SCI ADV 丨1區TOP：FSP1和組蛋白去乙酰化酶抑制癌癥持久細胞鐵死亡

《FSP1和組蛋白去乙酰化酶抑制癌癥持久細胞鐵死亡》系統性揭示癌癥持久細胞（persister cells）對鐵死亡敏感性的關鍵機制，并提出了新的潛在治療策略。成果發表在Science Advances雜志（IF：12.5）；

《Science Advances》是美國科學促進會（AAAS）在2015年創辦的綜合性、開放獲取期刊，旨在快速傳播高質量的跨學科研究；于2015年創刊，發表具有重要創新意義的研究，傳承《Science》的高標準，廣泛，包括生命科學、物理學、材料科學、工程學、環境科學、計算機科學及社會科學等；周刊，年文章數量2000篇左右；版面費：USD 4950。

研究背景：

持久細胞是指在靶向治療中存活下來的腫瘤細胞，它們能耐受治療、引發微小殘留病灶、積累突變，并可能導致耐藥和腫瘤復發。此前研究發現，持久細胞對鐵死亡（一種鐵依賴的脂質過氧化引起的細胞死亡）敏感，特別是通過抑制GPX4可誘導其死亡。但GPX4抑制劑在臨床應用中面臨毒性大、生物利用度低、體內效果差等問題。目前尚不清楚為什么持久細胞對鐵死亡高度敏感，尤其是在其鐵代謝、谷胱gan肽水平、抗氧化酶表達等方面存在顯著異質性的情況下。本研究通過單細胞測序和功能驗證，揭示了癌癥持久細胞的線粒體活性氧依賴和FSP1下調是其鐵死亡敏感的關鍵內在機制；并進一步發現，利用臨床可得的組蛋白去乙酰化酶抑制劑可增加其氧化應激，從而與GPX4抑制產生協同作用，為選擇性清除持久細胞提供了新的聯合治療策略。

研究方法：

使用EGFR突變的PC9肺癌細胞、BRAF突變的A375黑色素瘤細胞、HER2擴增的BT474乳腺癌細胞的持久細胞模型。通過單細胞RNA測序分析持久細胞在GPX4抑制劑RSL3處理后的轉錄變化。使用Seahorse分析氧耗率，流式細胞術檢測線粒體ROS（mitoSOX）和總ROS（CellROX）。Western blot檢測NRF2、KEAP1、FSP1、GPX4等蛋白；GSH/GSSG檢測谷胱gan肽水平。測試FSP1抑制劑（iFSP1）、組蛋白去乙酰化酶抑制劑（HDACi，如panobinostat、vorinostat）與GPX4抑制劑的協同作用。

主要研究結果：

1. 線粒體氧化磷酸化（OXPHOS）及其產生的活性氧（ROS）是癌癥持久細胞對鐵死亡敏感的關鍵機制

研究首先通過單細胞轉錄組分析發現，能在GPX4抑制劑（RSL3）處理后存活的持久細胞，其氧化磷酸化（OXPHOS）相關基因表達顯著下調，暗示高OXPHOS可能導致鐵死亡易感性。隨后的功能實驗證實，與親代細胞相比，持久細胞確實具有更高的OXPHOS活性和隨之產生的線粒體活性氧（ROS）水平。最關鍵的直接證據是，使用線粒體靶向抗氧化劑MitoTEMPO清除ROS后，能有效保護持久細胞免于鐵死亡，而對親代細胞影響甚微。這些結果共同構成了一個完整的邏輯鏈條：持久細胞依賴高OXPHOS代謝，這導致其線粒體ROS本底水平升高，從而使其脂質膜系統對GPX4抑制引發的過氧化攻擊更為脆弱，最終決定了其對鐵死亡的獨特敏感性。

圖1 氧化磷酸化促進癌癥持久細胞的鐵死亡增敏

2. 持久細胞存在多樣化的抗氧化缺陷，并依賴FSP1以在GPX4抑制下存活

研究發現，盡管不同模型中的持久細胞在NRF2抗氧化通路活性、胱an酸轉運蛋白（SLC7A11）表達及谷胱gan肽水平上存在差異，但FSP1蛋白的表達卻在不同類型的持久細胞中普遍下調。然而，在經受GPX4抑制劑（RSL3）攻擊后幸存的持久細胞中，FSP1的mRNA表達反而出現上調，表明這些細胞轉而依賴殘余的FSP1作為生存的儲備。功能實驗證實了這一推斷：單獨抑制FSP1對細胞活力影響甚微，但當其與亞致死劑量的GPX4抑制劑聯用時，能產生強烈的協同效應，選擇性且顯著地殺傷持久細胞，而對親代細胞的殺傷效果則弱得多。這些結果表明，FSP1的下調是持久細胞的內在脆弱性之一，而抑制FSP1可阻斷其在GPX4失活后的關鍵逃逸通路，從而為通過“雙靶點抑制"策略選擇性清除持久細胞提供了有力的理論依據。研究結果揭示了癌癥持久細胞在抗氧化防御系統上存在異質性缺陷，并明確了FSP1是其存活的關鍵代償機制和治療靶點。

圖2 持久細胞存在多樣化的抗氧化缺陷，并依賴FSP1以在GPX4抑制下存活

3. HDAC抑制與GPX4抑制協同作用，以選擇性殺傷持久細胞

臨床上已批準的組蛋白去乙酰化酶（HDAC）抑制劑，能夠選擇性地與GPX4抑制劑協同，高效清除癌癥持久細胞。 研究通過系統的藥物聯用分析（Bliss協同模型）證明，無論是帕比司他還是伏立諾他，與GPX4抑制劑（RSL3）聯合使用時，在肺癌（PC9）、黑色素瘤（A375）和乳腺癌（BT474）的持久細胞模型中均顯示出強烈的協同殺傷效應（圖中呈現紅色區域與正協同分數），而對照的親代細胞則無此效應甚至出現拮抗（綠色區域）。進一步實驗表明，這種協同作用具有高度選擇性，僅需使用無細胞毒性的低劑量HDAC抑制劑對持久細胞進行短期預處理，便能使其對后續GPX4抑制劑的敏感性顯著增強。這些數據共同表明，通過HDAC抑制劑調控持久細胞的表觀遺傳狀態，可以打破其耐受平衡，使其對鐵死亡“致敏"。這為克服GPX4抑制劑單藥治療的局限性，開發一種能選擇性gen除殘留疾病、防止復發的聯合療法提供了強有力的實驗依據。

圖3 HDAC抑制與GPX4抑制協同作用，以選擇性殺傷持久細胞

4. HDAC抑制劑通過誘導氧化應激增敏持久細胞鐵死亡

進一步研究發現，盡管轉錄組分析顯示HDAC抑制劑（帕比司他）處理上調了持久細胞中與谷胱gan肽代謝和血紅素代謝相關的基因集，但直接測量表明，藥物處理并未降低細胞內的谷胱gan肽水平，反而降低了不穩定鐵池的含量，排除了這兩種常見途徑的貢獻。關鍵的機制證據在于，帕比司他處理顯著提升了持久細胞的總活性氧和線粒體活性氧水平。功能實驗證實了ROS的核心作用：使用線粒體靶向抗氧化劑（MitoTEMPO）或廣譜抗氧化劑，能夠wan全阻斷HDAC抑制劑所帶來的鐵死亡增敏效應，使其無法與GPX4抑制劑產生協同殺傷。這些結果共同表明，HDAC抑制劑選擇性地將持久細胞推向一個氧化還原態失衡的“臨界狀態"，使其固有的線粒體ROS本底升高，從而極大地降低了觸發鐵死亡的閾值。這為前述觀察到的選擇性協同效應提供了直接的機制解釋，并確立了“誘導氧化應激"作為清除持久細胞的一種有效策略。

圖4 HDAC抑制劑通過誘導持久細胞氧化應激，從而增敏其對鐵死亡的響應

5. 圖示總結

概念模型圖總結了全文的核心邏輯：左半部分 (FSP1機制)：GPX4抑制劑（GPX4i）迫使持久細胞依賴FSP1存活；聯合使用FSP1抑制劑（FSP1i）可阻斷此退路，導致鐵死亡。

右半部分 (HDAC抑制劑機制)：HDAC抑制劑處理通過增加氧化應激，使持久細胞對GPX4抑制劑誘導的鐵死亡更加敏感。

本研究不僅揭示了持久細胞鐵死亡敏感的內在機制（線粒體ROS依賴和FSP1代償），更發現了兩種可轉化的治療策略（靶向FSP1或使用HDAC抑制劑），為清除癌癥持久細胞、防止復發提供了重要的理論依據和方案。

圖5 研究模式圖。癌癥持久細胞能夠通過降低氧化應激水平，從而在GPX4抑制（GPX4i）下存活。然而，耐受GPX4i的持久細胞會轉而依賴另一鐵死亡抑制酶FSP1來維持生存，此時聯合使用FSP1抑制劑（FSP1i）可顯著增加其鐵死亡。此外，使用臨床上可得的HDAC抑制劑進行無毒劑量的預處理或共處理，能夠提升持久細胞的氧化應激水平，進而與GPX4抑制劑（GPX4i）產生協同效應，誘導持久細胞鐵死亡。

研究結果的局限性：

1、模型局限性：僅使用少數細胞系和藥物誘導的持久細胞模型，結論是否適用于更多腫瘤類型和體內環境仍需驗證。

2、機制未wan全闡明：HDAC抑制劑如何精確調控線粒體ROS的分子機制尚未明確。

3、體內數據缺乏：研究主要在體外進行，缺乏動物模型驗證聯合治療的療效與安全性。

4、未涉及其他鐵死亡調控因子：如膜修復機制、脂質代謝等可能影響鐵死亡的因素未深入探討