Фермент BDH2 отвечает за компартментализацию железа и защищает клетки меланомы от ферроптоза

Лизосомы регулируют импорт, экспорт и мобилизацию железа в клетке, но используется оно в первую очередь в митохондриях. Железо может представлять опасность для клетки из-за высокой реактивности Fe(II), которое взаимодействует с перекисью водорода и образует активные формы кислорода. В результате может произойти ферроптоз — особый вид программируемой гибели клеток, зависящий от железа. То есть компартментализация железа в клетке находится под строгим контролем. Международная группа ученых выявила ключевую роль белка BDH2 и его продукта, сидерофора 2,5-дигидроксибензойной кислоты (2,5-DHBA), в управлении тем, как железо распределяется внутри клеток меланомы.

Клетки меланомы известны своей адаптивностью, позволяющей им избегать действия терапии и метастазировать. Ученые проанализировали, как железо перераспределяется внутри клеток меланомы, когда они становятся более агрессивными и способными к метастазированию, то есть переходят из пролиферативного состояния (melanocytic, MEL) в инвазивное мезенхимально-подобное состояние (MES). Они обнаружили, что в MES-клетках железо скапливается в лизосомах, в то время как в митохондриях его не хватает, так что эти органеллы функционируют хуже. В менее агрессивных MEL-клетках ситуация обратная: железо сосредоточено в митохондриях.

Исследователи обратили внимание на «контактные точки» между митохондриями и лизосомами, которые играют ключевую роль в обмене веществами. В агрессивных MES-клетках таких «мостиков» было меньше, а их лизосомы оказались более щелочными, что нарушало высвобождение железа. Попытки восстановить белок RAB7, который важен для формирования MLC, или даже искусственно «подкислить» лизосомы специальными наночастицами давали лишь частичный эффект. Это не позволяло полностью восстановить митохондриальное дыхание, указывая на существование других, пока неидентифицированных, регуляторов этого процесса.

Ученые обнаружили недостающее звено в сложной системе управления железом — белок BDH2. С помощью биоинформатического анализа они выяснили, что в агрессивных MES-клетках меланомы уровень BDH2 значительно снижен. Этот белок оказался ключевым звеном, отвечающим за выработку молекулярного транспортера железа (сидерофора) — 2,5-DHBA, который доставляет железо в митохондрии.

Оказалось, что в менее агрессивных MEL-клетках уровни BDH2 и 2,5-DHBA были высокими, а в опасных MES-клетках — низкими, что совпадает с данными, полученными из образцов пациентов. Более того, BDH2 находится на контактных сайтах митохондрий и лизосом в MEL-клетках. Именно там он связывает железо и, используя разницу в уровне кислотности, высвобождает его в митохондриях.

Когда уровень BDH2 падал, лизосомы становились менее кислыми, что нарушало их нормальную работу. Но если ученые восстанавливали экспрессию BDH2 или просто добавляли 2,5-DHBA, кислотность лизосом нормализовалась, их функция улучшалась, а количество контактов между митохондриями и лизосомами увеличивалось.

Выяснилось, что митохондрии, которые производят энергию за счет окислительного фосфорилирования и зависят от железа, в свою очередь, поддерживают кислотность лизосом, создавая таким образом положительную обратную связь. Чтобы подтвердить это, ученые заблокировали импорт железа в митохондрии, «отключив» экспрессию белка Mitoferrin-1. В этом случае все положительные эффекты BDH2 и 2,5-DHBA на работу клетки исчезали.

Также авторы показали, что ось BDH2–2,5-DHBA напрямую влияет на чувствительность агрессивных MES-клеток к ферроптозу. Эти клетки, в отличие от менее агрессивных MEL-клеток, обычно очень восприимчивы к индукторам ферроптоза.

Ученые выяснили, что повышение уровня белка BDH2 или добавление 2,5-DHBA защищает MES-клетки от ферроптоза и связанного с ним окисления липидов. Подтверждение этому было получено в экспериментах на мышах: увеличение уровня BDH2 или предварительная обработка клеток 2,5-DHBA значительно повышала их способность к метастазированию в легкие. Это происходило потому, что BDH2–2,5-DHBA защищала раковые клетки от гибели в агрессивной среде кровотока, где они обычно уязвимы к ферроптозу. Таким образом, эта ось является «щитом» для мезенхимальных клеток меланомы, помогая им распространяться по организму, и потеря этого щита делает их уязвимыми.

Таким образом, ось BDH2–2,5-DHBA — ключевого регулятора переноса железа и кислотности лизосом — предоставляет собой уникальную терапевтическую мишень. Целенаправленное воздействие на BDH2 или 2,5-DHBA может помочь преодолеть лекарственную устойчивость меланомы, делая агрессивные мезенхимальные клетки уязвимыми для ферроптоза. Кроме того, этот механизм компартментализации железа, обнаруженный в раке, важен для понимания таких процессов, как старение и нейродегенеративные заболевания, где нарушения обмена железа и ферроптоз также играют важную роль.

Малая молекула активирует железо в лизосомах раковых клеток и запускает ферроптоз