《Functional & Integrative Genomics》：NFS1 activates PI3K/AKT/mTOR signaling to upregulate GPX4 expression and enhance ferroptosis resistance in osteosarcoma
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骨肉瘤（osteosarcoma, OS）因化疗耐药和转移持续表现出较差生存结局，代谢重编程与铁死亡（ferroptosis）抵抗是肿瘤异质性的关键特征，但其上游调节因子仍不明确。NFS1是一种对铁–硫簇（iron–sulfur cluster, ISC）生物
骨肉瘤（osteosarcoma, OS）因化疗耐药和转移持续表现出较差生存结局，代谢重编程与铁死亡（ferroptosis）抵抗是肿瘤异质性的关键特征，但其上游调节因子仍不明确。NFS1是一种对铁–硫簇（iron–sulfur cluster, ISC）生物合成至关重要的半胱氨酸脱硫酶（cysteine desulfurase），可在多种癌症中保护细胞免于铁死亡，但其在骨肉瘤中的作用未知。研究人员通过转录组荟萃分析发现，NFS1在骨肉瘤组织中显著上调，在转移病灶中进一步升高，高NFS1表达与总生存（overall survival, OS）较差相关。全基因组CRISPR筛选数据显示骨肉瘤细胞系对NFS1有明显依赖性。功能上，NFS1促进细胞增殖、迁移和侵袭，敲低则抑制这些表型。利用27例骨肉瘤标本的单细胞RNA测序（single?cell RNA sequencing）数据和多算法糖酵解评分框架，研究人员观察到NFS1富集于高糖酵解恶性细胞，并与PI3K（phosphatidylinositol 3?kinase）/AKT（protein kinase B）/mTOR（mechanistic target of rapamycin）通路激活相关。机制上，NFS1选择性增强PI3K、AKT和mTOR磷酸化而不改变总蛋白水平，并上调中心铁死亡抑制因子GPX4（glutathione peroxidase 4），导致NFS1高表达恶性细胞铁死亡抵抗评分升高。综上，该研究识别出骨肉瘤中此前未被认识的NFS1–PI3K/AKT/mTOR–GPX4调控轴，将代谢重编程与铁死亡抵抗联系起来，并提示NFS1可作为致癌驱动因子及有前景的预后生物标志物和治靶点。
研究背景方面，骨肉瘤是最常见的儿童和青少年原发性恶性骨肿瘤，具有强侵袭性、早期肺转移倾向和术后复发率高特点，近三十年长期生存率停滞。化疗耐药、复发和转移患者治疗进入平台期。肿瘤内异质性与独特肿瘤微环境表现为遗传改变、细胞表型、代谢模式、应激适应和免疫原性差异。代谢重编程是肿瘤异质性核心特征，骨肉瘤细胞常增强有氧糖酵解（Warburg效应），通过NADPH等还原当量增强抗氧化防御并赋予铁死亡抵抗。铁死亡是由铁依赖脂质过氧化驱动的调节性细胞死亡，其核心抑制因子GPX4依赖谷胱甘肽等还原当量。PI3K/AKT/mTOR是连接代谢重编程与铁死亡抵抗的关键上游枢纽：mTORC1可通过磷酸化SREBP1促进糖酵解基因转录，也可通过磷酸化4E?BP1促进GPX4帽依赖翻译。然而，铁–硫簇代谢是否参与骨肉瘤中PI3K/AKT/mTOR调控及下游铁死亡抵抗尚不清楚。NFS1作为ISC生物合成的限速酶，在肺腺癌、胃癌、急性髓系白血病等多种肿瘤中被证明可保护细胞免于铁死亡，但在骨肉瘤中的表达谱与生物学作用尚未阐明。因此，研究人员假设NFS1是连接PI3K/AKT/mTOR与骨肉瘤铁死亡抵抗的关键上游调节因子，并开展本研究。论文发表在《Functional》。
主要关键技术方法方面，研究人员整合16个公开转录组数据集与TARGET队列进行骨肉瘤NFS1表达及预后评价；利用DepMap中Chronos评分评估骨肉瘤细胞系对NFS1的功能依赖性；收集27例骨肉瘤标本的三个单细胞转录组库，经Seurat处理与Harmony批次校正，构建341个基因组成的META?Glycolysis基因集，并用AUCell、UCell和Seurat AddModuleScore计算共识糖酵解活性评分（CGAS）以划分低、中、高糖酵解恶性细胞；在高糖酵解亚群中按NFS1中位数分组进行差异表达与KEGG富集，并用AUCell估计PI3K/AKT/mTOR活性；体外以骨肉瘤细胞系行RT?qPCR、Western blotting、乳酸检测、克隆形成、伤口愈合、Transwell及Fer?1救援实验验证功能与机制。
研究结果部分保留小标题如下。NFS1在骨肉瘤中显著上调并与不良预后相关：研究人员通过16个数据集共596例样本的荟萃分析发现，原发骨肉瘤较正常骨组织NFS1 mRNA升高，转移灶较原发灶进一步升高，TARGET队列中高NFS1表达总生存更差，说明NFS1可作为预后生物标志物。NFS1在骨肉瘤细胞系中高表达且为存活所必需：RT?qPCR与Western blotting显示五种骨肉瘤细胞系NFS1高于正常成骨细胞，143B与MG63表达最高；DepMap显示多数骨肉瘤细胞系NFS1的Chronos评分低于?1，表明广泛依赖NFS1存活。NFS1促进骨肉瘤细胞增殖、迁移和侵袭：143B与MG63中敲低NFS1降低伤口愈合、Transwell迁移侵袭和克隆形成，过表达则增强上述表型。NFS1表达与骨肉瘤单细胞分辨率下高糖酵解活动相关：218733个细胞整合后，恶性细胞整体呈高糖酵解；CGAS最高10%的HGlyOS中NFS1表达最高，体外乳酸检测显示NFS1敲低降低乳酸、过表达升高乳酸，证明NFS1驱动糖酵解。NFS1与糖酵解活动相关且伴随PI3K/AKT/mTOR通路激活：HGlyOS内NFS1高组较NFS1低组有3509个上调基因，KEGG富集出PI3K/AKT信号，AUCell显示PI3K/AKT/mTOR活性更高，PIK3CA、AKT1、MTOR表达上调。NFS1选择性激活骨肉瘤细胞PI3K/AKT/mTOR磷酸化：Western blotting表明敲低NFS1降低p?PI3K/PI3K、p?AKT/AKT、p?mTOR/mTOR比值，过表达则升高，而总PI3K、AKT、mTOR蛋白不变。NFS1高表达细胞呈现选择性增强的铁死亡抵抗：模块评分显示NFS1高组铁死亡抵抗评分最高，凋亡无显著差异，坏死性凋亡与自噬评分略低，效应量以铁死亡抵抗最大。GPX4受NFS1上调并作为铁死亡抵抗关键介质：HGlyOS中GPX4 mRNA在NFS1高组升高；Western blotting证实NFS1敲低降低GPX4蛋白、过表达升高；Fer?1可部分救援NFS1敲低导致的增殖与侵袭缺陷，建立NFS1—铁死亡抵抗—恶性表型因果链。
讨论部分总结如下。研究人员指出本研究首次系统表征NFS1在骨肉瘤中的异常高表达与致癌功能，通过多队列转录组荟萃、单细胞RNA测序和体外功能实验证明NFS1—PI3K/AKT/mTOR—GPX4轴存在。骨肉瘤微环境具高糖酵解、缺氧、溶骨性高钙等特征，NFS1可能在适应骨微环境的高代谢亚群中被优先上调，但是否由钙敏感受体、缺氧诱导因子或骨源性细胞因子调控仍待研究。机制上，NFS1作为线粒体半胱氨酸脱硫酶如何偶联胞质PI3K/AKT/mTOR仍不清：可能通过ISC装配维持呼吸链功能、降低AMP/ATP从而抑制AMPK并解除对mTORC1抑制；mTORC1又可磷酸化ISCU形成回路；半胱氨酸经Rag–Ragulator被mTORC1感知，NFS1消耗半胱氨酸可能改变可用池而间接影响mTORC1与GPX4翻译。局限性包括缺组织芯片IHC验证、未直接定量MDA或脂质ROS、缺体内异种移植实验、NFS1上游HIF?1α/MYC/表观遗传调控未明。
结论部分翻译如下。本研究将NFS1鉴定为骨肉瘤中新型致癌驱动因子，其通过磷酸化激活PI3K/AKT/mTOR信号通路，上调GPX4并增强铁死亡防御。NFS1在骨肉瘤中显著过表达，预测不良预后，并促进肿瘤细胞增殖、迁移和侵袭。这些发现确立了此前未被认识的NFS1–PI3K/AKT/mTOR–GPX4调控轴，并凸显NFS1作为骨肉瘤中有前景的预后生物标志物和治疗靶点。
