靶向脂质组学+免疫组学分析揭示：类视黄醇抑制肿瘤细胞铁死亡机理

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研究背景

铁死亡是一种铁依赖性调节细胞死亡形式，由细胞膜脂质过氧化物的过载引起。近年来，铁死亡引发关注并大量报道。本研究通过拟靶向脂质组学、免疫组学等方法，发现类视黄醇可诱导肿瘤细胞铁死亡，可作为一种潜在的治疗方法。为进一步发掘肿瘤靶向治疗提供新方向，但仍需通过多种途径从不同维度对调节机制进行深入探索。

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前言

2023年5月，复旦大学附属中山医院胸外科王群、詹成课题组与美国德克萨斯大学MD安德森癌症中心Boyi Gan课题组在Cancer Research期刊发表的题为 “Retinol saturase mediates retinoid metabolism to impair a ferroptosis defense system in cancer cells ”（IF：13.312）的研究成果，通过靶向代谢组学、qRT-PCR 、LC-MS、免疫组织化学等研究方法，发现类视黄醇能显著抑制铁死亡，为肿瘤靶向治疗提供了理论依据。

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研究思路

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研究方法

研究材料：

雄性BALB/c裸鼠，4周龄，随机分为六个治疗组（n=8）

研究技术：

（1）CCK8：测定细胞活力

（2）qRT-PCR：RNA提取和定量分析

（3）免疫印迹：检测蛋白质

（4）BODIPY-C11法：测定脂质过氧化

（5）MDA测定：MDA试剂盒

（6）FENIX测定：Malvern粒度仪

（7）RNA测序：Illumina HiSeq平台

（8）LC-MS：靶向脂质组学分析

（9）染色质免疫沉淀法CHIP：测定染色质

（10）免疫组织化学：分析肿瘤体

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研究结果

通过CRISPR/Cas9筛选发现，除了LA（亚油酸）外所有的脂肪酸中，ACSL4参与PUFAs（多不饱和脂肪酸）酯化的铁死亡因子调节。研究通过细胞实验进一步发现，在肿瘤细胞中敲低或敲除RETSAT对铁死亡诱导的RSL3、IKE等导致的细胞脂质过氧化及后续细胞死亡具有显著的保护作用。表明FINs（铁死亡诱导剂）诱导RETSAT上调，RETSAT参与了铁死亡级联反应（图1A-E）。

研究发现RETSAT-KO细胞作用不同靶点的多种FINs触发的铁死亡性贫血更具抵抗力。RETSAT-KO细胞对FINs的敏感性通过重新表达而恢复，而排除了CRISPR/Cas9介导的RETSAT耗竭的脱靶效应。RETSAT在铁蛋白血症中显示出特异性，RETSAT-KO阻止了RSL3诱导的脂质过氧化，表明RETSAT是一个关键促铁死亡基因（图1F-K）。

图1 CRISPR/Cas9筛查将RETSAT与铁死亡性贫血相关联

RETSAT铁死亡性贫血和类视黄醇代谢作用，通过外源性培养补充ROL(视黄醇)及下游代谢产物，包括RAL（视黄醛）和RA（视黄酸），以剂量依赖的方式消除细胞对FINs的敏感性。ROL、RAL和RA显著消除了由RSL3引起的脂质过氧化（图2A-C）。

通过CRISPR/Cas9产生的STRA6-KO细胞系发现STRA6的缺失不仅使细胞对FINs敏感，且削弱了外源性补充的ROL抗铁死亡作用。表明类视黄醇在预防铁死亡性贫血引起了脂质过氧化（图2D-F）。

图2视黄醇作为自由基捕获预防铁死亡性贫血抗氧化剂

研究通过荧光抑制自氧化（FENIX）测定模拟细胞膜的脂质双层。ROL、RAL或RA，以剂量依赖方式显著延迟了自身氧化。代谢产物中，RAL表现出最强的自由基捕获活性，可能是具有独特的官能团。表明类视黄醇可以捕获脂质双层中的自由基，而破坏脂质过氧化（图3A-C）。

研究发现RETSAT的酶促功能将ROL转化为13,14-DROL，具有与RETSAT一致的促铁死亡作用。用ROL补充的Cas-NC、RETSAT-KO和RETSAT-OE细胞，可降低或消除对FINs的敏感性。表明RETSAT通过酶促介导将ROL转化为13,14-DROL，从而削弱了ROL的抗氧化活性（图3D）。

图3 RETSAT通过介导类视黄醇代谢调节铁死亡性贫血

研究发现RETSAT的缺失显著激活了RAR（视黄酸受体）信号通路。RAR显著降低细胞的脂质过氧化和铁死亡细胞的敏感性，而RAR拮抗剂则不能，因为细胞系中的基础RAR激活水平较低。通过外源性补充RAR激动剂来提高RAR活性，揭示了载体和细胞间铁死亡敏感性差异。RETSAT通过消除类视黄醇的自由基捕获特性和抑制RAR途径调节铁死亡性贫血，而RAR激动剂和拮抗剂只能部分消除RETSAT的影响（图4）。

图4 RETSAT部分通过视黄酸受体途径促进铁死亡性贫血

靶向脂质组学发现在携带RETSAT-KO的A549细胞中脂肪酸和磷脂显著增加。脂质组学研究结果与RETSAT-KO细胞系对脱铁性贫血的耐药性增加一致，说明RETSAT-RAR通路通过促进单不饱和脂肪酸（或酰基）（MUFA）的产生介导铁死亡性贫血（图5A-C）。

通过靶向脂质组学发现RETSAT-KO和RAR的激活诱导了SCD的表达和MUFA的产生。RARα结合位点（RARE）、RETSAT耗竭及RAR激动剂激活转录，证实RAR通过与其启动子结合直接激活SCD转录。RETSAT抑制RAR信号通路的活性，延缓RAR靶向SCD的转录，而导致MUFA生成减少（图5D-P）。

图5 RETSAT-RAR通路通过SCD介导的MUFA生成促进铁死亡性贫血

通过动物实验发现，RETSAT缺失没有显著抑制或促进肿瘤的生长。在肿瘤样本中，RETSAT缺失和类视黄醇补充均减轻了脂质过氧化标记物。研究结果证实，RETSAT-KO或外源性补充剂引起的类视黄醇水平升高使体内肿瘤对铁下垂脱敏，并提高了肿瘤治疗中靶向类视黄醇代谢的可能性（图6A-B）。

通过类视黄醇临床相关研究，LUAD（肺腺癌）患者中较低的RETSAT表达水平与较短的总生存期相关，而STRA相反。免疫组化分析了具有临床病理特征的LUAD患者中RETSAT和STRA6的蛋白水平，发现RETSAT在正常肺组织中大量表达，但在LUAD组织中弱表达，而STRA6呈现相反的趋势。研究结果表明，肿瘤细胞中类视黄醇的合成增强产生过量的ROS，导致了恶性肿瘤的增加（图6C-H）。

图6视黄醇代谢改变体内肿瘤铁死亡性贫血并与LUAD患者预后相关

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研究结论

研究发现类视黄醇对铁死亡的调控作用与脂质代谢有关。类视黄醇类物质具有抗氧化能力，可防止脂质过氧化导致的细胞膜碎裂，从而终止铁死亡。通过拟靶向脂质组学等研究发现，类视黄醇还可促进单不饱和脂肪酸的生成。而体内类视黄醇代谢可改变肿瘤铁下垂，并与LUAD患者预后相关。

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本研究通过靶向代谢组学、免疫组学等方法揭示了类视黄醇拮抗肿瘤细胞铁死亡机制。这一发现有助于探寻靶向肿瘤细胞视黄醇代谢诱导肿瘤细胞铁死亡的治疗方案，为进一步探索肿瘤靶向治疗提供的新方法、新思路。

参考文献

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3. Pang X-Y, Wang S, Jurczak MJ, Shulman GI, Moise AR. Retinol saturase modulates lipid metabolism and the production of reactive oxygen species. Arch Biochem Biophys.2017;633.

4. Hada M, Mondul AM, Weinstein SJ, Albanes D. Serum Retinol and Risk of Overall and Site-Specific Cancer in the ATBC Study. Am J Epidemiol. 2020;189(6):532-42.

5. Yan H, Jin X, Yin L, Zhu C, Feng G. Investigating Causal Associations of Circulating Micr-onutrients Concentrations with the Risk of Lung Cancer: A Mendelian Randomization Stu-dy. Nutrients. 2022;14(21).