Nature Cell Biology丨甘波谊/李蔚合作组揭示铁死亡在抑制肿瘤中的重要意义

责编丨迦溆

肿瘤的发生发展与抑癌基因（tumor suppressor gene）的突变与失活密切相关。随着DNA测序技术的快速发展和普及，通过基因组测序筛查肿瘤病人中的高突变基因进而研究其作用机制和功能成为鉴定潜在抑癌基因的主要手段。2011年，美国夏威夷大学的Carbone M 教授首次在Nature Genetics报道，BAP1（BRCA1-associated protein 1 ）基因在两个独立的间皮瘤（mesothelioma）家系中呈现高相关性突变【1】。与此同时，奥地利格拉茨医科大学的Speicher MR教授也在Nature Genetics上发表了BAP1突变导致高风险发生皮肤黑色素瘤（cutaneous melanoma）和葡萄膜黑色素瘤（UVM）的文章【2】。随后，陆续报道接连发现BAP1在肺癌、乳腺癌、肾癌等肿瘤中有显著的高度变率（>10%）【3】。更为重要的是，基因敲除和过表达BAP1的实验，证明BAP1可以抑制体内外肿瘤细胞的生长【4】。这些研究表明，BAP1可能在体内作为一个天然的抑癌基因阻止肿瘤的发生。

BAP1蛋白含有一个泛素羧基末端水解酶结构域 （UCH），可以移除组蛋白H2A在119位赖氨酸上的单泛素化修饰（H2A-K119ub）。已有研究告诉我们，表观遗传学标记H2A-K119ub在调控基因转录中发挥重要作用。例如果蝇发育过程中H2A-K119ub的水平与Polycomb group(PcG)蛋白靶向基因的调控密切相关。然而，BAP1如何通过调控H2A-K119ub进而调控基因转录和发挥肿瘤抑制作用仍不清楚。

程序性细胞死亡作为抑癌基因发挥作用的机制之一被广泛研究，比如抑癌基因p53在细胞受到放射、药物等危害刺激时可以调控细胞凋亡进而遏制细胞发生癌变。Ferroptosis, 又称铁死亡，是一种铁依赖的脂质过氧化物（Lipid peroxidation）介导的程序性死亡。自从2012年，哥伦比亚大学Stockwell B教授在Cell上首次报道铁死亡的研究之后【5】，这一种不同于细胞凋亡、坏死等其它死亡方式的新的程序性死亡引起世界范围内研究者的广泛兴趣。但铁死亡究竟在生理条件下发挥何种作用仍需更多广泛而深入的研究。

近日，美国德克萨斯大学MD安德森癌症研究中心的甘波谊教授和贝勒医学院李蔚教授合作发表在Nature Cell Biology上发表题为BAP1 links metabolic regulation of ferroptosis to tumour suppression的文章发现，BAP1可以通过调控ferroptosis发挥其抑癌作用。

甘教授课题组的张义磊博士及李教授课题组的史偈君博士通过ChIP-seq和RNA-seq分析并鉴定出BAP1调控的H2A-K119ub 水平相关的靶基因有541个。Gene Ontology分析发现BAP1下调的基因中在氧化应激反应过程（oxidative stress response）中高富集。其中SLC7A11基因不仅在TCGA肿瘤样本中高表达，而且与BAP1水平呈现显著的负相关。更为重要的是，BAP1低表达与SLC7A11高表达联合预后要显著差于BAP1低表达和SLC7A11高表达的单一预后。这些分析提示BAP1可能通过抑制SLC7A11发挥其抑癌作用。那么BAP1又是如何通过抑制SLC7A11来遏制肿瘤细胞的生长呢？

ChIP-qPCR的结果进一步验证了野生型的BAP1而不是酶活丧失的BAP1突变体，可以降低SLC7A11基因上H2A-K119ub水平。并且，SLC7A11基因上H2A-K119的水平与RNA聚合酶的水平正相关。这表明，BAP1可以抑制SLC7A11基因上H2A-K119ub的水平及其mRNA的转录。那么，BAP1又是如何调控SLC7A11功能遏制肿瘤生长呢？

SLC7A11是细胞主要负责摄入胱氨酸（Cystine）的跨膜转运蛋白。进入细胞的胱氨酸被还原为半胱氨酸进而参与谷胱甘肽（GSH）的合成。GSH是细胞内抵抗过氧化压力的重要分子。而之前Stockwell B教授关于ferroptosis的研究文章发现，通过化学药物erastin抑制SLC7A11可以增高脂质过氧化物进而诱导ferroptosis。随后一系列体内外实验证明，BAP1通过抑制SLC7A11介导的Cystine摄入和GSH合成。而有限的GSH就会使细胞难以抵抗大量积累的过氧化物，最后促进细胞发生ferroptosis并遏制肿瘤的生长。电子显微镜高分辨的图像呈现了载体肿瘤组织的亚细胞结构，其中来源于过表达BAP1的细胞中出现了大量的浓缩化的线粒体，而这正是ferroptosis的典型结构特征。并且，ferooptosis抑制剂可以部分缓解BAP1体内抑制肿瘤生长的效应。更为重要的是，研究中检测了TCGA数据库中BAP1突变体与SLC7A11基因和ferroptosis调控的关系。检测的8个突变体中有7个突变体丧失了去泛素化酶活性的同时也失去了抑制SLC7A11和促进ferroptosis的能力，提示BAP1的泛素化酶活性、抑制SLC7A11和促进ferroptosis在肿瘤病人中的重大关联。

BAP1调控SCL7A11和铁死亡的示意图

这一研究不仅揭示了BAP1通过调控H2A-K119ub和SLC7A11表达发挥抑癌作用的分子机制，并进一步提示ferroptosis在抑制肿瘤中的重要意义。无独有偶，哥伦比亚大学的顾伟教授在2015年发表在Nature上的文章证明，明星分子p53也可以促进ferroptosis抑制肿瘤细胞生长【6】。相信在不久的将来，随着越来越多的研究报道，ferroptosis在肿瘤治疗中的作用机理和应用价值会越来越明晰。

通讯作者和第一作者简介：

甘波谊教授毕业于复旦大学，于2006年获康奈尔大学博士学位，2006-2010年在哈佛大学医学院Dana-Farber癌症研究所进行博士后研究。甘博士2010-2011年任哈佛医学院讲师，2011年底起任MD Anderson Cancer Center助理教授，現任MD Anderson Cancer Center副教授, 目前重点研究铁死亡和代谢在癌症中的作用 (https://www.mdanderson.org/research/departments-labs-institutes/labs/gan-laboratory.html )，主持包括2项NIH RO1在内的10余项课题。甘教授已在Nature, Cancer Cell, Nature Cell Biology, Nature Communications, PNAS 等学术期刊以第一或通讯作者发表论文40余篇，并获得了一系列奖励及荣誉。

论文第一作者张义磊博士，于2014年获华中科技大学博士学位，2015年至今在MD Anderson Cancer Center 甘波谊教授实验室从事博士后研究。张博士以第一或通讯作者在Nature Cell Biology, Journal of Biological Chemistry, Oncogene等期刊发表文章多篇，并入选MD Anderson Cancer Center CCE Scholars。

贝勒医学院李蔚教授（左）和史偈君博士（右）

参考文献：

1、Testa, J. R., Cheung, M., Pei, J., Below, J. E., Tan, Y., Sementino, E., ... & Hesdorffer, M. (2011). Germline BAP1 mutations predispose to malignant mesothelioma. Nature genetics, 43(10), 1022.

2、Wiesner, T., Obenauf, A. C., Murali, R., Fried, I., Griewank, K. G., Ulz, P., ... & Viale, A. (2011). Germline mutations in BAP1 predispose to melanocytic tumors. Nature genetics, 43(10), 1018.

3、Carbone, M., Yang, H., Pass, H. I., Krausz, T., Testa, J. R., & Gaudino, G. (2013). BAP1 and cancer. Nature Reviews Cancer, 13(3), 153.

4、Dey, A., Seshasayee, D., Noubade, R., French, D. M., Liu, J., Chaurushiya, M. S., ... & Wu, J. (2012). Loss of the tumor suppressor BAP1 causes myeloid transformation. Science, 337(6101), 1541-1546.

5、Dixon, S. J., Lemberg, K. M., Lamprecht, M. R., Skouta, R., Zaitsev, E. M., Gleason, C. E., ... & Morrison III, B. (2012). Ferroptosis: an iron-dependent form of nonapoptotic cell death. Cell, 149(5), 1060-1072.

6、Jiang, L., Kon, N., Li, T., Wang, S. J., Su, T., Hibshoosh, H., ... & Gu, W. (2015). Ferroptosis as a p53-mediated activity during tumour suppression. Nature, 520(7545), 57.

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