Nature Chem.：新发现！认识了几十年的蛋白竟然是铁摄取的另一种途径！这或是癌症治疗新途径！

小奇

2020-08-10

为了更好了解后文，首先在这里提一下EMT以及铁的影响：

在肿瘤中，EMT会促进肿瘤的发生和转移，增加肿瘤对临床干预的耐受。

对于癌细胞，铁发挥两种作用：它提供线粒体，使其能够产生细胞进入转移状态所必需的代谢物，并在表观遗传学上解锁转移过程所必需的某些基因。

CD44是一种跨膜糖蛋白，这个蛋白早已被科学家了解了几十年，它参与许多生理和病理过程，包括发育、炎症、免疫反应、伤口愈合和癌症进展。这些过程包括细胞能够通过上皮-间充质转化（EMT）在细胞状态之间动态可逆地转换。例如，上皮-间充质可塑性可以导致癌细胞和健康组织中CD44水平升高。此外，间充质来源的癌细胞、癌相关成纤维细胞和参与免疫反应的活化T细胞也可以在质膜上显示CD44。在癌症的背景下，患病的间充质细胞有助于耐药性，而CD44本身已被证明有转移潜能给这些细胞。然而，作为CD44功能作用基础的分子机制还不完全清楚。CD44被认为是一种配体结合的表面蛋白，调节细胞通过细胞外基质的粘附和迁移，并作为一种膜共受体介导细胞内信号转导。重要的是，CD44与透明质酸盐（Hyal）相互作用并介导其内吞作用，透明质酸盐是一类糖胺聚糖生物聚合物，可以促进EMT和肿瘤的发展。

透明质酸在每个二糖单元上均显示带负电荷的羧酸盐。这就提出了一个问题：即这些生物聚合物在胞吞过程中在生理pH值下会与哪些反离子发生相互作用，从而能够吸收Hyal而不改变细胞内离子平衡和膜电位。Hyal与金属（包括铁）相互作用的能力，以及间充质癌细胞在体内对铁的依赖性以及它们对铁死亡的脆弱性，促使研究人员寻找推定的CD44介导的铁摄取机制。

成果简介：

鉴于此，法国居里研究所Raphaël Rodriguez等人发现了由CD44介导的Hyal依赖性铁内吞途径，该途径在EMT期间被上调。研究人员发现增加铁摄取对于铁依赖性脱甲基酶的活性是必需的，铁依赖性脱甲基酶调节细胞间充质状态中特定基因的表达。这项工作阐明了铁在调节表观糖蛋白CD44与细胞核功能性连接的表观遗传可塑性中的核心作用。相关成果发表于Nature Chemistry上。

这项研究阐明了在表观遗传可塑性调控中涉及CD44、Hyal和铁的统一机制。该发现将铁内吞作用与线粒体代谢增强和染色质水平发生的分子变化联系起来。Hyal的游离羧酸盐是CD44的主要配体，在生理pH下易于与细胞外的铁相互作用，从而使CD44能够介导这些有机金属配合物的内吞作用。在内吞囊泡酸化和随后的Hyal质子化后，铁被释放并转移到胞质溶胶中，流向特定的细胞区室。特别是，核铁蛋白水平的升高和铁依赖性脱甲基酶PHF8的上调，以及以铁依赖性方式降低了抑制性组蛋白标记H3K9me2，为EMT期间核铁的功能性作用提供了有力的证据。其他脱甲基酶的上调和其他组蛋白标记的可检测变化反映出染色质水平上铁依赖性的复杂调节。

图|低分子量Hyal结构式（红色标记易与铁发生可逆相互作用的官能团）

在这种情况下，两种独立的铁内吞途径共存，一种依赖于蛋白TF，另一种依赖于多糖Hyal。有趣的是，这些生物分子代表了不同类别的具有不同生物合成来源的有机金属载体。涉及Hyal的CD44依赖性途径在EMT发生时即被打开，与TfR1依赖性途径相比，逐渐成为铁内吞作用的普遍机制。重要的是，CD44是铁调节基因，它指示一个正反馈回路，从而CD44调节其自身表达。相反，TfR1在铁水平上受过量铁的负调控。这为在EMT过程中CD44的全面增加和TfR1的降低提供了理论基础。

图|涉及铁的相互胞吞-表观遗传调控

在上皮细胞中，铁的需求是适度的，这使得自我调节的TfR1依赖途径足以维持铁的基础水平。然而，通过该途径不能完全满足细胞在间质状态下对铁的更高需求以解锁间质基因的表达。因此，由生长因子、细胞因子和其他信号分子触发的CD44上调代表增加细胞铁负荷的有力选择。

在核中，利用αKG并利用包括PHF8在内的脱甲基酶，铁可作为金属催化剂，介导组蛋白残基的氧化脱甲基。因此，铁是特定基因表达的限速调节剂。故为了解锁这些基因，细胞会同时上调脱甲基酶的产生并增加铁的吸收。抑制性组蛋白标记H3K9me2是铁和PHF8的直接底物，被确定为调节间充质基因表达的关键翻译后修饰。但是，其他参与甲基化、乙酰化和脱乙酰基作用的酶有望与H3K9me2的这种铁依赖性脱甲基作用协同工作。分析表明，H3K9me2控制着与癌症，发育，免疫反应，炎症和伤口愈合有关的基因的表达。有趣的是，CD44以前与这些过程有关，与铁的调节作用一致

细胞内铁稳态可以通过使用特定抗体干扰铁的内吞作用来改变，或者通过使用适当的小分子来控制选定细胞室中这种金属的化学反应性来改变。这些药理学工具提供了一种在不同环境下解剖依赖于铁的过程的方法，并可进一步开发用于治疗干预。

有趣的是，具有很高分子量（6-12MDa）的Hyal对裸鼹鼠具有抗癌性，并且这些Hyal具有更大体积而难以被内吞。可以想象，如此大的生物聚合物通过将铁螯合在细胞外而阻止EMT。此外，尽管本文已经证明Hyal可以与铁可逆地相互作用，但其他金属离子可能会使用类似的糖胺聚糖介导的途径内吞，并且可能在不同水平上也有助于表观遗传可塑性的调节。虽然该研究说明了CD44，Hyal和铁在致瘤细胞中的功能性作用，但研究人员预计依赖于不同组蛋白标记或修饰的DNA和RNA的状态的其他生理和病理过程也受到以下机制的控制：涉及铁依赖性脱甲基酶。

总而言之，这项研究揭示了在细胞的间充质状态中普遍存在的另一种铁吸收机制，这阐明了铁作为表观遗传可塑性的限速调节剂的核心作用。同时，这为癌症转移治疗提供了一条新的途径。

参考文献：

Müller,S., Sindikubwabo, F., Cañeque, T. et al. CD44 regulates epigenetic plasticityby mediating iron endocytosis. Nat. Chem. (2020).

https://doi.org/10.1038/s41557-020-0513-5