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铁死亡调控新机制

  小白:听说你们又写铁死亡
 
  萌 Cece:因为铁死亡火啊,bushi,因为我们时刻关注科研前沿,还有重大研究进展
 
  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 (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]
 
  ■ 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
 
  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]
 
  ■ 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]
 
  ■ 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。
 
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