Abstract Ferroptosis is an iron-dependent, non-apoptotic form of cell death initiated by oxidative stress and lipid peroxidation. Recent evidence has linked ferroptosis to the action of the transcription factor Nuclear factor erythroid-2 derived,-like-1 (NFE2L1). NFE2L1 regulates proteasome abundance in an adaptive fashion, maintaining protein quality control to secure cellular homeostasis, but the regulation of NFE2L1 during ferroptosis and the role of the ubiquitin-proteasome system (UPS) herein are still unclear. In the present study, using an unbiased proteomic approach charting the specific ubiquitylation sites, we show that induction of ferroptosis leads to recalibration of the UPS. RSL3-induced ferroptosis inhibits proteasome activity and leads to global hyperubiquitylation, which is linked to NFE2L1 activation. As NFE2L1 resides in the endoplasmic reticulum tethered to the membrane, it undergoes complex posttranslational modification steps to become active and induce the expression of proteasome subunit genes. We show that proteolytic cleavage of NFE2L1 by the aspartyl protease DNA-damage inducible 1 homolog 2 (DDI2) is a critical step for the ferroptosis-induced feed-back loop of proteasome function. Cells lacking DDI2 cannot activate NFE2L1 in response to RSL3 and show global hyperubiquitylation. Genetic or chemical induction of ferroptosis in cells with a disrupted DDI2-NFE2L1 pathway diminishes proteasomal activity and promotes cell death. Also, treating cells with the clinical drug nelfinavir, which inhibits DDI2, sensitized cells to ferroptosis. In conclusion, our results provide new insight into the importance of the UPS in ferroptosis and highlight the role of the DDI2-NFE2L1 as a potential therapeutic target. Manipulating DDI2-NFE2L1 activity through chemical inhibition might help sensitizing cells to ferroptosis, thus enhancing existing cancer therapies. Graphical abstract

Abstract Objective Ferroptosis continues to emerge as a novel modality of cell death with important therapeutic implications for a variety of diseases, most notably cancer and degenerative diseases. While susceptibility, initiation, and execution of ferroptosis have been linked to reprogramming of cellular lipid metabolism, imbalances in iron-redox homeostasis, and aberrant mitochondrial respiration, the detailed mechanisms of ferroptosis are still insufficiently well understood. Methods and Results Here we show that diminished proteasome function is a new mechanistic feature of ferroptosis. The transcription factor nuclear factor erythroid-2, like-1 (NFE2L1) protects from ferroptosis by sustaining proteasomal activity. In cellular systems, loss of NFE2L1 reduced cellular viability after the induction of both chemically and genetically induced ferroptosis, which was linked to the regulation of proteasomal activity under these conditions. Importantly, this was reproduced in a Sedaghatian-type Spondylometaphyseal Dysplasia (SSMD) patient-derived cell line carrying mutated glutathione peroxidase-4 (GPX4), a critical regulator of ferroptosis. Also, reduced proteasomal activity was associated with ferroptosis in Gpx4 -deficient mice. In a mouse model for genetic Nfe2l1 deficiency, we observed brown adipose tissue (BAT) involution, hyperubiquitination of ferroptosis regulators, including the GPX4 pathway, and other hallmarks of ferroptosis. Conclusion Our data highlight the relevance of the NFE2L1-proteasome pathway in ferroptosis. Manipulation of NFE2L1 activity might enhance ferroptosis-inducing cancer therapies as well as protect from aberrant ferroptosis in neurodegeneration, general metabolism, and beyond. Graphical abstract Highlights Proteasome function is diminished during ferroptosis NFE2L1-mediated proteasomal activity protects from ferroptosis The ubiquitination of the GPX4-glutathione pathway is implicated in Nfe2l1 deficiency NFE2L1 deficiency in brown fat is associated with hallmarks of ferroptosis