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新成果|Nature Reviews Cancer:甘波宜团队综述靶向癌症的脆弱点—铁死亡

 梅子熟了00 2022-03-27

王福俤&闵军霞团队审校、编辑、排版

铁死亡Club编委会| 审校

研究背景

铁死亡(Ferroptosis)是Dixon等人在2012年发现的一种依赖铁的调节性细胞死亡形式(regulated cell death, or RCD),在形态学和机制上不同于细胞凋亡 (Apoptosis)和其他类型RCD。形态上,发生铁死亡的细胞以线粒体皱缩和线粒体嵴减少为特征;机制上,细胞膜上脂质过氧化物的致命积累是铁死亡的主要原因,涉及到细胞内铁死亡执行和铁死亡防御系统之间的对抗(图1)。

近年来,铁死亡引起了癌症研究界的极大兴趣,其在肿瘤生物学和癌症治疗中的研究已经取得了实质性进展。一方面,多种与癌症相关的信号通路可通过调控铁死亡来发挥作用;另一方面,癌细胞独特的新陈代谢、高负荷的活性氧(reactive oxygen species, or ROS)和特定的突变史等特征,使其对铁死亡具有内在易感性,从而暴露出某些癌症类型中可靶向的脆弱点。值得注意的是,铁死亡被确立为多种癌症疗法引发的关键细胞死亡反应,包括放疗,免疫治疗,化疗和靶向治疗,并且铁死亡诱导剂与这些癌症疗法联合具有巨大潜力。总而言之靶向铁死亡已成为一种有前途的癌症治疗策略,并为难治性癌症提供了新的治疗机会。

新成果

2022年3月25日,美国MD安德森癌症中心甘波谊团队(雷光博士为第一作者,甘波谊教授为通讯作者)Nature Reviews Cancer杂志 (2020 IF: 60.7) 上发表了名为Targeting ferroptosis as a vulnerability in cancer的综述,总结了目前对铁死亡调控机制的理解,深入分析了铁死亡在肿瘤生物学中的机制,讨论了在癌症治疗中如何靶向铁死亡这个脆弱点,并强调了未来研究的几个关键问题和挑战。

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研究重点

1.铁死亡的先决条件和防御系统

铁死亡执行的关键是含多不饱和脂肪酸(PUFA)的phospholipids(PUFA-PLs)的铁催化过氧化,当超过铁死亡防御系统的缓冲能力时,可导致细胞膜上脂质过氧化物的致命积累,随后膜破裂,导致细胞铁死亡。PUFA-PL的合成和过氧化、铁代谢(不稳定铁池增加)和线粒体代谢(产生ROS,ATP和/或PUFA-PL)构成了驱动铁死亡的主要先决条件(图1)。铁死亡防御机制涉及细胞抗氧化系统来直接中和脂质过氧化物,主要包括位于细胞质和线粒体的GPX4–GSH系统,位于细胞质的FSP1–CoQH2系统,位于线粒体的DHODH–CoQH2系统,以及GCH1–BH4 系统等(图1)。

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图1

2.铁死亡逃逸为肿瘤推波助澜

铁死亡是一种关键的肿瘤抑制机制。一些抑癌基因(例如p53,BAP1,KEAP1和ARF)和致癌信号通路(例如PI3K-AKT-mTOR,RAS,NEDD4, DJ1和PDK4)可以分别促进或抑制铁死亡而发挥相应作用。肿瘤已经进化出至少三种机制来逃避铁死亡,从而促进了肿瘤的发展和转移。

(1) 限制PUFA-PL的合成和过氧化:例如钙依赖性磷脂酶A2β (iPLA2β)在多种癌症中过表达,脂肪因子chemerin在肾癌中的上调,以及癌细胞暴露于淋巴环境和高胆固醇血症;

(2)限制不稳定铁池:例如半胱氨酸脱硫酶NFS1在肺癌中过表达,CDGSH含铁硫域蛋白2(CISD2)在头颈部癌症中过表达,以及Frataxin在癌症中上调,都可通过调节铁硫簇(ISCs)来抑制不稳定铁池;

(3)上调自身的铁死亡防御系统:例如NRF2上调以增强GPX4-GSH系统,某些抑癌基因失活或者致癌性KRAS激活对SLC7A11的上调,GCH1在多种癌症类型中过表达,以及角鲨烯在角鲨烯单氧酶(SQLE)缺乏的间变淋巴瘤激酶(ALK)阳性的间变性大细胞淋巴瘤中的累积。

3.癌症中的铁死亡脆弱性(图2)

(1)癌细胞的代谢特征赋予的铁死亡脆弱性:处于特定细胞状态的难治性癌细胞对铁死亡格外敏感,例如PUFA-PL的合成在处于间质状态的癌细胞中增强,并使这类细胞强烈依赖GPX4来解毒脂质过氧化物而生存;因此间质状态癌细胞对铁死亡诱导十分脆弱。类似地,耐药性黑色素瘤细胞的去分化亚群也显示出对铁死亡的脆弱性,可能是因为PUFA的积累和低水平的GSH。此外,由于独特的代谢特征,某些癌症类型也天生易受到铁死亡的影响,例如不饱和醚磷脂(PUFA-ePLs)在肾透明细胞癌和非神经内分泌性小细胞肺癌中的增多,和三阴性乳腺癌中丰富的PUFA水平、升高的不稳定铁池和减弱的GPX4-GSH防御系统。总之,耐药细胞的代谢改变以及某些癌症的先天代谢特征引发的铁死亡脆弱性,为治疗这些难治性癌症提供了新机会(图2a)。

(2) 癌细胞的基因突变赋予的铁死亡脆弱性:虽然抑癌基因失活通常会抑制铁死亡,但某些抑癌基因的突变也可以赋予癌细胞对铁死亡的脆弱性。例如,E-cadherin-NF2-Hippo信号轴突变可以增强YAP或TAZ的转录活性,从而上调一些促铁死亡基因的表达,使癌细胞对铁死亡诱导敏感。类似地,肾透明细胞癌细胞中VHL缺失可通过稳定HIFs- HILPDA轴促进PUFA的合成,从而使癌细胞对铁死亡脆弱。此外,某些癌基因活化也可以使癌细胞对铁死亡脆弱,例如EGFR突变的非小细胞肺癌和IDH1突变的肿瘤。总之,这些特定突变赋予的铁死亡脆弱性提供了潜在的治疗靶点(图2b)。

(3)铁死亡防御系统失衡赋予的铁死亡脆弱性:铁死亡防御系统主要分为GPX4依赖性和GPX4非依赖性两部分,一个部分的低表达或失活使癌细胞高度依赖另一部分进行铁死亡防御,因此对另一部分失活所诱发的铁死亡极度敏感。这种针对不平衡的铁死亡防御系统的治疗策略将类似于合成致死的策略,例如,FSP1、DHODH或GCH1低表达的癌细胞通常更容易受到GPX4抑制剂的影响;相反,GPX4低表达的癌细胞更依赖FSP1或DHODH来防御铁死亡,因此对FSP1或DHODH失活更敏感。这也表明,铁死亡防御系统基因的表达水平可以作为生物标志物进行探索,以选择出最适合患者的铁死亡诱导剂进行癌症治疗(图2c)。

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图2

4.肿瘤微环境中的铁死亡

肿瘤微环境(TME),特别是其中的免疫细胞,对癌细胞铁死亡有重要影响。CD8+细胞毒性T细胞是TME中抗肿瘤免疫的主要执行者,它分泌的IFNγ通过下调SLC7A11的表达来抑制癌细胞对胱氨酸的吸收,从而促进肿瘤中的脂质过氧化和铁死亡。免疫检查点抑制剂联合胱氨酸酶协同促进了肿瘤铁死亡并增强了抗肿瘤免疫反应,表明铁死亡在T细胞介导的抗肿瘤免疫中非常重要。值得注意地,铁死亡的癌细胞可以释放一些免疫刺激信号以促进树突状细胞的成熟,并提高巨噬细胞对铁死亡癌细胞的吞噬效率,进一步增强CD8+T细胞对肿瘤的浸润,这也表明铁死亡可能是一种免疫原性细胞死亡(immunogenic cell death,or ICD)。

此外,在一些免疫抑制细胞中诱导铁死亡也可以增强抗肿瘤免疫力,例如通过抑制GPX4或者ASAH2在调节性T(Treg)细胞,髓源性抑制细胞(MDSCs),以及M2样表型肿瘤相关巨噬细胞(M2-like TAMs)中诱导铁死亡。然而,一些证据也表明铁死亡诱导(尤其是GPX4抑制剂)可能会损害CD8+T细胞和滤泡辅助T细胞(Tfh),从而损害抗肿瘤免疫力并促进肿瘤发展(图3)。

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图3

5.在癌症治疗中靶向铁死亡

铁死亡诱导剂在癌症治疗中显示出了巨大潜力,并且纳米材料的开发使得在肿瘤局部诱导铁死亡成为可能。此外,铁死亡诱导剂可以通过增强多种癌症疗法介导的铁死亡来提高这些疗法的疗效。

(1)利用癌细胞对铁死亡的脆弱性

如前所述,铁死亡在某些癌症类型中代表了一种脆弱性,通过诱导铁死亡来针对这些脆弱性为癌症治疗提供了机会。值得注意的是,在几种癌症类型中(如肺癌和乳腺癌),癌细胞似乎比其相应的正常上皮细胞对铁死亡更敏感。这表明,存在适当的治疗窗口,可以在肿瘤中选择性地诱导铁死亡,而不影响正常组织。

(2) 使铁死亡抵抗肿瘤对铁死亡重新敏感

如前所述,不同的铁死亡逃逸机制赋予了癌细胞的铁死亡抗性,因此破坏驱动铁死亡逃逸的机制可以使这类癌细胞或肿瘤对铁死亡重新敏感。由某些具有致癌活性的基因介导的铁死亡抵抗可以通过抑制基因本身的蛋白产物表达或活性来克服,也可以通过靶向其下游效应物来逆转铁死亡抵抗。总的来说,针对赋予铁死亡抗性的关键致癌途径是癌症治疗的一个重要战略。

(3) 铁死亡诱导剂联合常规癌症疗法

通过铁死亡诱导剂增强一些常规疗法介导的铁死亡也是一个重要策略。癌细胞可以上调SLC7A11或GPX4的表达以对抗放疗诱导的铁死亡,因此,以SLC7A11或GPX4为靶点的铁死亡诱导剂可以增敏放疗。吉西他滨(一种化疗药物)也可以诱导GPX4的表达和活性,因此抑制GPX4可以通过增强吉西他滨诱导的铁死亡而增加肿瘤对吉西他滨的敏感性。同样,靶向SLC7A11的铁死亡诱导剂可以使癌细胞对化疗(如顺铂和多柔比星)和免疫检查点抑制剂敏感。

值得注意的是,对于一些具有内源性或获得性治疗抵抗的癌症,铁死亡诱导剂可以恢复其对常规疗法的敏感性。例如靶向SLC7A11或者GPX4的铁死亡诱导剂可以使p53或KEAP1突变的肿瘤,以及获得性放射抵抗的癌细胞,对放疗重新敏感。此外,靶向SLC7A11的铁死亡诱导剂可以使顺铂抵抗的头颈部鳞癌,多西他赛抵抗的卵巢癌对这些化疗药物重新敏感。同样地,特异性抑制剂也可以与常规疗法相结合,以恢复这些疗法诱导的铁死亡并逆转治疗抗性。例如,抑制TYRO3可以逆转PD-1/PD-L1治疗的抗性,而抑制MT1G可以恢复索拉非尼的疗效。

因此,肿瘤对放疗、化疗、免疫治疗和其他靶向治疗的耐药性与铁死亡抵抗有关,这种表型可以通过用铁死亡诱导剂或其他抑制剂恢复铁死亡而得到逆转。值得注意的是,铁死亡诱导剂与常规治疗的结合,在正常细胞中引起的毒性作用似乎相对有限,并且在临床前模型中显示出良好的耐受性。目前正在进行几项临床试验,以测试铁死亡诱导剂对癌症患者的疗效和安全性。

展望未来

(1) GPX4抑制剂对靶向癌症中铁死亡脆弱性至关重要,GPX4共价抑制剂ML210及其最近设计的衍生物(如JKE-1674)比RSL3和ML162更具选择性;然而,大多数这些抑制剂在动物模型中表现出不良(或不明确)的药理特性,限制了其临床转化的潜力。开发和优化具有更好的药代动力学和选择性的GPX4靶向药物,仍然是在癌症治疗中采用GPX4抑制的主要障碍。在这方面,目前有几种具有GPX4抑制活性的体内稳定的抗癌药物,如withaferin A和altretamine,可能为解决这个问题提供了一个替代方案。此外,药物抑制GPX4是否能选择性地杀死肿瘤而不引起正常组织的广泛毒性和病人难以忍受的副作用也有待确定。

(2) 除了癌细胞,TME中促进或抑制抗肿瘤免疫的免疫细胞,也可能易受到铁死亡的影响。因此,如何平衡癌细胞、抗肿瘤免疫细胞和免疫抑制细胞的铁死亡脆弱性,仍然是一个关键的障碍。要解决这个问题,重要的是要全面了解癌细胞和各种免疫细胞对铁死亡的不同敏感度和内在机制。

(3) 需要开发能准确预测肿瘤对铁死亡诱导反应的生物标志物,特别是那些可以直接在患者体液和活检标本中检测的生物标志物,这对筛选适合铁死亡诱导剂治疗的癌症患者,并明确最佳方案至关重要。

(4) 对铁死亡机制的更深入了解将继续为在癌症中靶向铁死亡提供关键的见解。例如,细胞膜GPX4是否能在线粒体内大量定位并抑制线粒体脂质过氧化仍有待澄清。另一个关键问题是,质膜上的脂质过氧化是否代表最后的步骤,或者是否还有其他尚不清楚的下游步骤来触发质膜破裂和铁死亡。了解这些基本问题可能有助于确定癌症治疗的新目标。

通讯作者和第一作者简介

  论文通讯作者甘波谊教授任职于美国德克萨斯大学MD安德森癌症中心,并担任放射与癌症代谢中心主任。长期从事肿瘤代谢、铁死亡、肿瘤治疗等方向研究 (/research/departments-labs-institutes/labs/gan-laboratory.html),在Nature、Cancer Cell、Nature Cell Biology、Nature Communications、PNAS、Cell Research等杂志发表文章70多篇,引用19,000次。主持NIH、CPRIT等机构的多个研究项目,担任众多国际知名学术期刊评委。甘波谊教授团队近年在国际知名杂志, 如 Nature, Nature Cell Biology, Cell Research, Nature Communications, 以通讯作者发表多篇论文阐述铁死亡和胱氨酸代谢与肿瘤发生及治疗的关系 (1-9)。实验室欢迎对铁死亡和肿瘤代谢及其应用研究感兴趣的博士后、研究生加入。通讯邮箱:bgan@mdanderson.org

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 论文第一作者雷光博士,2018年作为研究生加入MD Anderson Cancer Center 甘波谊教授实验室从事铁死亡研究。雷博士以第一作者在Cell Research,Nature Communications,Oncogene,Protein & Cell等国际知名杂志发表文章多篇,专注于铁死亡和相关代谢通路在肿瘤放疗和靶向治疗中的机制和临床转化研究。

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