细胞死亡有多种方式，包括凋亡、自噬和坏死。近年来，「铁死亡」（ferroptosis）作为一种新的细胞坏死方式获得了广泛关注。

铁死亡是由于膜脂修复酶 - 谷胱甘肽过氧化物酶（GPX4）失效，造成膜脂上活性氧自由基（ROS）的积累所致，而这一积累过程需要铁离子的参与。多种物质和外界条件可引发铁死亡，如小分子 erastin、RSL3、GPX4 基因敲除等。

目前已有研究表明铁死亡参与缺血性脏器损伤、神经变性和癌症等多个病理过程，尤其是铁死亡在肿瘤抑制中起重要作用。因此，诱导铁死亡在治疗某些具有特定遗传背景的癌症方面具有巨大潜力。然而，个体致癌突变对铁死亡敏感性的影响有待深入研究。

图片来源：PNAS

2020 年 11 月 23 日，美国纪念斯隆 - 凯特琳癌症中心姜学军教授、Craig B. Thompson 教授团队在PNAS杂志上在线发表了题为 Oncogenic activation of PI3K-AKT-mTOR signaling suppresses ferroptosis via SREBP-mediated lipogenesis 的研究成果。

该研究揭示了个体致癌突变 PI3K-AKT-mTORC1 信号通路激活能够通过上调固醇调节元件结合蛋白1（sterol regulatory element-binding protein 1，SREBP1）介导的脂肪生成来使癌细胞抵抗铁死亡。

研究内容

PI3K-AKT-mTOR 信号通路致癌激活赋予癌细胞对铁死亡的抗性

为了研究铁死亡和癌症中频发突变信号通路在功能上的关系，作者分析了一组具有明确遗传突变的人类癌细胞系。作者发现带有 PIK3CA 激活突变或 PTEN 缺失的癌细胞似乎对 RSL3（GPX4 抑制剂）有更强的抵抗力，这些突变导致 PI3K-AKT 信号传导通路的激活。

为了确定对铁死亡的抗性是 PI3K-AKT 信号通路激活的结果，作者测试了抑制该通路的药理学作用发现，PI3K 抑制剂 GDC-0941 和 AKT 抑制剂 MK-2206 均使 BT474 和 MDA-MB-453 细胞（均具有该通路的激活突变）对铁死亡敏感。此外，PI3K-AKT 通路的主要下游分子 mTOR 被其催化抑制剂 Torin 抑制，也使这些细胞对 RSL3 诱导的铁死亡敏感。

因此，PI3K-AKT-mTOR 通路的持续激活可保护癌细胞免受细胞铁死亡。

mTORC1，而不是 mTORC2，抑制铁死亡

mTOR 信号传导可由 mTORC1 和 mTORC2 介导。为了确定哪个靶点负责调控铁死亡，作者首先测试了仅抑制 mTORC1 的活性的雷帕霉素类似物 Temsirolimus（CCI-779）。与 Torin 相似，CCI-779 可以使癌细胞对铁死亡敏感。

由于雷帕霉素类似物 CCI-779 和 mTOR 催化抑制剂 Torin 都可以恢复癌细胞对铁死亡的敏感性，作者假设是 mTORC1 负责具有 PI3K-AKT 通路突变癌细胞的抗性，而不是 mTORC2。与此假设一致，作者发现短发夹 RNA 介导的 RAPTOR（mTORC1 的组成部分）沉默使 MDA-MB-453 和 BT474 细胞对 RSL3 诱导的铁死亡敏感，而 RICTOR（mTORC2 的组成部分）沉默不能。

mTORC1 通过上调 SREBP1 抑制铁死亡

mTORC1 是如何抑制铁死亡的呢？

作者进一步研究了 mTORC1 下游靶标 SREBP1，结果发现在多种 RSL3 抵抗的癌细胞类型中，mTORC1 抑制剂 CCI-779 均使 SREBP1 成熟形式水平降低，而且 Fatostatin A (SREBP 抑制剂) 或 CRISPR/cas9 导致的 SREBF1 基因缺失均使这些细胞对铁死亡敏感。

此外，在 SREBF1 敲除细胞中，mTOR 抑制剂（Torin 和 CCI-779），PI3K 抑制剂（GDC-0941）和 AKT 抑制剂（MK-2206）都未能进一步增强 RSL3 诱导的铁死亡。

这些结果说明mTORC1 通过上调 SREBP1 导致癌细胞对铁死亡产生抗性。

SREBP1 通过活化 SCD1 保护细胞免受铁死亡

SREBP1 是一种转录因子，可以调控多个脂质合成相关基因，如 ACLY，ACACA，FASN 和 SCD。在带有 PI3K-AKT-mTOR 通路突变的受试细胞系中，SREBF1 敲除比其他靶标更显著地降低了硬脂酰 CoA 去饱和酶 - 1（Stearoyl-CoA desaturase-1，SCD1）的表达。

这一结果和最近报道的 SCD1 抗铁死亡功能提示了作者：SCD1 是否是介导铁死亡抗性的 SREBP1 主要下游靶标。研究发现 SCD1 抑制剂 CAY10566 使癌细胞对 RSL3 诱导的铁死亡敏感。而且 CRISPR/Cas9 介导的 SCD 敲除也会增加细胞对铁死亡的敏感。

因而，SREBP1 主要通过上调 SCD1 来保护癌细胞免于铁死亡。

mTORC1 抑制与铁死亡联合导致体内肿瘤消退

为了探索联合 mTORC1 抑制与铁死亡的癌症治疗潜力，作者分析了两种人类癌症小鼠异种移植模型。作者在 PI3K 突变的 BT474 乳腺癌细胞中通过强力霉素（Dox）诱导产生了 GPX4 敲除。研究发现尽管 CCI-779 减慢了肿瘤的生长，但 Dox 治疗与 CCI-779 联合却使肿瘤几乎完全消退。

在另一种小鼠模型中，作者使用 imidazole ketone erastin（IKE）诱导肿瘤细胞铁死亡，PTEN 缺陷的 PC-3 前列腺癌细胞用于产生异种移植肿瘤。与作者在 BT474 异种移植实验中观察到的相似，仅 IKE 对肿瘤生长没有影响，但将其与 CCI-779 联合使用可导致肿瘤显著消退。

总的来说，联合 mTORC1 抑制与铁死亡是 PI3K-AKT-mTORC1 通路激活癌变非常有前途的治疗方法。

研究总结

该研究发现了PI3K-AKT-mTOR 信号通路的致癌激活通过 SREBP1 介导的脂肪生成抑制铁死亡，相反对该通路的抑制可使癌细胞对铁死亡敏感。

从机制上讲，癌细胞对铁死亡的这种抗性需要依赖 mTORC1 持续激活及 SREBP1 上调。此外，SREBP1 的转录靶标 SCD1 上调也是癌细胞免受铁死亡的条件。

更值得一提的是，该研究发现 PI3K 突变的乳腺癌和 PTEN 缺陷型前列腺癌的异种移植小鼠模型中，mTORC1 抑制与铁死亡联合应用导致肿瘤几乎完全消退。

该研究不仅揭示了调控铁死亡的机制，更为治疗 PI3K-AKT-mTOR 通路致癌突变的癌症患者提供了一种潜在的癌症治疗方法。

参考文献：

1. Yi J, Zhu J, Wu J, Thompson CB and Jiang X. Oncogenic activation of PI3K-AKT-mTOR signaling suppresses ferroptosis via SREBP-mediated lipogenesis. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2020: 202017152.

2. S. J. Dixon et al., Ferroptosis: An iron-dependent form of nonapoptotic cell death. Cell. 149, 1060–1072 (2012)

3. W. S. Yang et al., Regulation of ferroptotic cancer cell death by GPX4. Cell 156,

317–331 (2014)

题图来源：站酷海洛 Plus