Nature Communications：魏民/王杨团队与巴雪青团队联合揭示蛋氨酸-SAM代谢轴调控铁死亡过程中的潜在机制
2024年10月，东北师范大学的相关研究人员在《Nature Communications》（IF：14.7）上发表了题为“Methionine-SAM metabolism-dependent ubiquinone synthesis is crucial for ROS accumulation in ferroptosis induction”的研究论文，揭示了氨基酸代谢在铁死亡调控中的潜在机制，并提出蛋氨酸-SAM代谢轴是治疗铁死亡相关疾病的一种有前途的治疗策略。
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蛋氨酸衍生的S-腺苷甲硫氨酸（SAM）调节胱氨酸缺乏诱导的铁死亡。
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SAM通过基于甲基化的泛醌合成促进活性氧（ROS）的产生。
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SAM依赖性甲基化与IKE协同抑制肿瘤生长。
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抑制蛋氨酸-SAM代谢轴可减轻阿霉素（DOX）诱导的心肌病。
研究背景：
铁死亡是一种细胞死亡方式，其中铁依赖性脂质过氧化物在细胞膜上积累。半胱氨酸是谷胱甘肽系统的限制性底物，可中和脂质过氧化并防止铁死亡，其可通过胱氨酸还原转化或从蛋氨酸合成。然而，越来越多的证据表明，基于蛋氨酸的半胱氨酸合成在胱氨酸缺乏时无法有效挽救细胞内半胱氨酸水平，并且无法抑制铁死亡。
为了阐明蛋氨酸不能挽救半胱氨酸供应以对抗胱氨酸缺乏诱导的铁死亡的原因，研究人员首先在不含半胱氨酸的培养基中培养小鼠胚胎成纤维细胞（MEF）和HT1080人纤维肉瘤细胞，或用铁死亡诱导剂Erastin或IKE处理以抑制氨基酸逆向转运蛋白xCT介导的胱氨酸转运。结果发现，在MEF和HT1080细胞培养基中添加蛋氨酸并不能恢复其细胞内的半胱氨酸和谷胱甘肽（GSH）水平。基于蛋氨酸的半胱氨酸合成包括酶催化反应的五个步骤，产生中间体S-腺苷甲硫氨酸（SAM）、S-腺苷同型半胱氨酸（SAH）、同型半胱氨酸（Hcy）和胱硫醚（Cta）。研究人员向细胞中外源加入蛋氨酸、SAM或SAH发现并不能抑制细胞内脂质过氧化水平的上调和胱氨酸限制诱导的细胞死亡，而添加Hcy、Cta或半胱氨酸则可以。结果表明只有在特定条件下，蛋氨酸介导的半胱氨酸合成才可能不受阻碍。随后研究人员研究了蛋氨酸-半胱氨酸转化的组织特异性，检测了12种小鼠主要器官组织的基于蛋氨酸的半胱氨酸合成相关代谢酶的表达，发现蛋氨酸-半胱氨酸转化的代谢酶几乎只在肝组织中表达，并在非人类灵长类动物细胞图谱（NHPCA）数据库及癌症基因组图谱（TCGA）数据库进行了验证。结果表明肝组织具有完整的蛋氨酸启动的半胱氨酸合成途径，蛋氨酸通过转硫途径启动的半胱氨酸合成可能以组织特异性方式发挥作用。
细胞通过转硫途径从蛋氨酸合成半胱氨酸的功能具有组织特异性
考虑到蛋氨酸-半胱氨酸转化的组织特异性，研究人员猜测胱氨酸和蛋氨酸的共同缺乏可能导致肝细胞铁死亡，但发现MIHA、AML12、MEF和HT1080细胞在蛋氨酸和胱氨酸共同缺乏下没有发生铁死亡。进一步分析显示在Erastin或 IKE诱导铁死亡中蛋氨酸是必需的，表明缺乏蛋氨酸通常会抑制胱氨酸缺乏诱导的铁死亡。此外，研究人员还检查了蛋氨酸缺乏对铁死亡的分子标志物前列腺素-内过氧化物合酶2（PTGS2）表达的影响。综合数据表明，蛋氨酸是由胱氨酸缺乏或药物阻断胱氨酸摄取引起的铁死亡所必需的。
蛋氨酸可能通过自身或下游代谢物调节胱氨酸缺乏诱导的铁死亡，研究人员首先对在缺乏胱氨酸或同时缺乏胱氨酸和蛋氨酸的培养基中培养的HT1080细胞进行了代谢组学分析。结果显示，胱氨酸限制可抑制细胞半胱氨酸和GSH水平，同时在限制蛋氨酸后，细胞SAM水平显著降低。随后研究人员将MEF细胞在分别含有SAM、SAH、Hcy、Cta或半胱氨酸的无蛋氨酸培养基中培养后分析。结果显示只有补充SAM才能逆转胱氨酸缺乏诱导的蛋氨酸限制抑制的铁死亡（脂质过氧化和细胞死亡）。同样，只有SAM能挽救PTGS2的表达，一旦蛋氨酸被剥夺，PTGS2的表达就会被阻断。随后研究人员在多种类型细胞中进行了验证，揭示了蛋氨酸代谢在胱氨酸限制诱导的铁死亡中的普遍作用。蛋氨酸腺苷转移酶2A（MAT2A）是蛋氨酸代谢的关键酶，催化蛋氨酸生物合成SAM，并在各种组织中表达。为了进一步证实蛋氨酸通过SAM发挥作用，研究人员分析了MAT2A对铁死亡的影响。结果表明SAM是蛋氨酸牵涉铁死亡的执行者。
在半胱氨酸或蛋氨酸缺乏条件下细胞的代谢组学特征
鉴于铁死亡是由脂质过氧化直接引起的，研究人员推测蛋氨酸-SAM代谢轴可能会通过增加活性氧（ROS）的积累来促进铁死亡。为此，研究人员检测了蛋氨酸缺乏对胱氨酸缺乏诱导的ROS积累的影响。结果显示，在MEF、HT1080、OS-RC-2和HL-1细胞中，蛋氨酸缺乏显著降低了胱氨酸缺乏引起的ROS水平的升高。SAM的补偿增加了ROS的积累。抑制MAT2A表达也可以阻止胱氨酸缺乏引起的ROS的升高。此外，研究人员还分析了甲基化抑制对胱氨酸缺乏引起的ROS升高的影响。结果表明，蛋氨酸-SAM代谢轴下游的甲基化过程参与铁死亡所需的ROS积累。为了探究蛋氨酸-SAM在铁死亡中的特异性机制，研究人员分析了蛋氨酸-SAM对其他形式的细胞死亡的影响，包括程序性细胞死亡、凋亡、坏死和焦亡。结果发现蛋氨酸广泛参与细胞死亡的调控，但具体的分子机制可能不同。
ROS作为电子转移链的副产物大量产生，通过线粒体中的氧化磷酸化（OXPHOS）促进ATP的合成。研究人员进一步分析了细胞耗氧率（OCR），结果表明蛋氨酸-SAM代谢轴是线粒体OXPHOS所必需的，并负责线粒体ROS（mtROS）的产生。为了深入了解mtROS的产生与诱导铁死亡的因果关系，研究人员进行了线粒体氧化敏感绿色荧光蛋白（pHyPer-Mito）的异位过表达，发现基于线粒体OXPHOS的ROS在蛋氨酸-SAM 轴下游的积累与诱导铁死亡有关。
泛醌（UQ）是呼吸链中的中心电子载体，它从线粒体复合体I或II接收电子并将其转移到复合体III，在那里电子可能泄露到氧气中形成超氧阴离子。研究人员推测ROS主要是由铁死亡过程中基于泛醌的电子转移产生的，并进行了验证，结果表明蛋氨酸限制通过基于SAM的甲基化影响了UQ的合成，而基于UQ的电子传递是胱氨酸限制诱导铁死亡过程中产生ROS的主要来源。为了明确SAM依赖的UQ合成在铁死亡诱导中的重要性，研究人员靶向抑制UQ合成的相关酶，结果表明蛋氨酸-SAM代谢轴是移动电子载体UQ合成的关键，负责mtROS积累和诱导铁死亡。
SAM甲基化产生的泛醌合成与铁死亡过程中的ROS生成有关
最后，研究人员在小鼠体内分析了蛋氨酸-SAM代谢轴在基于铁死亡的肿瘤治疗应用中的作用。结果表明补充SAM与IKE可以协同抑制肿瘤生长，并提示靶向基于SAM的甲基化可能有望应用于癌症治疗。除了癌症治疗外，研究人员使用阿霉素（DOX）体内外诱导心肌病进行了分析，结果表明蛋氨酸-SAM代谢轴有助于DOX诱导的脂质过氧化和心肌细胞铁死亡，抑制MAT2A可能是缓解DOX诱导的心肌病的治疗策略。
SAM依赖性甲基化与IKE协同抑制肿瘤生长
综上所述，本研究揭示了蛋氨酸在诱导铁死亡中起着意想不到的作用，并为蛋氨酸-SAM代谢轴介导的ROS产生提供了新的见解。该研究拓宽了对氨基酸代谢在铁死亡调控中的作用的理解，并提出靶向蛋氨酸-SAM代谢轴可能是铁死亡相关疾病的潜在治疗策略。
