小白：聽說你們又寫鐵死亡

 

　　萌 Cece：因為鐵死亡火啊，bushi，因為我們時刻關注科研前沿，還有重大研究進展

 

　　鐵死亡是一種由過度脂質過氧化引起的調節性細胞死亡形式，是腫瘤抑制的關鍵機制之一 （詳情見往期

 

　　眾所周知，谷胱甘肽過氧化物酶 4 （GPX4） 和鐵死亡抑制蛋白 1 （FSP1） 構成了鐵死亡的兩大主要防御系統→

 

　　1） GPX4 通過減少谷胱甘肽 （GSH） 來減少脂質氫過氧化物造成的毒性；

 

　　2） FSP1 是不依賴谷胱甘肽的鐵死亡抑制因子，它作為氧化還原酶，在細胞膜上將輔酶 Q （CoQ） 還原為泛醇 （CoQH2），CoQH2 作為一種捕獲自由基的親脂性抗氧化劑，可以抑制脂質過氧化物。

 

　　但近期美國 MD 安德森癌癥中心甘波誼教授團隊在 Nature 上發表的文章 “DHODH-mediated ferroptosis defence is a targetable vulnerability in cancer” 揭示了第三種鐵死亡抑制機制。這項研究證實了線粒體二氫乳清酸脫氫酶 （DHODH） 介導的鐵死亡防御機制，并且提出了通過抑制 DHODH 治療癌癥的新策略。

　　圖 1. GPX4、FSP1 和 DHODH 的鐵死亡抑制機制[1]

 

 

　　作者團隊通過代謝組學分析發現，在癌細胞中用 GPX4 抑制劑 RSL3 或 ML162 處理會導致 N-氨基甲酰-L-天冬氨酸 （C-Asp，嘧啶生物合成的中間體） 顯著消耗，并伴隨尿苷 （Uridine; 嘧啶生物合成的最終產物） 的積累，然而鐵死亡抑制劑 （Liproxstatin-1） 能夠降低 RSL3 處理后增加的 15N-UMP（尿苷-15N2 5'-單磷酸） 的水平 （圖 2a-b）。

 

　　另外，通過用 C-Asp 補充細胞實驗表明二氫乳清酸 （DHO，DHODH 的底物） 抵抗 GPX4 的抑制作用，而乳清酸 （OA，DHODH 的產物） 增強細胞對 GPX4 抑制劑的敏感性。然而，補充尿苷并不影響細胞對 GPX4 抑制劑的敏感性 （圖 2c）。綜上，作者團隊發現 DHODH 參與了細胞鐵死亡的調節，而且底物 DHO 和產物 OA 對鐵死亡的敏感性相反，說明 DHODH 可能以獨立于嘧啶核苷酸合成功能的方式調節鐵死亡。

 

　　圖

 

　　圖 2. a: 嘧啶生物合成途徑的簡化示意圖； b: RSL3 和/或 Liproxstatin-1 （Lip-1） 處理的 HT-1080 細胞中的 15N-UMP 水平； c: 對照、C-Asp、DHO、OA、uridine 預處理后，RSL3 處理 NCI-H226 細胞的活力[1]

 

　　作者團隊對一組 GPX4high 和 GPX4low 癌細胞系的實驗分析表明， GPX4low 癌細胞通常對 DHODH 抑制劑 Brequinar （BQR） 更敏感 （圖 3a-b）。另外，Liproxstatin-1 在很大程度上挽救了 GPX4low NCI-H226 細胞中抑制 DHODH 誘導的細胞死亡，而用 BQR 未明顯誘導 GPX4high HT-1080 細胞鐵死亡。同時，抑制 DHODH 在 GPX4low 癌細胞中可以誘導強效脂質過氧化 （圖 3c-d） 和鐵死亡標記基因 PTGS2 的表達，而在 GPX4high 癌細胞中則沒有，這可能是 GPX4low 癌細胞對 DHODH 抑制劑敏感的原因。

 

　　此外，抑制 DHODH 可增強細胞對 class 2 鐵死亡誘導劑 （RSL3 和 ML162；抑制 GPX4 活性） 和 class 1 鐵死亡誘導劑 （Sulfasalazine 和 Erastin；阻斷 SLC7A11 介導的胱氨酸轉運） 的敏感性。綜上，抑制 DHODH 會誘導 GPX4low 癌細胞中的鐵死亡，也會使 GPX4high 癌細胞對鐵死亡敏感。

 

　　

 

　　圖 3. a: 不同癌細胞系中的 GPX4、DHODH 和 FSP1 蛋白水平； b: 不同劑量的 BQR 對 GPX4high 和 GPX4low 細胞活力的影響； c-d: 對照、Z-VAD-FMK （ZVF） 和/或 Lip-1 預處理后，BQR 處理的 NCI-H226/HT-1080 細胞中的脂質過氧化情況[1]

 

 

　　先前的研究表明，DHODH 的表達與對 GPX4 抑制劑的抗性相關。作者團隊通過在 GPX4high HT-1080 細胞和 GPX4low NCI-H226 細胞中敲除 DHODH 發現，DHODH 的缺失使 HT-1080 細胞對 RSL3 或 ML162 誘導的脂質過氧化和鐵死亡顯著敏感；在 NCI-H226 細胞中，DHODH 缺失即使在補充尿苷的情況下也能強烈誘導脂質過氧化和鐵死亡。此外，HT-1080 細胞中 GPX4 的部分敲低也會使細胞對抑制 DHODH 而誘導的脂質過氧化和鐵死亡顯著敏感 （圖 4a-d）。

 

　　此外，GPX4 敲低的細胞中 DHODH 的缺失顯著誘導脂質過氧化和鐵死亡。在 DHODH 敲除細胞中補充尿苷可以挽救細胞死亡，但在 GPX4 敲除的細胞中不能，因此，DHODH 與 GPX4 是平行作用來抑制鐵死亡的。作者團隊實驗并進一步證明了 DHODH 是與線粒體 GPX4 平行作用的，而不是細胞溶質 GPX4 或 FSP1。綜上，DHODH 缺失誘導 GPX4low 癌細胞 （或 GPX4 敲低的 GPX4high 癌細胞） 中的鐵死亡。

 

　　

 

　　圖 4. a: 用 RSL3 處理的 Cas9 對照和 DHODH KO （2/4） HT-1080 的細胞活力； b: Cas9 對照和 RSL3 處理的 DHODH KO HT-1080 細胞中的脂質過氧化； c: Cas9 對照和 DHODH KO NCI-H226 細胞中的脂質過氧化； d: 對照、尿苷或尿苷+ Lip-1 處理的 Cas9 對照和 DHODH KO NCI-H226 細胞的存活[1]

 

 

　　作者的團隊發現 DHODH 與線粒體 GPX4 平行作用來抑制線粒體脂質過氧化和鐵死亡后，進一步證明了 DHODH 以 CoQ 依賴性方式抑制線粒體脂質過氧化和鐵死亡，即 DHODH 通過將線粒體中的 CoQ 還原為 CoQH2 來抑制鐵死亡。

 

 

　　接下來，作者團隊在小鼠體內進一步研究了 DHODH 抑制劑的治療潛力。在小鼠模型中，單獨使用DHODH 抑制劑 BQR 處理或 GPX4 敲低不會影響小鼠體內 HT-1080 異種移植瘤的生長，但 GPX4 敲低會使 HT-1080 異種移植瘤對 DHODH 的抑制敏感。而 Liproxstatin-1 在很大程度上恢復了用 BQR 治療的 GPX4 敲低的腫瘤的生長 （圖 5a-b）。

 

　　同樣，BQR 抑制 GPX4low NCI-H226 異種移植瘤或 GPX4low 腫瘤患者來源的異種移植瘤 （PDX） 生長，但不抑制 GPX4high PDX 生長，并且可以通過 Liproxstatin-1 治療恢復抑制的腫瘤生長 （圖 5c）。

 

　　最后，作者團隊聯合 BQR 和 Sulfasalazine 協同誘導脂質過氧化并抑制 HT-1080 異種移植瘤生長，并通過 Liproxstatin-1 治療同樣可以在很大程度上恢復抑制的腫瘤生長。

 

　　綜上表明 DHODH 抑制劑具有治療 GPX4low 癌癥的潛力，并且 DHODH 抑制劑與 Sulfasalazine 的組合具有治療 GPX4high 癌癥的潛力。

 

　　

 

　　圖 5. a: shControl HT-1080、b: shGPX4 HT-1080、c: NCI-H226 異種移植的腫瘤體積[1]

 

　　總結：

 

　　作者團隊發現至少存在三種鐵死亡抑制機制，他們在亞細胞結構上都有獨特的地位：胞質和線粒體中的 GPX4、質膜上的 FSP1 和線粒體中的 DHODH。

 

　　DHODH 和線粒體 GPX4 構成了兩個主要的防御性武器，消除線粒體中的脂質過氧化物，其中一條路走不通了，都會迫使細胞更依賴于另一條路，當兩條路都堵死了，就會觸發主要由線粒體脂質過氧化導致的鐵死亡。重要的是，這篇文章提出，通過 DHODH 抑制劑靶向鐵死亡是潛在的癌癥治療方法。

 

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　　RSL3

 

　　Ferroptosis 誘導劑；是一種 GPX4 的抑制劑，可降低 GPX4 的表達，誘導頭頸部癌細胞的肥大性死亡。

 

 

　　Ferroptosis 激活劑；有效的 Raf 抑制劑；誘導細胞自噬 （autophagy） 和凋亡 （apoptosis），并具有抗腫瘤活性。

 

 

　　Ferroptosis 激活劑；誘導自噬 （autophagy）；是一種抗腫瘤的化療劑。

 

 

　　Ferroptosis 誘導劑；可以結合且抑制電壓依賴性陰離子通道 （VDAC2/VDAC3）。

 

 

　　Ferrostatin-1

 

　　選擇性的 Ferroptosis 抑制劑；是一種人工合成的抗氧化劑，通過還原機制來防止膜脂的損傷，從而抑制細胞死亡；具有抗真菌活性。

 

　　SP600125

 

　　Ferroptosis 抑制劑；口服有效的，可逆的，ATP競爭性的 JNK 抑制劑；抑制自噬 （autophagy），誘導凋亡 （apoptosis）。

 

　　Liproxstatin-1

 

　　一種有效的 ferroptosis 抑制劑，抑制 ferroptotic 細胞死亡 （IC50=22 nM）。

 

 

 

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