L’acido grasso chiamato DGLA può uccidere le cellule tumorali umane

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I ricercatori hanno dimostrato che un acido grasso chiamato acido dihomogamma-linolenico o DGLA può uccidere le cellule tumorali umane.

Lo studio, pubblicato su Developmental Cell il 10 luglio, ha scoperto che DGLA può indurre ferroptosi in un modello animale e in cellule tumorali umane reali.

La ferroptosi è un tipo di morte cellulare dipendente dal ferro che è stata scoperta negli ultimi anni ed è diventata un punto focale per la ricerca sulle malattie in quanto è strettamente correlata a molti processi patologici.

Jennifer Watts, professore associato della Washington State University e corrispondente autore del documento, ha affermato che questa scoperta ha molte implicazioni, incluso un passo verso un potenziale trattamento per il cancro.

“Se si potesse consegnare DGLA precisamente a una cellula cancerosa, si potrebbe promuovere la ferroptosi e portare alla morte delle cellule tumorali”, ha detto Watts.

“Inoltre, solo sapere che questo grasso promuove la ferroptosi potrebbe anche influenzare il modo in cui pensiamo a condizioni come la malattia renale e la neurodegenerazione in cui vogliamo prevenire questo tipo di morte cellulare”.

Il DGLA è un acido grasso polinsaturo che si trova in piccole quantità nel corpo umano, sebbene raramente nella dieta umana. Rispetto ad altri acidi grassi, come quelli presenti nell’olio di pesce, il DGLA è relativamente poco studiato.

Watts ha studiato i grassi alimentari tra cui DGLA per quasi venti anni, usando il nematode Caenorhabditis elegans come modello animale.

Un microscopico verme, C. elegans è spesso usato nella ricerca molecolare perché è trasparente e consente agli scienziati di studiare facilmente l’attività a livello cellulare in un intero animale durante la sua durata relativamente breve. I risultati trovati nelle cellule di C. elegans sono spesso trasferibili alle cellule umane.

Il team di ricerca di Watts ha scoperto che l’alimentazione dei nematodi con una dieta a base di batteri carichi di DGLA ha ucciso tutte le cellule germinali dei vermi e le cellule staminali che producono le cellule germinali. Il modo in cui sono morte le cellule portava molti segni di ferroptosi.

“Molti dei meccanismi che abbiamo visto nei nematodi erano coerenti con i segni distintivi della ferroptosi nei sistemi dei mammiferi, tra cui la presenza di ferro redox-attivo e l’incapacità di riparare i lipidi ossidati, che sono come carnefici molecolari”, ha affermato Marcos Perez, WSU dottorando e primo autore sulla carta.

Per vedere se i risultati si sarebbero tradotti in cellule umane, Watts e Perez hanno collaborato con Scott Dixon dell’Università di Stanford, che ha studiato la ferroptosi e il suo potenziale per combattere il cancro per molti anni.

Prendendo ciò che avevano imparato dal lavoro sui nematodi, i ricercatori hanno dimostrato che il DGLA potrebbe indurre ferroptosi nelle cellule tumorali umane. 

Hanno anche trovato un’interazione con un’altra classe di acidi grassi, chiamata etere lipide, che ha avuto un effetto protettivo contro il DGLA. Quando hanno eliminato i lipidi eterei, le cellule sono morte più velocemente in presenza di DGLA.

Oltre a questa nuova conoscenza, lo studio ha anche dimostrato che C. elegans può essere un utile modello di ricerca animale nello studio della ferroptosi, un campo che ha dovuto fare affidamento principalmente sulle colture cellulari.

Per portare avanti questa ricerca, il team di Watts ha recentemente ricevuto una sovvenzione di $ 1,4 milioni dal National Institutes of Health per studiare ciò che rende le cellule germinali nematode così sensibili al DGLA ed esplorare il ruolo dei mitocondri, gli organelli cellulari coinvolti nella combustione dei grassi e nella regolazione del metabolismo , nella ferroptosi.


La ferroptosi è una forma non apoptotica dipendente dal ferro di morte cellulare regolata (RCD) che si verifica quando i livelli intracellulari di specie lipidiche reattive dell’ossigeno (L-ROS) superano l’attività antiossidante della perossidasi glutatione-dipendente (GPX4), portando così al collasso di omeostasi redox cellulare [1].

La ferroptosi è definita da tre tratti distintivi essenziali:

i) ossidazione di fosfolipidi di membrana contenenti acido grasso polinsaturo (PUFA);

(ii) disponibilità di ferro redox-attivo; e

(iii) perdita della capacità di riparazione dell’idrperossido lipidico (LOOH) [2].

Sono state stabilite la funzione fisiologica della ferroptosi e il suo coinvolgimento in molteplici malattie umane, come lesioni di organi ischemici, neurodegenerazione e cancro [3-6].

A differenza di altri RCD, la ferroptosi appare più come un “sabotaggio” cellulare che un meccanismo di “suicidio” proattivo [7]. Mentre la via del “suicidio” (cioè apoptosi, necroptosi e pirotosi) è attivamente attivata da un macchinario molecolare dedicato alla morte, il meccanismo del “sabotaggio” si verifica quando l’inattivazione o l’iperattivazione dei processi fisiologici provoca uno squilibrio metabolico letale con un coinvolgimento finora indefinito di proteine ​​pro-morte dedicate [8].

Durante la ferroptosi, le cellule vengono “sabotate” dal proprio metabolismo in corso [9]. Nel cancro, tale squilibrio metabolico favorisce la rimozione delle cellule tumorali, suggerendo quindi che la ferroptosi è una sorta di risposta adattativa che esercita una funzione soppressiva del tumore [10].

In questa prospettiva, la modulazione della ferroptosi potrebbe rappresentare un potenziale approccio terapeutico per le cosiddette cellule tumorali “persister”, resistenti alla chemioterapia standard o alle terapie molecolari [11].

Il ruolo essenziale del metabolismo cellulare nella ferroptosi è attualmente ampiamente studiato. La crescente evidenza sperimentale ha dimostrato che numerose vie metaboliche, tra cui la respirazione cellulare (cioè il ciclo dell’acido tricarbossilico mitocondriale (TCA) e la catena di trasporto degli elettroni (ETC)), il metabolismo lipidico e il metabolismo degli aminoacidi contribuiscono alla ferroptosi attraverso la generazione di L-ROS [ 12,13].

Da notare che il metabolismo del ferro può anche indurre ferroptosi attraverso la Fenton Reaction che genera perossido di lipidi [14]. Come regolatori principali della fosforilazione ossidativa (OXPHOS), i mitocondri sono i principali produttori intracellulari di ROS [15].

I mitocondri sono anche centri focali nel metabolismo del ferro e nell’omeostasi [16]. La valutazione del ferro mitocondriale usando gli indicatori di ferro fluorescente selettivo dei mitocondri o usando la risonanza paramagnetica degli elettroni ha rivelato che, a seconda del tipo di cellula, questi organelli contengono fino al 20-50% del ferro intracellulare totale [17,18].

Il ferro mitocondriale partecipa principalmente alla biogenesi del cluster ferro-zolfo (Fe-S) e alla sintesi dell’eme [19]; tuttavia, esiste anche un pool di ferro attivo libero e redox [20] che partecipa attivamente all’accumulo di ROS mitocondriali (mitoROS) [21].

Nelle cellule tumorali, i mitoROS agiscono come secondi messaggeri nelle cascate di trasduzione del segnale oncogenico, compresi quelli guidati dalla proteina chinasi attivata dal mitogeno (MAPK) e dal fattore di trascrizione NF-kB [22].

All’accumulo, i mitocondri possono reagire con i PUFA nelle membrane mitocondriali portando a perossidazione lipidica, danni al DNA mitocondriale (mtDNA) e conseguenti difetti nelle subunità codificate da mtDNA dei complessi ETC [23].

Tali modifiche sono state osservate non solo nelle cellule tumorali ma anche in quelle malattie in cui lo stress ossidativo è aumentato come infiammazioni croniche e malattie neurodegenerative [24,25].

Tutte queste osservazioni sono coerenti con il potenziale coinvolgimento dei mitocondri nella ferroptosi. Una serie di analisi molecolari, farmacologiche e metabolomiche evidenziano che l’attività metabolica dei mitocondri, inclusi sia il ciclo TCA che l’ETC, è necessaria per la generazione di L-ROS sufficiente per iniziare la ferroptosi [26].

In effetti, l’induzione farmacologica della ferroptosi porta all’accumulo mitocondriale, alla frammentazione mitocondriale, all’alterazione del potenziale della membrana mitocondriale (∆Ψm) e all’esaurimento dell’ATP [27–29].

Studi recenti hanno anche dimostrato che una disregolazione del ferro mitocondriale è tipica di alcune malattie neurologiche, tra cui il morbo di Alzheimer, il morbo di Huntington, l’atassia di Friedreich e il morbo di Parkinson che sono tutti collegati alla ferroptosi [30–33].

Nonostante il coinvolgimento dei mitocondri nella ferroptosi sia chiaramente definito, manca ancora una caratterizzazione completa dei meccanismi molecolari sottostanti. Inoltre, non è ancora chiaro se il coinvolgimento dei mitocondri nella ferroptosi sia dipendente dal contesto o piuttosto un fenomeno generale.

In questa recensione, riassumiamo i recenti progressi nella nostra comprensione del coinvolgimento mitocondriale nella ferroptosi e discutiamo la potenziale opportunità di usare la ferroptosi mediata dai mitocondri come nuova strategia per la terapia del cancro.

I mitocondri al crocevia della ferroptosi e la soppressione del cancro
I mitocondri svolgono un ruolo fondamentale nella plasticità metabolica nelle cellule maligne, nonché nella regolazione di molti processi di RCD, e la ferroptosi non fa eccezione [140].

I mitocondri sembrano essere coinvolti nella ferroptosi indotta dalla deprivazione di cistina (CDI) che, in effetti, è associata all’iperpolarizzazione della membrana mitocondriale e all’accumulo di perossido lipidico [26].

D’accordo, il trattamento con erastina aumenta la produzione di mitocondri [26] che, a loro volta, provocano l’apertura del poro di transizione della permeabilità mitocondriale (mPTP), la dissipazione di ∆Ψm e l’esaurimento dell’ATP [141]. Le cellule sottoposte a ferroptosi presentano frammentazione dei mitocondri e cambiamenti specifici nella morfologia mitocondriale come la riduzione delle creste mitocondriali e la riduzione della dimensione mitocondriale [142].

Tuttavia, alcune domande rimangono controverse. Non è chiaro se la disregolazione mitocondriale sia di per sé in grado di iniziare questo tipo di morte cellulare o sia solo una conseguenza dello squilibrio metabolico.

Basato su Gaschler et al. [134], le cellule prive di mitocondri sono ancora sensibili alla ferroptosi. Al contrario, secondo Gao et al. [26], l’inibizione del ciclo TCA e l’ETC mitocondriale possono salvare le cellule dall’iperpolarizzazione della membrana mitocondriale, dall’accumulo di perossido di lipidi e dalla ferroptosi.

Il ruolo mitocondriale nella ferroptosi sembra dipendente dal contesto. In seguito alla privazione di cistina, i mitocondri contribuiscono alla riduzione di GSH e alla promozione della produzione di ROS. La glutaminolisi è necessaria per la ferroptosi CDI.

Da notare che, in assenza di Gln, né la fame di cistina né l’inibizione dell’erastina del sistema xc-possono indurre ferroptosi [26]. L’accumulo di ferro libero mitocondriale aggrava la ferroptosi mediata dall’erastina [143].

In alternativa, il ferro sequestrante all’interno dei mitocondri attraverso la sovraespressione della ferritina mitocondriale (FtMt) può contrastare la morte cellulare indotta dall’erastina, sia in vitro che in vivo [76]. A supporto di quest’ultima osservazione, il metabolismo mitocondriale del ferro alterato è una caratteristica comune di molte malattie neurodegenerative (p. Es., Alzheimer, Parkinson, malattie di Huntington) [144-147], tutte legate alla ferroptosi.

Morfologicamente, i mitocondri nei cervelli isolati da modelli di topi di queste malattie presentano cristi alterati [148] che ricordano quelli osservati nella ferroptosi. Al momento dell’inibizione della GPX4, la ferroptosi appare invece indipendente dai mitocondri [26].

Nelle sezioni seguenti, esaminiamo le caratteristiche morfologiche, metaboliche ed energetiche che mettono in stretta relazione i mitocondri con la morte delle cellule ferroptotiche (Figura 3).





Figura 3 Processi metabolici mitocondriali nella ferroptosi. (1) L’assorbimento di ferro tramite Mfrn1 / 2 aumenta la quantità di LIP, promuovendo la generazione di mitoROS attraverso la reazione di Fenton. (2) BID innesca la ferroptosi attraverso l’attivazione di BAX e BAK e la conseguente disregolazione di ∆Ψm. (3) L’ACSF2 regola l’attivazione degli acidi grassi derivati ​​dal meccanismo della navetta carnitina, fornendo il precursore lipidico specifico per la β-ossidazione. (4) VDAC2 / 3 importa Fe2 + nei mitocondri. Fe2 + contribuisce a migliorare il LIP che, a sua volta, genera mitoROS. (5) MnSOD converte l’anione superossido (O2−) dall’ETC al perossido di idrogeno (H2O2) che prende parte alla reazione di Fenton, promuovendo così la ferroptosi. (6) CISD1 regola l’esportazione di ferro mitocondriale che agisce come soppressore della ferroptosi. (7) FtMt impedisce la reazione di Fenton attraverso attività di deposito di ferro e ferroxidasi. (8) LONP1 mantiene l’integrità mitocondriale, prevenendo l’induzione della ferroptosi. (9) ACSL4, LPCAT e LOX attivano la perossidazione lipidica, guidando la ferroptosi.
(10) Il CS regola la sintesi degli acidi grassi attraverso il rilascio di CoA, un precursore dell’ossidazione β, inducendo così la ferroptosi. (11) La glutammina viene convertita in glutammato dall’isoforma mitocondriale GLS2. Il glutammato viene convertito in α-KG dagli enzimi GDH e GOT / GPT, fornendo così carburante per il ciclo TCA e la biosintesi lipidica. Abbreviazioni utilizzate: Mfrn1 / 2, mitoferrin 1/2; LIP, piscina di ferro labile; mitoROS, specie di ossigeno reattivo mitocondriale; BID, agonista della morte nel dominio interagente BH3; BAX, proteina X associata a Bcl-2 (nota anche come proteina 4 simile a bcl-2); BAK, omicida assassino Bcl-2; ACSF2, membro della famiglia della sintetasi acil-CoA 2; VDAC2 / 3, canali anionici dipendenti dalla tensione 2/3; MnSOD, superossido dismutasi mitocondriale; ETC, catena di trasporto degli elettroni; CISD1, CDGSH Iron Sulphur Domain 1; FtMt, ferritina mitocondriale; LONP1, lon peptidase 1; ACSL4, acido grasso a catena lunga: CoA ligasi 4; LPCAT, liso-fosfatidilcolina aciltransferasi; LOX, lipossigenasi; AA, acido arachidonico; PE, fosfatidiletanolammina; CPT1 / 2, carnitina palmitoiltransferasi 1/2; CS, citrato sintasi; CoA, coenzima A; GLS1 / 2, glutaminasi 1/2; α-KG: alfa-chetoglutarato; GDH, glutammato deidrogenasi; GOT, transaminasi ossaloacetica glutammica; GTP, transaminasi piruvica glutammica; Ciclo TCA (ciclo dell’acido tricarbossilico); AOA, acido amino-ossiacetico. Ciclo TCA (ciclo dell’acido tricarbossilico); AOA, acido amino-ossiacetico. Ciclo TCA (ciclo dell’acido tricarbossilico); AOA, acido amino-ossiacetico.

Discussione La
ferroptosi si verifica quando la disintossicazione da idrossido di lipidi mediata dall’attività GPX4 è ridotta a tal punto da diventare insufficiente a contenere l’ossidazione PUFA della membrana ferro-dipendente e l’accumulo di ROS tossici [2].

Come fonte principale di ROS cellulare, è probabile che il metabolismo mitocondriale svolga un ruolo chiave nell’esecuzione della ferroptosi [26]. Un sondaggio della letteratura evidenzia chiaramente che la ferroptosi è accompagnata da gravi danni mitocondriali morfologici e funzionali e che, allo stesso tempo, una corretta funzione del metabolismo bioenergetico mitocondriale è obbligatoria per l’avvio e il raggiungimento di questo nuovo tipo di morte cellulare [35 , 45,99].

Le interferenze dei principali regolatori del metabolismo lipidico mitocondriale (cioè ASCF2 e CS), il metabolismo della glutammina (cioè, GLS2), il ciclo TCA (cioè, FH) e altre vie di segnalazione aumentano costantemente la sensibilità alla ferroptosi [26,34]. Tuttavia, la nostra conoscenza dei meccanismi molecolari alla base di questi eventi è ancora limitata e ulteriori studi sono garantiti.

Prove indicative della diafisi di ferroptosi / mitocondri sono rappresentate dalla forte
dipendenza da ferro di questo RCD [26,38]. L’accumulo di ferro intracellulare può generare ROS e causare stress ossidativo attraverso la reazione di Fenton, promuovendo così la perossidazione lipidica [61].

L’omeostasi del ferro mitocondriale viene modificata per soddisfare le richieste di ferro attivo redox per la ferroptosi a propagazione [26,99]. Un’evidenza diretta in vivo per il coinvolgimento del metabolismo mitocondriale del ferro nella ferroptosi è rappresentata dalle malattie neurodegenerative, i cui meccanismi patogenetici sono stati recentemente collegati alla ferroptosi [167].

Se il metabolismo del ferro mitocondriale con il ferro citosolico o, in caso contrario, il metabolismo del ferro mitocondriale è indipendente, in una certa misura, dal metabolismo del ferro citosolico è ancora in discussione [16]. Ad esempio, quando la sintesi dell’eme viene inibita nel mitocondrio, il ferro continua ad entrare in questi organelli [192].

Questa scoperta può suggerire la mancanza di comunicazione tra citoplasma e mitocondrio, poiché il ferro continua a essere trasportato in questo organello indipendentemente dall’inibizione della sintesi dell’eme. Altrimenti, può suggerire che il ferro continua ad entrare nel mitocondrio nel
tentativo di salvare la sintesi dell’eme.

Un recente lavoro di Li et al. [193], ha evidenziato che i fibroblasti e i linfoblasti dei pazienti con atassia (FA) di Friedreich presentano carenza di ferro citosolico. La sovraespressione della ferritina mitocondriale (FtMt) nel mitocondrio porta al carico di ferro mitocondriale e alla privazione di ferro citosolico [194]. Collettivamente, questi dati suggeriscono che il metabolismo del ferro mitocondriale può mediare la ferroptosi modulando l’elaborazione del ferro a cellule intere.

La plasticità metabolica è una proprietà fondamentale che offre alle cellule tumorali il vantaggio di espandersi, persistere dopo i colpi terapeutici ed eludere la sorveglianza immunitaria [195]. Recentemente, la riprogrammazione metabolica è stata associata alla sensibilità acquisita alla ferroptosi, aprendo così nuove opportunità per il trattamento di tumori insensibili alla terapia [1].

Si noti che sia la manipolazione genetica sia il targeting farmacologico delle proteine ​​coinvolte nella ferroptosi hanno indotto la morte cellulare in una vasta gamma di cellule tumorali [11]. La suscettibilità di diversi tipi di cellule tumorali alla ferroptosi è tuttavia significativamente variabile [155].

Sulla base di alcuni studi recenti, la diversa sensibilità delle cellule tumorali alla ferroptosi dipende dal loro stato metabolico di base [78]. Considerando il ruolo cardine dei mitocondri nel ricablaggio metabolico delle cellule tumorali, è possibile che la modulazione delle vie metaboliche mitocondriali possa rimodellare il microambiente tumorale portando così alla soppressione del tumore mediata dalla ferroptosi.

Per fare alcuni esempi, le cellule staminali tumorali presentano spesso uno spostamento metabolico mitocondriale dalla glicolisi a OXPHOS [196], che può essere sfruttato per rendere queste cellule vulnerabili alla ferroptosi. La glutaminolisi è utilizzata dalla maggior parte delle cellule tumorali per soddisfare le loro esigenze bioenergetiche [197].

Fin dal suo ruolo nel promuovere la ferroptosi, la glutaminolisi può rappresentare un punto nodale di vulnerabilità per le cellule tumorali e un potenziale bersaglio per nuove strategie antitumorali [198]. La dipendenza da ferro è una caratteristica delle cellule tumorali [199].

La modulazione di entrambe le proteine ​​mitocondriali FXN e NEET è stata associata alla ferroptosi CDI nelle cellule tumorali.
Nel complesso, questi risultati forniscono un chiaro supporto per il potenziale uso della ferroptosi mediata dai mitocondri nel trattamento del cancro. Studi futuri che esplorano gli effetti del ricablaggio metabolico mitocondriale in modelli in vivo di ferroptosi sarebbero necessari per confermare il ruolo di questa morte cellulare come nuova eccitante frontiera nella biologia del cancro.

Link di riferimento


Ulteriori informazioni:  Developmental Cell  (2020). DOI: 10.1016 / j.devcel.2020.06.019

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