铁死亡（ferroptosis）是一种铁离子依赖型细胞坏死。代谢过程中脂类过氧化物的积累引起细胞膜破裂从而导致细胞死亡。研究显示多种因素可以影响细胞对铁死亡的敏感性。这其中包括氧化还原稳态，线粒体活性，铁元素代谢以及脂类和氨基酸代谢。目前认为细胞主要通过两种机制抵御铁死亡：1. GPX4 催化脂类过氧化物还原成对应的醇，从而保护细胞膜不受损伤。2. 通过生成各种自由基捕获抗氧化物 (radical-trapping antioxidants)，减少自由基在细胞的扩增与传播。近年来发现的FSP1，DHODH，GCH1等都是通过这种机制抑制铁死亡的发生【1】。
作为抵御铁死亡的核心蛋白之一，GPX4的酶活性高度依赖于蛋白序列中的硒半胱氨酸（selenocysteine）。其结构与半胱氨酸类似，但硫原子被硒取代。所有包含硒半胱氨酸的蛋白统称为硒蛋白。在遗传密码中，硒半胱氨酸的编码是UGA。该编码通常为终止密码子。为了避免误读，所有硒蛋白基因的mRNA序列中都包含有一段硒半胱氨酸插入序列（SElenoCysteine Insertion Sequence，SECIS）。在蛋白翻译过程中，该序列可以召集特异的硒半胱氨酸tRNA和延伸因子，从而保证硒半胱氨酸正确的被输送到参与翻译的核糖体上。
经典的理论认为，硒蛋白的调控是以等级制度的方式进行的 (selenoproteins hierarchy)【2】。当面临硒元素缺失时，细胞会以牺牲非必须硒蛋白的方式，优先保证必须硒蛋白 (essential selenoproteins) 的表达和功能。而GPX4做为最重要的蛋白之一，更是位于这个调控等级的最上层。该理论在多个动物实验中都得到了验证【2,3】。
2022年5月30日，美国加州大学伯克利分校的James Olzmann研究组（第一作者为Zhipeng Li）在Nature Chemical Biology杂志上发表了题为Ribosome stalling during selenoprotein translation exposes a ferroptosis vulnerability 的研究论文。作者在研究中意外发现当三阴性乳腺癌细胞面对硒元素缺失时，GPX4的蛋白含量首先被下调。进一步的研究证明这种下调是由于蛋白翻译过程中核糖体碰撞触发的翻译提前终止导致的。
继鉴定出FSP1在铁死亡调控中的作用后【4】，该研究组希望进一步筛选出不依赖于FSP1的铁死亡保护因子。作者选取了一株低FSP1表达，并且对铁死亡诱导药物不敏感的三阴性乳腺癌细胞系。通过合成致死全基因组CRISPR-Cas9筛选，作者发现了低密度脂蛋白受体相关蛋白 (LRP8, LDL receptor related protein 8)。LRP8的敲除导致细胞对铁死亡更加敏感。作为低密度脂蛋白受体家族的一员，LRP8具有与其他成员如LDLR和VLDLR等类似的功能。然而，敲除LDLR或者VLDLR并不能使细胞对铁死亡敏感。这说明LRP8不是通过直接调控脂类代谢而保护细胞免受铁死亡影响的。之前的研究显示，LRP8也是硒蛋白SELENOP的受体之一【5】。代谢过程中，绝大多数硒元素以硒蛋白SELENOP的形式被细胞吸收。为了验证LRP8是否通过调节硒元素代谢以抑制铁死亡，作者首先测量了细胞中硒含量。实验结果表明LRP8敲除细胞中的硒元素降低了60%。在细胞培养液中加入不依赖于LRP8的无机亚硒酸盐可以完全消除LRP8敲除导致的铁死亡敏感。考虑到GPX4的硒蛋白属性，作者系统地比较了LRP8敲除后在该细胞系中表达的18个硒蛋白的含量的变化。观察发现，GPX4在硒元素缺失的条件下，含量显著降低，并且是首先降低的４个硒蛋白之一。这个表型显然与经典的硒蛋白等级调控理论不符。为了进一步弄清GPX4蛋白含量降低的原因，作者分别测量了mRNA表达量，蛋白翻译和降解活性，确定LRP8的敲除导致GPX4翻译降低。GPX4核糖体图谱分析（ribosome profiling）显示，50% 的翻译中的核糖体都停滞在了硒半胱氨酸的上游。同时根据核糖体印迹 (footprint) 的长度，这些停滞的核糖体或以三聚体（trisome）的形式存在，暗示着可能发生了核糖体碰撞。与这个猜测相印证，通过siRNA 沉默响应核糖体碰撞诱导的蛋白质量控制（protein quality control）通路的关键因子之一的ZNF598可以显著增加GPX4的表达。与此同时，在蛋白酶体抑制剂MG132处理后的LRP8敲除细胞中可以观察到一个较短GPX4蛋白片段，预示着LRP8敲除导致了GPX4翻译提前终止。
有趣的是GPX4对于LRP8的依赖是一个特异于癌细胞的现象。在正常乳腺细胞中敲除LRP8并不能导致GPX4含量降低。另一方面，如果在正常乳腺细胞中表达癌基因，可以使其获得对LRP8的依赖。考虑到LRP8在乳腺癌中的表达有上调，其表达与肿瘤恶性程度正相关，LRP8或可以作为治疗三阴性乳腺癌的一个潜在位点。
综上，本研究揭示了依赖于LRP8的GPX4的高表达是三阴性乳腺癌细胞抑制铁死亡的保护机制之一。当硒元素缺失时，这种高表达反而成为负担，导致GPX4翻译过程中发生核糖体碰撞和翻译的提前终止，以至于癌细胞对铁死亡更加敏感。本工作为利用铁死亡机制治疗三阴性乳腺癌提供了新的思路，同时也表明经典的硒蛋白等级调控理论不能很好地解释硒元素于癌细胞中的代谢机制，需要进一步的完善。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41589-022-01033-3
参考文献
1. Lei G, Zhuang L, Gan B. Targeting ferroptosis as a vulnerability in cancer. Nat Rev Cancer. 2022. doi:10.1038/s41568-022-00459-0
2. Burk RF, Hill KE. Regulation of selenium metabolism and transport. Annu Rev Nutr. 2015;35: 109–134. doi:10.1146/annurev-nutr-071714-034250
3. McCann JC, Ames BN. Adaptive dysfunction of selenoproteins from the perspective of the triage theory: why modest selenium deficiency may increase risk of diseases of aging. FASEB J. 2011;25: 1793–1814. doi:10.1096/fj.11-180885
4. Bersuker K, Hendricks JM, Li Z, Magtanong L, Ford B, Tang PH, et al. The CoQ oxidoreductase FSP1 acts parallel to GPX4 to inhibit ferroptosis. Nature. 2019;575: 688–692. doi:10.1038/s41586-019-1705-2
5. Olson GE, Winfrey VP, Nagdas SK, Hill KE, Burk RF. Apolipoprotein E receptor-2 (ApoER2) mediates selenium uptake from selenoprotein P by the mouse testis. J Biol Chem. 2007;282: 12290–12297. doi:10.1074/jbc.M611403200
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BioArt的主编 2022-06-02 0