Nature | 低氧诱导癌细胞炎症性死亡的新机制

撰文 | 阿童木

肿瘤细胞习惯于在低氧环境中生长，此时肿瘤细胞通常会发生信号通路的特异性激活和代谢反应的重塑，以适应低氧环境【1】。正常氧浓度下，缺氧诱导因子HIF1α 和 HIF2α （统称为 HIF） 会被脯氨酰羟化酶 （PHD） 羟基化并与VHL （Van Hippel Lindau） 蛋白结合，随后被泛素化并降解。然而，当氧气浓度降至低于3%时，PHD的活性降低，HIF得以稳定并诱导缺氧响应基因的表达。更严重的缺氧 （1%或更低） 会激活AMPK并引发内质网应激，进而启动多种应激反应【2】。此外，低氧胁迫还通过未完全明确的机制激活NF-κB，后者对HIF1A的本底表达至关重要，影响了缺氧转录调控模式的塑造【3】。总的来说，HIF 介导的代谢途径（如 AMPK）、整合应激反应（例如内质网应激）以及炎症/先天免疫途径（NF-κB）之间的相互作用，不仅决定了癌细胞的生与死，还决定了其死亡类型。

蛋白酪氨酸磷酸酶PTP1B （PTPN1） 定位于内质网，主要调控受体信号传导，是胰岛素和瘦素信号的负向调节因子，且与HER2 （小鼠表皮生长因子受体 2） 诱导的小鼠乳腺癌发生密切相关【4】。在人类癌症中，PTP1B常常过表达或扩增。在缺乏PTP1B或抑制剂处理条件下，HER2+乳腺癌细胞在极低氧环境下对细胞死亡更加敏感，且这一现象与HIF、内质网应激或AMPK通路无关。研究发现，PTP1B的低氧敏感性依赖于蛋白RNF213，但PTP1B如何调控RNF213的机制尚不清楚，且 RNF213 依赖性的细胞死亡类型及其在体内的功能也有待进一步探索。

RNF213是一种具有AAA-ATPase模块，以及RING E3 和 RZ E3连接酶结构域的蛋白。在 AAA-ATPase 和 ISG15 依赖性条件下，RNF213 形成六聚体并定位于脂滴上，同时介导溶血磷脂酸引发的细胞死亡【5】。不仅如此，还有研究发现RNF213 还参与 NF-κB 信号通路的调控。可见，RNF213 在脂毒性和炎症中的功能与癌症的发生发展相关，但具体机制尚未完全厘清。

近日，纽约大学Abhishek Bhardwaj等在Nature杂志发表了题为A mechanism for hypoxia-induced inflammatory cell death in cancer的研究文章，发现了一种由PTP1B和RNF213介导的低氧诱导的细胞死亡机制。研究表明，PTP1B通过与ABL1/2共同调控RNF213的酪氨酸磷酸化，激活其RZ结构域，进而影响NF-κB和NLRP3炎症小体的激活，最终引发焦亡，揭示了PTP1B–RNF213通路在肿瘤细胞死亡中的关键作用。

作者首先探究了 PTP1B 如何调控 HER2+ 乳腺癌细胞在低氧环境下的生存能力，发现PTP1B缺失或抑制会使HER2+细胞在低氧环境下变得极为敏感，而常氧条件下对细胞存活影响不大。进一步分析表明，PTP1B与ABL1/2共同调控RNF213的Tyr-1275磷酸化状态，这一调控对RNF213的聚合及低氧应激下的细胞死亡至关重要。

通过质谱分析，作者发现RNF213与PTP1B、USP15、CYLD和SPATA2等蛋白存在互作。尤其是CYLD和SPATA2，作为K63去泛素化酶和NF-κB调节因子，与RNF213形成复合物，调控低氧应激中的细胞死亡。进一步实验表明，CYLD和SPATA2的缺失缓解了乳腺癌细胞的低氧敏感性，而RNF213的RING结构域对RZ活性起抑制作用。RNF213通过RZ结构域对CYLD和SPATA2进行K63-连接的泛素化修饰，从而促进其降解，调节细胞对低氧的应答。因此，RNF213 的 RING 和 RZ 结构域在调节 CYLD 和 SPATA2 的泛素化及溶酶体降解中具有独特但相反的作用。

进一步研究发现，RNF213通过调控CYLD和SPATA2的溶酶体降解影响NF-κB活性，从而调节低氧条件下癌细胞的生存能力。而 RING 结构域则通过抑制 RZ 活性发挥负向调控作用，RING-dead 突变体显示出 RZ 功能增强，导致 CYLD 和 SPATA2 的降解增加，并显著提高了细胞的缺氧敏感性。不仅如此，PTP1B缺失促使癌细胞通过细胞焦亡 （非凋亡或坏死性凋亡） 而死亡，这一过程依赖于NLRP3和gasdermin D的激活。因此，PTP1B–RNF213–CYLD–SPATA2信号通路通过诱导细胞焦亡调控了癌细胞在缺氧条件下的生存能力。

此外，作者还发现，内质网应激在PTP1B缺失细胞对低氧敏感性的调节中至关重要。通过敲除PTPN1（PTP1B基因）、CYLD或SPATA2，作者观察到乳腺癌细胞在极低氧环境下更容易死亡，但在高氧条件下无此现象。而抑制内质网应激信号 （通过 IRE1α 或 PERK 通路） 可以显著减少细胞死亡。可见，内质网应激信号影响了 PTP1B 缺失细胞在缺氧条件下存活力。

最后，为验证这些机制的病理生理学意义，作者将不同基因修饰的乳腺癌细胞移植到裸小鼠体内。结果显示，PTP1B或CYLD缺失的肿瘤生长受到抑制，这些肿瘤表现出更高的坏死程度，且肿瘤核心出现缺氧和内质网应激标志物的上调。免疫印迹分析证实，PTP1B或CYLD缺失导致了细胞焦亡标志物的裂解，进一步证实了细胞焦亡在肿瘤死亡中的作用。

综上所述，本研究揭示了PTP1B和RNF213在低氧环境下调控癌细胞炎症性死亡的机制。PTP1B与ABL1/2协同调控RNF213的磷酸化，激活其RZ结构域，促进NF-κB和NLRP3炎症小体的激活，引发焦亡。另外，RNF213通过泛素化CYLD和SPATA2，调节细胞对低氧的敏感性，进一步说明了PTP1B–RNF213通路在癌症细胞死亡中的关键作用。

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08136-y

制版人：十一

参考文献

1. Singleton, D. C., Macann, A. & Wilson, W. R. Therapeutic targeting of the hypoxic tumour microenvironment.Nat. Rev. Clin. Oncol.18, 751–772 (2021).

2. Schofield, C. J. & Ratcliffe, P. J. Oxygen sensing by HIF hydroxylases.Nat. Rev. Mol. Cell Biol.5, 343–354 (2004).

3. Kroemer, G., Galluzzi, L., Kepp, O. & Zitvogel, L. Immunogenic cell death in cancer therapy.Annu. Rev. Immunol.31, 51–72 (2013).

4. Delibegovic, M., Dall’Angelo, S. & Dekeryte, R. Protein tyrosine phosphatase 1B in metabolic diseases and drug development.Nat. Rev. Endocrinol.20, 366–378 (2024).

5. Otten, E. G. et al. Ubiquitylation of lipopolysaccharide by RNF213 during bacterial infection.Nature594, 111–116 (2021).

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