各位科研男孩/女孩们，好久不见！经过前一周的专题分享，相信大家已经对铁死亡机制有了一定的了解，今天给大家分享一篇2021年发表在NATURE COMMUNICATIONS （IF：14.919）期刊上题为“Dysregulated cholesterol homeostasis results in resistance to ferroptosis increasing tumorigenicity and metastasis in cancer”的文章，带大家一起走进脂质代谢与铁死亡的世界，探究胆固醇稳态失调导致对铁死亡的抵抗，增加肿瘤的致瘤性和转移性。

 

研究背景

 肥胖、脂质稳态失调和代谢综合征的其他后遗症与乳腺癌风险增加和已确诊疾病患者的预后较差相关，高胆固醇血症是绝经后妇女患乳腺癌的独立危险因素，了解高胆固醇血症对疾病发病率和既定疾病的不同影响，将有助于开发新的方法来以获得大的治疗效益。  

研究思路

 一、27-羟基胆固醇抑制癌细胞的生长二、长期暴露于27HC的肿瘤细胞致瘤性和转移性更强三、细胞内脂质积累增加是抗27HC的一个特征四、27HC抗性细胞不受铁死亡的影响五、GPX4活性可预防铁死亡并促进肿瘤转移  

研究结果

 一、27-羟基胆固醇(27HC)通过其抑制胆固醇摄取/合成的能力来抑制癌细胞的生长 
单加氧酶CYP27A1从胆固醇中产生的27HC可以作为雌激素受体（ER）的部分激动剂发挥作用。作者假设27HC对ER的作用可能减弱其对胆固醇摄取/合成的抑制活性，并且在ER阴性细胞中，27HC的功能可能不同。在此假设基础上，评估了27-羟基胆固醇(27HC)对雌激素受体(ER)阳性乳腺癌细胞(MCF7)生长的影响，发现在去除外源性类固醇的培养基(CFS)和全培养基(FBS)中，27HC分别促进和抑制细胞增殖与菌落形成。而在ER阴性细胞中，27HC抑制4T1、MDAMB436、Py230、MDAMB231和HCC1954乳腺癌细胞以及黑素瘤细胞模型的增殖、迁移和菌落形成。27HC对观察到的ER阴性癌细胞生物学的影响可能归因于它作为胆固醇合成/摄取的负调控因子通过对SREBP和LXR依赖的信号通路的作用。在所检测的癌细胞中，27HC抑抑制固醇调控结合蛋白SREBP1c和SREBP2靶基因的表达，补充胆固醇可逆转27HC的抗增殖活性及其抑制菌落形成的能力，表明27HC通过抑制胆固醇的摄取和合成减弱癌细胞
的生长。
二、体内评估：长期暴露于27HC的肿瘤细胞致瘤性和转移性更强。
鉴于目前已建立的胆固醇升高（和27HC）与癌症进展之间的联系，作者认为，临床观察与27HC抑制细胞增殖的结果不一致，这可能与本研究中通过使细胞/肿瘤发生胆固醇/ 27HC急性升高而建立的高胆固醇血症模型有关。为了探索这种可能性，构建ER阴性乳腺癌细胞的27HC抗性细胞系，发现敏感性存在显著差异(27HCS vs 27HCR细胞)，但无27HC时敏感和抗性细胞的总体增殖能力相似。然而，异种移植在小鼠体内时，所有细胞模型的抗性细胞比敏感细胞更具致瘤性。尾静脉注射模型评估敏感和抗性细胞肺转移瘤的转移能力结果显示，在三种模型(4T1, Py230和BPD6)中，敏感和抗性细胞肺转移瘤的转移能力。综上所述，细胞在适应27HC水平的增加时，27HC抗性细胞获得了使它们更具致瘤性和转移性的活性。
三、细胞内脂质积累增加是抗27HC的一个特征，与致瘤性有因果关系。
四、27HC抗性细胞可防止铁死亡
脂质代谢失调涉及癌细胞病理生物学的许多方面，细胞可以通过参与GPX4（谷胱甘肽-过氧化物酶4）依赖的抗氧化途径=或下调负责脂质氧化的酶的表达来耐受脂质依赖性应激。因此，作者推断在进化到27HC抗性状态时，癌细胞可能会增加铁死亡的诱导阈值。通过使用免疫印迹分析评估了GPX4在几种细胞系(B16F10、Py230、HCC1954和MDAMB436)中的表达，发现GPX4在所有细胞中都有表达，并且当27HC浓度增加时其表达下调。这是一个重要但并非完全出乎意料的发现，因为甲羟戊酸是GPX4合成所需的一种非常特异的硒代半胱氨酸tRNA成熟所必需的。补充外源性甲羟戊酸后，27hC依赖的GPX4表达下调显著减弱。为了解决在GPX4下调后，当细胞从27HC敏感状态发展到耐药状态时，细胞如何能够承受累积脂质的压力这个问题，作者研究了敏感和耐药细胞中的GPX4生物学，以及它是如何被27HC调节的。将erastin作为阳性对照纳入研究（可以下调GPX4），观察到27HC和erastin均抑制27HCS细胞中GPX4的表达，表明27HCR细胞失去了使27HC（和erastin）依赖的GPX4表达下调的调节机制。在Py230、HCC1954和MDAMB436-27HCR细胞中，观察到与脂质过氧化增加相关的基因表达定量下调（Acsl4、Lpcat3和Pebp1）。表明27HCR细胞通过调节与脂质过氧化相关基因的表达降低GPX4通路的胁迫。除了GPX4途径的改变外，NRF2调节的抗氧化防御机制和细胞铁代谢的改变也会影响对铁死亡的敏感性。作者推断，如果GPX4的稳定表达或活性与27HC抗性表型（铁死亡）有因果关系。实验观察到B16F10、Py230、MDAMB436、HCC1954和4T1细胞对GPX4（RSL3和ML210）和Xc转运体（erastin）的直接共价抑制剂的抵抗力都显著增强。总之，在适应脂质诱导的代谢应激时，细胞可以通过稳定GPX4的表达、增加GPX4依赖的抗氧化系统的活性或减少脂质过氧化物的产生来避免铁死亡性细胞死亡。
五、GPX4活性可预防铁死亡并促进转移。 
将荧光素酶标记的Py230-27HCS和-27HCR细胞静脉注射到裸鼠或C57/BL6小鼠体内。2个月后，Py230-27HCS细胞出现微转移，而Py23027HCR细胞形成了大转移。从这些转移病灶中获取细胞，并在体外评估其对铁死亡诱导剂（RSL3和ML210）的敏感性，结果表明从27HCS或27HCR细胞形成的病变中分离出的转移细胞对这些药物具有同等的耐药性。

抗铁死亡是转移细胞的一个特征，因此评估了在高转移性B16F10模型和低转移性Py230细胞中破坏GPX4表达对转移形成的影响。在本研究中，使用基于shRNA的方法下调B16F10和Py230细胞中GPX4的表达，GPX4基因敲除略微降低B16F10细胞的增殖，但对体外培养的Py230细胞的生长影响极小。重要的是，观察到GPX4的部分敲除逆转了对上述GPX4抑制剂的耐药性。向C57/BL6小鼠静脉注射对照细胞（GPX4 shScramble对照）和两个独立的细胞系，在这些细胞系中，B16F10和Py230细胞的27HCS和27HCR衍生物中GPX4被敲除。敲除GPX4可以显著降低B16F10-27HCS和27HCR的肿瘤转移。同样，敲低GPX4后Py230-27HCR细胞中肿瘤无转移，表明GPX4在肿瘤转移中可以预防铁死亡。

 

总结：
 作者强调了铁死亡在肿瘤生长和转移中的普遍重要性，并表明血脂异常/高胆固醇血症通过选择抗铁死亡细胞影响癌症发病机制，细胞长期暴露于27-羟基胆固醇(27HC)，会选择性使细胞表现出细胞摄取和/或脂质生物合成增加，从而表现出肿瘤发生和转移的能力。重要的是，积累的脂质对细胞施加的代谢压力使得GPX4持续表达，这是一种铁死亡的负调节剂，GPX4敲除减轻了27HC抵抗细胞的肿瘤生成和转移。