细胞凋亡一直被认为是癌症治疗的有前途的靶点，尤其是在发现B细胞淋巴瘤2（BCL2）作为抗凋亡癌基因以来。然而，许多癌细胞可以逃避凋亡药物并产生耐药性。越来越多的证据表明，铁死亡可能是某些人类癌症的强大治疗策略。在不同的乳腺癌亚型中，三阴性乳腺癌（TNBC）特别容易受到铁死亡的影响，因为来自TNBC患者的肿瘤富含铁死亡相关基因。

2024年3月由以色列魏茨曼科学研究所等团队在Advanced Science杂志（IF 14.3）上发表了题为“Programming a Ferroptosis-to-Apoptosis Transition Landscape Revealed Ferroptosis Biomarkers and Repressors for Cancer Therapy”的研究型文章。本文建立了铁死亡和细胞凋亡与转录组和代谢组景观耦合的连续表型梯度。逐渐从铁死亡到细胞凋亡的转录组学景观用于生成一个独特、无偏倚的转录组预测因子，即梯度基因集（GGS），它对铁死亡和细胞凋亡进行了高精度的分类。本研究强调了铁死亡执行的分子机制，确定了具有预后价值的高度预测性铁死亡基因特征、铁死亡与细胞凋亡生物标志物以及乳腺癌治疗的铁死亡抑制因子。

技术路线图

研究结论

1. 对铁死亡到细胞凋亡过渡景观进行编程

利用独特的合成致死性药物联合靶向BRD4（使用JQ1）和蛋白酶体（使用硼替佐米）来诱导三阴性乳腺癌（TNBC）中的铁死亡，同时使用药物剂量滴定来编程铁死亡和细胞凋亡之间的连续表型梯度。结合转录组分析发现，从铁死亡（JB2处理）-间期（JB3处理）-细胞凋亡（JB6处理）的基因表达逐渐转变，与平行表型转变一致。

图1. 通过JQ1和硼替佐米联合调控铁凋亡到细胞凋亡的转变

2. 铁死亡与细胞凋亡基因特征的鉴定与优化

将四个基因集（每个基因集都包含在JB2或JB6中显着上调或下调但在两者中均未上调或下调的基因）组合形成“梯度基因集”（GGS），这是JB2（铁死亡）和JB6（细胞凋亡）之间差异最大的转录组反应的独特基因集（共306个），它可以高精度地将铁死亡与细胞凋亡进行分类（ROC-AUC=0.90）。使用多个铁死亡和凋亡数据集的进一步优化GGS基因集，得到24种高度特异性的铁死亡生物标志物，这些生物标志物在体外和体内都得到了稳健的验证。

图2. 铁死亡与细胞凋亡基因集和生物标志物的建立

3. GGS亚群具有预后价值

通过ssGSEA对TNBC患者（n=299，METABRIC队列）中四个GGS亚群（JB2/6 Up/Down）的富集进行评分，“JB2 Up”基因集与乳腺癌患者（TNBC和非TNBC）的不良预后高度相关，并在化疗耐药乳腺癌患者（n=257）和40个乳腺癌 PDX 模型中得到进一步证实，“JB2 Up”基因集可以作为乳腺癌侵袭性和化疗反应预测的潜在预后基因集。

图3. GGS亚群具有预后价值

4. GGS亚群包含用于乳腺癌治疗的潜在铁死亡抑制因子

PDAP1基因在乳腺癌患者中显着高表达，尤其是在TNBC中。通过PDAP1基因敲低（KD）、铁死亡抑制剂、异种移植肿瘤实验等分析发现，属于“JB2 Up”亚群的PDAP1是基底样乳腺癌中的铁死亡抑制因子，也是潜在的治疗靶点。

图4. PDAP1缺失诱导小鼠铁死亡并抑制乳腺肿瘤生长

5. JB2和JB6诱导的铁死亡和凋亡反应的转录组学分析

通路富集分析表明，在乳腺癌MDA-MB-468和HCC70细胞中，JB2、JB3和JB6诱导的共同差异表达基因（DEGs）在内质网应激和蛋白酶体途径的富集；与JB2处理相比，JB6处理内质网蛋白质加工和核糖体相关基因均上调。

图5. 铁死亡（JB2）到细胞凋亡（JB6）转变景观的转录组学分析

6. 溶酶体功能与铁死亡有关

JB2处理的细胞中溶酶体基因的显着富集与溶酶体特征标志物和染色水平的增加有关，这说明JB2增强了溶酶体的生物活性。相比于JB6处理，JB2处理中MITF/TFEB靶基因的上调及其富集与MITF 表达的上调和MITF/TFEB易位到JB2处理的细胞核有关。溶酶体活性的增强伴随着溶酶体中铁蛋白的大量积累。

图6. 铁死亡反应与增强的溶酶体活性和铁蛋白自噬有关

7. 铁死亡-细胞凋亡转换与XBP1、JNK和ATF4/CHOP激活相关

JB6/B6处理增强了IRE1α的RNase活性，以及增加了与IRE1α下游细胞凋亡执行有关的JNK磷酸化水平，并伴随着IRE1α和PERK水平增加。ATF4的核定位在JB6处理的细胞中（6小时）较早检测到，后来在JB2处理的细胞中（24 小时）检测到，这表明铁死亡（JB2）和凋亡（JB6）反应都与ATF4激活相关。在JB6处理的细胞核中强烈检测到促凋亡转录因子CHOP，但在JB2处理的细胞核中未检测到。

图7.铁死亡（JB2）到细胞凋亡（JB6）的转变与XBP1、JNK和ATF4/CHOP激活有关

8. 铁死亡的代谢状态及其向细胞凋亡的转变与PE/PC转换有关

代谢组学检测发现JB2处理的嘌呤和嘧啶代谢物以及TCA循环中间体的显著上调，伴随着氨基酸和衍生物的显著下调。仅在JB2处理的细胞中检测到丙氨酸的上调，这与增强的谷氨酰胺分解和谷氨酸转氨作用一致。脂质组学分析表明，JB2处理增加了与铁死亡相关的关键脂质种类的水平，包括含有PE的（C20:4）、亚油酸（C18:2）和肾上腺酸（C22:4）。铁死亡（JB2）到细胞凋亡（JB6）转变与从PE到PC的整体转变相关联。

图8. JB2的铁死亡反应与代谢变化有关

小结

本文使用了一种靶向BRD4和蛋白酶体的独特合成致死药物组合来诱导基底样乳腺癌的铁死亡，并通过建立浓度梯度来系统地重新编程了铁死亡和细胞凋亡之间的逐渐表型、转录组学和代谢组学转变。

参考文献

Vinik Y, et al. Programming a Ferroptosis-to-Apoptosis Transition Landscape Revealed Ferroptosis Biomarkers and Repressors for Cancer Therapy. Adv Sci. 2024.

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