Nature | 邹贻龙等揭示细胞获得铁死亡敏感性与逃逸死亡的分子机制

BioArt 2020-09-17 08:00


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铁死亡(Ferroptosis)是一种由高度不饱和磷脂的过氧化修饰异常聚集而引起的应激性细胞死亡途径。其形态变化,死亡历程和分子机制均有别于常见的细胞凋亡和坏死等通路。近年来,铁死亡在肿瘤治疗与预防器官衰竭等方面的作用受到了广泛的关注,而调节特定细胞对铁死亡敏感性的因子也在逐渐被揭开。最近的研究发现细胞对于铁死亡的敏感性经常随着细胞状态的转变而出现变化,这种弹性对于合理的设计和利用铁死亡靶向药物来治疗疾病有着重要的意义,不过其背后的原因尚未被揭示清楚。

2020年9月16日,Broad Institute的Stuart L. Schreiber博士、邹贻龙博士以及Whitehead Institute for Biomedical Research的Robert A. Weinberg博士合作在Nature杂志上发表了文章Plasticity of ether lipids promotes ferroptosis susceptibility and evasion对铁死亡异常敏感的肾癌与卵巢癌细胞中进行了全基因组CRISPR/Cas9遗传筛选,系统性地探索了对细胞铁死亡敏感性有贡献的分子通路。这一工作发现过氧化物酶体(peroxisome) 相关的基因在筛选靶标里面有明显的富集。过氧化物酶体在细胞中起到多重作用,包括生成与消除过氧化氢,合成部分脂质以及降解长链和支链脂肪酸。在探究过氧化物酶体是怎样对铁死亡的敏感性产生影响的过程中,作者发现过氧化物酶体里面与合成一类特殊脂类--缩醛磷脂(Plasmalogen)相关的酶包括FAR1, AGPS, GNPAT等在CRISPR筛选的阳性靶标中有显著富集,从而提示过氧化物酶体可能是通过合成与铁死亡相关的脂质来影响细胞对于铁死亡的敏感性的。


缩醛磷脂是一种富集于细胞内膜体系的特殊磷脂类型,其与其他常见磷脂的差异在于使用一个醚键(Ether bond)而不是常见的酯键(Ester bond)来连接处于甘油磷脂第一位的脂肪酸,而且紧邻醚键的碳碳链接通常是一个不饱和双键而不是在其他磷脂中更为常见的饱和键。由于这一特殊的化学结构,缩醛磷脂前体的合成需在过氧化物酶体中独立进行,待前体合成之后再转运到内质网中进行进一步的合成反应。另外由于缩醛磷脂中连结于二位碳的通常是一个高度不饱和脂肪酸,过氧化物酶体提供的缩醛磷脂很可能是脂质过氧化(Lipid peroxidation)与铁死亡的重要底物。作者通过往细胞内直接提供由纯化缩醛磷脂组成的脂质体 (Liposome)纳米颗粒等实验技术进一步的验证了这一推断。

有意思的是,含高度不饱和脂肪酸的缩醛磷脂不仅在处于静息状态的癌细胞对于铁死亡的敏感性中起到关键作用,其在肿瘤细胞选择性逃逸铁死亡的过程中也发挥了独特的作用。为了研究通过诱导铁死亡抑制肿瘤生长的可行性和可持续性,作者建立了一系列GPX4 (Glutathione Peroxidase 4, 细胞内抑制铁死亡的关键蛋白)敲除的肾癌和卵巢癌细胞系,并将这些细胞移植到了免疫缺陷型小鼠皮下组织。按照预期,GPX4敲除的肿瘤一开始明显不能正常生长,预计是因为大多数细胞都发生了铁死亡。不过,在静息一段时间之后,这些载有GPX4敲除癌细胞的小鼠先后都会发生肿瘤,并且其快速生长的程度不亚于GPX4 野生型的癌细胞。这一现象说明肿瘤细胞在在体的情况下是有可能逃逸铁死亡并变得不再依赖于GPX4。

出于对这一发现的好奇,作者从复发的肿瘤中分离出了GPX4敲除,但不会发生铁死亡的“铁死亡逃逸”细胞系,并且通过多种组学分析来探索这些细胞系的分子特性。这些研究发现, ”铁死亡逃逸”细胞系并没有获得新的基因突变;相反,脂质组学分析显示这些细胞有显著的下调其高度不饱和缩醛磷脂的水平,从而提供了细胞为什么会变得对铁死亡不那么敏感的一种可能解释。事实上,如果在正常对于铁死亡敏感的卵巢癌细胞中同时敲除GPX4和缩醛磷脂合成相关的酶,这些细胞在体外和体内存活的时间将比GPX4单敲除的细胞要显著变长,形成的肿瘤体积也要更大,说明降低缩醛磷脂的水平有利于细胞避免铁死亡。以上实验结果表明选择性下调高度不饱和的缩醛磷脂水平可能是细胞在在体条件下实现铁死亡逃逸的一种重要途径。

除了癌症细胞以外,作者还发现高度不饱和缩醛磷脂(PUFA-Plasmalogen)在干细胞定向分化为神经细胞 (neurons)和心肌细胞(cardiomyocytes)的过程中均有特异性上调。缩醛磷脂水平的增加同时也伴随着细胞对于铁死亡敏感性的增强。事实上,神经细胞和心肌细胞是机体内缩醛磷脂含量最高的几种细胞类型之首,同时也是在应激条件下最容易发生铁死亡的细胞类型之二。这些现象之间的相互关联性可能对于指导如何通过药物抑制铁死亡对神经和心脏组织造成的损害有重要意义。另一方面,细胞是如何实现对缩醛磷脂的特异性调控仍然未知,以及缩醛磷脂在特定细胞中高度富集的生物学意义也非常值得探讨。

总结起来,在这篇文章中,邹博士等发现了过氧化物酶体通过合成不饱和缩醛磷脂来影响癌细胞对于铁死亡的敏感性的现象,报导了癌细胞在在体的条件下能够获得性抵抗铁死亡的发生的新发现及相关分子机制,并且推断不饱和缩醛磷脂的水平可能在机体的多种细胞类型中存在高度可塑性,从而影响细胞的生理功能和对铁死亡的敏感性等多个方面的特征 。这一研究提示细胞内不同类型的脂质可能对于维持细胞的生理状态起着特殊的作用,因此理解脂类代谢与细胞命运的关系有着重要的生物学意义。


本文的共同第一作者为邹贻龙 (Broad Institute)Whitney S. Henry (Whitehead Institute) Emily L. Ricq(Broad Institute)博士。邹贻龙Robert A. Weinberg (Whitehead Institute, MIT) Stuart L. Schreiber (Broad Institute, and Harvard University) 博士为本文共同通讯作者。

邹贻龙博士将于近期加入浙江杭州西湖大学生命科学学院并组建功能脂质组学与代谢调控实验室 (实验室网站: https://yilongzou-lab.com),主攻脂类代谢对于细胞命运的影响,同时关注于肿瘤与器官衰竭中的分子机制研究与新型药物开发。实验室现开放博士后岗位数名,有意者可参考如下网站的信息提交申请:
https://www.yilongzou-lab.com/join-us-1.

原文链接
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2732-8

制版人:琪酱
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