铁死亡调控新机制-MCE

 

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　　铁死亡是一种由过度脂质过氧化引起的调节性细胞死亡形式，是肿瘤抑制的关键机制 （详情见往期

 

　　众所周知，谷胱甘肽过氧化物酶 4 （GPX4） 和铁死亡抑制蛋白 1 （FSP1） 构成了铁死亡的两大主要防御系统→

 

　　1） GPX4 通过减少谷胱甘肽 （GSH） 来减少脂质氢过氧化物造成的毒性；

 

　　2） FSP1 是不依赖谷胱甘肽的铁死亡抑制因子，它作为氧化还原酶，在细胞膜上将辅酶 Q （CoQ） 还原为泛醇 （CoQH2），CoQH2 作为一种捕获自由基的亲脂性抗氧化剂，可以抑制脂质过氧化物。

 

　　但近期美国 MD 安德森癌症中心甘波谊教授团队在 Nature 上发表的文章 “DHODH-mediated ferroptosis defence is a targetable vulnerability in cancer” 揭示了第三种铁死亡抑制机制。这项研究证实了线粒体二氢乳清酸脱氢酶 （DHODH） 介导的铁死亡防御机制，并且提出了通过抑制 DHODH 治疗癌症的新策略。

　　图 1. GPX4、FSP1 和 DHODH 的铁死亡抑制机制[1]

 

 

　　作者团队通过代谢组学分析发现，在癌细胞中用 GPX4 抑制剂 RSL3 或 ML162 处理会导致 N-氨基甲酰-L-天冬氨酸 （C-Asp，嘧啶生物合成的中间体） 显着消耗，并伴随尿苷 （Uridine; 嘧啶生物合成的*终产物） 的积累，然而铁死亡抑制剂 （Liproxstatin-1） 能够降低 RSL3 处理后增加的 15N-UMP（尿苷-15N2 5＇-单磷酸） 的水平 （图 2a-b）。

 

　　另外，通过用 C-Asp 补充细胞实验表明二氢乳清酸 （DHO，DHODH 的底物） 抵抗 GPX4 的抑制作用，而乳清酸 （OA，DHODH 的产物） 增强细胞对 GPX4 抑制剂的敏感性。然而，补充尿苷并不影响细胞对 GPX4 抑制剂的敏感性 （图 2c）。综上，作者团队发现 DHODH 参与了细胞铁死亡的调节，而且底物 DHO 和产物 OA 对铁死亡的敏感性相反，说明 DHODH 可能以独立于嘧啶核苷酸合成功能的方式调节铁死亡。

 

　　图

 

　　图 2. a: 嘧啶生物合成途径的简化示意图； b: RSL3 和/或 Liproxstatin-1 （Lip-1） 处理的 HT-1080 细胞中的 15N-UMP 水平； c: 对照、C-Asp、DHO、OA、uridine 预处理后，RSL3 处理 NCI-H226 细胞的活力[1]

 

　　作者团队对一组 GPX4high 和 GPX4low 癌细胞系的实验分析表明， GPX4low 癌细胞通常对 DHODH 抑制剂 Brequinar （BQR） 更敏感 （图 3a-b）。另外，Liproxstatin-1 在很大程度上挽救了 GPX4low NCI-H226 细胞中抑制 DHODH 诱导的细胞死亡，而用 BQR 未明显诱导 GPX4high HT-1080 细胞铁死亡。同时，抑制 DHODH 在 GPX4low 癌细胞中可以诱导强效脂质过氧化 （图 3c-d） 和铁死亡标记基因 PTGS2 的表达，而在 GPX4high 癌细胞中则没有，这可能是 GPX4low 癌细胞对 DHODH 抑制剂敏感的原因。

 

　　此外，抑制 DHODH 可增强细胞对 class 2 铁死亡诱导剂 （RSL3 和 ML162；抑制 GPX4 活性） 和 class 1 铁死亡诱导剂 （Sulfasalazine 和 Erastin；阻断 SLC7A11 介导的胱氨酸转运） 的敏感性。综上，抑制 DHODH 会诱导 GPX4low 癌细胞中的铁死亡，也会使 GPX4high 癌细胞对铁死亡敏感。

 

　　

 

　　图 3. a: 不同癌细胞系中的 GPX4、DHODH 和 FSP1 蛋白水平； b: 不同剂量的 BQR 对 GPX4high 和 GPX4low 细胞活力的影响； c-d: 对照、Z-VAD-FMK （ZVF） 和/或 Lip-1 预处理后，BQR 处理的 NCI-H226/HT-1080 细胞中的脂质过氧化情况[1]

 

 

　　先前的研究表明，DHODH 的表达与对 GPX4 抑制剂的抗性相关。作者团队通过在 GPX4high HT-1080 细胞和 GPX4low NCI-H226 细胞中敲除 DHODH 发现，DHODH 的缺失使 HT-1080 细胞对 RSL3 或 ML162 诱导的脂质过氧化和铁死亡显着敏感；在 NCI-H226 细胞中，DHODH 缺失即使在补充尿苷的情况下也能强烈诱导脂质过氧化和铁死亡。此外，HT-1080 细胞中 GPX4 的部分敲低也会使细胞对抑制 DHODH 而诱导的脂质过氧化和铁死亡显着敏感 （图 4a-d）。

 

　　此外，GPX4 敲低的细胞中 DHODH 的缺失显著诱导脂质过氧化和铁死亡。在 DHODH 敲除细胞中补充尿苷可以挽救细胞死亡，但在 GPX4 敲除的细胞中不能，因此，DHODH 与 GPX4 是平行作用来抑制铁死亡的。作者团队实验并进一步证明了 DHODH 是与线粒体 GPX4 平行作用的，而不是细胞溶质 GPX4 或 FSP1。综上，DHODH 缺失诱导 GPX4low 癌细胞 （或 GPX4 敲低的 GPX4high 癌细胞） 中的铁死亡。

 

　　

 

　　图 4. a: 用 RSL3 处理的 Cas9 对照和 DHODH KO （2/4） HT-1080 的细胞活力； b: Cas9 对照和 RSL3 处理的 DHODH KO HT-1080 细胞中的脂质过氧化； c: Cas9 对照和 DHODH KO NCI-H226 细胞中的脂质过氧化； d: 对照、尿苷或尿苷+ Lip-1 处理的 Cas9 对照和 DHODH KO NCI-H226 细胞的存活[1]

 

 

　　作者的团队发现 DHODH 与线粒体 GPX4 平行作用来抑制线粒体脂质过氧化和铁死亡后，进一步证明了 DHODH 以 CoQ 依赖性方式抑制线粒体脂质过氧化和铁死亡，即 DHODH 通过将线粒体中的 CoQ 还原为 CoQH2 来抑制铁死亡。

 

 

　　接下来，作者团队在小鼠体内进一步研究了 DHODH 抑制剂的治疗潜力。在小鼠模型中，单独使用DHODH 抑制剂 BQR 处理或 GPX4 敲低不会影响小鼠体内 HT-1080 异种移植瘤的生长，但 GPX4 敲低会使 HT-1080 异种移植瘤对 DHODH 的抑制敏感。而 Liproxstatin-1 在很大程度上恢复了用 BQR 治疗的 GPX4 敲低的肿瘤的生长 （图 5a-b）。

 

　　同样，BQR 抑制 GPX4low NCI-H226 异种移植瘤或 GPX4low 肿瘤患者来源的异种移植瘤 （PDX） 生长，但不抑制 GPX4high PDX 生长，并且可以通过 Liproxstatin-1 治疗恢复抑制的肿瘤生长 （图 5c）。

 

　　作者团队联合 BQR 和 Sulfasalazine 协同诱导脂质过氧化并抑制 HT-1080 异种移植瘤生长，并通过 Liproxstatin-1 治疗同样可以在很大程度上恢复抑制的肿瘤生长。

 

　　综上表明 DHODH 抑制剂具有治疗 GPX4low 癌症的潜力，并且 DHODH 抑制剂与 Sulfasalazine 的组合具有治疗 GPX4high 癌症的潜力。

 

　　

 

　　图 5. a: shControl HT-1080、b: shGPX4 HT-1080、c: NCI-H226 异种移植的肿瘤体积[1]

 

　　总结：

 

　　作者团队发现至少存在三种铁死亡抑制机制，他们在亚细胞结构上都有独特的地位：胞质和线粒体中的 GPX4、质膜上的 FSP1 和线粒体中的 DHODH。

 

　　DHODH 和线粒体 GPX4 构成了两个主要的防御性武器，消除线粒体中的脂质过氧化物，其中一条路走不通了，都会迫使细胞更依赖于另一条路，当两条路都堵死了，就会触发主要由线粒体脂质过氧化导致的铁死亡。重要的是，这篇文章提出，通过 DHODH 抑制剂靶向铁死亡是潜在的癌症治疗方法。

 

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　　RSL3

 

　　Ferroptosis 诱导剂；是一种 GPX4 的抑制剂，可降低 GPX4 的表达，诱导头颈部癌细胞的肥大性死亡。

 

 

　　Ferroptosis 激活剂；有效的 Raf 抑制剂；诱导细胞自噬 （autophagy） 和凋亡 （apoptosis），并具有抗肿瘤活性。

 

 

　　Ferroptosis 激活剂；诱导自噬 （autophagy）；是一种抗肿瘤的化疗剂。

 

 

　　Ferroptosis 诱导剂；可以结合且抑制电压依赖性阴离子通道 （VDAC2/VDAC3）。

 

 

　　Ferrostatin-1

 

　　选择性的 Ferroptosis 抑制剂；是一种人工合成的抗氧化剂，通过还原机制来防止膜脂的损伤，从而抑制细胞死亡；具有抗真菌活性。

 

　　SP600125

 

　　Ferroptosis 抑制剂；口服有效的，可逆的，ATP竞争性的 JNK 抑制剂；抑制自噬 （autophagy），诱导凋亡 （apoptosis）。

 

　　Liproxstatin-1

 

　　一种有效的 ferroptosis 抑制剂，抑制 ferroptotic 细胞死亡 （IC50=22 nM）。

 

 

 

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