重大突破！甘波誼團隊 Nature 首次報道第三種鐵死亡抑制機制，提供抗癌新思路

本文轉載自“丁香學術”微信公衆號。

細胞死亡與癌症等疾病有着密切關係，在細胞的各式花樣死法中，鐵死亡（ferroptosis）作爲一種新興的死亡方式，近年來越來越受到大家的關注。

鐵死亡是一種由脂質過氧化引起的細胞死亡方式，是抑制腫瘤生長的關鍵機制之一。

先前的研究發現細胞至少進化出兩種防禦機制來抑制鐵死亡的發生：1) 谷胱甘肽過氧化物酶 4（GPX4）利用還原性谷胱甘肽（GSH）消除脂質過氧化物並抑制鐵死亡；2) FSP1（也稱爲 AIFM2）作爲一種氧化還原酶，主要在質膜上將 CoQ 還原爲 CoQH2，CoQH2 作爲一種抗氧化劑來消除脂質過氧自由基。

然而在其他亞細胞間室中是否存在針對鐵死亡的不同防禦機制尚不清楚。

圖片來源：Nature(1)

2021 年 5 月 12 日，美國 MD Anderson 癌症中心的甘波誼團隊和 Kadmon 公司的 Kellen Olszewski 在Nature上發表了題爲DHODH-mediated ferroptosis defence is a targetable vulnerability in cancer的研究成果 (2)。該研究證實了 DHODH 介導的線粒體鐵死亡的防禦機制，並提出了一種靶向誘導鐵死亡的腫瘤治療新策略。

圖片來源：Nature

研究內容

發現：DHODH 可抑制鐵死亡的發生

作者首先通過代謝組學分析發現，GPX4 抑制劑（RSL3 或 ML162）處理癌細胞可導致氨甲酰天冬氨酸（C-Asp，嘧啶生物合成的中間體）的降低，並伴有尿苷（uridine，嘧啶生物合成的最終產物）的累積。

圖片來源：Nature

添加嘧啶生物合成中間體二氫乳清酸（DHO）對 GPX4 抑制劑造成的細胞死亡有保護作用，而乳清酸（OA）使細胞對 GPX4 抑制劑更加敏感；然而，添加尿苷並不影響細胞對 GPX4 抑制劑的敏感性。

圖片來源：Nature

DHO 和 OA 分別是 DHODH 反應的底物和產物，DHO 和 OA 對鐵死亡有着相反的影響，提示DHODH 可能對於鐵死亡有着調節作用。

作者發現抑制 DHODH 可誘導 GPX4 低表達的細胞（如 NCI-H226）發生鐵死亡；對於 GPX4 高表達的細胞（如 HT-1080），抑制 DHODH 不能顯著誘導鐵死亡的發生，但能使細胞對鐵死亡誘導劑變得更加敏感，而敲除 GPX4 可使 DHODH 抑制劑誘導脂質過氧化和鐵死亡的發生。

圖片來源：Nature

機制探究：DHODH 是如何抑制鐵死亡的？

DHODH 是一種位於線粒體內膜外表面的酶。在 DHODH 敲除的 HT-1080 細胞中迴轉（restoration）野生型 DHODH，可降低 GPX4 抑制引起的鐵死亡，然而回轉 DHODH 催化活性突變體或線粒體定位缺陷突變體則沒有這一作用。

此外，在敲除 HT-1080 細胞的 GPX4 後，迴轉線粒體定位的 GPX4（GPX4mito）可降低 DHODH 抑制引起的鐵死亡，但迴轉胞質 GPX4（GPX4cyto）則沒有這一作用。此外，在 HT-1080 細胞中抑制 GPX4 時並不會觀察到顯著的線粒體脂質過氧化，然而，GPX4 抑制劑在 DHODH 敲除的 HT-1080 細胞中可顯著誘導線粒體脂質過氧化的發生。

這些結果提示 DHODH 抑制了線粒體鐵死亡的發生。

圖片來源：Nature

DHODH 將線粒體內膜中 DHO 氧化爲 OA 的同時將 CoQ 還原爲 CoQH2。抑制 DHODH 增加了 CoQ/CoQH2 的比值。在 HT-1080 細胞中，補充 mitoQ 和 mitoQH2（分別是 CoQ 和 CoQH2 的線粒體靶向類似物）對 GPX4 抑制劑誘導的鐵死亡提供有限的保護。然而在 DHODH 敲除的細胞中，mitoQH2（而不是 mitoQ）可顯著消除 GPX4 抑制劑誘導的線粒體脂質過氧化和鐵死亡。

圖片來源：BBA - Molecular Basis of Disease (3)

這些結果表明 DHODH 可通過將 mitoQ 還原爲 mitoQH2 來抑制鐵死亡的發生。

臨牀應用：DHODH 抑制劑促進腫瘤鐵死亡

作者進一步研究了 DHODH 抑制劑在腫瘤治療中的應用潛力。

Brequinar 是一種已經在多個臨牀試驗中測試過的 DHODH 抑制劑。作者發現，儘管單用 brequinar 治療或敲除 GPX4 不影響小鼠 HT-1080 移植瘤的生長，但敲除 GPX4 使 HT-1080 移植瘤對 DHODH 抑制變得敏感。而鐵死亡抑制劑 liproxstatin-1 處理可以消除 brequinar 對 GPX4 敲除腫瘤的抑制作用。

圖片來源：Nature

類似地，brequinar 抑制 NCI-H226（GPX4 低表達）或 GPX4 低表達患者來源的異種移植瘤（PDXs）的生長，但不抑制 GPX4 高表達的 PDXs。

最後，作者在 GPX4 高表達的移植瘤中發現，brequinar 與柳氮磺胺吡啶（抑制 SLC7A11 的鐵死亡誘導劑）聯合治療可協同誘導脂質過氧化並抑制腫瘤生長，而 liproxstatin-1 可以消除這一抑制作用。

因此，DHODH 抑制劑具有治療 GPX4 低表達癌症的潛力，而 DHODH 抑制劑與柳氮磺胺吡啶聯合用藥具有治療 GPX4 高表達癌症的潛力。

研究總結

本研究在現有的兩大鐵死亡保護系統的基礎上提出了第三大保護系統，這三大系統具有獨特的亞細胞定位：細胞質和線粒體上的 GPX4、質膜上的 FSP1 和線粒體上的 DHODH。

DHODH 和線粒體 GPX4 是消除線粒體脂質過氧化物的兩個主要防禦系統，喪失其中一個系統會迫使細胞更加依賴另一個，而同時喪失這兩個保護系統會引發主要由線粒體脂質過氧化誘導的鐵死亡。

最後，考慮到 DHODH 抑制劑和柳氮磺胺吡啶已經被 FDA 批准或在臨牀中廣泛測試，將 DHODH 抑制劑作爲鐵死亡的誘導劑可能對癌症治療有着直接的轉化意義。

圖片來源：Nature

參考文獻：

1.B. R. Stockwell, A powerful cell-protection system prevents cell death by ferroptosis. Nature, (2019).

2.C. Mao et al., DHODH-mediated ferroptosis defence is a targetable vulnerability in cancer. Nature, (2021).

3.S. Boukalova et al., Dihydroorotate dehydrogenase in oxidative phosphorylation and cancer. Biochim Biophys Acta Mol Basis Dis 1866, 165759 (2020).

4.Y. Zhang et al., BAP1 links metabolic regulation of ferroptosis to tumour suppression. Nat Cell Biol 20, 1181-1192 (2018).

5.G. Lei et al., The role of ferroptosis in ionizing radiation-induced cell death and tumor suppression. Cell Res 30, 146-162 (2020).

6.Y. Zhang et al., mTORC1 couples cyst(e)ine availability with GPX4 protein synthesis and ferroptosis regulation. Nat Commun 12, 1589 (2021).

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9.Y. Zhang et al., H2A Monoubiquitination Links Glucose Availability to Epigenetic Regulation of the Endoplasmic Reticulum Stress Response and Cancer Cell Death. Cancer Res 80, 2243-2256 (2020).

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