PARP抑制剂BMN673通过PARylation介导的ATF4-GDF15通路驱动ATM缺陷结直肠癌细胞的铁死亡和线粒体自噬

《Molecular Biomedicine》：PARP inhibitor BMN673 triggers PARylation-mediated ATF4-GDF15 pathway to drive autophagy and ferroptosis in ataxia telangiectasia mutated gene-deficient colorectal cancer cells

本研究针对ATM基因突变的结直肠癌(CRC)对PARP抑制剂BMN673的敏感性机制展开探索。研究人员发现BMN673不仅通过合成致死作用抑制ATM缺陷CRC细胞生长，还通过抑制ATF4的PARylation修饰激活ATF4-GDF15信号轴，进而诱导自噬相关死亡、铁死亡(ferroptosis)和线粒体自噬(mitophagy)。该研究揭示了超越经典DNA损伤修复通路的治疗新靶点，为ATM缺陷CRC的联合治疗提供了理论依据。

　　

在全球范围内，结直肠癌(Colorectal Cancer, CRC)的发病率和死亡率一直居高不下，据GLOBOCAN 2024估计，每年新增病例超过200万，死亡病例约110万。尽管标准治疗方法不断进步，但由于敏感性差和耐药性问题，治疗效果仍不理想。靶向治疗因其特异性和副作用小等优势成为有前景的新策略。其中，聚腺苷二磷酸核糖聚合酶(Poly(ADP-ribose) polymerase, PARP)抑制剂通过诱导同源重组修复(Homologous Recombination Repair, HRR)功能异常的肿瘤细胞发生合成致死而备受关注。然而，在约14%存在ATM(Ataxia Telangiectasia Mutated)基因突变的CRC患者中，BMN673(talazoparib)作为最强效的PARP抑制剂，其具体作用机制尚不完全清楚。

以往研究多聚焦于PARP抑制剂的DNA损伤修复机制，但越来越多的证据表明，PARP抑制剂还能激活其他细胞死亡途径，如自噬(autophagy)和铁死亡(ferroptosis)。内质网应激(ER stress)及其关键转录因子ATF4(Activating Transcription Factor 4)也被发现与PARP抑制剂的作用存在交叉对话。然而，这些非经典死亡通路在ATM缺陷CRC中对BMN673应答的具体调控网络仍有待阐明。为此，项奇、徐杰、范慧等研究人员在《Molecular Biomedicine》上发表了最新研究成果，系统揭示了BMN673通过PARylation介导的ATF4-GDF15通路调控多维度细胞死亡程序的新机制。

本研究主要采用了CCK-8细胞活力检测、克隆形成实验、RNA测序(RNA-seq)、蛋白质免疫印迹(Western blot)、免疫荧光、透射电子显微镜、流式细胞术、代谢组学分析、染色质免疫沉淀(ChIP)、双荧光素酶报告基因检测、裸鼠异种移植模型等技术方法。临床前模型使用了ATM缺陷的SK-CO-1人结直肠癌细胞系和ATM敲低的RKO细胞系。

PERK-ATF4信号通路、线粒体自噬和铁死亡可能参与BMN673在ATM缺陷结直肠癌细胞中的抗癌作用

研究人员首先证实了BMN673对ATM缺陷CRC细胞的特异性杀伤作用。通过RNA测序分析，发现BMN673处理后差异表达基因显著富集于PERK-ATF4信号通路、线粒体自噬和铁死亡相关通路。体内外实验均表明BMN673可抑制ATM缺陷CRC细胞生长，并诱导G2/M期阻滞和细胞凋亡。

自噬增强BMN673诱导的抗癌作用

BMN673处理可促进ATM缺陷CRC细胞中自噬流(autophagic flux)的完成，表现为LC3II积累和p62/SQSTM1降解。自噬抑制剂氯喹(Chloroquine, CQ)或ATG5敲低能够显著减弱BMN673的抗癌效果，而自噬诱导剂雷帕霉素(rapamycin)则可增强其作用，表明自噬在BMN673的抗癌效应中起关键促进作用。

BMN673诱导ATM缺陷结直肠癌细胞铁死亡和线粒体功能紊乱

铁死亡抑制剂Ferrostatin-1(Fer-1)可逆转BMN673的细胞毒性作用。BMN673处理导致谷胱甘肽(Glutathione, GSH)水平下降、脂质过氧化产物丙二醛(Malondialdehyde, MDA)积累以及GPX4表达下调。透射电镜观察到典型的铁死亡线粒体形态改变。同时，BMN673引起线粒体质量减少、膜电位下降和碎片化增加。

BMN673促进ATM缺陷结直肠癌细胞的线粒体自噬

BMN673处理增加了线粒体与LC3B的共定位，降低了线粒体外膜蛋白TOMM20的表达，同时上调了线粒体自噬受体PHB2。此外，BMN673还诱导了SPATA18依赖的线粒体自噬途径，SPATA18敲低可部分逆转BMN673的抑癌作用。

ATF4-GDF15轴参与BMN673的抗癌作用

虽然BMN673处理后ATF4的转录水平下降，但其蛋白的PARylation修饰被抑制，导致核内ATF4转录活性增强。ChIP和双荧光素酶报告基因实验证实ATF4可直接结合GDF15启动子并调控其表达。ATF4或GDF15敲低可逆转BMN673诱导的自噬、铁死亡和线粒体自噬，表明ATF4-GDF15轴是BMN673作用的关键介质。

BMN673增强ATM缺陷结直肠癌细胞对放疗的敏感性

BMN673与放疗(Ionizing Radiation, IR)联合应用显示出协同抗癌效应。自噬抑制剂CQ可减弱这种协同作用，而自噬诱导剂雷帕霉素则可进一步增强疗效，表明BMN673诱导的过度自噬在放疗增敏中发挥重要作用。

研究结论与讨论部分指出，该研究不仅证实了BMN673在ATM缺陷CRC中的合成致死作用，还揭示了其通过抑制ATF4的PARylation修饰，激活ATF4-GDF15信号轴，进而协调调控自噬相关死亡、铁死亡和线粒体自噬的多维度细胞死亡程序。这一发现超越了传统的DNA损伤修复框架，为ATM缺陷肿瘤的治疗提供了新的视角。

该研究的创新点在于首次阐明了PARylation调控的ATF4-GDF15通路在PARP抑制剂诱导的非经典细胞死亡中的作用，并证实了BMN673与放疗的协同效应。然而，研究也存在一定局限性，如GDF15的下游效应器尚未完全阐明，且缺乏原代患者样本的验证。未来研究应着重解析GDF15的下游信号网络，并在临床样本中验证ATF4-GDF15轴的生物标志物价值。

总体而言，这项研究为ATM缺陷CRC的精准治疗提供了新的理论基础和潜在的联合治疗策略，拓展了PARP抑制剂临床应用的前景。