揭示腫瘤細胞抵抗鐵死亡的新機制

細胞死亡是生命科學領域關(guān)注的核心。不同于凋亡，壞死等細胞死亡方式，鐵死亡是一種鐵依賴性脂質(zhì)過氧化驅(qū)動的新型細胞死亡方式。已有大量證據(jù)表明鐵死亡調(diào)控機制異常與退行性疾病，器官損傷以及惡性腫瘤等多種病理狀態(tài)密切相關(guān)，因而深入理解鐵死亡調(diào)控機制有望為相關(guān)疾病的治療提供新的分子靶點，為深入解析相關(guān)病理過程提供新的視角。

目前認為谷胱甘肽過氧化物酶4 （GPX4）是鐵死亡的關(guān)鍵抵抗因子。該酶利用原型谷胱氨肽（GSH）以硒依賴的方式通過催化脂質(zhì)過氧化物發(fā)生還原反應來發(fā)揮作用。隨后的研究發(fā)現(xiàn)細胞內(nèi)還存在GPX4非依賴的鐵死亡保護機制，如鐵死亡抑制因子（FSP1）和二氫乳清酸脫氫酶（DHODH）可通過CoQ10（而非GSH）實現(xiàn)對脂質(zhì)過氧化物的解毒效應。然而，作為一種可調(diào)控性細胞死亡，尚缺乏從時間維度上對這種新型死亡方式的系統(tǒng)探索。
2023年11月28日，哈爾濱工業(yè)大學生命學院胡穎研究組（博士生張文馨和代俊仁為共同第一作者）在 Cell 子刊 Molecular Cell 上發(fā)表了題為：的研究論文。
該研究通過在時間維度上分析鐵死亡發(fā)生過程中的分子事件，揭示了GSTP1以GPX4非依賴的方式調(diào)控鐵死亡的新機制，探究了在鐵死亡早期GSTP1的失活機制。鐵死亡作為一種可調(diào)控性細胞死亡，可能與其他調(diào)節(jié)性細胞死亡方式（如細胞凋亡）相似，是在系列信號級聯(lián)反應的嚴格控制下從死亡的起始階段進入執(zhí)行階段，而關(guān)鍵的鐵死亡保護因子可能在起始階段就會失活。
在胡穎教授指導下，哈工大博士研究生張文馨、代俊仁、劉皓、鄭善亮等發(fā)現(xiàn)谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶Pi（GSTP1）不僅通過谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶活性催化GSH偶聯(lián)脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物4-HNE抑制鐵死亡，還具有硒非依賴的谷胱氨肽過氧化物酶活性，直接抵抗脂質(zhì)過氧化來抑制鐵死亡；同時揭示了在鐵死亡早期E3連接酶SMURF2介導的GSTP1失活機制。

研究團隊團隊首先基于鐵死亡的脂質(zhì)過氧化和細胞死亡表征，界定了鐵死亡進程的起始階段和執(zhí)行階段。隨后，聚焦起始階段分子事件，利用蛋白質(zhì)組學技術(shù)系統(tǒng)地分析了蛋白質(zhì)譜的變化特征，發(fā)現(xiàn)早期差異表達蛋白主要富集在谷胱甘肽代謝通路。基于蛋白互作網(wǎng)絡分析，發(fā)現(xiàn)差異蛋白形成了兩個獨立模塊：以GPX4為核心的模塊1和由谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶（GST）家族蛋白組成模塊2， GSTs中以GSTP1的變化為明顯。

功能研究發(fā)現(xiàn)，GSTP1可阻滯多種腫瘤細胞的鐵死亡進程，而其鐵死亡的調(diào)控活性并不依賴于已經(jīng)報道的關(guān)鍵因子GPX4、FSP1或DHODH，提示這是一種新型鐵死亡抵抗機制。進一步利用多種生物化學分析手段發(fā)現(xiàn)，GSTP1同時具有GST活性和Se非依賴的GPx活性，該結(jié)果提示GSTP1可能是硒缺乏情況下GPX4功能的有益補充。研究團隊團隊還對GSTP1的鐵死亡早期的失活機制進行了探究。研究發(fā)現(xiàn)，在鐵死亡的起始階段，該蛋白與E3連接酶SMURF2的結(jié)合迅速增多，導致SMURF2介導的GSTP1蛋白降解加快，推動鐵死亡進入執(zhí)行階段。多種體內(nèi)外模型的研究顯示，SMURF2/GSTP1信號軸對腫瘤細胞鐵死亡的敏感性具有重要的調(diào)控作用，進入臨床試驗階段的GSTP1小分子抑制劑TLK199（Ezatiostat）可有效提升具有促進鐵死亡作用的FDA獲批藥物（Sulfasalazine）以及免疫 檢查點抑制劑（anti-PD-1）的抑瘤效應。綜上所述，該研究鑒定了一種非經(jīng)典的GSH依賴的、硒非依賴性的鐵死亡保護機制，并明確了GSTP1在此場景下發(fā)揮雙酶活性的生化機制，發(fā)現(xiàn)了其在鐵死亡早期受到抑制的主要分子機制。該研究豐富了對鐵死亡調(diào)控網(wǎng)絡的認知，為從死亡起始階段入手調(diào)控鐵死亡，殺傷腫瘤細胞提供了新靶點。