編輯丨王多魚
排版丨水成文
鐵死亡（Ferroptosis） 是一種鐵離子依賴的由過量脂質過氧化積累導致的細胞膜破裂的程式性細胞死亡。透過體內體外對鐵死亡機制和功能的研究發現，靶向鐵死亡是一種精準治療的潛在方法。然而直接靶向管家基因GPX4誘導的鐵死亡會對正常組織產生不可避免地損傷：2022年11月，和賓夕法尼亞大學研究人員在Nature上發文證實經典鐵死亡誘導劑會導致腫瘤內免疫細胞，特別是中性粒細胞的鐵死亡，從而破壞腫瘤免疫從而促進腫瘤生長。因此，探索不依賴於經典鐵死亡抑制劑的體內啟用鐵死亡來治療腫瘤的方法是一個亟需解決的科學問題。
哥倫比亞大學歐文醫學中心醫學研究所顧偉教授團隊自2015年以來在鐵死亡抑制腫瘤發生發展領域做出了一系列的工作：2015年在Nature發文揭示p53透過抑制胱氨酸轉運蛋白SLC7A11表達促進鐵死亡，建立了p53及p53乙醯化與鐵死亡新的聯絡；2019年在Nature Cell Biology發文提出p53介導的鐵死亡是透過脂質加氧酶ALOX12由高ROS驅動下實現的；2021年在Nature Communications發文揭示p53轉錄調控磷脂酶iPLA2β能夠發揮獨立於GPX4的調控鐵死亡機制；2023年在Cell Metabolism發文報道p53可以透過抑制維生素K代謝促進鐵死亡從而抑制腫瘤的發生發展。
2024年2月2日，顧偉教授團隊（楊鑫博士為第一作者）再次在Cell Metabolism期刊上發表了題為：PHLDA2-mediated phosphatidic acid peroxidation triggers a distinct ferroptotic response during tumor suppression 的研究論文。
該研究揭示了由膜結合蛋白PHLDA2介導的一條酶催化的非經典的磷脂酸（phosphatidic acid，PA）過氧化誘導的鐵死亡通路在腫瘤抑制中發揮關鍵作用。
首先，研究團隊透過CRISPR-Cas9全基因組敲除篩選發現膜結合蛋白PHLDA2和經典鐵死亡誘導基因ACSL4都可以作為關鍵調控因子參與胱氨酸飢餓導致的鐵死亡。細胞內無論是PHLDA2或ACSL4的敲除均會降低胱氨酸飢餓後脂質過氧化的水平和鐵死亡。由於胱氨酸飢餓不僅會導致谷胱甘肽（GSH）水平下降從而抑制GPX4功能，還會導致活性氧（ROS）水平上調。因此，他們對細胞進行有機過氧化物處理，包括過氧化氫叔丁醇（TBH，tert-butyl hydroperoxide）或過氧化氫異丙苯（CMH，cumene hydroperoxide），來探索模擬高ROS水平的條件下細胞鐵死亡的調節。研究團隊首先證明8小時以內TBH或CMH處理導致的細胞死亡全部是鐵死亡。他們進一步發現PHLDA2敲除細胞顯著抑制高水平ROS誘導的脂質過氧化的水平和細胞死亡，而ACSL4敲除不會改變細胞對高水平ROS誘導的鐵死亡的敏感度。眾所周知，ACSL4敲除會顯著降低細胞對GPX4抑制劑（例如RSL-3）導致的鐵死亡敏感度，但是PHLDA2敲除細胞對於GPX4抑制劑誘導的鐵死亡沒有影響。這些實驗說明PHLDA2是胱氨酸飢餓或高水平ROS誘導的鐵死亡中不可缺少的因子，其功能獨立於經典的ACSL4-GPX4介導的鐵死亡通路。
顧偉課題組前期研究證明催化多不飽和脂肪酸（PUFA）氧化的脂氧合酶ALOX12是高水平ROS誘導的鐵死亡中的關鍵因子，但是嚴格定位於細胞質內的ALOX12如何發揮促進膜上脂質過氧化的機制仍不明確。透過對純化的ALOX12結合蛋白質複合物進行質譜分析，研究團隊鑑定出PHLDA2是ALOX12的結合蛋白。透過一系列體內體外生物化學實驗和細胞鐵死亡實驗，他們證明ALOX12與PHLDA2結合對於高水平ROS誘導的鐵死亡至關重要。
考慮到ACSL4/GPX4通路調控的鐵死亡的機制主要是由磷脂醯乙醯胺（PE， phosphatidylethanolamine）過氧化所決定的，研究團隊進一步透過體外靶向磷脂氧化實驗探索PHLDA2- ALOX12介導的高水平ROS誘導的鐵死亡的機制。他們首先檢測PHLDA2 與不同型別磷脂之間的結合親和力，發現PHLDA2和PA具有顯著的結合能力，且與PE不結合。儘管ALOX12本身不能夠結合任何磷脂，但在PHLDA2存在時ALOX12也能夠顯著結合PA，且不結合PE，說明PHLDA2能招募ALOX12至特定種類的磷脂。進一步透過靶向氧化磷脂組學，作者發現PHLDA2能顯著增強ALOX12催化的花生四烯酸酯化磷脂（18:0/20:4-PA）的過氧化，且抑制18:0/20:4-PE的過氧化，說明PHLDA2透過其選擇性結合磷脂的能力調控ALOX12對於磷脂的選擇性過氧化。進一步，研究團隊在ACSL4/GPX4雙敲除細胞中孵育含有18:0/20:4-PA的脂質體，此時過表達PHLDA2和ALOX12能夠顯著增強細胞鐵死亡的水平，證實PHLDA2/ALOX12複合物可以透過催化的帶有長鏈不飽和脂肪酸的PA的過氧化在沒有經典鐵死亡誘導劑的條件下啟動鐵死亡。
為了進一步闡明PA介導的高水平ROS誘導的鐵死亡的內在代謝調控機制，研究團隊比較了RSL-3和TBH處理的CRISPR-Cas9全基因組敲除篩選結果。他們發現GPAT3是PA合成酶中唯一一個在TBH誘導的鐵死亡起到關鍵作用的。GPAT3敲除細胞顯著抑制胱氨酸飢餓或TBH誘導的鐵死亡，而在RSL-3誘導的鐵死亡中沒有明顯作用。透過磷脂代謝組學分析，他們發現TBH處理後可以顯著降低PUFA-PA的含量且敲除GPAT3或者鐵死亡抑制劑Ferrostatin-1處理可以完全挽救這個現象，證明高水平ROS誘導的鐵死亡中存在PUFA-PA的消耗。進一步透過氧化磷脂代謝組學分析，他們發現所有型別的磷脂在TBH處理後都會出現過氧化水平上升的現象，但是隻有PUFA-PA的氧化會被敲除GPAT3或者鐵死亡抑制劑Ferrostatin-1處理完全挽救。很有意思的是，敲除GPAT3的細胞在TBH處理下並沒有出現細胞死亡現象，但是PUFA-PE的過氧化仍然維持在很高的水平，說明PUFA-PE的過氧化在高水平ROS誘導的鐵死亡中的作用微乎其微。
最後，為了闡明PHLDA2介導的PA過氧化誘導的鐵死亡在體內腫瘤抑制中的作用，作者首先利用免疫缺陷的異種移植模型探索PHLDA2在腫瘤生長中的作用。和ACSL4敲除組相比，PHLDA2敲除顯著促進腫瘤的生長。透過各項鐵死亡標誌物的分析，研究團隊發現與ACSL4敲除組相比，PHLDA2敲除的腫瘤中表現出明顯的鐵死亡抑制現象。他們進一步在免疫系統完整的小鼠中構建了致癌物（DEN，diethylnitrosamine）誘發的肝癌模型和Eµ-Myc誘導的淋巴瘤模型，發現PHLDA2敲除會顯著增強腫瘤的發生發展，證明PHLDA2介導的鐵死亡在腫瘤抑制中發揮關鍵的作用。
綜上所述，該研究證明了PHLDA2介導的鐵死亡對於機體抵抗腫瘤發生至關重要。考慮到PHLDA2介導的鐵死亡不需要經典鐵死亡誘導劑的誘導，而是在高水平ROS積累下自然發生的，這項工作將為腫瘤治療中靶向鐵死亡提供了新思路。
哥倫比亞大學顧偉教授為論文通訊作者，楊鑫博士為論文第一作者。該工作得到了匹茲堡大學Valerian E. Kagan教授、哥倫比亞大學Hülya Bayir教授、Brent R. Stockwell教授和張志國教授以及紀念斯隆-凱特琳癌症中心姜學軍教授等合作者的大力支援。
通訊作者簡介：顧偉教授1986年畢業於北京大學，1995年獲得哥倫比亞大學博士學位，2007年至今在哥倫比亞大學擔任正教授以及哥倫比亞大學歐文醫學中心Abraham and Mildred Goldstein Professor。
顧偉教授主要從事p53及p53相關調控通路（乙醯化和泛素化）在腫瘤抑制的相關研究。近些年顧偉教授在p53及p53相關調控通路如何透過代謝調控鐵死亡參與腫瘤抑制領域取得了一系列研究成果。顧偉教授在 Cell、Nature、Science、Nature Cell Biology、Cell Metabolism、Molecular Cell、Nature Cancer 等國際頂尖雜誌上發表論文60餘篇，論文總被引超過55000次（Google Scholar），並擔任Cell、Nature、Science、Molecular Cell等國際權威雜誌的特約評審人。
第一作者簡介：楊鑫博士2019年獲得北京大學博士學位。2019年至今在哥倫比亞大學顧偉教授實驗室進行博士後工作。楊鑫博士專注於探索癌症遺傳學如何透過腫瘤代謝重程式設計調控細胞命運從而發揮促癌或者抑癌的作用，特別是抑癌因子p53在調節代謝和鐵死亡中的作用。楊鑫博士以第一作者在Cell Metabolism（2篇）、Molecular Cell、Science Advances、Cancer Research、STAR Protocols等發表多篇論文。
論文連結：
https://www.cell.com/cell-metabolism/fulltext/S1550-4131(24)00005-6
