AMPK驱动的脂滴动力学调控黑色素瘤对多不饱和脂肪酸和铁诱导铁死亡敏感性的新机制

《Nature Communications》：AMP-activated protein kinase-driven lipid droplet dynamics govern melanoma sensitivity to polyunsaturated fatty acid and iron-induced ferroptosis

本研究揭示了黑色素瘤细胞对PUFA/Fe3+诱导铁死亡(Ferroptosis)的异质性源于脂滴(LD)对PUFA的隔离及其亚细胞分布。研究发现，AMPK通过调控去酪氨酸化微管，驱动LD向线粒体(MT)转运，促进PUFA从LD-TAG向MT-PC转化，最终导致线粒体脂质过氧化和铁死亡。该机制为克服肿瘤耐药提供了新的靶点。

　　

论文解读

在癌症治疗领域，诱导癌细胞发生程序性死亡是核心策略之一。然而，许多肿瘤细胞，尤其是黑色素瘤，常常通过逃避凋亡(Apoptosis)来抵抗治疗，导致标准疗法失效。近年来，一种名为铁死亡(Ferroptosis)的新型细胞死亡方式引起了广泛关注。铁死亡是一种铁依赖性的、由脂质过氧化驱动的细胞死亡形式。理论上，通过补充多不饱和脂肪酸(PUFA)和铁(Fe³⁺)，可以诱导癌细胞发生铁死亡，从而绕过凋亡抵抗。然而，不同癌细胞对PUFA/Fe³⁺诱导的铁死亡敏感性存在巨大差异，其背后的分子机制尚不明确，这限制了该策略的临床应用。

为了解开这一谜团，来自比利时鲁汶大学的研究团队在《Nature Communications》上发表了一项重要研究。他们发现，细胞内的能量感受器AMPK(AMP-activated protein kinase)通过调控脂滴(LD)的动力学，决定了黑色素瘤细胞对PUFA/Fe³⁺诱导铁死亡的敏感性。该研究揭示了营养状态如何通过AMPK信号通路，精细调控脂滴的亚细胞定位和脂质代谢，最终决定细胞命运的分子机制。

关键技术方法

本研究采用了多种前沿技术来验证其科学假说。研究团队利用了一组生物学特性多样的黑色素瘤细胞系（包括M257、M229、M238、M249、451Lu及其耐药亚系）作为模型。通过RNA测序(RNA-seq)和脂质组学(Lipidomics)分析，系统性地描绘了PUFA/Fe³⁺处理后的基因表达谱和脂质谱变化。利用受激拉曼散射(SRS)显微镜和共聚焦显微镜，研究人员直观地观察了外源性PUFA在细胞内的分布及其与线粒体等细胞器的共定位情况。通过CRISPR/Cas9基因敲除、RNA干扰(RNAi)以及小分子抑制剂，研究人员分别敲低或抑制了AMPK、DGAT、KIF5B、Spastin、CPT1、CHPT1、MFN2等关键基因或蛋白的功能，以验证其在铁死亡通路中的因果作用。此外，研究还利用透射电子显微镜(TEM)观察了脂滴与线粒体之间的超微结构接触，并通过Seahorse能量代谢分析仪评估了细胞的能量代谢状态。

研究结果

1. 黑色素瘤细胞对PUFA/Fe³⁺诱导的铁死亡存在异质性

研究人员首先在一组黑色素瘤细胞系中测试了PUFA（花生四烯酸AA和二十二碳六烯酸DHA）与Fe³⁺联合处理的细胞毒性。结果发现，这些细胞对铁死亡的敏感性存在显著差异，可分为早期应答者（如M257）和晚期应答者（如451LuR）。这种差异与细胞的分化状态相关，去分化细胞更易发生铁死亡。细胞死亡可被铁死亡抑制剂Ferrostatin-1和铁螯合剂Deferoxamine所抑制，但不受凋亡抑制剂Z-VAD和坏死性凋亡抑制剂Nec-1s的影响，证实了铁死亡的发生。

2. 脂滴对PUFA的隔离及其亚细胞分布决定铁死亡发生的时间

为了探究异质性的根源，研究人员发现，外源性补充的PUFA主要被合成为甘油三酯(TAG)储存在脂滴(LD)中，而非直接掺入膜磷脂。在早期应答者中，PUFA被储存在细胞核周的小脂滴中，易于被利用；而在晚期应答者中，PUFA被隔离在细胞外围的大脂滴中，远离线粒体等脂质代谢细胞器。抑制脂滴形成（如敲低DGAT2）可以部分挽救晚期应答者的铁死亡，表明脂滴在调控铁死亡敏感性中扮演着双重角色：既是PUFA的缓冲池，也是PUFA的储存库。

3. 能量应激介导的AMPK激活通过影响脂滴动力学促进铁死亡

研究人员发现，晚期应答者具有更高的能量代谢水平。当细胞处于饥饿状态或葡萄糖剥夺时，AMPK被激活，这促进了脂滴从细胞外围向细胞中心的迁移，并增加了脂滴与线粒体的接触。通过基因敲除或药物抑制AMPK，可以显著降低PUFA/Fe³⁺诱导的脂质过氧化和细胞死亡；反之，激活AMPK则能加剧铁死亡。这表明，AMPK是连接营养状态与铁死亡敏感性的关键分子开关。

4. 激活的AMPK通过去酪氨酸化微管促进脂滴-线粒体结合

机制上，AMPK的激活导致了微管蛋白的去酪氨酸化(Detyrosination)。这种修饰的微管为脂滴的运输提供了轨道，促进了脂滴向线粒体的迁移。通过抑制微管去酪氨酸化（如使用Parthenolide），可以阻断脂滴的迁移及其与线粒体的相互作用，从而保护细胞免于铁死亡。

5. 脂滴与线粒体之间的PUFA通道化促进铁死亡诱导

研究人员进一步证实，脂滴与线粒体之间的物理接触是铁死亡发生的关键场所。在AMPK激活的条件下，脂滴中的PUFA-TAG被水解，并通过线粒体外膜蛋白CPT1进入线粒体进行β-氧化。同时，PUFA被掺入线粒体膜磷脂，特别是磷脂酰胆碱(PC)中，使其更容易发生脂质过氧化，最终导致线粒体功能障碍和细胞死亡。抑制CPT1或破坏线粒体功能，均能显著抑制铁死亡。

6. ER-MT-LD膜接触位点是脂质过氧化的潜在枢纽

最后，研究揭示了PUFA从脂滴转运到线粒体膜的具体分子路径。脂滴、内质网(ER)和线粒体之间形成了一个三向接触位点。在这个位点上，PUFA从TAG转化为二酰甘油(DAG)，再通过CHPT1/CEPT1等酶的作用，最终合成含有PUFA的PC，并整合到线粒体膜上。敲低CHPT1或MFN2（介导线粒体融合和接触的蛋白），可以阻断这一过程，减少线粒体脂质过氧化，并保护细胞免于铁死亡。

结论与意义

本研究揭示了AMPK驱动的脂滴动力学是调控黑色素瘤细胞铁死亡敏感性的核心机制。在营养充足时，细胞通过将PUFA隔离在远离线粒体的外周脂滴中来抵抗铁死亡；而在营养匮乏或能量应激时，AMPK被激活，通过去酪氨酸化微管驱动脂滴向线粒体迁移，促进PUFA的氧化和掺入线粒体膜，最终引发铁死亡。这一发现不仅阐明了细胞如何利用脂滴作为“双刃剑”来调控脂质毒性，还为开发新的抗癌策略提供了重要启示。通过靶向AMPK或脂滴-线粒体接触位点，有望在特定营养条件下（如肿瘤微环境）选择性地诱导耐药肿瘤细胞发生铁死亡，为克服肿瘤治疗抵抗提供了新的思路和靶点。