撰文 | 阿童木
腫瘤細胞習慣於在低氧環境中生長，此時腫瘤細胞通常會發生訊號通路的特異性啟用和代謝反應的重塑，以適應低氧環境【1】。正常氧濃度下，缺氧誘導因子HIF1α 和 HIF2α （統稱為 HIF） 會被脯氨醯羥化酶 （PHD） 羥基化並與VHL （Van Hippel Lindau） 蛋白結合，隨後被泛素化並降解。然而，當氧氣濃度降至低於3%時，PHD的活性降低，HIF得以穩定並誘導缺氧響應基因的表達。更嚴重的缺氧 （1%或更低） 會啟用AMPK並引發內質網應激，進而啟動多種應激反應【2】。此外，低氧脅迫還透過未完全明確的機制啟用NF-κB，後者對HIF1A的本底表達至關重要，影響了缺氧轉錄調控模式的塑造【3】。總的來說，HIF 介導的代謝途徑（如 AMPK）、整合應激反應（例如內質網應激）以及炎症/先天免疫途徑（NF-κB）之間的相互作用，不僅決定了癌細胞的生與死，還決定了其死亡型別。
蛋白酪氨酸磷酸酶PTP1B （PTPN1） 定位於內質網，主要調控受體訊號傳導，是胰島素和瘦素訊號的負向調節因子，且與HER2 （小鼠 2） 誘導的小鼠乳腺癌發生密切相關【4】。在人類癌症中，PTP1B常常過表達或擴增。在缺乏PTP1B或抑制劑處理條件下，HER2+乳腺癌細胞在極低氧環境下對細胞死亡更加敏感，且這一現象與HIF、內質網應激或AMPK通路無關。研究發現，PTP1B的低氧敏感性依賴於蛋白RNF213，但PTP1B如何調控RNF213的機制尚不清楚，且 RNF213 依賴性的細胞死亡型別及其在體內的功能也有待進一步探索。
RNF213是一種具有AAA-ATPase模組，以及RING E3 和 RZ E3連線酶結構域的蛋白。在 AAA-ATPase 和 ISG15 依賴性條件下，RNF213 形成六聚體並定位於脂滴上，同時介導溶血磷脂酸引發的細胞死亡【5】。不僅如此，還有研究發現RNF213 還參與 NF-κB 訊號通路的調控。可見，RNF213 在脂毒性和炎症中的功能與癌症的發生發展相關，但具體機制尚未完全釐清。
近日，紐約大學Abhishek Bhardwaj等在Nature雜誌發表了題為A mechanism for hypoxia-induced inflammatory cell death in cancer的研究文章，發現了一種由PTP1B和RNF213介導的低氧誘導的細胞死亡機制。研究表明，PTP1B透過與ABL1/2共同調控RNF213的酪氨酸磷酸化，啟用其RZ結構域，進而影響NF-κB和NLRP3炎症小體的啟用，最終引發焦亡，揭示了PTP1B–RNF213通路在細胞死亡中的關鍵作用。
作者首先探究了 PTP1B 如何調控 HER2+ 細胞在低氧環境下的生存能力，發現PTP1B缺失或抑制會使HER2+細胞在低氧環境下變得極為敏感，而常氧條件下對細胞存活影響不大。進一步分析表明，PTP1B與ABL1/2共同調控RNF213的Tyr-1275磷酸化狀態，這一調控對RNF213的聚合及低氧應激下的細胞死亡至關重要。
透過質譜分析，作者發現RNF213與PTP1B、USP15、CYLD和SPATA2等蛋白存在互作。尤其是CYLD和SPATA2，作為K63去泛素化酶和NF-κB調節因子，與RNF213形成複合物，調控低氧應激中的細胞死亡。進一步實驗表明，CYLD和SPATA2的缺失緩解了乳腺癌細胞的低氧敏感性，而RNF213的RING結構域對RZ活性起抑制作用。RNF213透過RZ結構域對CYLD和SPATA2進行K63-連線的泛素化修飾，從而促進其降解，調節細胞對低氧的應答。因此，RNF213 的 RING 和 RZ 結構域在調節 CYLD 和 SPATA2 的泛素化及溶酶體降解中具有獨特但相反的作用。
進一步研究發現，RNF213透過調控CYLD和SPATA2的溶酶體降解影響NF-κB活性，從而調節低氧條件下癌細胞的生存能力。而 RING 結構域則透過抑制 RZ 活性發揮負向調控作用，RING-dead 突變體顯示出 RZ 功能增強，導致 CYLD 和 SPATA2 的降解增加，並顯著提高了細胞的缺氧敏感性。不僅如此，PTP1B缺失促使癌細胞透過細胞焦亡 （非凋亡或壞死性凋亡） 而死亡，這一過程依賴於NLRP3和gasdermin D的啟用。因此，PTP1B–RNF213–CYLD–SPATA2訊號通路透過誘導細胞焦亡調控了癌細胞在缺氧條件下的生存能力。
此外，作者還發現，內質網應激在PTP1B缺失細胞對低氧敏感性的調節中至關重要。透過敲除PTPN1（PTP1B基因）、CYLD或SPATA2，作者觀察到乳腺癌細胞在極低氧環境下更容易死亡，但在高氧條件下無此現象。而抑制內質網應激訊號 （透過 IRE1α 或 PERK 通路） 可以顯著減少細胞死亡。可見，內質網應激訊號影響了 PTP1B 缺失細胞在缺氧條件下存活力。
最後，為驗證這些機制的病理生理學意義，作者將不同基因修飾的乳腺癌細胞移植到裸小鼠體內。結果顯示，PTP1B或CYLD缺失的腫瘤生長受到抑制，這些腫瘤表現出更高的壞死程度，且腫瘤核心出現缺氧和內質網應激標誌物的上調。免疫印跡分析證實，PTP1B或CYLD缺失導致了細胞焦亡標誌物的裂解，進一步證實了細胞焦亡在腫瘤死亡中的作用。
綜上所述，本研究揭示了PTP1B和RNF213在低氧環境下調控癌細胞炎症性死亡的機制。PTP1B與ABL1/2協同調控RNF213的磷酸化，啟用其RZ結構域，促進NF-κB和NLRP3炎症小體的啟用，引發焦亡。另外，RNF213透過泛素化CYLD和SPATA2，調節細胞對低氧的敏感性，進一步說明了PTP1B–RNF213通路在癌症細胞死亡中的關鍵作用。
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08136-y
製版人：十一
參考文獻
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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