Cancer Cell | 邹伟平团队揭示CD8+T细胞和脂肪酸通过ACSL4协调肿瘤的铁死亡和免疫

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铁死亡是在体外培养的细胞通过小分子化合物 (Erastin 和RLS3) 细胞毒性作用发现的【1】。这些小分子通过靶向胱氨酸摄取、谷胱甘肽 (GSH) 合成、铁负载、谷胱甘肽过氧化物酶-4 (GPX4) 活性和铁死亡抑制蛋白-1 (FSP1) 人为地诱导铁死亡【2,3】。有趣的是，越来越多的证据表明，铁死亡可能与多种病理情况相关——包括急性肾损伤、组织缺血和再灌注损伤以及神经退行性变。肿瘤微环境中免疫检查点阻断 (ICB) 激活的 CD8+ T细胞可以使肿瘤细胞铁死亡敏感。小分子铁死亡诱导剂和 PD-L1 阻断剂的组合协同增强了临床前模型中的抗肿瘤功效【4,5】。然而，在没有化合物诱导剂的情况下，肿瘤细胞是否能发生内源性铁死亡仍然是个谜。此外，包括在肿瘤微环境中，尚未确定内源性铁死亡机制和潜在的生理和病理条件。

2022年2月24日，密歇根大学邹伟平教授团队 （廖鹏博士和王维民博士为共同第一作者）在Cancer Cell上发表文章CD8⁺ T cells and fatty acids orchestrate tumor ferroptosis and immunity via ACSL4，揭示CD8⁺ T细胞和脂肪酸通过ACSL4协调肿瘤的铁死亡和免疫反应。

通过前期工作，该课题组发现免疫检查点疗法在体内诱导肿瘤的铁死亡，而在体外培养系统中， T 细胞产生的干扰素-γ（Interferon gamma，IFNγ）增强了由 Erastin 或 RSL3 诱导的肿瘤细胞的铁死亡。然而，单独的IFNγ本身并不能在体外诱导肿瘤细胞的铁死亡。因为铁死亡与脂肪酸代谢密切相关【6,7】，所以在该项研究中，研究人员假设IFNγ 可以有选择性与脂肪酸合作，在没有小分子诱导剂的情况下, 诱导肿瘤细胞的铁死亡.  研究人员首先筛选并测试了所有典型脂肪酸与IFNγ联合作用，发现花生四烯酸（Arachidonic acid，AA）与IFNγ协同作用, 可在不同种肿瘤细胞系中有效诱导细胞铁死亡，非其他类型的死亡。

酰基辅酶 A 合成酶长链家族成员 4 (Acyl-CoA synthetase long-chain family member ，ACSL4) 是主要利用AA合成AA-辅酶 A的酶，后者被酯化为磷脂；而且先前报道，外源性AA可通过ACSL4增强 RSL3 诱导的铁死亡。为了探索IFNγ和AA诱导铁死亡的机制，研究人员在构建不同种类的ACSL4敲除肿瘤细胞系，发现IFNγ和AA诱导的铁死亡是通过ACSL4进行的；而且通过进一步的分子细胞生物学实验发现，IFNg可以直接通过STAT1-IRF1信号通路调节ACSL4的表达。

因为细胞脂质组成和脂肪酸代谢对控制铁死亡至关重要，所以研究人员进一步探索 IFNγ与AA联合使用是否会改变肿瘤细胞的脂质组成，从而使得肿瘤细胞对铁死亡的诱导更敏感。通过靶向磷脂质谱分析发现，AA通过ACSL4优先整合到含有 C16 和 C18 酰基链的磷脂中；同时，研究人员在联合IFNg与AA和不同的C16或C18脂肪酸的实验中发现，棕榈油酸 (palmitoleic acid，POA) 或油酸 (oleic acid，OA) 会协同增强IFNγ与AA诱导的铁死亡，再通过靶向磷脂质谱分析发现， OA 影响含有AA酰基链的磷脂的组成，特别是增加18:1_20:4相应的磷脂。

如果肿瘤细胞铁死亡能导致肿瘤抗原释放和扩散，那么 ACSL4敲除 (KO) 和 ACSL4野生型 (WT) 的肿瘤细胞在体内会不会表现出不同的 T 细胞反应？通过在免疫缺陷和免疫正常的老鼠接种肿瘤细胞发现，ACSL4 KO 和ACSL4 WT 的肿瘤生长在免疫缺陷老鼠体内没有差别，而在免疫正常的老鼠，ACSL4 KO肿瘤显著大于ACSL4 WT肿瘤，ACSL4KO肿瘤细胞有着较低的lipid ROS,和更少的肿瘤微环境中的CD8⁺ 和CD4⁺ T细胞，以及更少的IFNγ和TNFα细胞因子。表明肿瘤 ACSL4 通过控制肿瘤铁死亡影响体内自发抗肿瘤免疫。

接下来，研究人员假设补充花生四烯酸作为 ACSL4 的底物, 会在体内诱导肿瘤细胞铁死亡，进而抑制肿瘤进展，并协同 PD-L1 阻断剂在免疫活性正常的小鼠中的增强抗肿瘤作用。通过不同小鼠肿瘤模型，研究人员发现低剂量花生四烯酸可以靶向肿瘤，促进肿瘤免疫，提高对检查点阻断的治疗效果。

单独AA或者IFNγ不能诱发肿瘤细胞铁死亡, 而AA和 IFNγ组合直接引发肿瘤细胞铁死亡。这种自然的肿瘤铁死亡机制在概念上类似于不同细胞因子（如 TGFβ和IL-6）组合诱导 Th17 细胞或 Th22 细胞【8-10】， 同样, 类似于TNFα 和 IFNγ组合诱导以炎症细胞死亡为特征的 PANoptosis【11】。这一在肿瘤免疫研究中得到的结果, 将激发人们探索此种铁死亡机制在自身免疫和感染免疫中的有效性。此外，由于 IFNγ通常由活化的效应 T 细胞产生，贫乏的T 细胞浸润和 IFNγ基因信号的丧失可导致肿瘤细胞绕过上述免疫相关的铁死亡，形成肿瘤免疫逃避。因此，这些数据表明，肿瘤细胞的铁死亡缺陷可能是之前“冷“肿瘤未被识别的特征之一。

综上所述，本研究结果表明，ACSL4 依赖性铁死亡是 CD8⁺ T 细胞 （CTL）以前未被认识到的一种杀伤靶细胞的模式。因此，细胞凋亡(Apoptosis）不再是CTL介导的肿瘤死亡的唯一机制。鉴于细胞凋亡通常被认为是一种免疫耐受性细胞死亡（Immune tolerogenic cell death）（2 型细胞死亡），由 IFNγ和花生四烯酸(AA)联合诱导的肿瘤铁死亡(Ferroptosis) 可能是人们期待已久的免疫原性细胞死亡（Immunogenic cell death）(1 型 细胞死亡）。此发现不仅为 CTL 杀伤性机制研究提供了新的思路，而且还提示两种细胞死亡类型之间相互作用的可能。

附邹伟平课题组近期部分工作：

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ccell.2022.02.003

制版人：十一

参考文献

1. S. J. Dixon, B. R. Stockwell, The Hallmarks of Ferroptosis. Annu Rev Canc Biol 3, 35-54 (2019).

2. K. Bersuker et al., The CoQ oxidoreductase FSP1 acts parallel to GPX4 to inhibit ferroptosis. Nature 575, 688-692 (2019).

3. S. Doll et al., FSP1 is a glutathione-independent ferroptosis suppressor. Nature 575, 693-698 (2019).

4. W. Wang et al., CD8(+) T cells regulate tumour ferroptosis during cancer immunotherapy. Nature 569, 270-274 (2019).

5. X. Lang et al., Radiotherapy and Immunotherapy Promote Tumoral Lipid Oxidation and Ferroptosis via Synergistic Repression of SLC7A11. Cancer Discov 9, 1673-1685 (2019).

6. L. Magtanong et al., Exogenous Monounsaturated Fatty Acids Promote a Ferroptosis-Resistant Cell State. Cell Chem Biol 26, 420-432 e429 (2019).

7. B. Hassannia, P. Vandenabeele, T. Vanden Berghe, Targeting Ferroptosis to Iron Out Cancer. Cancer Cell 35, 830-849 (2019).

8. D. J. Cua et al., Interleukin-23 rather than interleukin-12 is the critical cytokine for autoimmune inflammation of the brain. Nature 421, 744-748 (2003).

9. P. R. Mangan et al., Transforming growth factor-beta induces development of the T(H)17 lineage. Nature 441, 231-234 (2006).

10. Y. Zheng et al., Interleukin-22, a T(H)17 cytokine, mediates IL-23-induced dermal inflammation and acanthosis. Nature 445, 648-651 (2007).

11. R. Karki et al., Synergism of TNF-alpha and IFN-gamma Triggers Inflammatory Cell Death, Tissue Damage, and Mortality in SARS-CoV-2 Infection and Cytokine Shock Syndromes. Cell 184, 149-168 e117 (2021).

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