 산소와 물로 분해할 수 있습니다.
CAT는
산화 스트레스를 현저히 감소시키고
미토콘드리아 막 전위(Δψm)를 높여
미토콘드리아 구조를 복원하여
항세포사멸 효과를 발휘하고
복제 및 상처 치유 능력을 정상화합니다[13, 14].
글루타치온 퍼옥시다제(GPx)는
조직별 발현 패턴이 다른 세포 내 위치를 가진 여러 동종 효소로 구성됩니다 [15, 16].
산화 스트레스가 지속되는 동안
아스코르브산염 과산화효소가 억제된 후
GPx가 주요 H2O2 제거 효소가 됩니다 [17].
GPx는
H2O2와 과산화수소를 물이나 알코올로 환원하는 촉매를 통해
다른 독성 유기 과산화수소를 해독합니다[16].
티오레독신(Trx) 항산화 시스템은
NADPH, 티오레독신 환원효소(TrxR) 및 Trx로 구성됩니다.
Trx와 TrxR은
산화 Trx의 활성 부위 디설파이드의 NADPH 의존적 환원을 촉매하여
환원된 Trx에 디티올을 제공합니다.
NADPH는 CAT를 활성 형태로 유지하며,
이황화 글루타티온(GSSG)을
GSH-Px의 보조 기질인 글루타티온(GSH)으로 전환하는
TRX 및 GSH 환원효소에 의해 보조 인자로 사용됩니다.
단백질 디설파이드의 TrxR 매개 환원의 반응 순서는 검토되었습니다 [18]. 티오레독신(Trx)과 글루타치온(GSH) 시스템은 서로 보완적일 수 있습니다. TrxR1/Trx1 시스템은 글루타치온 환원효소가 없을 때 감소된 GSH 풀을 유지할 수 있습니다 [19].
2.2.2. Nonenzymatic Antioxidants
Vitamin A (retinol) is a carotenoid synthesized in the liver and resulted from the breakdown of β-carotene. Vitamin A can directly interact with peroxyl radicals forming free carbon-centered radical adducts and scavenge peroxyl radicals by electron transfer before they propagate peroxidation to lipids [20]. Coenzyme Q10 (CoQ10) is the single lipophilic antioxidant which is essential for electron transport during mitochondrial respiration. It was reported to prevent oxidative damage of lipid peroxyl radicals and improve mitochondrial biogenesis [21, 22]. Vitamin C (ascorbic acid) can scavenge a variety of oxygen free radicals [23]. Vitamin E (a-tocopherol) is a fat-soluble antioxidant that can protect the polyunsaturated fatty acids (PUFAs) in the membrane from oxidation, regulate the production of ROS, and modulate signal transduction [24]. Flavonoids are extensively distributed in beverages, vegetables, and fruits which have antioxidant activity by inhibiting the enzymes responsible for superoxide production as well as NADH oxidase [25]. Selenium and zinc have the antioxidative function due to their activity maintenance of many enzymes. Zinc acts in the stabilization of membranes by inhibiting NADPH-oxidase and inducing the synthesis of metallothioneins, and it is also a component of SOD [26]. Selenium serves as a structural and catalytic cofactor for numerous proteins such as GPxs and thioredoxin reductase (TrxR) which is an important component of enzymatic antioxidants. Many metabolites such as bilirubin and melatonin have an antioxidative function. Evidence suggests that bilirubin possesses antioxidant properties. Bilirubin treatment can inhibit the TLR4-mediated upregulation of iNOS by preventing activation of hypoxia inducible factor-1α (HIF-1α) through scavenging of NOX-derived ROS [27]. Melatonin improves the intramitochondrial antioxidative defense by enhancing reduced glutathione levels and inducing glutathione peroxidase and superoxide dismutase to inhibit peroxidation [28]. Melatonin may prevent mitochondrial damage for it behaves like synthetic mitochondrion-targeted antioxidants which concentrate in mitochondria at relatively high levels [29].
2.2.2. 비효소성 항산화제
비타민 A(레티놀)는
간에서 합성되는 카로티노이드로
β-카로틴이 분해되어 생성됩니다.
비타민 A는
과산화 라디칼과 직접 상호 작용하여
유리 탄소 중심 라디칼 부가물을 형성하고
과산화 라디칼이 지질로 퍼지기 전에
전자 전달을 통해 과산화 라디칼을 제거할 수 있습니다[20].
코엔자임 Q10(CoQ10)은
미토콘드리아 호흡 중 전자 수송에 필수적인
단일 친유성 항산화제입니다.
지질 과산화 라디칼의 산화적 손상을 방지하고
미토콘드리아 생성을 개선하는 것으로 보고되었습니다 [21, 22].
비타민 C(아스코르브산)는
다양한 활성 산소를 제거할 수 있습니다 [23].
비타민 E(a-토코페롤)는
지용성 항산화제로
세포막의 고도 불포화 지방산(PUFA)을 산화로부터 보호하고,
ROS 생성을 조절하며,
신호 전달을 조절할 수 있습니다[24].
플라보노이드는
음료, 채소, 과일에 광범위하게 분포되어 있으며,
슈퍼옥사이드 생성을 담당하는 효소와
NADH 산화 효소를 억제하여
항산화 작용을 합니다 [25].
셀레늄과 아연은
많은 효소의 활성을 유지하여
항산화 기능을 합니다.
아연은
NADPH-옥시다아제를 억제하고
메탈로티오닌의 합성을 유도하여
세포막의 안정화에 작용하며,
SOD의 구성 성분이기도 합니다 [26].
셀레늄은
효소 항산화제의 중요한 구성 요소인
GPx 및 티오레독신 환원효소(TrxR)와 같은
수많은 단백질의 구조적 및 촉매 보조 인자로 작용합니다.
빌리루빈과 멜라토닌과 같은
많은 대사 산물에는
항산화 기능이 있습니다.
빌리루빈이
항산화 특성을 가지고 있다는 증거가 있습니다.
빌리루빈 치료는
NOX 유래 ROS의 제거를 통해
저산소증 유도 인자-1α(HIF-1α)의 활성화를 방지함으로써
TLR4 매개 iNOS의 상향 조절을 억제할 수 있습니다 [27].
멜라토닌은
감소된 글루타치온 수준을 높이고
글루타치온 퍼옥시다아제 및 슈퍼옥사이드 디스뮤타제를 유도하여
과산화를 억제함으로써
미토콘드리아 내 항산화 방어 기능을 향상시킵니다 [28].
멜라토닌은
미토콘드리아에 비교적 높은 수준으로 농축되는
합성 미토콘드리온 표적 항산화제처럼 작용하기 때문에
미토콘드리아 손상을 예방할 수 있습니다 [29].
3. Production of Lipid Peroxidation and Its Detecting Methodologies
ROS generation in the biomembranes is very high due to the solubility of molecular oxygen. Thus, the membrane phospholipids, containing high levels of PUFAs, are extremely sensitive to be attacked by ROS [30]. Moreover, the PUFAs themselves convert into reactive free radicals after reacting with the free radicals which are able to propagate lipid peroxidation chain reactions [31].
3.1. Production of Lipid Peroxidation
The products of lipid peroxidation chain reactions display high biological activity [32]. It destroys DNA, proteins, and enzyme activity as well as acts as molecular to activate signaling pathways initiating cell death [33]. Biomembranes are prone to undergo lipid peroxidation, and it is possibly via two pathways: nonenzymatic and enzymatic.
3.1.1. Nonenzymatic Autoxidation
The nonenzymatic pathway which is also called “nonenzymatic phospholipid (PL) autoxidation” is iron-dependent lipid peroxidation. Autoxidation radical chain reactions of PUFA containing PLs can be divided into three stages: initiating—polyunsaturated acyl chain of a PL is oxidized to generate R· (a carbon-centered radical containing PL) by losing hydrogen to hydroxyl (·OH); propagating—R· readily reacts with molecular oxygen to form a peroxyl radical (R-OO·) [34]. On the one hand, propagation reactions of R-OO· include hydrogen abstracting from a PL molecule to form a lipid hydroperoxide (R-OOH). On the other hand, addition of R-OO· to the bis-allylic position of another PL forms R-OO-R· dimers [35]. During the process of Fenton chemistry, R-OOH can undergo reductive cleavage to generate alkoxyl (RO·) radicals [36]. Autoxidation reactions of PUFAs form many electrophilic species such as malondialdehyde, isoprostanes, and 4-hydroxy-2-nonenal (4-hydroxy-2,3-trans-nonenal, HNE). These products of lipid peroxidation have various biological functions [37]. The last stage is terminating—two radicals of the chain reaction react with each other to form stable molecules and the antioxidants effectively decompose radicals which inhibit the chain reaction [38] (Figure 3).
3. 지질 과산화 생성 및 그 검출 방법론
생체막에서 ROS 생성은 분자 산소의 용해도로 인해 매우 높습니다. 따라서 높은 수준의 PUFA를 함유한 막 인지질은 ROS의 공격에 매우 민감합니다 [30]. 또한 PUFA 자체는 지질 과산화 연쇄 반응을 전파할 수 있는 자유 라디칼과 반응한 후 반응성 자유 라디칼로 전환됩니다 [31].
3.1. 지질 과산화 생성
지질 과산화 연쇄 반응의 생성물은
높은 생물학적 활성을 나타냅니다 [32].
이는
DNA, 단백질 및 효소 활동을 파괴할 뿐만 아니라
세포 사멸을 시작하는 신호 경로를 활성화하는
분자 역할을 합니다 [33].
생체막은
지질 과산화를 겪기 쉬우며,
이는 비효소적 경로와 효소적 경로의 두 가지 경로를 통해 이루어질 수 있습니다.
3.1.1. 비효소적 자가 산화
"비효소 인지질(PL) 자가 산화"라고도 하는
비효소적 경로는
철 의존성 지질 과산화입니다.
nonenzymatic phospholipid (PL) autoxidation
PL을 함유하는
PUFA의 자가 산화 라디칼 연쇄 반응은
세 단계로 나눌 수 있습니다:
개시-
PL의 다불포화 아실 사슬이 산화되어 수소를 하이드 록실 (-OH)로 잃음으로써
R- (PL을 포함하는 탄소 중심 라디칼)을 생성하고,
전파-R-은 분자 산소와 쉽게 반응하여 퍼 옥실 라디칼 (R-OO-) [34]을 형성합니다.
한편으로, R-OO-의 전파 반응에는 PL 분자에서 수소가 추출되어 지질 과산화수소(R-OOH)를 형성하는 것이 포함됩니다. 반면에, 다른 PL의 비알릴 위치에 R-OO-를 추가하면 R-OO-R- 이량체가 형성됩니다 [35]. 펜톤 화학 과정에서 R-OOH는 환원적 절단 과정을 거쳐 알콕실(RO-) 라디칼을 생성할 수 있습니다[36]. PUFA의 자가 산화 반응은 말론디알데히드, 이소프로스탄, 4-하이드록시-2-노네날(4-하이드록시-2,3-트랜스-노네날, HNE)과 같은 많은 친유전성 종을 형성합니다. 이러한 지질 과산화 생성물은 다양한 생물학적 기능을 가지고 있습니다[37].
마지막 단계는
연쇄 반응의 두 라디칼이 서로 반응하여 안정적인 분자를 형성하고
항산화제가 연쇄 반응을 억제하는 라디칼을 효과적으로 분해하는 종결 단계입니다[38](그림 3).
Nonenzymatic autoxidation of polyunsaturated fatty acids. R is polyunsaturated fatty acids containing phospholipids; R· is an alkoxyl radical; ROO· is a peroxyl radical (ROO·); ROOH is a lipid hydroperoxide (ROOH); ROOR is PL-OO· to the bis-allylic position of another PL to form PL-OO-PL· dimers; ① means initiation stage; ② means propagation stage; ③ means termination stage.
고도 불포화 지방산의 비효소적 자가 산화.
R은 인지질을 포함하는 고도불포화지방산,
R-는 알콕실 라디칼, ROO-는 퍼옥실 라디칼(ROO-), ROOH는 지질 과산화수소(ROOH), ROOR는 PL-OO-가 다른 PL의 이중 알릴 위치에 결합하여 PL-OO-PL- 이량체,
①은 개시 단계, ②는 전파 단계, ③은 종료 단계를 의미함.
3.1.2. Enzymatic PL Peroxidation
Enzymatic peroxidation is catalyzed by lipoxygenase (LOX) which can also participate in the formation of R-OOH. Lipid peroxidation involves a highly organized oxygenation center, wherein oxidation occurs on only one class of phospholipids [39]. Arachidonic (C20: 4) and linoleic (C18: 2) are the most abundant polyenoic fatty acids that serve as substrates for LOX using molecular oxygen to form hydroperoxyl groups at different carbon position of acyl chains [40]. Arachidonate lipoxygenase-15 (Alox15) which encodes for the 12/15-LOX has a unique substrate requirement among the LOX family. It can directly oxygenate PUFA containing PLs without prior release of esterified PUFA by phospholipase A2 (PLA2) [41]. Alox5 and Alox12 which encodes for a 5-lipoxygenating and enzyme platelet-type 12-LOX, respectively, have been shown to provide oxygenated acyl precursors to generate oxygenated PLs [42, 43].
3.1.2. 효소적 PL 과산화
효소적 과산화는
리폭시게나제(LOX)에 의해 촉매되며,
이 효소는 R-OOH 형성에도 참여할 수 있습니다.
지질 과산화는 고도로 조직화된 산소화 센터를 포함하며,
산화는 한 종류의 인지질에서만 발생합니다[39].
아라키돈(C20: 4)과 리놀레산(C18: 2)은
분자 산소를 사용하여
아실 사슬의 다른 탄소 위치에서 하이드로페록실기를 형성하는
LOX의 기질 역할을 하는 가장 풍부한 폴리에노 지방산입니다[40].
12/15-LOX를 암호화하는 아라키도네이트 리폭시게나제-15(Alox15)는 LOX 계열 중에서도 독특한 기질 요구 사항을 가지고 있습니다. 이 효소는 포스포리파아제 A2(PLA2)에 의한 에스테르화된 PUFA의 사전 방출 없이 PL을 함유한 PUFA를 직접 산소화할 수 있습니다[41]. 각각 5-리폭시겐화 및 효소 혈소판형 12-LOX를 암호화하는 Alox5 및 Alox12는 산소화된 아실 전구체를 제공하여 산소화된 PL을 생성하는 것으로 나타났습니다 [42, 43].
3.2. Detecting Methodologies
Various methods have been applied to the measurement of oxygen radicals and their damaging effects on membrane lipids. Hydroperoxides, primary product of lipid peroxidation, are not stable which may include phospholipid hydroperoxides [44]. An HPLC-chemiluminescence (HPLC-CL) detection method has been developed by which these species can be measured [45]. The main aldehyde product of lipid peroxidation is the 3-carbon dialdehyde species malondialdehyde (MDA) and 4-hydroxy-2-nonenal (HNE) [46]. MDA can be measured by the thiobarbituric acid (TBA) test using UV/visible spectrophotometry. Immunoblotting or immunohistochemistry is available for measuring 4-HNE/protein adducts [47]. Isoprostanes (IsoP) are a series of prostaglandin-like compounds produced by a free radical-mediated lipid peroxidation of arachidonic acid independent of cyclooxygenase. Utilizing gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS) with negative ion chemical ionization, the lipid peroxidation-derived 5- and 15-F2t isoprostanes (8-isoprostaglandin F 2α) can be accurately measured in biological fluids which has been regarded as the most reliable approach for accessing lipid peroxidation in vivo [48]. An alternate immunoassay (ELISA) for 8-isoprostaglandin F 2α in biological tissues is provided [49]. In recent years, the use of fluorescent probes specifically designed to detect oxidative stress in living cells, probes based on dihydrofluorescein diacetate, has been applied in vitro. A lipophilic fluorescent dye 4,4-difluoro-5-(4-phenyl-1,3-butadienyl)-4-bora-3a,4a-diaza-s-indacene-3-undecanoic acid (C11-BODIPY 581/591) to probe oxyl-radical-induced lipid oxidation by flow cytometry (FCM) has higher sensitivity and specificity for lipid peroxidation in vitro [50].
3.2. 검출 방법론
산소 라디칼과 막 지질의 손상 효과를 측정하는 데 다양한 방법이 적용되었습니다. 지질 과산화의 주요 생성물인 하이드로퍼옥사이드는 인지질 하이드로퍼옥사이드를 포함할 수 있는 안정적이지 않습니다[44]. 이러한 종을 측정할 수 있는 HPLC-화학발광(HPLC-CL) 검출 방법이 개발되었습니다[45]. 지질 과산화의 주요 알데히드 생성물은 3-탄소 다이알데히드 종인 말론다이알데히드(MDA)와 4-하이드록시-2-노네날(HNE)입니다[46]. MDA는 UV/가시광도법을 사용한 티오바르비투르산(TBA) 검사로 측정할 수 있습니다. 면역 블 롯팅 또는 면역 조직 화학은 4-HNE/단백질 부가물을 측정하는 데 사용할 수 있습니다 [47]. 이소프로스탄(IsoP)은 시클로옥시게나제와 무관하게 아라키돈산의 자유 라디칼 매개 지질 과산화에 의해 생성되는 일련의 프로스타글란딘 유사 화합물입니다. 음이온 화학 이온화를 통한 가스 크로마토그래피/질량 분석법(GC/MS)을 활용하면 지질 과산화에서 유래한 5-F2t 이소프로스탄(8- 이소프로스타글란딘 F 2α)을 생체액에서 정확하게 측정할 수 있으며, 이는 생체 내 지질 과산화에 접근하는 가장 신뢰할 만한 방법으로 여겨져 왔습니다 [48]. 생체 조직에서 8- 이소프로스타글란딘 F 2α에 대한 대체 면역 분석법(ELISA)이 제공됩니다 [49]. 최근에는 살아있는 세포의 산화 스트레스를 감지하도록 특별히 설계된 형광 프로브, 디하이드로플루오레세인 디아세테이트 기반 프로브를 체외에 적용하고 있습니다. 친유성 형광 염료 4,4-디플루오로-5-(4-페닐-1,3-부타디엔일)-4-보라-3a,4a-디아자-s-인다센-3-운데카노산(C11-BODIPY 581/591)은 유세포 분석(FCM)으로 옥실 라디칼 유발 지질 산화를 조사하기 위해 체외에서 지질 과산화에 대한 민감도와 특이도가 높습니다 [50].
4. Roles of Lipid Peroxidation in Different Cell Death
4.1. Lipid Peroxidation in Apoptosis
Apoptosis is programmed series of events dependent on energy, as well as morphological features such as cell shrinkage, chromatin condensation, and presence of apoptotic bodies without inflammatory reactions [51, 52]. There are mainly three alternative pathways that lead to apoptosis: (1) extrinsic pathway, (2) intrinsic pathway, and (3) perforin/granzyme pathway. Caspases are key molecules involved in the transduction of the apoptosis signal, and all of the pathways converge to the executioner caspase-3 [53]. The extrinsic pathway is initiated by the tumor necrosis factor (TNF) receptor family interacting with a ligand and then binds with procaspase-8 following ligand-receptor interaction to activation of caspase-3 which leads to execution of apoptosis [54, 55]. The intrinsic pathway (mitochondrial pathway) employs alterations of inner mitochondrial membrane for induction of apoptosis. Apoptosis is triggered when the Bcl2-family proapoptotic proteins cause the opening of mitochondrial permeability transition pore and proapoptotic proteins into cytoplasm by interacting with apoptotic protease-activating factor 1 (Apaf-1) and procaspase-9 to constitute apoptosome [56, 57]. An assembly of apoptosome leads to caspase-9 activation, which further activates caspase-3, for apoptotic execution [58]. Perforin/granzyme-induced apoptosis is employed specifically by CD8+ cytotoxic T cells used by cytotoxic lymphocytes to eliminate virus-infected or transformed cells [59]. Granzyme B in the vesicles could activate procaspase-10 or directly activates caspase-3 for execution of apoptosis [60]. Granzyme A cleaves an inhibitory complex of a DNAse to induce apoptosis [61].
Lipid peroxidation play an important role in apoptosis. The products of lipid peroxidation interacts with membrane receptors and transcription factors/repressors to induce signaling for apoptosis. It can stimulate the activation of both the intrinsic and extrinsic apoptotic signaling pathways [62, 63]. ROS may lead to cardiolipin peroxidation, a mitochondrion-specific inner membrane phospholipid, and subsequent products of lipid peroxidation formation activated intrinsic apoptosis [64]. We next summarized different signal pathways of activation of apoptosis by the products of lipid peroxidation.
4.1. 세포 사멸의 지질 과산화
세포 사멸은
세포 수축, 염색질 응축, 염증 반응이 없는 세포 사멸체의 존재와 같은
형태학적 특징뿐만 아니라
에너지에 의존하는 일련의 프로그램된 사건입니다 [51, 52].
세포 사멸로 이어지는 경로에는 크게
(1) 외인성 경로,
(2) 내인성 경로, (
3) 퍼포린/그랜자임 경로의 세 가지 대안 경로가 있습니다.
카스파제는
세포 사멸 신호의 전달에 관여하는 핵심 분자로,
모든 경로는 실행자인 카스파제-3으로 수렴됩니다[53].
외재적 경로는
종양괴사인자(TNF) 수용체 계열이 리간드와 상호 작용하여 시작되고,
리간드-수용체 상호 작용 후 프로카스파제-8과 결합하여
카스파제-3을 활성화하여
내재적 경로(미토콘드리아 경로)는
세포 사멸을 유도하기 위해
내부 미토콘드리아 막의 변화를 이용합니다.
세포 사멸은
Bcl2 계열의 세포 사멸 단백질이
미토콘드리아 투과성 전이 기공의 개방을 유발하고
세포질로 세포 사멸 단백질이
세포 사멸 프로테아제 활성화 인자 1(Apaf-1) 및 프로카스파제-9와 상호 작용하여
아폽토솜의 조립은 카스파제-9의 활성화로 이어지고, 이는 카스파제-3을 더욱 활성화하여 세포 사멸을 실행합니다 [58]. 퍼포린/그랜자임 유도 세포사멸은 세포독성 림프구가 바이러스에 감염되거나 변형된 세포를 제거하기 위해 사용하는 CD8+ 세포독성 T 세포에 의해 특별히 사용됩니다 [59]. 소포 내 그랜자임 B는 프로카스파제-10을 활성화하거나 카스파제-3을 직접 활성화하여 세포 사멸을 실행할 수 있습니다 [60]. 그랜자임 A는 DNAse의 억제 복합체를 절단하여 세포 사멸을 유도합니다 [61].
지질 과산화는 세포 사멸에 중요한 역할을 합니다. 지질 과산화 생성물은 막 수용체 및 전사 인자/억제제와 상호 작용하여 세포 사멸을 위한 신호를 유도합니다. 이는 내재적 및 외재적 세포 사멸 신호 경로의 활성화를 자극할 수 있습니다 [62, 63]. ROS는 미토콘드리온 특이적 내막 인지질인 카디오리핀 과산화를 유발할 수 있으며, 지질 과산화 형성의 후속 생성물은 내재적 세포 사멸을 활성화합니다 [64]. 다음으로 지질 과산화 생성물에 의한 세포 사멸 활성화의 다양한 신호 경로를 요약했습니다.
4.1.1. The Products of Lipid Peroxidation Induce Apoptosis via Different Signal Pathways
The NF-κB protein family is widely involve in inflammation, stress response, survival, and cell death [65]. Previous studies demonstrated that the product of lipid peroxidation increased NF-κB activity by inhibiting IκB degradation [66]. Besides the action of the product of lipid peroxidation on IKK, one of the NF-κB pathway element was shown to phosphorylate antiapoptotic Bcl-2 for its inactivation upon lipid peroxidation [67]. It is also known that NF-κB are also responsible for the transcriptional regulation of antiapoptotic expression [68]. Based on this background, lipid peroxidation was proposed to regulate the NF-κB pathway, the antiapoptotic Bcl-2, and the crosstalk between these survival elements.
Mitogen-activated protein kinases (MAPKs) are also responsible for cellular signal transduction in response to a diverse set of stimulators including oxidative stress [69]. The activation of MAPKs causes the phosphorylation of serine, threonine, and tyrosine residues of proteins to executive regulating function. The extracellular signal-regulated kinase (ERK), p38, and Jun N-terminal kinase (JNK) can activate MAPKs under various conditions which affects cytoprotective or apoptotic signaling [70]. It has been shown that the product of lipid peroxidation forms adducts with ERK, JNK, and p38 to activate MAPKs for the activation of caspase signal initiating the apoptotic processes [71–73].
The protein kinase C (PKC) is a key regulator of a plethora of the transduction of cellular signals that regulate cell proliferation, differentiation, and apoptosis [74]. PKC isoforms are activated by growth factors by the stimulating phospholipase C (PLC), which generates inositol trisphosphate (IP3) and diacylglycerol (DAG) [75]. Many PKC isoforms are lipid-sensitive and Ca2+-dependent enzymes. The product of lipid peroxidation stimulates PKC indirectly through the activation of phospholipase C or affecting the activity of its subunits [76]. It has been suggested that the product of lipid peroxidation can activate protein kinase C-delta (PKCδ), a member of the lipid-regulated serine/threonine PKC family, preventing triglyceride accumulation in obese mice [77]. PKCδ is cleaved by caspase-3 to generate a constitutively activated catalytic fragment, which amplifies apoptosis cascades [78]. Thus, lipid peroxidation can activate the PKC pathway to regulate apoptosis.
4.1.1. 지질 과산화의 산물은 다양한 신호 경로를 통해 세포 사멸을 유도합니다.
NF-κB 단백질군은
염증, 스트레스 반응, 생존 및 세포 사멸에 광범위하게 관여합니다 [65].
이전 연구에 따르면
지질 과산화 생성물은
IκB 분해를 억제하여
NF-κB 활성을 증가시키는 것으로 나타났습니다 [66].
지질 과산화 생성물이 IKK에 미치는 작용 외에도, NF-κB 경로 요소 중 하나는 지질 과산화 시 항세포 사멸 Bcl-2를 인산화하여 비활성화하는 것으로 나타났습니다 [67]. 또한 NF-κB는 항세포사멸 발현의 전사 조절에도 관여하는 것으로 알려져 있습니다 [68]. 이러한 배경을 바탕으로 지질 과산화가 NF-κB 경로, 항세포사멸 Bcl-2 및 이러한 생존 요소 간의 누화를 조절하는 것으로 제안되었습니다.
미토겐 활성화 단백질 키나제(MAPK)는
산화 스트레스를 비롯한 다양한 자극에 반응하여 세포 신호 전달을 담당하기도 합니다[69]. MAPK의 활성화는 단백질의 세린, 트레오닌, 티로신 잔기의 인산화를 유발하여 조절 기능을 실행합니다. 세포 외 신호 조절 키나아제(ERK), p38 및 준 N-말단 키나아제(JNK)는 세포 보호 또는 세포 사멸 신호에 영향을 미치는 다양한 조건에서 MAPK를 활성화할 수 있습니다 [70]. 지질 과산화 생성물은 ERK, JNK 및 p38과 부가체를 형성하여 세포 사멸 과정을 시작하는 카스파제 신호의 활성화를 위해 MAPK를 활성화하는 것으로 나타났습니다 [71-73].
단백질 키나아제 C(PKC)는
세포 증식, 분화 및 세포 사멸을 조절하는 수많은 세포 신호 전달의 핵심 조절자입니다 [74].
PKC 동형체는 이노시톨 삼인산(IP3)과 디아실글리세롤(DAG)을 생성하는 포스포리파제 C(PLC)를 자극하는 성장 인자에 의해 활성화됩니다[75]. 많은 PKC 동형체는 지질에 민감하고 Ca2+에 의존하는 효소입니다. 지질 과산화 생성물은 포스 포 리파제 C의 활성화 또는 그 하위 단위의 활성에 영향을 미쳐 간접적으로 PKC를 자극합니다 [76]. 지질 과산화 생성물은 지질 조절 세린/트레오닌 PKC 계열의 구성원인 단백질 키나아제 C-델타(PKCδ)를 활성화하여 비만 마우스에서 트리글리세리드 축적을 방지할 수 있다고 제안되었습니다 [77]. PKCδ는 카스파제-3에 의해 절단되어 구성적으로 활성화된 촉매 조각을 생성하고, 이는 세포 사멸 캐스케이드를 증폭시킵니다 [78]. 따라서 지질 과산화는 PKC 경로를 활성화하여 세포 사멸을 조절할 수 있습니다.
4.2. Lipid Peroxidation in Autophagy
Autophagy, the process of cellular self-eating, is an important protein degradation pathway, especially during stress conditions. It is known as a cellular catabolic pathway that plays crucial roles in cellular homeostasis including the maintenance of cellular function and viability [79]. There are three main autophagic pathways: macroautophagy, microautophagy, and chaperone-mediated autophagy (CMA) [80, 81]. Chaperone-mediated autophagy involves the direct translocation of cytosolic proteins across the lysosomal membrane while microautophagy involves inward invagination of lysosomal membrane delivering a small portion of cytoplasm into the lysosomal lumen [82]. Among the three types of autophagy, the most extensively studied is macroautophagy which is mediated by a special organelle termed the autophagosome. During the process, light chain 3 (LC3) is involve in the formation of autophagosomes in mammalian cells that serves as a biomarker for occurrence of autophagy [83]. A selective form of macroautophagy in which mitochondria are specifically targeted for degradation at the autophagolysosome is so called mitophagy [84]. Mitophagy plays an essential role in cell differentiation, programming, cell death, and immune response [85]. Mitochondrial damage and dysregulation of mitophagy have been implicated in neurodegenerative diseases, cancer, and cardiac disease [86–88]. Autophagy helps to remove the damaged mitochondria and oxidized proteins, in most cases, supports survival. Under normal conditions, ROS-induced autophagy reduces damage caused by oxidative stress to protect cells. For instance, autophagy plays a protective role by eliminating ROS so as to preserve the integrity of mitochondria, prevent apoptosis, and promote antigen presentation. However, excessive autophagy induced by ROS can also cause autophagic cell death under certain circumstances [89].
A complex and differential regulation of autophagy by lipid peroxidation has been suggested by several studies [90–92]. The products of lipid peroxidation can adduct to specific mitochondrial and autophagy-related proteins driving cellular dysfunction in an autophagic cell death way [90]. During myocardial ischemia and reperfusion, autophagy signaling such as AMP-activated protein kinase and Akt-mTOR signaling is compromised by the products of lipid peroxidation through interference with upstream regulators [91]. Lipid peroxidation products may induce lysosomal dysfunction and lipofuscinogenesis which results in reduced autophagy activity [92]. We will summarize different signal pathways of activation of autophagy by the products of lipid peroxidation.
4.2. 오토파지의 지질 과산화
세포가
스스로 먹이를 먹는 과정인 오토파지는
특히 스트레스 상황에서 중요한 단백질 분해 경로입니다.
세포 기능 및 생존력 유지 등
세포 항상성 유지에 중요한 역할을 하는
세포 이화 작용 경로로 알려져 있습니다 [79].
자가포식 경로에는 크게 세 가지가 있습니다:
거대 오토파지, 미세 오토파지, 샤프론 매개 오토파지(CMA) [80, 81].
샤페론 매개 자가포식은
리소좀막을 가로질러 세포질 단백질의 직접 전위를 포함하는 반면,
미세 자가포식은 리소좀막의 안쪽으로 침입하여
세포질의 일부를 리소좀 내강으로 전달하는 것을 포함합니다[82].
세 가지 유형의 자가포식 중
가장 광범위하게 연구된 것은
오토파지좀이라는 특수 소기관에 의해 매개되는 거대 오토파지입니다.
이 과정에서 포유류 세포에서 자가포식 발생의 바이오마커 역할을 하는 경쇄 3(LC3)이 오토파지의 형성에 관여합니다 [83]. 미토콘드리아가 오토파지리소좀에서 분해를 위해 특별히 표적이 되는 선택적 형태의 거대 오토파지를 미토파지라고 합니다 [84]. 미토파지는 세포 분화, 프로그래밍, 세포 사멸 및 면역 반응에 필수적인 역할을 합니다 [85]. 미토콘드리아 손상과 미토파지의 조절 장애는 신경 퇴행성 질환, 암, 심장 질환과 관련이 있습니다 [86-88]. 오토파지는 손상된 미토콘드리아와 산화된 단백질을 제거하여 대부분의 경우 생존을 지원합니다. 정상적인 조건에서 ROS에 의한 오토파지는 산화 스트레스로 인한 손상을 줄여 세포를 보호합니다. 예를 들어, 오토파지는 미토콘드리아의 완전성을 보존하고 세포 사멸을 방지하며 항원 제시를 촉진하기 위해 ROS를 제거함으로써 보호 역할을 수행합니다. 그러나 ROS에 의해 유도된 과도한 자가포식은 특정 상황에서 자가포식 세포 사멸을 유발할 수도 있습니다[89].
지질 과산화에 의한 오토파지의 복잡하고 차별적인 조절은 여러 연구에서 제안되었습니다 [90-92]. 지질 과산화의 산물은 자가포식 세포 사멸 방식으로 세포 기능 장애를 유발하는 특정 미토콘드리아 및 자가포식 관련 단백질에 부가될 수 있습니다 [90]. 심근 허혈 및 재관류 중에 AMP 활성화 단백질 키나아제 및 Akt-mTOR 신호와 같은 자가포식 신호는 지질 과산화 생성물에 의해 상류 조절 인자와의 간섭을 통해 손상됩니다 [91]. 지질 과산화 생성물은 리소좀 기능 장애 및 지방 푸신 생성을 유도하여 자가포식 활성을 감소시킬 수 있습니다 [92]. 지질 과산화 생성물에 의한 자가포식 활성화의 다양한 신호 경로를 요약해 보겠습니다.
4.2.1. The Products of Lipid Peroxidation Trigger Autophagic Cell Death via Different Signal Pathways (Figure 1)
The AMPK/mTORC pathway initiates autophagy. Adenosine monophosphate-activated protein kinase (AMPK) as upstream regulators of the mammalian target of rapamycin (mTOR) pathway senses nutrient and energy depletion and activates the tuberous sclerosis complex (TSC1–TSC2), leading to mTOR inactivation and initiation of autophagy [93]. The mammalian TOR (mTOR) pathway which negatively regulates macroautophagy is present in all types of lysosomes [94]. Inhibiting mTORC1 signaling by rapamycin, a major sensitive inhibitor of mTORC, significantly increased the level of LC3-II and led to autophagy [95]. It is suggested that the production of lipid peroxidation may activate mTORC1 signaling through direct inhibition of AMPK. The production of lipid peroxidation could conjugate with liver kinase B1 (LKB1), an upstream substrate of AMPK, and thus result in the activation of the mTOR pathway in isolated cardiomyocytes [96].
The JNK-Bcl-2/Beclin 1 pathway initiates autophagy. C-Jun N-terminal protein kinase (JNK), a member of the MAPK family, mediates Bcl-2 phosphorylation and Bcl-2 dissociation from Bcl-2/Beclin 1 complex which functions in the lysosomal degradation pathway of autophagy [97, 98]. JNK activation-induced phosphorylation of Bcl-2 plays an important role in Bcl-2-dependent autophagy without inactivation of the mTOR pathway which constitutes a distinct molecular signature of autophagy [99]. The production of lipid peroxidation could promote its interaction with JNK as a result of the nuclear translocation of this kinase to stimulate autophagy [100].
4.2.1. 지질 과산화의 산물은 다양한 신호 경로를 통해 자가포식 세포 사멸을 유발합니다(그림 1).
AMPK/mTORC 경로는
오토파지를 시작합니다.
포유류 라파마이신 타겟(mTOR) 경로의 상류 조절자로서 아데노신 모노포스페이트 활성화 단백질 키나아제(AMPK)는 영양분과 에너지 고갈을 감지하고 결절성 경화증 복합체(TSC1-TSC2)를 활성화하여 mTOR 비활성화 및 자가포식 시작을 유도합니다[93]. 매크로 오토파지를 부정적으로 조절하는 포유류 TOR(mTOR) 경로는 모든 유형의 리소좀에 존재합니다 [94]. mTORC의 주요 민감성 억제제인 라파마이신으로 mTORC1 신호를 억제하면 LC3-II의 수준이 크게 증가하여 오토파지를 유도했습니다 [95]. 지질 과산화 생성은 AMPK의 직접적인 억제를 통해 mTORC1 신호를 활성화할 수 있다고 제안됩니다. 지질 과산화의 생성은 AMPK의 상류 기질인 간 키나아제 B1(LKB1)과 결합하여 분리된 심근세포에서 mTOR 경로의 활성화를 초래할 수 있습니다 [96].
JNK-Bcl-2/Beclin 1 경로는 오토파지를 시작합니다. MAPK 계열의 일원인 C-준 N-말단 단백질 키나아제(JNK)는 자가포식의 리소좀 분해 경로에서 기능하는 Bcl-2/Beclin 1 복합체에서 Bcl-2 인산화 및 Bcl-2 해리를 매개합니다 [97, 98]. JNK 활성화에 의한 Bcl-2의 인산화는 오토파지의 뚜렷한 분자적 특징을 구성하는 mTOR 경로의 비활성화 없이 Bcl-2 의존적 오토파지에서 중요한 역할을 합니다 [99]. 지질 과산화의 생성은 이 키나아제의 핵 전위의 결과로 JNK와의 상호작용을 촉진하여 오토파지를 자극할 수 있습니다 [100].
4.3. Lipid Peroxidation in Ferroptosis
Ferroptosis is a new form of programmed cell death characterized by iron-dependent increase in ROS [101]. Ferroptosis plays crucial roles in cellular proliferation, senescence, and differentiation. A study has shown that senescent cells were highly resistant to ferroptosis due to iron accumulation [102]. A specific ferroptosis inhibitor, ferrostatin-1 (Fer-1), has been used to evaluate the role of ferroptosis in various pathophysiological settings. Fer-1 could prevent oxidative lipid damage and could delay cyst development in polycystic kidney disease, suggesting the necessity of ferroptosis for cell proliferation in fibrosis-related disease [103]. Deletion of the Gpx4, one of the ferroptosis-executing gene, neuron-like cell became more sensitive to ferroptosis upon differentiation. These results reinforce the susceptibility of neuronal context to ferroptosis and suggest the value of ferroptosis in neuroprotection [103].
Ferroptosis can be triggered by structurally diverse small molecules (e.g., erastin, sulfasalazine, and RSL3) and also prevented by lipophilic antioxidants (CoQ10, Vitamin E, ferrostatins, and liproxstatins) [4, 8, 39, 104]. Ferroptosis occurs as a result of increased ROS levels due to elevated intracellular iron concentration and a depletion of antioxidant GSH that cause lipid peroxidation and consequently to cell death [101]. More and more studies have confirmed that GPX4 activity decreases or iron excess leads to ferroptosis [105–107]. Ferroptosis is distinct from apoptosis, autophagy, and other modes of cell death. How lipid peroxidation leads to ferroptosis is still an unsolved mystery [108]. Thus, in this review, we only focus on the mechanism of lipid peroxidation during ferroptosis related to both GPX4 activity and iron metabolism.
4.3. 페로옵토시스에서의 지질 과산화
페로옵토시스는
철에 의존하는 ROS의 증가를 특징으로 하는
새로운 형태의 프로그램된 세포 사멸입니다 [101].
페로옵토시스는
세포 증식, 노화 및 분화에서 중요한 역할을 합니다.
한 연구에 따르면
노화 세포는
철분 축적으로 인해 페로옵토시스에 대한 저항성이 높다고 합니다 [102].
특정 페로셉토시스 억제제인
페로스타틴-1(Fer-1)은
다양한 병리 생리학적 환경에서
페로셉토시스의 역할을 평가하는 데 사용되었습니다.
Fer-1은 산화성 지질 손상을 예방하고 다낭성 신장 질환에서 낭종 발생을 지연시킬 수 있으며, 이는 섬유증 관련 질환에서 세포 증식을 위한 페로옵토시스의 필요성을 시사합니다 [103]. 페로렙토시스 실행 유전자 중 하나인 Gpx4를 삭제한 신경세포 유사 세포는 분화 시 페로렙토시스에 더 민감하게 반응했습니다. 이러한 결과는 페로옵토시스에 대한 신경세포 맥락의 민감성을 강화하고 신경 보호에서 페로옵토시스의 가치를 시사합니다 [103].
페로옵토시스는 구조적으로 다양한 저분자(예: 에라스틴, 설파살라진, RSL3)에 의해 유발될 수 있으며 친유성 항산화제(CoQ10, 비타민 E, 페로스타틴, 리프록스타틴)에 의해서도 예방될 수 있습니다[4, 8, 39, 104]. 철분과산화증은 세포 내 철분 농도 상승과 항산화 물질인 GSH의 고갈로 인해 ROS 수치가 증가하여 지질 과산화를 유발하고 결과적으로 세포 사멸로 이어져 발생합니다 [101]. 점점 더 많은 연구에서 GPX4 활성이 감소하거나 철분 과잉이 페로프토시스를 유발한다는 사실이 확인되었습니다 [105-107]. 페로옵토시스는 세포 사멸, 자가포식 및 기타 세포 사멸 방식과는 구별됩니다. 지질 과산화가 어떻게 페로렙토시스로 이어지는지는 아직 풀리지 않는 미스터리입니다 [108]. 따라서 이 리뷰에서는 GPX4 활성 및 철 대사와 관련된 페로렙토시스 중 지질 과산화 메커니즘에만 초점을 맞춥니다.
4.3.1. GPX4 Activity Affecting Lipid Peroxidation Leads to Ferroptosis
GPX4 is an antioxidant enzyme that neutralizes lipid peroxides and protects membrane fluidity by using glutathione, as a cofactor of GPX4, to protect cells and membranes against peroxidation. Oxidized glutathione disulfide (GSSG) is subsequently reduced by glutathione reductase and NADPH/H+ to recirculate reduced glutathione (GSH) [109]. Inhibiting GPX4 can lead to increased ROS [110], while overexpression of GPX4 can reduce ROS and subsequently prevent cell from ferroptosis [111, 112]. GPX4 is a specific and robust central regulator of ferroptotic cell death when it is directly inhibited or indirectly inactivated by depletion of glutathione [112] (Figure 1).
4.3.1. 지질 과산화에 영향을 미치는 GPX4 활성은 페로셉토시스로 이어집니다.
항산화 효소인 GPX4는 과산화지질을 중화시키고 세포와 세포막을 과산화로부터 보호하기 위해 GPX4의 보조 인자인 글루타치온을 사용하여 막 유동성을 보호하는 역할을 하는 항산화 효소입니다. 이후 산화 글루타티온 디설파이드(GSSG)는 글루타티온 환원효소와 NADPH/H+에 의해 환원된 글루타티온(GSH)으로 재순환됩니다[109]. GPX4를 억제하면 ROS가 증가할 수 있고[110], GPX4를 과발현하면 ROS가 감소하여 세포의 페로펩토시스[111, 112]를 방지할 수 있습니다. GPX4는 글루타치온 고갈에 의해 직접적으로 억제되거나 간접적으로 비활성화될 때 페로옵토시스 세포 사멸의 구체적이고 강력한 중심 조절인자입니다 [112](그림 1).
4.3.2. GPX4 Inhibitors and Selenium Influence GPX4 Activity Directly
RSL3 is a GPX4-specific inhibitor. Analysis of mass spectrometry-based proteomic data from an affinity pull-down experiment ranked GPX4 (PHGPx) as the top protein target for RSL3 [112, 113]. Inhibiting GPX4 by RSL3 generates lipid ROS and induces ferroptosis [114]. Selenium-containing GPX4 is important for living cell to allow the utilization of biomembranes for increased cellular plasticity and for the utilization of peroxides as second messengers in redox signaling processes [115, 116]. Without selenium, GPX4 lost its activity and cells are highly sensitive to oxidative damage due to irreversible overoxidation of the catalytically active-site thiolate [117]. FIN56 could decrease GPX4 abundance and derived production of coenzyme Q10. Studies have shown that FIN56 is not a cystine/glutamate antiporter inhibitor because it does not affect GSH levels. Instead, FIN56 treatment resulted in loss of GPX4 protein through posttranslational degradation and blocked mevalonate-derived production of lipophilic antioxidants such as coenzyme Q10 [118] (Figure 1).
4.3.3. GSH Influence GPX4 Activity Indirectly
GPX4 plays an antioxidant effect by catalyzing its substrate—GSH. Thus, GSH influence GPX4 activity indirectly. Glutathione biosynthesis catalyzed by GCL (glutamate-cysteine ligase) and GS (glutathione synthetase) is essential for maintaining redox homoeostasis which needs cysteine, glutamate, and glycine as substrates [119]. Thus, the intracellular concentration of these substrates and the activity of enzymes affect GSH production.
Inhibiting cystine-glutamate antiporter decreases the intracellular concentration of cysteine which affects levels of GSH. The cystine/glutamate antiporter solute carrier family 7 member 11 (SLC7A11; also known as xCT) is a component of a plasma membrane transporter which is responsible for extracellular cystine and intracellular glutamate exchanging [120]. Erastin abolished the import of cysteine which is a precursor for glutathione during ferroptosis, and it was also proved to be a potent, selective inhibitor of system xc− [4, 121]. Sorafenib, a multikinase inhibitor, is an FDA-approved drug used for treating advanced hepatocellular carcinoma [122]. Compared to other kinase inhibitors, sorafenib is the only drug that displays ferroptotic efficacy [123]. Similar to erastin, sulfasalazine had also been repurposed to induce ferroptotic cancer cell death via increased accumulation of lipid ROS [124].
Glutamate decreases the intracellular concentration of cysteine mediating ferroptosis. Glutamate induces oxidative stress via the inhibition of cysteine transporter xCT, leading to depletion of the cellular glutathione pool [125]. Inhibiting glutamate-induced toxicity can be initiated by calcium influx after glutamate receptor activation [126] or by competitive inhibition of a systemxc-dependent process, suggesting that ferroptosis is involved [127] (Figure 1).
Buthionine sulfoximine (BSO) induced ferroptosis by suppressing glutathione levels [113]. BSO is an inhibitor of glutamate-cysteine ligase, the rate limit in genzyme for glutathione synthesis [128]. Glutathione depletion causes loss of cellular antioxidant capacity and inhibition of glutathione-dependent enzymes such as glutamate-cysteine ligase. BSO was demonstrated to suppress glutathione levels and induce ferroptosis by inhibiting GCL [128] (Figure 1).
4.3.4. The Production of ROS during Iron Metabolism Causes Lipid Peroxidation
Iron is required for numerous critical processes such as DNA synthesis, heme synthesis, and iron-sulfur cluster synthesis [129, 130]. It also plays an important role in the active sites of various enzymes which are involved in the formation such as LOX, xanthine oxidase, NADPH oxidases, and mitochondrial complex I and III [131–133]. However, the levels of iron in the cell need to be tightly balanced, as an excess of iron can impair cellular functions due to the generation of ROS and eventually cell death [106]. The increases of ROS caused lipid peroxidation and ferroptosis, which was suppressed by the treatment with iron chelator deferoxamine [8]. In addition, a higher level of iron transport proteins increased iron-mediated ROS and subsequently led to ferroptosis [134, 135]. Iron-mediated ROS was important to ferroptosis, and the production of ROS during iron metabolism was mainly from the process of “Fenton reaction” and Haber-Weiss reaction [8, 9]. Additionally, cells contain small amounts of uncoordinated and redox-active Fe2+, the so-called “labile iron pool” (LIP) [136]. Lysosomes can recycle endogenous iron sources like ferritin and mitochondria, and it is also a particularly large LIP [137]. Thus, lysosomes play a great important role in iron metabolism. Inhibitors of iron metabolism and iron chelators (e.g., deferoxamine (DFO) and ciclopirox (CPX)) suppress lipid peroxidation by reducing the availability of iron from iron pool [8]. Accordingly, both Fenton chemistry and iron-dependent enzymes may generate the reactive forms of oxygen that can trigger lipid peroxidation and finally cause ferroptotic cell death (Figure 1).
5. Lipid Peroxidation in Critical Illness
Critical illness including acute kidney injury, severe sepsis, and cardiac injury is interwoven with inflammation and oxidative stress, and the consequent production of lipid peroxidation plays an important role in the progression of disease. Abundant experimental and clinical data supported the important role of lipid peroxidation-related mechanisms in critical illness by reducing or genetic mutation to modulate lipid peroxidation. Inhibiting lipid peroxidation by Fer-1 can prevent folic acid- (FA-) induced acute kidney injury in mice which associates with downregulation of glutathione metabolism proteins, features that are typical of ferroptotic cell death [138]. Inactivation of the GPX4, a ferroptosis regulator to alleviate lipid peroxidation, triggers acute renal failure in mice suggesting that genetic mutation to modulate lipid peroxidation plays an important role in the pathological condition [139]. A study reported that propofol could protect against sepsis-induced liver dysfunction through suppressing hepatic oxidative stress and lipid peroxidation [140]. Carnosine, an endogenous histidyl dipeptides, protects cardiac myocytes against lipid peroxidation products of HNE and acrolein toxicity by directly reacting with these aldehydes [141].
As lipid peroxidation promotes the development and progression of critical illness, scientist tried to find strategies to treat/prevent it. However, in the current clinical practice, there is a lack of standardized preventive measures. As regards interventional measures against lipid peroxidation damage in critically ill patients, the interest has been focused on phospholipase A2 (PLA2), cyclooxygenase, and lipoxygenases which is an enzyme involved in the formation of lipid peroxidation [142]. The supplementation of antioxidants in critically ill patients such as vitamin C and E and selenium separately has been found to improve survival and prevent progressive organ dysfunction [143, 144]. As for complex pathological reasons or limited test method, clinical trials of these agents against lipid peroxidation in critical illness have partially failed [145, 146]. As regards for future perspective, detecting techniques targeted to lipid peroxidation biomarkers have been developed. The optimization of understanding the mechanisms of lipid peroxidation has gained a lot of interest, as well as the enhancement of their clinical intervention.
6. Summary and Perspectives
The connectivity of ROS-induced lipid peroxidation caused by apoptosis, autophagy, and ferroptosis manifests themselves in a seamless balance between life and death in response to cellular stress (Figure 4). The generation and elimination of ROS maintain the delicate balance, and the imbalance is associated with various pathologies such as cell proliferation, differentiation, and death. The general endogenous antioxidant system consisting of enzymatic antioxidants (SOD, CAT, GPx, and Trx) and nonenzymatic antioxidants (vitamins or its analogs, minerals, and metabolites) protects cell from oxidative damage. An excess of ROS induces lipid peroxidation via nonenzymatic (iron-dependent) and enzymatic (LOX-catalyzed) pathways which leads to cell death. According to species of lipid peroxidation products, UV/visible spectrophotometry, GC/MS, and ELISA can be used in vivo and C11-BODIPY 581/591 flow cytometry can be applied in vitro for detecting. The products of lipid peroxidation initiate apoptosis in different pathways (NF-κB, MAPK, and PKC) and autophagy by AMPK/mTORC and JNK-Bcl-2/Beclin 1. Ferroptosis is a new form of programmed cell death noticed since 2012 [4]. In recent years, many studies had confirmed that ferroptosis was caused by loss of activity of the GPX4. GPX4 is normally functioned to remove the dangerous products of iron-dependent lipid peroxidation [4, 101, 104]. Although the products of lipid peroxidation have been extensively studied and excessive accumulation of lipid peroxidation has been shown to promote apoptosis and autophagy, their role in ferroptosis is unclear [66, 71, 108]. If the mysteries of lipid peroxidation-induced ferroptosis are solved, new insights and therapeutic strategies for ferroptosis-related human diseases can be provided.
The relationship among ROS, lipid peroxidation, and cell death.
Acknowledgments
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 81772046, No. 81560131), the Hubei Province Technology and Innovation Project (Foreign Collaboration of Science and Technology) (No. 2017AHB044), and the Health Commission of Hubei Province (No. WJ2017Z008).
Abbreviations
ROS: | Reactive oxygen species |
PUFAs: | Polyunsaturated fatty acids |
NOXs: | NADPH oxidases |
XO: | Xanthine oxidase |
mETC: | Mitochondrial electron-transport chain |
SOD: | Superoxide dismutase |
CAT: | Catalase |
HNE: | Hydroxynonenal |
PL: | Phospholipid |
LOX: | Lipoxygenase |
Alox: | Arachidonate lipoxygenase |
PLA2: | Phospholipase A2 |
GPx: | Glutathione peroxidase |
Trx: | Thioredoxin |
TrxR: | Thioredoxin reductase |
GSH: | Glutathione |
GSSG: | Glutathione disulfide |
CoQ10: | Coenzyme Q10 |
HIF-1α: | Hypoxia inducible factor-1α |
MAPKs: | Mitogen-activated protein kinases |
ERK: | Extracellular signal-regulated kinase |
JNK: | Jun N-terminal kinase |
PKC: | Protein kinase C |
CMA: | Chaperone-mediated autophagy |
LC3: | Light chain 3 |
mTOR: | Mammalian target of rapamycin |
AMPK: | Adenosine monophosphate-activated protein kinase |
TSC: | Tuberous sclerosis complex |
LIP: | Labile iron pool |
DFO: | Deferoxamine |
CPX: | Ciclopirox. |
Conflicts of Interest
None of the other authors declared any conflict of interest in this work.
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