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肿瘤治疗新靶点：铁死亡调控新机制-非谷胱甘肽依赖的铁死亡抑制分子FSP1

2020年01月18日

作者：周济春博士浙江大学医学院附属邵逸夫医院肿瘤外科

来源：肿瘤资讯

1. 铁死亡（Ferroptosis）为新近发现的细胞死亡方式，以铁依赖、脂质过氧化为特征。铁死亡在癌症、肾脏损伤、心脏缺血性疾病、退行性疾病等众多疾病中具有重要作用。

2. 既往研究发现谷胱甘肽过氧化物酶GPX4蛋白在铁死亡中发挥重要作用。GPX4与谷胱甘肽GSH协同抑制脂质过氧化可抑制铁死亡的发生。

3. 随后的研究发现ACSL4可促进铁死亡的发生，但单独抑制GPX4蛋白并不能诱导所有细胞发生铁死亡，这提示细胞内存在不依赖于GPX4的铁死亡抑制分子。

4. 进一步探索影响肿瘤细胞铁死亡敏感性的相关分子，有望为靶向肿瘤耐药治疗提供新策略。

5. 本期周济春博士解读该领域最新研究成果，铁死亡调控新机制-非谷胱甘肽依赖的铁死亡抑制分子FSP1。

周济春

博士、副主任医师

浙江大学医学院附属邵逸夫医院肿瘤外科副主任医师
耶鲁大学与浙江大学联合培养肿瘤学博士，耶鲁大学博士后，剑桥大学附属阿登布鲁克医院访问学者，伦敦圣乔治大学附属医院访问学者
临床方面严格按照循证原则，擅长乳腺，甲状腺，胃肠道肿瘤等常见实体瘤的个体化精准治疗。包括乳腺良恶性肿瘤微创活检，保乳根治术，改良根治术，前哨淋巴结活检，各种乳房重建术，以及乳腺癌综合诊治，甲状腺良恶性疾病的微创治疗。基础研究方面主要围绕乳腺癌内分泌耐药机制及逆转策略，乳腺癌癌前病变开展转化医学研究。
浙江省卫生高层次人才培养对象（医坛新秀）（ 2020年），浙江大学郑树医学精英奖学金获得者（ 2019年），浙江大学医学院附属邵逸夫医院优青培育人才项目（ 2018年），首届中国临床肿瘤学会（CSCO）“35 under 35”青年潜力肿瘤医生称号获得者（ 2017年）。
主持和主参与国家自然科学基金课题5项，科技部支撑项目1项及浙江省自然基金项目多项。已发表SCI论文30余篇，包括PNAS, Nature Communications, Nucleic Acids Research，Journal of Hematology & Oncology, Oncogene, EMBO Molecular Medicine等国际知名杂志，被他人引用次数超1700次， H-Index 17 。

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缘起

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治疗肿瘤以杀灭肿瘤细胞、控制肿瘤生长为首要目的。如何有效引起肿瘤细胞死亡是肿瘤治疗的关键环节。随着基础研究的推进，诸多不同形式的细胞死亡形式被不断发现，并成为肿瘤治疗的有效靶点。自噬（Autophagy），铁死亡（Ferroptosis）作为新近发现的细胞死亡方式，引起广泛关注。

图片3.png 图片4.png 我们课题组前期研究发现作为细胞死亡形式之一的自噬与乳腺癌他莫昔芬治疗耐药相关。

同时我们对相关文献进行综述后发现，自噬与铁死亡在导致肿瘤耐药中具有重要作用，靶向铁死亡在逆转耐药方面具有重要意义。图片5.png 图片6.png

早在2012年Brent R. Stockwell教授首次发现并提出铁死亡这一概念，并阐述了其关键的分子机制：谷胱甘肽依赖的GPX4抑制磷脂过氧化，可抑制铁死亡的发生。

图片7.png 2019年10月21日Nature杂志上背靠背发表重磅文章，阐明了FSP1蛋白具有抑制铁死亡的作用及具体机制。Brent R. Stockwell在评论文章中指出，新的研究结果极大扩展了铁死亡的研究范畴，揭示了一个新的铁死亡抑制机制，且这一机制有望成为癌症治疗的新靶点。

本次选择其中一篇来自德国的研究进行学习。

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FSP1是非谷胱甘肽依赖的铁死亡抑制蛋白

摘要：铁死亡是一种铁依赖的细胞死亡形式，以磷脂氧化损伤为特征。本研究之前，铁死亡被认为是由GPX4和自由基抗氧化调控。深入挖掘影响细胞铁死亡敏感性的机制对于理解铁死亡在病理生理过程中的作用和靶向铁死亡用于肿瘤治疗具有重要意义。尽管细胞代谢和磷脂成分影响铁死亡敏感性，目前尚未发现细胞耐受铁死亡的自主机制。本研究采用克隆表达策略在人类癌细胞中筛选出能抑制GPX4丢失所致的铁死亡的基因。研究发现AIFM2基因具有抑制铁死亡的功能，研究者将其重新命名为FSP1 （具有抑制GPX4敲除所致的铁死亡），该基因在既往研究中被认为具有促进细胞凋亡的作用。此外，研究者进一步研究发现，FSP1抑制铁死亡的主要机制是利用NAD（P）H还原CoQ10，抑制脂质过氧化，进而抵抗铁死亡发生。药物靶向FSP1与GPX4抑制剂协同作用可诱发一系列肿瘤细胞的铁死亡。研究结论：FSP1-CoQ10-NAD（P）H信号通路作为独立的系统，与GPX4和谷胱甘肽协同，抑制磷脂过氧化和铁死亡。图片10.png 研究者利用慢病毒cDNA文库，转染肿瘤细胞株建立不同基因表达的细胞亚克隆。TAM诱导条件性敲除Gpx4后加入铁死亡诱导剂RSL3，去除存活的假阳性细胞株。通过测序证实FSP1过表达可补偿GPX4敲除后，RSL3所诱导的铁死亡发生。研究者同时通过LDH释放检测，细胞活性实验等证实过表达FSP1可抑制GPX4敲低所致的铁死亡，提示FSP1是一种独立于GPX4的铁死亡抑制分子。

图片11.png 研究者进一步探索FSP1抑制铁死亡的蛋白结构基础。基于前期的工作，研究者发现FSP1蛋白的N-末端在抑制铁死亡中具有重要作用。而FSP1的N-末端中含有经典的豆蔻酰化修饰相关基序（motif），并影响其与双脂层结构相互作用。研究者对FSP1的N-末端进行突变，构建FSP1的突变体FSP1（G2A），并证实FSP1（G2A）蛋白不存在豆蔻酰化修饰。研究者进一步研究提示，突变的FSP1（G2A）不具有抑制铁死亡的作用。此外FSP1抑制铁死亡的作用，可被泛豆蔻酰转移酶抑制剂消除。上述结果提示FSP1蛋白需要被豆蔻酰化后才能发挥抑制铁死亡的作用。

此外，研究者还初步探索了FSP1蛋白的亚细胞定位，提示FSP1与内质网和高尔基体共分布，而突变的FSP1（G2A）则呈现泛细胞分布。这一结果初步提示铁死亡的发生可能与上述细胞器密切相关。背靠背发表的另外一个研究发现FSP1抑制铁死亡与浆膜（plasma membrane）密切相关。

图片12.png 如前所述，铁死亡以脂质过氧化为特征。研究者通过BODIPY 581/591 C11标记的方法证实过表达FSP1能抑制RSL3所诱导的脂质过氧化。同时FSP1过表达可显著减少因Gxp4敲除后磷脂过氧化（pLPO）产物。

那么FSP1通过何种分子机制发挥抑制铁死亡的作用呢？基于既往的研究报道，研究者推测FSP1 可能通过NAD（P）H产生亲脂的自由基清除抗氧化剂。而辅酶Q10（CoQ10）已经被证实是磷脂和脂蛋白非常好的自由基清除抗氧化剂。因此研究者大胆假设，严谨验证，通过敲除合成的关键酶CoQ10，热动力学实验（检测Km，Ki，Vmax），NADH消耗实验等证实FSP1 与CoQ10存在互作（FSP1还原CoQ10），阻止脂质过氧化，抑制铁死亡，且此过程需要NAD（P）H的参与。

图片13.png 研究者发现FSP1抑制铁死亡的生物分子机制后，进一步探索该机制在治疗肿瘤中的作用。研究者筛选10000多种药物后发现了FSP1的抑制剂（iFSP1）。iFSP1能有效杀伤FSP1过表达/Gpx4敲除癌细胞。同时在多个癌种的细胞系中证实敲除FSP1能显著提高RSL3通过诱导铁死亡杀伤肿瘤的作用。反之过表达FSP1能提高癌细胞对铁死亡的耐受。具体以乳腺癌细胞MDA-MB-436为例，铁死亡诱导剂RSL3处理时，敲低FSP1可导致细胞活性下降，过表达FSP1可逆转上述效应。

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研究者在多个癌种的细胞系中证实FSP1抑制剂（iFSP1）可促进肿瘤细胞发生铁死亡（逆转FSP1所致的铁死亡抵抗）。

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此外研究者还利用公共数据库在860株癌细胞中证实：FSP1蛋白表达与肿瘤细胞耐受RSL3，ML162和ML210等铁死亡诱导剂的杀伤能力直接相关。利用含559株癌细胞的癌症依赖图谱数据库（DepMap），研究者还发现FSP1低表达时，肿瘤细胞对GPX4依赖增加。

研究结论：本研究发现NADH–FSP1–CoQ10信号通路能显著抑制磷脂过氧化和铁死亡，并首次证明磷脂氧化还原稳态可独立于谷胱甘肽-GPX4信号通路。在药物治疗方面，可利用本研究发现探索如何进一步提高铁死亡诱导剂杀伤肿瘤细胞的效率。此外该研究可以解释NAD（P）H和泛醌丢失导致甲羟戊酸通路障碍可影响FSP1功能，可预测细胞对铁死亡的敏感性。

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周济春博士点评

由于在癌症，肾脏损伤，心脏缺血性疾病，退行性疾病等众多疾病中具有重要作用，铁死亡正逐步成为基础研究领域的热点。本研究利用高通量平台，在原有基础上（GSH-GPX4）扩展了铁死亡的分子机制（FSP1-NADH-CoQ10），推动了铁死亡研究的范畴。同时筛选到iFSP1这一可与铁死亡诱导剂协同作用促进肿瘤细胞铁死亡的分子，为后续临床应用奠定了坚实基础。

该研究的Supplementary data提示FSP1在不同乳腺癌细胞中表达存在较大差异，同时现有公共数据库的探索提示FSP1表达水平与乳腺癌患者预后不尽一致。因此FSP1分子能否作为乳腺癌治疗的潜在靶点仍需后续研究证实。

责任编辑：Linda
排版编辑：Linda