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今年5月来自德国维尔…随着癌细胞对凋亡产生抗性非细胞凋亡死亡模式的铁死亡成为对抗治疗耐药癌症的新策略对传统疗法产生耐药性的细胞或转移性癌细胞已被证明对铁死亡的敏感性增加。因此靶向癌症中的铁死亡调控元件可能提供新的治疗机会。
今年5月来自德国维尔茨堡大学的José Pedro Friedmann Angeli等人在《Trends in Cell Biology》上联合发表了题为“Ferroptosis: mechanisms and implications for cancer development and therapy response”的综述。该文对已知的铁死亡调控网络进行了概述探讨它们在癌症的相关研究中的作用。通过对新兴的铁死亡调控途径的理解为创新的抗癌策略的发展提供了希望。 01 克服抗癌抵抗的细胞死亡途径
癌细胞已经进化出多种策略来逃避内在的凋亡诱导机制并利用凋亡抑制机制对标准治疗产生耐药性导致耐药细胞的出现。目前细胞死亡的非凋亡途径——铁死亡的研究在根除抗凋亡癌细胞的研究中大有前景。
铁死亡是一种受调控的细胞死亡过程其特征是铁催化的脂质过氧化产物的过量积累。铁死亡存在不同的调节机制来维持稳态不受控制的铁死亡与各种病理条件有关包括癌症、神经退行性变、中风、肾脏和视网膜损伤以及感染。铁死亡这一词最初是由Dixon及其同事在2012年创造的用来描述由erastin引发的一种独特的细胞死亡形式erastin是一种小分子化合物能诱导表达大鼠肉瘤病毒Ras致癌基因的同源癌细胞系的细胞死亡。此后将铁死亡和肿瘤发生联系起来的证据越来越多特别是由于去分化和持久性癌细胞状态对铁死亡的脆弱性增加。 铁死亡调控要素
02 铁一种不寻常的导致细胞死亡的催化剂
活性氧和氮源性循环ROS的过量产生会对包括膜脂在内的生物分子造成重大损害。
烷氧基或羟基自由基可以与含多不饱和脂肪酸PUFA的磷脂PLs通过Fenton反应形成脂质氢过氧化物和其他携带自由基的脂质。该反应由亚铁Fe2催化将过氧化氢H2O2转化为羟基自由基触发脂质过氧化。此外脂质氢过氧化物可以作为类Fenton反应的底物产生烷氧基引发脂质过氧化。
因此铁利用率和稳态的调节是刺激脂质过氧化的关键成分游离铁在Fenton反应中活性中间体的产生发挥着重要作用。最近的研究强调了铁代谢在肿瘤发生中的基本作用以及靶向调节铁稳态的元素触发铁死亡和消除癌细胞的潜力。
铁在细胞外 Fe3 离子的形式进入细胞与转铁蛋白结合。转铁蛋白受体将复合物内吞铁被输送到溶酶体并以还原的活性亚铁Fe2状态暂时储存。亚铁从溶酶体中输出提供了一个细胞内不稳定的LIP。在细胞体中LIP可以被运送到细胞器中通过铁蛋白转运到细胞外或储存在铁蛋白笼中以限制其反应活性。自噬介导的铁蛋白降解使铁蛋白结合的铁再次可用。铁一旦可用便可以调节肿瘤发展过程中的几个关键过程如与肿瘤微环境的相互作用和驱动癌症进展的表观遗传学修饰。
此外铁过载与治疗压力下获得的癌症代谢可塑性有关为选择难治性的细胞提供了克隆优势。相比之下使用铁霉素ironomycin诱导溶酶体保留铁可诱导乳腺CSCs的溶酶体膜通透和铁死亡表明其对铁的依赖性。这些研究说明了铁代谢在特定癌症状态下的关键作用和针对铁代谢的可行性以及利用其引发脂质过氧化以获得治疗效果的潜力。
03 铁死亡通过细胞膜酸败杀死细胞
虽然脂质过氧化是生物系统中氧化失衡的一个明确来源但触发膜酸败的确切机制仍不清楚。已观察到脂氧合酶LOX酶通过增加脂质氢过氧化物的细胞池来启动铁死亡但它们的作用仍然存在争议因为许多癌细胞铁死亡的发生独立于LOX表达。最近的研究表明内质网氧化还原酶有助于铁死亡的发生。这些氧化还原酶可能通过将电子从NADPH/NADH提供给氧气来触发铁死亡从而产生H2O2。此外已有研究表明脂质自氧化是一种自发的过氧自由基介导的链式反应通过传播脂质过氧化在驱动细胞死亡过程中发挥了关键作用。
最终PLs的过氧化衍生物改变了膜的结构和性质导致质膜的通透性质变和铁死亡。铁死亡可以通过PL过氧化产物的特征性积累与其他细胞死亡方式区分开来它的功能可以通过铁螯合剂、亲脂性抗氧化剂或PUFAs的消耗受到抑制。
除了防止铁死亡的主要酶GPX4外铁死亡还受几个后备系统的调节如甲戊酸钠MVA途径、FSP1泛醌、四氢生物蝶呤BH4、二氢叶酸还原酶DHFR、反硫化途径。
04 半胱氨酸-GSH-GPX4铁死亡的第一道防线
细胞已经进化出一种特殊的机制来防止和修复PLs的氧化损伤因为它们对这种损伤具有固有敏感性。靶向这些途径是触发铁死亡的核心。例如erastin可以通过抑制半胱氨酸-谷氨酸反向转运蛋白-Xc-系统来诱导铁死亡。
半胱氨酸的耗竭会导致含硫醇抗氧化剂迅速流失如谷胱甘肽GSH。GSH作为谷胱甘肽过氧化物酶4GPX4的辅助因子发挥其对铁死亡的保护作用GPX4利用GSH来减少过氧化的PLs。使用Ras-selective-lethal-3RSL3直接抑制GPX4也已经被证明可以触发铁死亡而不受GSH耗竭或系统Xc-活性的影响。RSL3共价修饰了GPX4活性部位的硒半胱氨酸Sec阻断了细胞中过氧化的PLs的修复系统。此外当GSH匮乏时GPX4在半胱氨酸周围表现出一个异生位点RSL3也能在此结合不仅抑制GPX4而且还导致GPX4被降解。半胱氨酸饥饿、GSH耗竭和相关的脂质过氧化可以追溯到一个特定的GSH依赖性酶建立了第一个也是最重要的铁死亡级联的调节轴。
05 硒、硒半胱氨酸和GPX4
硒蛋白如GPX4含有Sec这是一种与半胱氨酸结构相似的氨基酸但用一个硒Se原子取代了硫这种替换使硒蛋白具有独特的生物化学和物理特性。将硒并入硒蛋白是一个复杂的、高能耗的过程。这个复杂的过程需要合成一个Sec特异性转移RNASec-tRNA随后在UGA密码子上重新编码并加入Sec Se主要以硒蛋氨酸SeMet的有机形式、Sec或无机形式如硒酸盐/SeO4-2和亚硒酸盐/SeO3-2离子在饮食中获得。
无论Se的形式如何其代谢主要发生在肝脏在肝脏中Se载体SELENOP的生物合成。SELENOP是一种具有多个Sec残基的蛋白质可作为向肝外组织的传递系统。然后SELENOP被分泌到血液循环中并被细胞表面受体识别包括LRP8也称为APOER2和LRP2也称为Megalin用于受体介导的内吞。接下来Se原子需要从Sec中去除以允许Sec-tRNA的生物合成并最终翻译新的硒蛋白。
硒蛋白的表达受到Se和Sec可用性的不同影响。分析表明非必需的硒蛋白在饮食中缺硒时被下调以便为更多的必需蛋白保留可用的硒如GPX4。尽管这一层次结构被认为是静态的但这一概念似乎过于简单在癌细胞中可以被改变。最近的工作表明敲除LRP8一个Se缺乏的模型会导致GPX4的严重损失而不会严重影响其他硒蛋白。这强调了破坏Se代谢和硒蛋白翻译的潜在策略使癌细胞对铁死亡敏感。 硒Se/硒半胱氨酸Sec的摄取和回收示意图
06 GPX4调控通路的新发现——文章解析
除了上述提到的GSH作为谷胱甘肽过氧化物酶4GPX4的辅助因子发挥其对铁死亡的保护作用最新研究发现KLF11的过表达会抑制GPX4的转录。今年的5月份复旦大学中山医院胸外科团队在《Nature Communications Biology》上发表了名为“KLF11 regulates lung adenocarcinoma ferroptosis and chemosensitivity by suppressing GPX4”的文章该文表示通过KLF11一种转录因子过表达可显著抑制肺癌发展提高化疗效果。 肺腺癌LUAD是肺癌最常见的亚型是世界范围内导致癌症死亡的主要原因。LUAD具有相对较强的增殖能力生存率较差化疗仍是这类恶性肿瘤的主要治疗方法之一。然而对化疗的耐药性严重影响了LUAD患者的预后。因此探索抑制LUAD增殖、提高LUAD化疗敏感性的方法势在必行。
该研究发现 KLF11 通过参与 GPX4 相关的铁死亡途径抑制肺腺癌细胞增殖并提高化疗敏感性。通过对用铁死亡诱导剂FINs预处理的 LUAD 细胞进行RNA-seq发现在 FINs 处理的细胞中 KLF11 表达显着升高表明 KLF11 可能参与铁死亡通过蛋白水平的检测也证实了该推论。接下来研究人员发现KLF11在LUAD细胞系中的表达明显低于在正常支气管上皮细胞中的表达。同时KLF11还可增强化疗药物(CDDP和Pem)对LUAD细胞的毒性作用。由此表明KLF11促进了FINs诱导的铁死亡抑制了细胞增殖并增强了化疗药物在LUAD中的作用。 为了探索KLF11促进铁死亡的下游信号分子作者分别对KLF11-NC和KLF11-OE细胞进行RNA-seq筛选出差异表达基因。然后将RNA-seq、ChIP-Seq数据和特定铁死亡相关基因从FerrDb数据库获得取交集。结果表明KLF11过表达后GPX4显著下调推测GPX4可能是KLF11的靶标分子。通过qRT-PCR和western blot进一步验证了KLF11对GPX4表达的影响发现过表达KLF11降低了GPX4水平而敲除KLF11导致GPX4表达上调。其他铁死亡的关键调控因子包括ACSL4和SLC7A11的水平没有受到影响。这些结果表明KLF11可能通过调控GPX4的表达参与了LUAD的铁死亡。 KLF11作为一种转录因子作者推测其通过与启动子结合来转录抑制GPX4。通过ChIP-seq结果发现在靠近转录起始位点TSS的GPX4启动子区域有一个非常强的klf11结合峰。ChIP-qPCR检测也显示在A549和PC9细胞系肺癌细胞中KLF11的结合均显著富集由此证实了GPX4是KLF11的直接转录靶点。为了研究KLF11与GPX4启动子的结合是否具有功能将人GPX4启动子序列克隆到pgl4-荧光素酶报告基因载体中用于荧光素酶报告基因活性实验。结果揭示了KLF11与GPX4相互作用的机制说明KLF11与GPX4启动子强结合抑制GPX4转录。 随后通过小鼠疾病模型的构建定期观察小鼠体内肿瘤的生长发现恢复的 GPX4 表达可拮抗 KLF11 促进铁死亡、增加化疗敏感性和抑制体外和体内细胞增殖的能力。临床上数据分析显示KLF11 在 LUAD 中下降其低表达与患者生存率降低相关。该文的研究结果证实了 KLF11 促进 LUAD 中铁死亡的功能从而抑制细胞增殖并增强化疗效果。
技术路线 上述关于铁死亡调控机制研究使用的ChIP-seq、ChIP-qPCR、RNA-seq等相关技术爱基百客均可提供且经验丰富。可提供一站式服务包括前期方案设计、样本处理、测序、数据分析以及后期验证。欢迎各位老师咨询~
引用文献 Dos Santos AF,Fazeli G,Xavier da Silva TN, et al. Ferroptosis: mechanisms and implications for cancer development and therapy response. Trends Cell Biol. 2023;33 (12):1062-1076. doi:10.1016/j.tcb.2023.04.005 Zhao G,Liang J,Shan G, et al. KLF11 regulates lung adenocarcinoma ferroptosis and chemosensitivity by suppressing GPX4. Commun Biol. 2023;6 (1):570. doi:10.1038/s42003-023-04959-z
