英文标题：Ferroptosis-induced SUMO2 lactylation counteracts ferroptosis by enhancing ACSL4 degradation in lung adenocarcinoma
发表期刊：Cell Discovery
影响因子：12.5
客户单位：复旦大学附属中山医院
百趣提供服务：定量脂质组学
研究背景
肺癌为全球癌症死亡首因，约 85% 为非小细胞肺癌，肺腺癌（LUAD）最常见，患者五年生存率不足 26%。肿瘤有氧时仍依赖糖酵解（代谢重编程），导致乳酸（LA）大量积聚。LA 既促肿瘤进展与耐药，又介导赖氨酸乳酸化（Kla）这一新型翻译后修饰，但非组蛋白乳酸化在LUAD中的作用待阐明。
铁死亡是依赖脂质过氧化的调控性死亡，可逆转放化疗及免疫耐受；其发生时线粒体受损，癌细胞更依赖糖酵解致 LA 升高，且已知 LA 可抑制铁死亡，但其通过乳酸化调控该过程的机制不明。
本研究发现：铁死亡诱导 LUAD 细胞 LA 堆积并增强蛋白乳酸化，其中 SUMO2 第 11 位赖氨酸乳酸化（SUMO2-K11la）上调最突出；该修饰阻碍 ACSL4 的 SUMO 化，促其泛素-蛋白酶体降解，削弱脂质过氧化，使 LUAD 获铁死亡抵抗。
研究者据此设计靶向 SUMO2-K11la 的细胞穿透肽（CPP），在患者来源类器官、LUAD 异种移植及自发性肺癌模型中证实：其可竞争性抑制该乳酸化、恢复 ACSL4 水平，显著增敏铁死亡并协同化疗与免疫治疗，为 LUAD 提供新策略。
技术路线
研究结果
01.铁死亡诱导的 LA 产生有助于铁死亡抗性
为系统解析铁死亡相关代谢，研究者联合代谢物库筛选与非靶标代谢组学（图1a-c），锁定乳酸（LA）与肌氨酸为关键差异代谢物（图1d）。
RNA-seq、Seahorse 及 LA 检测显示，RSL3、IKE 或 CDDP 诱导铁死亡后，糖酵解基因富集、ECAR 升高、LA 大量积聚（图1e-f）；细胞可能通过代偿性糖酵解维持 ATP 并减轻 ROS。
功能实验表明：LA、H⁺及 NALA 均能抑制铁死亡诱导剂（FINs）诱导的铁死亡（图1g），其中 NALA 显著降低脂质 ROS 和 MDA，提高 GSH/GSSG 比值，证实乳酸阴离子具有抗铁死亡活性（图1j）。
图1. 铁死亡诱导的乳酸生成有助于铁死亡抵抗
02.铁死亡诱导SUMO2在赖氨酸(K)-11位点的乳酸化
考虑到乳酸阴离子与乳酸化密切相关，本文探讨了乳酸化与铁死亡之间的联系。铁死亡诱导剂RSL3、IKE或CDDP处理后，LUAD细胞总蛋白乳酸化显著升高（图2a）。
质谱筛查发现SUMO2-K11位点乳酸化（SUMO2-K11la）增幅最突出（图2b-c）；该修饰已在NSCLC与肝癌乳酸组数据中出现，但功能未知。
K11跨物种保守，TCGA提示SUMO2与应激反应相关。Co-IP证实铁死亡仅提高SUMO2的L-乳酸化，而不改变其表达（图2d）。
随后，定制抗体特异性识别SUMO2-K11la（图2e-f）。利用CRISPR/cas9介导的基因编辑技术构建K11R突变株（图2g-h），NALA可提升SUMO2-K11la水平，草酸钠及2-DG则降低SUMO2-K11la水平，而K11R突变株中SUMO2-K11la信号完全消失，证实抗体与修饰特异性（图2i）。
环己亚胺（CHX）追踪实验表明，SUMO2-k11la不影响SUMO2蛋白的稳定性（图2k）。此外，在K11乳酸化后，SUMO2亚细胞分布没有明显变化（图2l）。
图2. 铁死亡诱导SUMO2在赖氨酸(K)-11位点的乳酸化
03.SUMO2-K11la可对抗LUAD中的铁死亡
为了测试SUMO2-K11la对铁死亡的影响，进行了细胞毒性试验，结果表明，与对照组（Ctrl）相比，引入K11突变对铁死亡的敏感性更高（图3a-b），凋亡或坏死抑制剂无挽救作用，而 DFO、Ferrostatin-1可完全阻断死亡，证实铁死亡为唯一途径；IC50测定亦表明K11R降低FIN耐受，NALA仅对野生型有效（图3c）。
脂质ROS、MDA升高，GSH/GSSG下降（图3e-f），电镜见线粒体嵴断裂，均提示SUMO2-K11la抑制铁死亡（图3g-h）。
对140例LUAD组织进行免疫组化（IHC）染色，高SUMO2-K11la对应脂质过氧化标志物4-HNE减少（图3i-j），且患者总生存及术后化疗预后更差，故该修饰可作为预测LUAD疗效与结局的新生物标志物。
图3. SUMO2-K11la可对抗LUAD中的铁死亡
04.SUMO2-K11la阻碍ACSL4在K500位点的SUM化修饰，从而促进ACSL4的降解
由于SUMO2是SUMO化的主要贡献者，因此研究了K11la 对LUAD细胞SUMO化的影响。4D无标记定量蛋白质组学结果显示，RSL3诱导铁死亡后ACSL4-K500位点SUMO化显著丢失（图4a-b）。
GPS预测与共聚焦证实该位点存在且与SUMO2共定位。PLA表明SUMO2-K11R突变增强两者结合（图4c），而NALA或FINs减少ACSL4的SUMO2/3修饰，草酸钠则相反；K11R突变取消上述调控并使ACSL4过度SUMO化，证实SUMO2-K11la负向调控SUMO2-ACSL4相互作用（图4d-e）。
鉴于ACSL4参与PUFA向PUFA-CoA的转化，研究者进行了脂质组学分析，以评估K11R突变对脂质代谢的影响，结果显示，K11R突变致ACSL4底物PE-AdA与PE-AA蓄积（图 4f）。CHX实验表明，NALA/FIN加速ACSL4降解，该效应可被MG132逆转，而草酸钠或K11R突变抑制降解（图 4g）；泛素化检测证实NALA/FIN及SUMO2敲除促进ACSL4泛素化，草酸钠则抑制（图4h）。
因此，SUMO2-K11la通过阻断ACSL4-SUMO化、增强其泛素-蛋白酶体降解，导致ACSL4不稳定。
构建ACSL4-K500R单突变和SUMO2-K11R/ACSL4-K500R 双突变LUAD细胞。K500R取消ACSL4-SUMO化，促其泛素降解，并逆转SUMO2-K11R对ACSL4的稳定效应；双突变亦消除K11R赋予的铁死亡抗性，细胞毒性、脂质过氧化及氧化还原失衡均恢复，证实K500 SUMO化是该轴关键开关（图5）。
图4. SUMO2-K11la阻碍ACSL4在K500位点的SUMO化修饰，从而促进ACSL4的降解
图5. ACSL4-K500R突变消除了SUMO2-K11la对铁死亡的影响
05.AARS1和HDAC1分别是SUMO2-K11la的乳酰转移酶和去乳酰基酶
为了描述酶对SUMO2-K11la的调控作用，本文对8种假定的乳酰转移酶和6种去乳酰基酶进行了sirna介导的沉默筛选（图6a），确定AARS1为SUMO2-K11la“写入酶”，HDAC1为“擦除酶”（图6b）。
AlphaFold3与突变实验证实AARS1-Lys823/SUMO2-Asp63互作（图6c-g），重组AARS1以ATP-LA依赖催化SUMO2-K11乳酸化（图6h-i）；HDAC1抑制或敲除升高该修饰，激活则降低（图6j-k）。
铁死亡应激上调AARS1、下调HDAC1，促进SUMO2-AARS1结合并减弱SUMO2-HDAC1互作，形成正反馈：AARS1轻微保护细胞，HDAC1增强铁死亡敏感性（图6n-p）。
图6. AARS1 和 HDAC1 分别是 SUMO2-K11la 的乳酸转移酶和去乳酸化酶
06.通过肽抑制剂靶向SUMO2-K11la使LUAD对铁死亡和化疗联合免疫治疗增敏
为避免全身抑制AARS1或乳酸代谢的副作用，研究者设计并合成可穿透细胞的SUMO2-K11位点竞争性肽K11-Pep（阴性对照为K11R-Pep）(图7a)。
该肽无需转染即可进入核质（图7b），显著阻断SUMO2-K11la，恢复ACSL4的SUMO化并抑制其降解，从而增强脂质过氧化与铁死亡(图7c-e)。
在患者来源类器官中，K11-Pep明显协同IKE/CDDP抑制细胞活力；在裸鼠移植瘤模型中，K11-Pep联合IKE或CDDP显著减缓肿瘤生长，且未观察到主要脏器损伤及血象异常(图7f-j）。scRNA-seq显示SUMO2主要表达于肿瘤细胞，多重 IHC证实K11-Pep与T细胞共定位极少，提示其靶向安全性。
自发肺癌模型进一步表明，K11-Pep联合CDDP+anti-PD-1 可显著降低肿瘤负荷、延长生存，并提高瘤内CD8+/CD4+T 细胞比例及MDA/4-HNE水平，提示其通过促进铁死亡与免疫协同增强化免疗效(图7k-n)。
综上，K11-Pep选择性阻断SUMO2-K11la，具备安全、高效地增敏化疗及化免治疗的临床转化潜力。
图7. 通过肽抑制剂靶向SUMO2-K11la使LUAD对铁死亡和化疗联合免疫治疗增敏
研究小结
本研究揭示SUMO2-K11la通过阻断ACSL4-SUMO化、加速其泛素降解，抑制铁死亡并降低化疗敏感性（图7o）。
铁死亡触发糖酵解-LA激增，选择性增强SUMO2-K11乳酸化；该模式在NSCLC和肝癌中保守，为全新代谢-表观交叉调控轴。AARS1和HDAC1分别担任“写入-擦除”酶，铁死亡应激上调AARS1、下调HDAC1，正反馈强化SUMO2-K11la。
靶向该修饰而非整体乳酸可避免副作用：开发的穿膜肽K11-Pep能特异阻断SUMO2-K11la，恢复ACSL4稳定性，在PDO、移植瘤及KrasG12D自发肺癌模型中均显著增敏铁死亡、CDDP和anti-PD-1疗法，安全有效，为LUAD提供新策略。
百趣生物定量脂质组学：是一款专注于脂质精准定量的靶标代谢组学产品，旨在为医学、农林、中医药、食品等领域的科研及产业需求提供高覆盖、高精准的脂质分析解决方案。作为公司主打产品，其通过自建超大脂质数据库、同位素内标一对一校正、双色谱柱(C18+HILIC)采集体系及三维严格质控，实现 “多、准、稳” 的检测优势，助力生物标志物发现、病理机制研究、作物品质改良等多场景应用。
