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铁死亡又双叒叕来了丨Nature 报道铁死亡调控新机制!

 

 
 
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之一
 

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]

 

DHODH 参与铁死亡的调节

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 ; 嘧啶生物合成的最终产物) 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 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 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]

 

DHODH 的缺失促进铁死亡
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]
 
DHODH 抑制线粒体铁死亡

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。

 
DHODH 与肿瘤铁死亡
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)
最后,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。

 

 

DHODH 抑制剂

Brequinar

有效的 DHODH 抑制剂,对人的 DHODH IC50 值为 5.2 nM,也是一种广谱的抗病毒剂。

Leflunomide

DHODH 抑制剂;一种嘧啶合成抑制剂;具有抗风湿的作用。

Teriflunomide

DHODH 抑制剂;抑制嘧啶合成,有效降低 T 细胞和 B 细胞增殖。

Ferroptosis 诱导剂

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。

Sorafenib

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。

Cisplatin

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

Erastin

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

Ferroptosis 抑制剂

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)。

化合物库

铁死亡化合物库

收录了 500+ 种 ferroptosis 相关的产品,可以用于铁死亡机制及相关疾病的研究。

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缩写

DHO: Dihydroorotate

OA: Orotate
GPX4: Glutathione peroxidase 4
FSP1: Ferroptosis suppressor protein 1

 

 

参考文献

 

 

1. Chao Mao, Boyi Gan, et al. DHODH-mediated ferroptosis defence is a targetable vulnerability in cancer. Nature. 2021 May 12.