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。
■ 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。
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。
■ 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。
■ 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。
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 |
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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
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