Nature背靠背 | 铁死亡调控新途径

十一月 BioArt植物

撰文 | 十一月

责编 | 兮

铁死亡（Ferroptosis）是铁离子依赖型的细胞坏死【1】。关于经典的铁死亡目前为止已知的信号调控通路是由谷胱甘肽过氧化物酶GPX4【2,3】以及自由基捕获抗氧化物（Radical-trapping antioxidants，RTAs）【4,5】介导的。铁死亡在细胞代谢、氧化还原状态以及退行性疾病、癌症等方面发挥中重要的作用【6】。因此，通过抑制GPX4来诱导铁死亡的方式目前有望成为诱导癌症细胞死亡达到治疗某些癌症的治疗策略【7】。但是需要注意的一点是，GPX4抑制剂在不同的癌症细胞系中的响应并不一致【8】，这说明可能存在其他因子调控铁死亡。

为了找到这一现象的原因以及铁死亡是否存在平行于GPX4的信号调控方式，2019年10月21日，德国Neuherberg发育遗传学研究所Marcus Conrad研究组与德国Würzburg Rudolf Virchow实验生物医学中心José Pedro Friedmann Angeli研究组合作，加州大学伯克利分校的James A. Olzmann研究组（以下简称德国组与美国组）在Nature以背靠背方式发表文章，分别题为FSP1 is a glutathione-independent ferroptosis suppressor与The CoQ oxidoreductase FSP1 acts parallel to GPX4 to inhibit ferroptosis，鉴定出了独立于GPX4的新颖的铁死亡信号通路。

为了解决该问题，德国组的实验方案是通过在GPX4缺失的情况下下进行筛选，找到能够补足GPX4引起铁死亡的其他因子（图1）。而美国组采用了合成致死CRISPR-Cas9的筛选方案（图2）。两个研究组同时发现了铁死亡抑制蛋白FSP1（Ferroptosis suppressor protein 1），FSP1最初被鉴定时称为AIFM2（Apoptosis-inducing factor mitochondrial 2) 。AIFM2是由于与凋亡相关的因子AIFM1存在序列相似性而被命名【9】，为了防止混淆，德、美两个研究组决定将该蛋白的名字改为FSP1。FSP1在细胞中过表达能够显著保护细胞免受铁死亡诱导因子引发铁死亡的影响。这是迄今为止，首次发现能够补偿GPX4缺失的酶催化系统。

图1 德国组筛选方案

图2 美国组筛选方案

并且德国组发现在FSP1的N端加上标签会完全影响其抗铁死亡的能力。因此，作者们推断FSP1的N端可能存在一些重要的修饰位点。的确，通过预测后作者们发现，FSP1的N端存在经典的豆蔻酰化修饰的基序【10】，而该基序的存在说明FSP1可能与脂质双分子存在相互联系【11】。美国组也同样通过FSP1在脂滴以及脂膜上的定位，发现了FSP1存在豆蔻酰化的修饰。而且，通过对FSP1中豆蔻酰化修饰位点的突变进一步证明了FSP1只有被豆蔻酰化修饰后才能够起到抗铁死亡的功能。

那么，FSP1是如何抑制铁死亡的呢？通过前人的研究，AIF家族被发现具有辅酶Q（CoQ₁₀）氧化还原酶的活性【12】。德国组发现在FSP1过表达的情况下，铁死亡被抑制。但是CoQ₁₀同时缺陷时候，细胞抑制铁死亡的能力消失。作者们进一步地发现FSP1通过还原CoQ₁₀来阻止脂质氧化。美国组也通过对FSP1中结合辅因子的保守谷氨酸进行突变证明了FSP1通过还原CoQ₁₀进而抑制铁死亡。

这一令人兴奋的发现让德、美两个研究组将目光放在了FSP1对于癌症治疗方面的策略探究方面。美国组发现FSP1可以作为多种癌症细胞中铁死亡抵抗能力的生物标记物。在肺癌细胞中，当GPX4失活后，FSP1的存在能够维持肺癌细胞的生长。因此，FSP1的抑制剂可能会成为癌症治疗药物靶标之一。而德国组通过在GPX4 KO/WT的细胞中过表达FSP1来进行药物筛选。在筛选了约为10,000种药物混合物【2】后，找到了FSP1的抑制剂iFSP1 (图3) 。在多种癌细胞中，FSP1都能够表达，而iFSP1处理后能够显著影响这些细胞系对于铁死亡的敏感性。

图3 德国组鉴定FSP1抑制剂

总的来说，德、美两个研究组的工作鉴定出了独立于经典的GPX4信号通路的铁死亡抑制因子FSP1（图4），并且均发现FSP1的豆蔻酰化对于抑制铁死亡的活性非常关键。FSP1通过还原CoQ10来阻止脂质氧化，进而抑制铁死亡。这一重磅发现对于癌症中铁死亡相关的药物的开发等方面提供了重要的策略参考。

图4 FSP1独立于GPX4信号通路作为铁死亡的抑制因子发挥作用

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1705-2

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1707-0

参考文献

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2. Friedmann Angeli, J. P. et al. Inactivation of the ferroptosis regulator Gpx4 triggers acute renal failure in mice. Nature cell biology 16, 1180-1191, doi:10.1038/ncb3064 (2014).

3. Yang, W. S. et al. Regulation of ferroptotic cancer cell death by GPX4. Cell 156, 317-331, doi:10.1016/j.cell.2013.12.010 (2014).

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5. Shah, R., Shchepinov, M. S. & Pratt, D. A. Resolving the Role of Lipoxygenases in the Initiation and Execution of Ferroptosis. ACS central science 4, 387-396, doi:10.1021/acscentsci.7b00589 (2018).

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10. Eisenhaber, F. et al. Prediction of lipid posttranslational modifications and localization signals from protein sequences: big-Pi, NMT and PTS1. Nucleic acids research 31, 3631-3634, doi:10.1093/nar/gkg537 (2003).

11. Borgese, N., Aggujaro, D., Carrera, P., Pietrini, G. & Bassetti, M. A role for N-myristoylation in protein targeting: NADH-cytochrome b5 reductase requires myristic acid for association with outer mitochondrial but not ER membranes. The Journal of cell biology 135, 1501-1513, doi:10.1083/jcb.135.6.1501 (1996).

12. Elguindy, M. M. & Nakamaru-Ogiso, E. Apoptosis-inducing Factor (AIF) and Its Family Member Protein, AMID, Are Rotenone-sensitive NADH:Ubiquinone Oxidoreductases (NDH-2). The Journal of biological chemistry 290, 20815-20826, doi:10.1074/jbc.M115.641498 (2015).

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