VCPKMT-VCP-HDAC1轴通过调控铁死亡敏感性抑制结直肠癌

《Cancer Cell International》：The VCPKMT-VCP-HDAC1 axis inhibits colorectal cancer by conferring sensitivity to ferroptosis

本研究针对结直肠癌（CRC）中铁死亡敏感性调控机制不清的问题，揭示了甲基转移酶METTL21D（VCPKMT）通过介导VCP蛋白甲基化，促进其核转位，进而增强与HDAC1的相互作用，通过泛素-蛋白酶体途径降解HDAC1，下调铁死亡关键抑制因子FTH1的表达，最终增强CRC细胞对铁死亡的敏感性。该研究阐明了VCPKMT-VCP-HDAC1轴在CRC中的抑癌作用，为VCPKMT低表达患者联合靶向HDAC1与铁死亡提供了理论依据。

在癌症研究领域，铁死亡（ferroptosis）作为一种铁依赖性的、由脂质过氧化驱动的新型细胞死亡方式，近年来备受关注。其在肿瘤抑制中扮演着双重角色，既可能抑制肿瘤进展，也可能在某些情况下促进肿瘤发展。结直肠癌（Colorectal Cancer, CRC）作为全球范围内发病率和死亡率均位居前列的恶性肿瘤，其治疗仍面临挑战。研究表明，激活铁死亡能够抑制CRC进展并克服治疗抵抗，然而，铁死亡与肿瘤发生之间的复杂相互作用尚未完全阐明，这限制了铁死亡策略在CRC临床治疗中的应用。

甲基转移酶样（Methyltransferase-like, METTL）蛋白家族成员在肿瘤发生中的作用日益受到重视，其中METTL21D，也被称为VCPKMT（Valosin-containing protein lysine methyltransferase），其功能在CRC中却知之甚少。VCPKMT是VCP（Valosin-containing protein）的特异性甲基转移酶，而VCP作为一种重要的分子伴侣，参与多种细胞过程。探索VCPKMT在CRC中的作用，特别是其是否以及如何调控铁死亡，对于深入理解CRC的发病机制和开发新的治疗策略具有重要意义。

本研究发表在《Cancer Cell International》杂志上，研究人员通过系统分析发现VCPKMT在CRC组织中表达下调，且低表达与患者不良预后相关。机制上，VCPKMT通过催化VCP蛋白第315位赖氨酸的三甲基化（K315me3），促进VCP从细胞质向细胞核内转运。在细胞核内，VCP与组蛋白去乙酰化酶1（Histone deacetylase 1, HDAC1）相互作用，并通过泛素-蛋白酶体途径促进HDAC1的降解。HDAC1的减少进而导致铁蛋白重链（Ferritin heavy chain, FTH1）的表达下调。FTH1是细胞内铁储存的关键蛋白，其表达下降使得细胞内游离铁离子（Fe²⁺）水平升高，脂质过氧化加剧，最终增强了CRC细胞对铁死亡诱导剂（如erastin）的敏感性。体内外实验均证实，VCPKMT低表达的肿瘤对铁死亡诱导剂抵抗，而联合使用HDAC1抑制剂则能有效逆转这种抵抗，抑制肿瘤生长。这项研究首次揭示了VCPKMT-VCP-HDAC1轴在调控CRC铁死亡敏感性中的关键作用，为VCPKMT低表达CRC患者的联合治疗提供了新的靶点和思路。

为开展此项研究，作者运用了多种关键技术方法。在细胞功能层面，采用了CCK-8法和集落形成实验评估细胞增殖和铁死亡敏感性；通过异种移植瘤模型进行体内验证。在分子机制探索方面，利用RNA测序（RNA-seq）进行转录组分析，免疫沉淀-质谱联用（IP-MS）筛选相互作用蛋白，辅以免疫共沉淀（Co-IP）和蛋白质印迹（Western blot）验证蛋白互作和修饰（如VCP甲基化、HDAC1泛素化）。亚细胞分级分离和免疫荧光（IF）染色用于观察VCP的核质定位。此外，还使用了CUT&Tag测序技术探索HDAC1与DNA的潜在结合，并通过透射电子显微镜（TEM）观察铁死亡典型的线粒体形态变化。临床样本来源于中山大学肿瘤防治中心的88对CRC组织及癌旁正常组织。

VCPKMT是下调的并抑制CRC增殖

研究人员通过生物信息学分析发现，VCPKMT在CRC组织中的表达显著低于正常组织，且其高表达与患者更好的无复发生存期和总生存期相关。免疫印迹结果证实VCPKMT蛋白在CRC组织中普遍下调。功能实验表明，敲低VCPKMT能促进CRC细胞增殖，而过表达VCPKMT则抑制细胞增殖，提示VCPKMT在CRC中发挥抑癌作用。

VCPKMT促进CRC细胞对铁死亡的敏感性

转录组分析提示VCPKMT可能与脂质代谢和铁死亡相关。基因集富集分析（GSEA）显示，VCPKMT过表达下调的基因富集在铁死亡相关通路。功能实验证实，VCPKMT过表达显著增强了CRC细胞对铁死亡诱导剂erastin的敏感性，且此效应可被铁死亡抑制剂Ferrostatin-1（Fer-1）特异性逆转，而非其他细胞死亡抑制剂。相反，敲低VCPKMT则使细胞对erastin抵抗。进一步检测发现，VCPKMT敲低降低了脂质过氧化物积累和细胞内Fe²⁺水平，而过表达VCPKMT则产生相反效应。透射电镜观察到了VCPKMT过表达细胞中线粒体皱缩、膜密度增加等铁死亡典型超微结构变化。这些结果均表明VCPKMT能促进CRC细胞发生铁死亡。

VCPKMT促进VCP核转位以降解HDAC1

为阐明机制，研究人员通过IP-MS技术寻找VCPKMT的相互作用蛋白，除已知底物VCP外，还发现了HDAC1。Co-IP和免疫荧光实验证实了VCPKMT与VCP及HDAC1之间存在相互作用，且三者共定位于细胞核。进一步实验发现，VCPKMT敲低减弱了VCP与HDAC1的结合，降低了VCP的甲基化水平，同时增加了HDAC1的K48连接泛素化水平和蛋白稳定性。反之，VCPKMT过表达则增强VCP-HDAC1互作，促进VCP甲基化，并降低HDAC1蛋白水平。重要的是，VCPKMT并不直接甲基化HDAC1。蛋白酶体抑制剂MG132能够逆转VCPKMT过表达引起的HDAC1降解，表明该过程依赖于泛素-蛋白酶体途径。亚细胞分级和免疫荧光实验证明，VCPKMT通过其甲基转移酶活性（关键位点D96/D144V突变或VCP的K315L突变会废除此效应）促进VCP的核转位，进而导致核内HDAC1的降解。这些结果说明VCPKMT通过甲基化VCP并促进其核转位，间接引导HDAC1的泛素化降解。

VCPKMT通过抑制HDAC1-FTH1表达促进铁死亡

通过筛选铁死亡相关基因，研究人员发现VCPKMT能负调控FTH1的表达。TCGA数据和临床样本分析均显示VCPKMT与FTH1表达呈负相关。回复实验表明，HDAC1的过表达或敲低可以逆转VCPKMT对FTH1表达的调控。虽然CUT&Tag实验未发现HDAC1直接结合FTH1启动子，提示调控可能是间接的。功能上，敲低HDAC1可以逆转VCPKMT敲低带来的增殖优势和对铁死亡的抵抗，恢复脂质过氧化水平和细胞内Fe²⁺水平，并重现铁死亡线粒体形态。同样，过表达FTH1也能逆转VCPKMT过表达对铁死亡的增敏作用。这些结果确定了下游关键分子，即VCPKMT通过降解HDAC1，下调FTH1，从而促进铁死亡。

VCPKMT在体内依赖HDAC1调控铁死亡敏感性

小鼠体内实验进一步验证了上述机制。VCPKMT敲低促进肿瘤生长并对erastin抵抗，而联合敲低HDAC1则能有效逆转这种促生长和铁死亡抵抗效应。免疫组化分析显示，联合敲低HDAC1后，肿瘤增殖标志物Ki-67阳性率下降，铁死亡抑制因子FTH1表达回落，而铁死亡生物标志物4-HNE（4-羟基壬烯醛）水平回升，表明HDAC1介导了VCPKMT在体内的铁死亡调控和肿瘤抑制功能。

综上所述，本研究首次系统地揭示了VCPKMT-VCP-HDAC1信号轴在调控结直肠癌细胞铁死亡敏感性中的核心作用。研究结论表明，VCPKMT在CRC中低表达，其通过催化VCP的K315三甲基化，促进VCP核转位，增强VCP与HDAC1的相互作用，进而通过泛素-蛋白酶体途径降解HDAC1。HDAC1的减少导致铁死亡关键负调控因子FTH1表达下调，最终使CRC细胞对铁死亡敏感。这项研究的重要意义在于：首先，它阐明了一个全新的调控铁死亡的表观遗传机制，将蛋白质甲基化（VCPKMT）、蛋白转运（VCP核转位）、蛋白降解（HDAC1泛素化）和铁代谢（FTH1）等多个关键生物学过程联系起来。其次，它明确了VCPKMT作为一个潜在的预后生物标志物，其低表达提示患者预后不良且可能对铁死亡诱导剂不敏感。最重要的是，该研究提出了针对VCPKMT低表达CRC患者的潜在联合治疗策略，即同时靶向HDAC1（如使用HDAC抑制剂）和铁死亡通路，这可能成为克服当前铁死亡疗法耐药性的有效手段。研究不仅深化了对METTL家族蛋白非经典功能的认识，也为开发基于铁死亡增敏的精准癌症治疗提供了新的理论依据和靶点。