Cell Death Dis︱刘朋飞团队合作发现COX7A1通过调节线粒体代谢增强人NSCLC细胞对胱氨酸缺失诱导的铁死亡敏感性

撰文︱徐嘉怡

责编︱王思珍，方以一

编辑︱杨彬薇

细胞色素c氧化酶（Cytochrome C Oxidase，COX）是线粒体电子传递链（electron transport chain，ETC)中的重要复合体，COX7A1是COX的一个亚基，在ETC外围多单位异质复合体的超级组装中占有重要地位。近年来研究表明：线粒体在调控细胞代谢中起着关键作用,也是铁代谢调节的主要细胞器[1-3]。铁死亡症是一种不同于细胞凋亡、坏死或自噬性细胞死亡的新型细胞死亡类型，铁依赖性脂质过氧化是导致铁死亡的主要原因[4,5]。在铁死亡调节中,线粒体动力学和自噬之间的相互作用也被认为是不同线粒体疾病模型的关键机制，特别是线粒体在半胱氨酸（cysteine，CC）缺失引起的铁死亡中起重要作用[6-8]。抑制胱氨酸谷氨酸反转运蛋白会导致细胞CC和GSH的消耗，进而破坏氧化还原稳态，最终导致铁死亡，同时，在CC缺失所致的铁死亡中，三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TCA循环）和ETC活性都是脂质ROS生成的必要条件。然而，COX7A1、自噬、线粒体和铁死亡之间的具体关系尚不清楚。

2022年11月23日，西安交通大学第二附属医院刘朋飞教授课题组在Cell Death and Disease上发表了题为“COX7A1 enhances the sensitivity of human NSCLC cells to cystine deprivation-induced ferroptosis via regulating mitochondrial metabolism”的研究。该研究揭示了COX7A1在人非小细胞肺癌（non-small-cell lung cancer，NSCLC）铁死亡调节中的作用。

为了分析COX7A1与NSCLC之间的关系，作者首先利用TCGA数据库评估COX7A1在LUSC组织和LUAD组织中的表达水平，结果表明：肿瘤组织中COX7A1水平明显低于正常肺组织。为进一步探讨COX7A1在铁死亡中的作用，作者分别在人LUAD细胞系H838和人LUSC细胞系H1703中建立了COX7A1过表达模型，由此发现CC缺乏和Era处理都抑制了细胞活力，而COX7A1过表达可进一步增强抑制效果（图1A）。对照组和过表达组MDA和4-HNE基础水平无差异，CC缺乏和Era处理诱导COX7A1过表达组的MDA和4-HNE水平高于对照组（图1B, C）此外，作者分别检测了铁死亡的标记基因PTGS2的表达和脂质过氧化水平，结果与MDA和4-HNE检测也有相似的趋势（图1D），提示了过表达COX7A1可能会增强NSCLC细胞对半CC缺乏所致铁死亡的敏感性。

图1 COX7A1增强NSCLC细胞对半胱氨酸缺失诱导的铁死亡的敏感性

（图源：Feng YT, et al., Cell Death Dis, 2022）

在半胱氨酸缺失诱导的铁死亡中，TCA循环和谷氨酰胺水解都被证明是必要的（图2A），为解析上述内容的相关机制，作者检测了谷氨酰胺水解的下游代谢物，结果表明：COX7A1过表达组α-酮戊二酸和琥珀酸的基础水平高于对照组，而谷氨酰胺的缺失可有效降低α-酮戊二酸和琥珀酸的水平。α-酮戊二酸处理也增加了细胞的琥珀酸水平，且过表达组较对照组反应更显著（图2B, C）。谷氨酰胺缺失显著抑制了细胞的铁死亡，而α-酮戊二酸处理促进了铁死亡进程（图2D-G）。因此，COX7A1对线粒体TCA循环的影响有助于增强细胞对CC缺乏诱导铁死亡的敏感性。

图2 COX7A1促进NSCLC细胞线粒体TCA循环

（图源：Feng YT, et al., Cell Death Dis, 2022）

线粒体ETC是一系列电子转运蛋白，位于线粒体内膜。ETC中的不同成分（复合体I到IV）也是半胱氨酸缺失引起的铁死亡所必需的。作者在NSCLC细胞中检测了COX7A1对不同ETC成分的影响，发现COX7A1过表达增强了线粒体ETC中Complex IV的活性，抑制了Complex I和Complex II的活性，且在对照组和过表达组之间没有发现明显的Complex III活性差异（图3），由此提示：复合物IV活性的增强可能在COX7A1调节铁死亡的功能中发挥重要作用。

图3 COX7A1对NSCLC细胞线粒体ETC的影响

（图源：Feng YT, et al., Cell Death Dis, 2022）

前期研究表明COX7A1可以阻断NSCLC细胞的自噬流，而自噬被认为是线粒体代谢和功能的关键决定因素。作者分别检测线粒体分裂相关蛋白DRP1和线粒体融合相关蛋白MFN1。结果显示，在细胞总裂解液中，对照组和过表达组DRP1和MFN1的表达水平无显著差异。但在线粒体中，COX7A1明显下调DRP1和MFN1的蛋白水平，雷帕霉素（Rap，自噬激活剂）处理可发挥挽救效果（图4），这些结果表明，COX7A1可以通过抑制自噬来阻断线粒体动力学以及线粒体自噬。

图4 COX7A1通过影响自噬阻断线粒体动力学以及线粒体自噬

（图源：Feng YT, et al., Cell Death Dis, 2022）

作者检测了Rap对TCA循环和线粒体ETC的影响，发现Rap处理后，对照组和过表达组α-酮戊二酸和琥珀酸基础水平均显著升高，通过Rap处理，两组的差异减小（图5A）。对不同ETC组分的活性进行了评价，结果表明Rap处理提高了所有ETC组分(复合物I-IV)的活性(图5B)。同时，Rap处理增加了两组NSCLC细胞对半胱氨酸缺失所致的铁死亡的敏感性，但是降低了两组（对照组和过表达组）对铁死亡反应的差异(图5C–F)。

图5  雷帕霉素通过调节TCA周期和线粒体ETC增强NSCLC细胞对半胱氨酸缺失诱导铁死亡的敏感性

（图源：Feng YT, et al., Cell Death Dis, 2022）

图6 文章的模型图

（图源：Feng YT, et al., Cell Death Dis, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，该研究发现COX7A1通过促进TCA循环和线粒体ETC中复合体IV的活性，增加了NSCLC细胞对CC缺失所致铁死亡的敏感性（图6）。此外，COX7A1通过阻断自噬流抑制线粒体动力学、线粒体合成和自噬。Rap是一种功能性自噬激活剂，在多种细胞系中均有发现。然而，与自噬相关的详细机制和准确的下游靶点尚不清楚。本研究表明了Rap的一种新功能，增强了NSCLC细胞对半胱氨酸缺失诱导铁死亡的敏感性。近年来，许多科学家逐渐揭示了线粒体裂变与融合、线粒体生物发生与线粒体自噬之间的复杂关系，但究竟哪一种机制在COX7A1调控线粒体活性和铁死亡方面发挥着重要作用，还有待进一步研究。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41419-022-05430-3

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本文完