Metabolismul vitaminei B2 ajută celulele canceroase să reziste feroptozei

Un studiu realizat de cercetători de la Centrul Rudolf Virchow (RVZ) de la Universitatea Julius-Maximilians din Würzburg (JMU) a demonstrat că riboflavina (vitamina B2) joacă un rol esențial în reglarea feroptozei, un tip de moarte celulară dependent de oxidarea lipidelor membranare. Cercetarea arată că riboflavina stabilizează și susține activitatea proteinei proteina 1 supresoare a feroptozei (FSP1), un mecanism major de apărare împotriva peroxidării lipidelor, deschizând perspective terapeutice pentru boli precum cancerul și afecțiunile neurodegenerative.

Idei principale

• Feroptoza este o formă de moarte celulară determinată de peroxidarea lipidelor membranare.
• Proteina FSP1 reprezintă un sistem major de protecție împotriva acestei degradări oxidative.
• Un screening genetic CRISPR a identificat riboflavina și metabolismul flavinelor ca factori esențiali pentru funcția FSP1.
• Deficitul de riboflavină reduce stabilitatea FSP1 și crește susceptibilitatea celulelor la feroptoză.
• Nivelurile fiziologice de riboflavină influențează direct capacitatea celulelor de a repara membranele oxidate.
• Analogi ai riboflavinei, precum roseoflavina, pot inhiba funcția FSP1 și pot crește sensibilitatea celulelor canceroase la feroptoză.

Context

Membranele celulare sunt structuri dinamice esențiale pentru integritatea și funcționarea celulelor. Componentele lipidice ale acestor membrane sunt însă vulnerabile la oxidare, un proces numit peroxidare lipidică. Acest proces poate compromite structura membranelor și poate declanșa feroptoza, o formă de moarte celulară reglată.

Feroptoza este implicată într-un număr tot mai mare de procese fiziologice și patologice, inclusiv:

• dezvoltarea tumorilor
• boli neurodegenerative
• leziuni produse prin ischemie și reperfuzie

În mod normal, celulele dispun de mecanisme de protecție împotriva oxidării lipidelor. Un sistem major este reprezentat de enzima glutation peroxidaza 4, care utilizează glutationul pentru a reduce hidroperoxizii lipidici. Un alt sistem important este proteina FSP1, care regenerează antioxidanți liposolubili precum coenzima Q10 și vitamina K, utilizând NAD(P)H ca donor de electroni.

Deși rolul FSP1 în protecția împotriva feroptozei era cunoscut, factorii care reglează funcția acestei proteine nu erau clar identificați.

Despre studiu

Pentru a identifica factorii care reglează activitatea FSP1, cercetătorii au utilizat un screening genetic bazat pe tehnologia CRISPR–Cas9. Analiza a vizat aproximativ 3.000 de gene potențial relevante pentru funcția proteinei FSP1.

Studiul a fost realizat pe linii celulare umane modificate genetic. Cercetătorii au generat celule HT1080 în care gena GPX4 fusese eliminată, dar în care expresia FSP1 era crescută artificial. În aceste condiții, supraviețuirea celulelor depindea aproape exclusiv de activitatea FSP1.

Prin compararea supraviețuirii celulelor în diferite condiții experimentale, cercetătorii au identificat genele a căror pierdere afectează rezistența la feroptoză. Printre cele mai importante rezultate ale screeningului s-au numărat două gene:

• SCD1, implicată în metabolismul acizilor grași
• RFK, care codifică enzima riboflavin kinază

Riboflavin kinaza catalizează transformarea riboflavinei în flavin mononucleotidă, un pas esențial pentru producerea flavin adenin dinucleotidului (FAD), un cofactor necesar funcționării proteinelor flavinice, inclusiv FSP1.

Rezultate

Metabolismul riboflavinei controlează stabilitatea FSP1

Eliminarea genei RFK prin CRISPR a dus la reducerea nivelurilor proteinei FSP1 și la creșterea sensibilității celulelor la feroptoză. Acest rezultat a sugerat că metabolismul riboflavinei este necesar pentru stabilitatea FSP1.

Cercetătorii au analizat ulterior rolul enzimei FADS, responsabilă de etapa finală a sintezei FAD. Celulele în care FADS a fost eliminată au prezentat:

• scăderea concentrației intracelulare de FAD
• reducerea nivelurilor proteinei FSP1
• creșterea susceptibilității la peroxidarea lipidelor
• sensibilitate crescută la inhibitorii GPX4

Analizele proteomice au confirmat că absența FAD afectează stabilitatea mai multor flavoproteine, însă FSP1 și NQO1 au fost printre cele mai puternic afectate.

Deficitul de riboflavină crește susceptibilitatea la feroptoză

Pentru a evalua impactul direct al riboflavinei, cercetătorii au cultivat celule în medii fără această vitamină. După aproximativ 72–96 de ore de privare de riboflavină, s-au observat modificări importante:

• scăderea nivelurilor proteinei FSP1
• creșterea peroxidării lipidice
• sensibilitate crescută la inhibitori ai GPX4

Aceste efecte au fost observate în mai multe tipuri de linii celulare, inclusiv:

• A375
• MDA-MB-231
• A549
• HT1080

Analizele lipidomice au arătat acumularea rapidă a unor fosfolipide oxidate, în special fosfatidiletanolamine oxidate, atunci când celulele erau lipsite de riboflavină și tratate cu inhibitori ai GPX4.

Nivelurile fiziologice de riboflavină influențează rezistența la feroptoză

Concentrația de riboflavină din plasma umană este de aproximativ 10–20 nM, în timp ce mediile standard de cultură celulară conțin concentrații mult mai mari, între 300 și 1.000 nM.

Studiul a arătat că:

• nivelurile fiziologice de riboflavină reduc expresia FSP1
• concentrațiile peste 100 nM stabilizează proteina și cresc rezistența la feroptoză

Aceste observații sugerează că mediile experimentale standard pot supraestima capacitatea celulelor de a rezista la stres oxidativ.

Roseoflavina poate inhiba funcția FSP1

Cercetătorii au investigat și efectul roseoflavinei, un analog natural al riboflavinei produs de bacterii din genul Streptomyces.

În celulele eucariote, roseoflavina este metabolizată similar riboflavinei și poate genera un cofactor modificat numit roFAD.

Acest cofactor:

• se leagă de FSP1 și stabilizează proteina
• însă împiedică transferul normal de electroni
• inhibă activitatea enzimatică a FSP1

Experimentele au arătat că roseoflavina poate induce feroptoză în concentrații nanomolare și crește sensibilitatea celulelor canceroase la inhibitori ai GPX4.

Interpretarea rezultatelor

Rezultatele studiului evidențiază o relație directă între metabolismul riboflavinei și controlul feroptozei. Cofactorul FAD derivat din riboflavină este necesar nu doar pentru activitatea enzimatică a FSP1, ci și pentru stabilitatea structurală a proteinei.

În absența FAD, proteina FSP1 devine instabilă și este degradată prin sistemul ubiquitină–proteazom. Această degradare reduce capacitatea celulelor de a recicla antioxidanții liposolubili și crește susceptibilitatea la oxidarea lipidică.

Descoperirea este comparabilă cu rolul seleniului în reglarea enzimei GPX4. Astfel, disponibilitatea micronutrienților precum riboflavina sau seleniul poate influența direct rezistența celulelor la feroptoză.

Concluzii

Studiul demonstrează că riboflavina este un regulator major al rezistenței la feroptoză prin stabilizarea și activarea proteinei FSP1. Metabolismul flavinelor controlează capacitatea celulelor de a recicla antioxidanții liposolubili și de a preveni peroxidarea lipidelor membranare.

În plus, analogii riboflavinei, precum roseoflavina, pot inhiba această cale protectoare și pot crește vulnerabilitatea celulelor tumorale la feroptoză, sugerând noi strategii terapeutice pentru cancer și alte boli asociate stresului oxidativ.