北京时间2024年5月8日17时，中山大学肿瘤防治中心马骏院士课题组、刘卓炜教授课题组与暨南大学药学院何蓉蓉教授课题组孙万阳副研究员合作，在Nature Chemical Biology杂志在线发表了题为“Tumor-repopulating cells evade ferroptosis via PCK2-dependent phospholipid remodeling”的研究论文。

该研究报道了肿瘤再生细胞通过重塑膜磷脂耐受铁死亡进而抵抗肿瘤放化疗的机制，揭示了线粒体及线粒体代谢酶PCK2在调控肿瘤细胞ACSL4相关磷脂重塑中的关键作用。

肿瘤干细胞是具有自我更新和分化能力并能产生异质性肿瘤细胞的一群细胞，在肿瘤发生、发展中起关键作用。研究表明，肿瘤干细胞可以抵抗多种治疗方式从而成为肿瘤复发、转移的根源[1, 2]。近年来的研究发现，肿瘤细胞对铁死亡耐受是肿瘤发生治疗抵抗的重要途径之一[3]。铁死亡是一种铁依赖的、以膜磷脂多不饱和脂肪酸链过氧化为核心的细胞死亡方式。然而，肿瘤干细胞是否通过耐受铁死亡来介导放疗抵抗尚不清楚。

既往研究表明，在SH-SY5Y神经母细胞瘤分化模型中，具有更高干性的前体细胞比分化的子代细胞更耐受铁死亡。同样地，与心肌细胞相比，心肌细胞前体的铁死亡敏感性也更低[4]。然而，高表达CD44或发生上皮-间充质转化（EMT）的肿瘤细胞更容易发生铁死亡[5]。因此，进一步明确肿瘤干细胞对铁死亡的敏感性，找到诱导肿瘤干细胞铁死亡的方式，可能是解除肿瘤治疗抵抗的重要突破口。

图：定位于线粒体的代谢酶PCK2可磷酸化ACSL4并促进肿瘤细胞发生ACSL4相关磷脂重塑。肿瘤再生细胞通过促进PCK2泛素化降解使膜磷脂处于铁死亡耐受状态。

本研究首先通过3D纤维软胶培养模型筛选和富集了具有干性特征的肿瘤再生细胞。研究者通过细胞死亡检测和铁死亡相关氧化磷脂检测发现，相较于普通肿瘤细胞，肿瘤再生细胞可通过降低铁死亡敏感性来抵抗放放疗。

研究者进一步探究肿瘤再生细胞耐受铁死亡的机制。通过筛选调控铁死亡敏感性的关键分子，他们发现ACSL4介导的磷脂重塑是肿瘤再生细胞耐受铁死亡的关键。通过磷酸化质谱、体外酶活检测、脂质组学分析、氧化磷脂组学分析和分子动力学模拟，研究证实了ACSL4 T679位点磷酸化对ACSL4酶活性及细胞内磷脂重塑非常关键。

接下来，研究者探究介导ACSL4 T679磷酸化及酶活增强的关键激酶。通过定量蛋白质谱、免疫荧光、细胞组分分离、免疫电镜、免疫共沉淀、体外激酶实验和脂质组学分析，他们明确了线粒体代谢激酶PCK2可磷酸化并激活ACSL4，以驱动铁死亡相关的磷脂重塑。此外，通过siRNA筛选、RNA-seq检测、泛素实验等方法鉴定出转录因子STAT3可通过转录E3泛素连接酶HERC6在调节肿瘤再生细胞中PCK2的下调中发挥关键作用。

中山大学肿瘤防治中心刘卓炜教授、梁晓雨副研究员、马骏院士及暨南大学药学院孙万阳副研究员为论文共同通讯作者。中山大学肿瘤防治中心博士生李哲、徐智敏、陈伟鹏及主任医师杜晓京为论文的共同第一作者。感谢中山大学肿瘤防治中心高嵩教授在蛋白纯化实验中的帮助；感谢老挝黄金赌场生物物理研究所蛋白质科学研究平台生物成像中心及暨南大学药学院何蓉蓉教授团队氧化磷脂检测平台提供的技术支持。

本研究得到了国家自然科学基金、广东省重点领域研发计划、广东省基础与应用基础研究基金等的资助。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41589-024-01612-6

参考文献

1. Lee, T.K., X.Y. Guan, and S. Ma, Cancer stem cells in hepatocellular carcinoma - from origin to clinical implications. Nat Rev Gastroenterol Hepatol, 2022. 19(1): p. 26-44.

2. Yang, L., et al., Targeting cancer stem cell pathways for cancer therapy. Signal Transduct Target Ther, 2020. 5(1): p. 8.

3. Viswanathan, V.S., et al., Dependency of a therapy-resistant state of cancer cells on a lipid peroxidase pathway. Nature, 2017. 547(7664): p. 453-457.

4. Zou, Y., et al., Plasticity of ether lipids promotes ferroptosis susceptibility and evasion. Nature, 2020. 585(7826): p. 603-608.

5. Rodriguez, R., S.L. Schreiber, and M. Conrad, Persister cancer cells: Iron addiction and vulnerability to ferroptosis. Mol Cell, 2022. 82(4): p. 728-740.