黑色素瘤细胞状态铁死亡易感性的新机制：BDH2介导的溶酶体-线粒体铁转运调控

本研究揭示了黑色素瘤细胞状态转换过程中铁死亡易感性的关键调控机制。研究人员通过多组学分析和功能实验，发现BDH2介导的溶酶体-线粒体铁转运通过维持线粒体能量代谢和溶酶体酸化，决定间充质样黑色素瘤细胞对铁死亡的敏感性。该研究为靶向铁代谢的癌症治疗提供了新策略。

黑色素瘤作为一种高度恶性的皮肤癌，其治疗抵抗和转移复发是临床面临的主要挑战。近年来研究表明，黑色素瘤细胞具有显著的可塑性，能够在不同的细胞状态间动态转换，特别是从分化程度较高的黑色素细胞样（MEL）状态向侵袭性的间充质样（MES）状态转变。这种可塑性不仅驱动肿瘤的异质性和治疗抵抗，还影响细胞对特定细胞死亡方式的敏感性。铁死亡（ferroptosis）作为一种铁依赖性的脂质过氧化驱动的新型细胞死亡方式，在靶向耐药肿瘤细胞方面展现出巨大潜力。然而，不同状态的黑色素瘤细胞对铁死亡的敏感性差异及其调控机制尚不清楚。

在这项发表于《Nature Metabolism》的研究中，研究人员深入探究了黑色素瘤细胞状态转换过程中铁代谢的重编程及其对铁死亡易感性的影响。通过整合转录组学、蛋白质组学、高分辨率活细胞成像和功能实验，研究团队发现了一种由BDH2（3-羟基丁酸脱氢酶2）介导的细胞器间铁转运新机制，该机制通过调控线粒体-溶酶体接触（MLCs）和溶酶体酸化，决定间充质样黑色素瘤细胞的铁死亡命运。

研究主要采用了以下关键技术方法：1）利用超分辨率显微镜（SIM和Airyscan）观察细胞器间铁分布和线粒体-溶酶体接触动态；2）通过毛细管电泳-电感耦合等离子体质谱（CE-ICP-MS）精确测定细胞内铁物种；3）使用患者来源的黑色素瘤异种移植（PDX）模型和单细胞RNA测序分析临床样本中的基因表达模式；4）通过CRISPR/Cas9基因编辑、RNA干扰和药理学手段调控靶基因表达；5）利用Seahorse能量代谢分析仪评估线粒体呼吸功能。

Inter-organelle iron redistribution is a hallmark of the melanoma phenotype switching

研究发现，与MEL细胞相比，MES细胞表现出独特的铁分布模式：溶酶体内Fe(II)显著积累，而线粒体铁含量降低。这种铁重分布与MES细胞的低氧耗率（OCR）和线粒体代谢缺陷相关。通过沉默MITF（黑色素瘤的主要转录因子）可模拟MES细胞的铁分布表型，证实了细胞状态转换与铁代谢重塑的直接关联。

The MES phenotype is associated with reduced levels of BDH2, the mammalian homologue of the bacterial EntA

转录组分析显示，MES细胞中BDH2表达显著下调。BDH2是细菌铁载体肠杆菌素合成酶EntA的哺乳动物同源物，负责生成2,5-二羟基苯甲酸（2,5-DHBA）。临床样本分析证实，BDH2与MITF和RAB7表达呈正相关，且在靶向治疗耐受期（MRD）细胞中表达最低。

Production of 2,5-DHBA by BDH2 is required for inter-organelle iron transport

功能实验表明，BDH2缺失导致MEL细胞线粒体铁缺乏和溶酶体铁蓄积，而恢复BDH2表达或补充2,5-DHBA可逆转MES细胞的铁分布缺陷。2,5-DHBA作为铁载体，在酸性溶酶体环境中结合铁，并在碱性线粒体基质中释放铁，促进铁向线粒体转运。

BDH2 is recruited to mitochondria–lysosome contacts to sustain inter-organelle Fe(II) transfer

超分辨率显微镜显示，BDH2定位于线粒体外膜（TOM20阳性）与溶酶体（LAMP1阳性）的接触区域。在MES细胞中，BDH2的线粒体定位显著减少。BDH2-2,5-DHBA轴通过维持线粒体能量代谢（ATP生成）促进溶酶体v-ATPase活性和酸化，从而正向调控线粒体-溶酶体接触形成和铁转运。

The BDH2-2,5-DHBA axis protects MES cells against ferroptosis in vitro and in the bloodstream

最后，研究证实BDH2-2,5-DHBA轴通过促进铁从溶酶体向线粒体转运，减少溶酶体铁蓄积相关的脂质过氧化，从而保护MES细胞免受铁死亡。在体内实验中，恢复BDH2表达或补充2,5-DHBA显著增强MES细胞在血液循环中的存活能力和肺定植能力。

该研究首次揭示了BDH2在调控细胞器间铁转运和铁死亡敏感性中的核心作用，阐明了线粒体能量代谢与溶酶体功能通过铁代谢相互偶联的新机制。这些发现不仅为理解黑色素瘤细胞可塑性提供了新视角，也为靶向铁代谢联合诱导铁死亡的治疗策略提供了理论依据。鉴于铁代谢紊乱和线粒体-溶酶体功能障碍广泛存在于衰老、神经退行性疾病和多种癌症中，BDH2-2,5-DHBA轴的发现可能具有更广泛的生物学意义和治疗潜力。