Детерминанты ферроптоза - потенциальные терапевтические мишени стволовых клеток глиобластомы

Введение. Терапия мультиформной глиобластомы остается малоэффективной из-за быстроразвивающихся рецидивов опухоли, обусловленных высоким туморогенным потенциалом, резистентностью к химиолучевой терапии и повышенной диссеминацией стволовых клеток глиобластомы. Актуальной становится идентификация потенциальных терапевтических мишеней, позволяющих более эффективно уничтожать данные клетки. в связи с этим большое значение приобретает изучение ферроптоза (ФП), способного вызывать гибель опухолевых клеток с высокозлокачественным фенотипом. Однако ФП и его регуляторные пути в стволовых клетках глиобластомы до конца не изучены. в настоящее время также не ясно, чем отличается ФП в стволовых и дифференцированных клетках глиобластомы.

Цель исследования - методом протеомной масс-спектрометрии высокого разрешения изучить экспрессию детерминант сигнального каскада ФП в CD133⁺-стволовых и CD133^--дифференцированных клетках глиобластомы.

Материалы и методы. использовались протеомная масс-спектрометрия высокого разрешения и клеточные технологии.

Результаты. в целом идентифицированы 1970 белков, 15 из которых связаны с ФП и присутствуют в обеих популяциях клеток. Обнаружена положительная регуляция 12 детерминант ФП (ACSL1, ACSL3, COPZ1, FTH1, FTL, GPX1, GPX4, PCBP1, SLC3A2, TFRC, VDAC1, VDAC2) в CD133⁺-стволовых клетках глиобластомы по сравнению с CD133^- -дифференцированными клетками глиобластомы, 10 из которых имели повышенную более чем в 2 раза экспрессию.

Заключение. Установлены важные закономерности в экспрессии детерминант ФП и протеинов, контролирующих этот процесс в стволовых клетках глиобластомы, которые могут использоваться при разработке новых подходов к обнаружению потенциальных мишеней для терапии мультиформной глиобластомы.

1. Huse J.T., Holland E.C. Targeting brain cancer: advances in the molecular pathology of malignant glioma and medulloblastoma. Nat Rev Cancer 2010;10(5):319-31. DOI: 10.1038/nrc2818

2. Chinnaiyan P., Won M., Wen P.Y. et al. A randomized phase II study of everolimus in combination with chemoradiation in newly diagnosed glioblastoma: results of NRG Oncology RTOG 0913. Neuro Oncol 2018;20(5):666-73. DOI: 10.1093/neuonc/nox209

3. Roos A., Ding Z., Loftus J.C., Tran N.L. Molecular and microenvironmental determinants of glioma stem-like cell survival and invasion. Front Oncol 2017;7:120. DOI: 10.3389/fonc.2017.00120

4. Chen J., McKay R.M., Parada L.F. Malignant glioma: lessons from genomics, mouse models and stem cells. Cell 2012;149(1):36-47. DOI: 10.1016/j.cell.2012.03.009

5. Muftuoglu Y., Pajonk F. Targeting glioma stem cells. Review Neuro-surg Clin N Am 2021; 32(2):283-9. DOI: 10.1016/j.nec.2021.01.002

6. Dixon S.J., Lemberg K.M., Lamprecht M.R. et al. Ferroptosis: an iron-dependent form of nonapoptotic cell death. Cell 2012;149(5):1060-72. DOI: 10.1016/j.cell.2012.03.042

7. Zaffagnini G., Martens S. Mechanisms of selective autophagy. J Mol Biol 2016;428(9):1714-24. DOI: 10.1016/j.jmb.2016.02.004

8. Winterbourn C.C. Toxicity of iron and hydrogen peroxide: the Fenton reaction. Toxicol Lett 1995;82-83:969-74. DOI: 10.1016/0378-4274(95)03532-x

9. Bogdan A.R., Miyazawa M., Hashimoto K. et al. Regulators of iron homeostasis: new players in metabolism, cell death, and disease. Trends Biochem Sci 2016;41(3):274-86. DOI: 10.1016/j.tibs.2015.11.012

10. Bryukhovetskiy A., Shevchenko V., Kovalev S. et al. To the novel paradigm of proteome-based cell therapy of tumors: through comparative proteome mapping of tumor stem cells and tissuespecific stem cells of humans. Cell Transplant 2014;23:151-70. DOI: 10.3727/096368914X684907

11. Fan Z., Wirth A.K., Chen D. et al. Nrf2-Keap1 pathway promotes cell proliferation and diminishes ferroptosis. Oncogenesis 2017;6(8):e371. DOI: 10.1038/oncsis.2017.65

12. Chen D., Fan Z., Rauh M. et al. ATF4 promotes angiogenesis and neuronal cell death and confers ferroptosis in a xCT-dependent manner. Oncogene 2017;36(40):5593-608. DOI: 10.1038/onc.2017.146

13. Buccarelli M., Marconi M., Pacioni S. et al. Inhibition of autophagy increases susceptibility of glioblastoma stem cells to temozolomide by igniting ferroptosis. Cell Death Dis 2018;9(8):841. DOI: 10.1038/s41419-018-0864-7

14. Dahlmanns M., Yakubov E., Dahlmanns J.K. Genetic profiles of ferroptosis in malignant brain tumors and off-target effects of ferroptosis induction. Front Oncol 2021;11:783067. DOI: 10.3389/fonc.2021.783067

15. Zhou N., Bao J. FerrDb: a manually curated resource for regulators and markers of ferroptosis and ferroptosis-disease associations. Database (Oxford) 2020;2020:baaa021. DOI: 10.1093/database/baaa021

16. Yang W.S., Kim K.J., Gaschler M.M. et al. Peroxidation of polyunsaturated fatty acids by lipoxygenases drives ferroptosis. Proc Natl Acad Sci USA 2016;113(34):E4966-75. DOI: 10.1073/pnas.1603244113

17. Hauck A.K., Bernlohr D.A. Oxidative stress and lipotoxicity. J Lipid Res 2016;57(11):1976-86. DOI: 10.1194/jlr.R066597

18. Zhang Q., Zhou W., Yu S. et al. Metabolic reprogramming of ovarian cancer involves ACSL1-mediated metastasis stimulation through upregulated protein myristoylation. Oncogene 2021;40: 97-111. DOI: 10.1038/s41388-020-01516-4

19. Ubellacker J.M., Tasdogan A., Ramesh V. et al. Lymph protects metastasizing melanoma cells from ferroptosis. Nature 2020;585:113-8. DOI: 10.1038/s41586-020-2623-z

20. Ma L.L., Liang L., Zhou D. et al. Tumor suppressor miR-424-5p abrogates ferroptosis in ovarian cancer through targeting ACSL4. Neoplasma 2021;68:165-73. DOI: 10.4149/neo_2020_200707N705

21. Cheng J., Fan Y.Q., Liu B.-H. et al. ACSL4 suppresses glioma cells proliferation via activating ferroptosis. Oncology Reports 2020;43:147-58. DOI: 10.3892/or.2019.7419

22. Yuan H., Li X., Zhang X. et al. Identification of ACSL4 as a biomarker and contributor of ferroptosis. Biochem Biophys Res Commun 2016;478:1338-43. DOI: 10.1016/j.bbrc.2016.08.124

23. Lachaier E., Louandre C., Godin C. et al. Sorafenib induces ferroptosis in human cancer cell lines originating from different solid tumors. Anticancer Res 2014;34(11):6417-22.

24. Dixon S.J. Ferroptosis: bug or feature? Immunol Rev 2017;277(1):150-7. DOI: 10.1111/imr.12533

25. Meister A. Glutathione metabolism. Methods Enzymol 1995;251:3-7. DOI: 10.1016/0076-6879(95)51106-7

26. Ighodaro O.M., Akinloye O.A. First line defence antioxidants-superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT) and glutathione peroxidase (GPX): their fundamental role in the entire antioxidant defence grid. Alex J Med 2019;54(4):287-93. DOI: 10.1016/j.ajme.2017.09.001

27. Brigelius-Flohe R., Maiorino M. Glutathione peroxidases. Biochim Biophys Acta 2013;1830(5):3289-303. DOI: 10.1016/j.bbagen.2012.11.020

28. Yang W.S., SriRamaratnam R., Welsch M.E. et al. Regulation of ferroptotic cancer death by GPX4. Cell 2014;156(1-2):317-31. DOI: 10.1016/j.cell.2013.12.010

29. Bridges R.J., Natale N.R., Patel S.A. System xc(-)cystine/glutamate antiporter: an update on molecular pharmacology and roles within the CNS. Br J Pharmacol 2012;165(1):20-34. DOI: 10.1111/j.1476-5381.2011.01480.x

30. Takeuchi S., Wada K., Toyooka T. et al. Increased xCT expression correlates with tumor invasion and outcome in patients with glioblastoma. Neurosurgery 2013;72(1):33-41. DOI: 10.1227/NEU.0b013e318276b2de

31. Farinati F., Cardin R., Maria N.D. et al. Iron storage, lipid peroxidation and glutathione turnover in chronic anti-HCV positive hepatitis. J Hepatol 1995;22(4):449-56. DOI: 10.1016/0168-8278(95)80108-1

32. Thomas J.P., Maiorino M., Ursini F., Girotti A.W. Protective action of phospholipid hydroperoxide glutathione peroxidase against membrane-damaging lipid peroxidation. In situ reduction of phospholipid and cholesterol hydroperoxides. J Biol Chem 1990;265(1):454-61.

33. Zhao H., Ji B., Chen J. et al. Gpx 4 is involved in the proliferation, migration and apoptosis of glioma cells. Pathol Res Pract 2017;213(6):626-33. DOI: 10.1016/j.prp.2017.04.025

34. Maldonado E.N., Sheldon K.L., DeHart D.N. et al. Voltagedependent anion channels modulate mitochondrial metabolism in cancer cells: regulation by free tubulin and erastin. J Biol Chem 2013;288(17):11920-9. DOI: 10.1074/jbc.M112.433847

35. Shoshan-Barmatz V., Ben-Hail D., Admoni L. et al. The mitochondrial voltage-dependent anion channel 1 in tumor cells. Biochim Biophys Acta 2015;1848(10):2547-75. DOI: 10.1016/j.bbamem.2014.10.040

36. Shoshan-Barmatz V., De Pinto V., Zweckstetter M. et al. VDAC, a multi-functional mitochondrial protein regulating cell life and death. Mol Aspects Med 2010;31(3):227-85. DOI: 10.1016/j.mam.2010.03.002

37. Feichtinger R.G., Weis S., Mayr J.A. et al. Alterations of oxidative phosphorylation complexes in astrocytomas. Glia 2014;62(4):514-25. DOI: 10.1002/glia.22621

38. Pedersen P.L. Voltage dependent anion channels (VDACs): a brief introduction with a focus on the outer mitochondrial compartment's roles together with hexokinase-2 in the “Warburg effect” in cancer. J Bioenerg Biomembr 2008;40(3):123-6. DOI: 10.1007/s10863-008-9165-7

39. Arzoine L., Zilberberg N., Ben-Romano R., Shoshan-Barmatz V. Voltage-dependent anion channel 1-based peptides interact with hexokinase to prevent its anti-apoptotic activity. J Biol Chem 2009;284(6):3946-55. DOI: 10.1074/jbc.M803614200

40. Yagoda N., Rechenberg M., Zaganjor E. et al. RAS-RAF-MEK-dependent oxidative cell death involving voltage-dependent anion channels. Nature 2007;447(7146):864-8. DOI: 10.1038/nature05859

41. Hentze M.W., Muckenthaler M.U., Galy B., Camaschella C. Two to tango: regulation of Mammalian iron metabolism. Cell 2010;142(1):24-38. DOI: 10.1016/j.cell.2010.06.028

42. Pignatello J.J., Oliveros E., MacKay A. Advanced oxidation processes for organic contaminant destruction based on the fenton reaction and related chemistry. Crit Rev Environ Sci Technol 2006;36(1):1-84. DOI: 10.1080/10643380500326564

43. Kasai H. Analysis of a form of oxidative DNA damage, 8-hydroxy-2'-deoxyguanosine, as a marker of cellular oxidative stress during carcinogenesis. Mutat Res 1997;387(3):147-63. DOI: 10.1016/s1383-5742(97)00035-5

44. Toyokuni S. Iron and carcinogenesis: from fenton reaction to target genes. Redox Rep 2002;7(4):189-97. DOI: 10.1179/135100002125000596

45. Toyokuni S., Ito F., Yamashita K. et al. Iron and thiol redox signaling in cancer: an exquisite balance to escape ferroptosis. Free Radic Biol Med 2017;108:610-26. DOI: 10.1016/j.freeradbiomed. 2017. 04.024

46. Torti S.V., Torti F.M. Iron and cancer: more ore to be mined. Nat Rev Cancer 2013;13(5):342-55. DOI: 10.1038/nrc3495

47. Daniels T.R., Delgado T., Rodriguez J.A. et al. The transferrin receptor part I: Biology and targeting with cytotoxic antibodies for the treatment of cancer. Clin Immunol 2006;121(2):144-58. DOI: 10.1016/j.clim.2006.06.010

48. Kurz T., Terman A., Gustafsson B. et al. Lysosomes in iron metabolism, ageing and apoptosis. Histochem. Cell Biol 2008;129:389-406. DOI: 10.1007/s00418-008-0394-y

49. Coffman L.G., Parsonage D., D'Agostino R. et al. Regulatory effects of ferritin on angiogenesis. Proc Natl Acad Sci USA 2009;106:570-5. DOI: 10.1073/pnas.0812010106

50. Liu X., Madhankumar A.B., Slagle-Webb B. et al. Heavy chain ferritin siRNA delivered by cationic liposomes increases sensitivity of cancer cells to chemotherapeutic agents. Cancer Res 2011;71:2240-9. DOI: 10.1158/0008-5472.CAN-10-1375

51. Schonberg D.L., Miller T.E., Wu Q. et al. Preferential iron trafficking characterizes glioblastoma stem-like cells. Cancer Cell 2015;28(4):441-55. DOI: 10.1016/j.ccell.2015.09.002

52. Ryu M.S., Zhang D., Protchenko O. et al. PCBP1 and NCOA4 regulate erythroid iron storage and heme biosynthesis. J Clin Investig 2017;127(5):1786-97. DOI: 10.1172/JCI90519

53. Beck R., Ravet M., Wieland F.T., Cassel D. The COPI system: molecular mechanisms and function. FEBS Lett 2009;583(17):2701-9. DOI: 10.1016/j.febslet.2009.07.032

54. Protchenko O., Baratz E., Jadhav S. et al. Iron chaperone poly rC binding protein protects mouse liver from lipid peroxidation and steatosis. Hepatology 2021;73(3):1176-93. DOI: 10.1002/hep.31328

55. Razi M., Chan E.Y., Tooze S.A. Early endosomes and endosomal coatomer are required for autophagy. J Cell Biol 2009;185(2):305-21. DOI: 10.1083/jcb.200810098

56. Collinet C., Stoter M., Bradshaw C.R. et al. Systems survey of endocytosis by multiparametric image analysis. Nature 2010;464(7286):243-9. DOI: 10.1038/nature08779

57. Zhang Y., Kong Y., Ma Y. et al. Loss of COPZ1 induces NCOA4 mediated autophagy and ferroptosis in glioblastoma cell lines. Oncogene 2021;40(8):1425-39. DOI: 10.1038/s41388-020-01622-3