Selenoproteins are rare proteins among all kingdoms of life containing the 21st amino acid, selenocysteine. Selenocysteine resembles cysteine, differing only by the substitution of selenium for sulfur. Yet the actual advantage of selenolate- versus thiolate-based catalysis has remained enigmatic, as most of the known selenoproteins also exist as cysteine-containing homologs. Here, we demonstrate that selenolate-based catalysis of the essential mammalian selenoprotein GPX4 is unexpectedly dispensable for normal embryogenesis. Yet the survival of a specific type of interneurons emerges to exclusively depend on selenocysteine-containing GPX4, thereby preventing fatal epileptic seizures. Mechanistically, selenocysteine utilization by GPX4 confers exquisite resistance to irreversible overoxidation as cells expressing a cysteine variant are highly sensitive toward peroxide-induced ferroptosis. Remarkably, concomitant deletion of all selenoproteins in Gpx4cys/cys cells revealed that selenoproteins are dispensable for cell viability provided partial GPX4 activity is retained. Conclusively, 200 years after its discovery, a specific and indispensable role for selenium is provided.

Abstract Understanding the operational molecular, and metabolic networks that determine the balance between pro- and anti-ferroptotic regulatory pathways could unravel unique vulnerabilities to be exploited for cancer therapy. Here we identify the selenoprotein P (SELENOP) receptor, LRP8, as a key determinant protecting MYCN-amplified neuroblastoma cells from ferroptosis in vitro and in orthotopic neuroblastoma mouse models. Specifically, the exquisite dependency on LRP8-mediated selenocysteine import is caused by the failure of MYCN-amplified cells to efficiently utilize alternative forms of selenium/selenocysteine based uptake necessary for selenoprotein biosynthesis. Increased activity of one of such transporters, SLC7A11, in MYCN-amplified cells leads to cysteine overload, progressive mitochondrial decline and impaired proliferation. These data reveal in LRP8 a targetable, and specific vulnerability of MYCN-amplified neuroblastoma cells and disclose a yet-unaccounted mechanism for selective ferroptosis induction that has the potential to become an important therapeutic entry point for MYCN-amplified neuroblastoma. Statement of significance Given the largely unsuccessful repurposing of adult oncology drugs for the treatment of neuroblastoma, our discoveries pave the way for novel ferroptosis based strategies for this entity. Specifically, targeting of LRP8 may offer novel therapeutic and safer opportunities for a number of pediatric malignancies and MYCN driven cancers.

Selenocysteine (Sec) metabolism is crucial for cellular function and ferroptosis prevention and has traditionally been thought to begin with the uptake of the Sec carrier selenoprotein P (SELENOP). Following uptake, Sec released from SELENOP undergoes metabolisation via selenocysteine lyase (SCLY), producing selenide, a substrate used by selenophosphate synthetase 2 (SEPHS2), which provides the essential selenium donor - selenophosphate - for the biosynthesis of the selenocysteine tRNA. Here, we report the discovery of an alternative pathway mediating Sec metabolisation that is independent of SCLY and mediated by peroxiredoxin 6 (PRDX6). Mechanistically, we demonstrate that PRDX6 can readily react with selenide and interact with SEPHS2, potentially acting as a selenium delivery system. Moreover, we demonstrate the presence and functional significance of this alternative route in cancer cells where we reveal a notable association between elevated expression of PRDX6 with a highly aggressive neuroblastoma subtype. Altogether, our study sheds light on a previously unrecognized aspect of Sec metabolism and its implications in ferroptosis, offering new avenues for therapeutic exploitation.