抑制血红素生物合成通过铜死亡机制靶向急性髓系白血病

《Cell》：Inhibition of heme biosynthesis triggers cuproptosis in acute myeloid leukemia

本期推荐一项发表于《Cell》的重要研究：为解决急性髓系白血病（AML）治疗耐药性问题，研究人员开展血红素生物合成酶（HBE）靶向治疗研究。发现AML细胞（特别是白血病干细胞）通过下调HBE维持自我更新，抑制HBE可诱导线粒体复合体IV崩溃和铜伴侣系统失调，进而触发铜死亡（cuproptosis）。该研究揭示HBE表达可作为生物标志物指导AML分层治疗，为代谢靶向治疗提供新策略。

　　

急性髓系白血病（AML）是一种恶性血液肿瘤，五年生存率不足30%，其治疗面临严峻挑战。尽管靶向核苷酸代谢、线粒体呼吸等代谢通路的新疗法取得进展，但耐药和复发仍常见。近年来，代谢异常被证实不仅为肿瘤增殖供能，更通过调控表观遗传和转录网络影响细胞命运，这为开发新疗法提供方向。

在这项发表于《Cell》的研究中，Lewis团队发现血红素（heme）生物合成通路是AML的独特代谢弱点。血红素作为必需代谢物，除在红细胞携氧外，还参与细胞分化、抗氧化防御、激酶信号传导和转录调控等多种生物学过程。研究人员通过整合小鼠模型、人类细胞系和原代患者样本分析，揭示AML细胞普遍下调血红素生物合成酶（HBE）表达，导致细胞内血红素水平降低，这种低血红素状态通过转录因子BACH1调控，促进白血病干细胞（LSC）的自我更新。

为验证靶向HBE的治疗潜力，研究团队采用遗传学和药理学方法抑制HBE。意外的是，HBE抑制并未引发预期中的凋亡或铁死亡，而是导致线粒体复合体IV（CIV）组装失败和铜离子累积，最终触发一种新型细胞死亡方式——铜死亡。铜死亡是近年来发现的程序性细胞死亡形式，其特征是铜离子与硫辛酰化蛋白结合诱导寡聚化，引发致命的蛋白毒性应激。

研究人员进一步通过全基因组CRISPR筛选发现，硫辛酸合成通路基因缺失可抵抗HBE抑制诱导的细胞死亡，但不影响其他死亡途径，证实铜死亡的特异性。机制上，HBE抑制导致线粒体铜累积和硫辛酰化蛋白DLAT寡聚化，这一过程可被细胞不透性铜螯剂BCS逆转。有趣的是，研究还发现糖酵解通路与血红素生物合成存在合成致死相互作用，提示联合靶向策略的可行性。

关键技术方法包括：建立可诱导性DNMT3A^R882H突变的小鼠白血病模型（DIN模型）；利用CRISPR-Cas9进行基因编辑和全基因组筛选；通过RNA测序（RNA-seq）和染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）分析基因表达和转录因子结合；采用蓝色原生凝胶电泳（BN-PAGE）评估线粒体复合体组装；使用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）检测细胞内铜/铁水平；通过代谢组学分析代谢物变化。原代AML样本来自皇家墨尔本医院和阿尔弗雷德医院的患者，脐带血样本来自墨尔本儿童研究所。

HBE表达在AML中下调

研究人员发现DNMT3A^R882H突变可下调HBE表达，导致细胞内血红素水平降低约50%。对Beat AML和TCGA数据库分析证实，HBE在AML患者（尤其是LSC）中普遍低表达。原代AML样本检测显示12例中10例血红素水平降低，验证低血红素状态是AML的共同特征。

血红素调控AML细胞自我更新和代谢基因表达程序

通过ChIP-seq分析发现，低血红素状态下BACH1蛋白稳定性增加，其在染色质上的结合增多。BACH1靶基因富集于自我更新、谷胱甘肽代谢、氨基酸转运等通路。DNMT3A^R882H突变细胞对复合体I抑制剂（IACS-10759）、铁死亡诱导剂（RSL3）等更敏感，而血红素补充可逆转这种敏感性。

de novo血红素生物合成是AML的选择性依赖性

DepMap数据库分析显示HBE是AML的特异性依赖基因。体外实验证实，敲低HBE显著抑制低血红素AML细胞增殖，而对正常造血干细胞影响较小。小鼠体内实验表明，诱导性敲除ALAD可延迟白血病进展，延长生存期。

血红素饥饿诱导铜死亡

CRISPR筛选发现，硫辛酸合成基因（LIAS、LIPT1等）缺失可抵抗HBE抑制引起的细胞死亡。HBE抑制导致细胞内铜水平升高75%，线粒体铜累积，CCS表达下调和ATP7A重新分布。Western blot显示DLAT寡聚化，这是铜死亡的标志性事件。

HBE抑制和线粒体复合体IV破坏共同触发铜死亡

ALAS1敲除导致CIV组装失败和活性丧失，伴随CIV结构蛋白减少。敲除CIV组装因子（COX17、SCO1）同样诱导DLAT寡聚化和铜死亡表型，证实CIV破坏是铜死亡的关键环节。

改变的血红素水平重新连接AML细胞的代谢依赖性

CRISPR筛选还发现糖酵解基因（SLC2A1/GLUT1、GPI等）与HBE抑制存在合成致死相互作用。实验证实HBE抑制剂NMP与GLUT1抑制剂BAY-876具有协同抗白血病效应，为联合治疗提供依据。

该研究首次揭示血红素生物合成与铜死亡的直接联系，证实靶向HBE可触发分子机制独特的细胞死亡途径。考虑到AML细胞常凋亡通路缺陷，铜死亡为克服耐药提供新思路。研究还提示HBE表达水平可作为生物标志物，指导AML患者分层治疗和联合用药策略。

然而，研究也存在一定局限性：使用的HBE工具抑制剂（SA、NMP）可能存在脱靶效应；缺乏体内验证的HBE抑制剂；血红素和铜在正常组织的广泛作用需要进一步评估。尽管如此，该工作为开发靶向血红素-CIV-铜轴的新型AML疗法奠定坚实基础，也为理解铜死亡的生理病理意义提供重要视角。