Ferroptosis, a form of regulated cell death that is induced by excessive lipid peroxidation, is a key tumour suppression mechanism1–4. Glutathione peroxidase 4 (GPX4)5,6 and ferroptosis suppressor protein 1 (FSP1)7,8 constitute two major ferroptosis defence systems. Here we show that treatment of cancer cells with GPX4 inhibitors results in acute depletion of N-carbamoyl-l-aspartate, a pyrimidine biosynthesis intermediate, with concomitant accumulation of uridine. Supplementation with dihydroorotate or orotate—the substrate and product of dihydroorotate dehydrogenase (DHODH)—attenuates or potentiates ferroptosis induced by inhibition of GPX4, respectively, and these effects are particularly pronounced in cancer cells with low expression of GPX4 (GPX4low). Inactivation of DHODH induces extensive mitochondrial lipid peroxidation and ferroptosis in GPX4low cancer cells, and synergizes with ferroptosis inducers to induce these effects in GPX4high cancer cells. Mechanistically, DHODH operates in parallel to mitochondrial GPX4 (but independently of cytosolic GPX4 or FSP1) to inhibit ferroptosis in the mitochondrial inner membrane by reducing ubiquinone to ubiquinol (a radical-trapping antioxidant with anti-ferroptosis activity). The DHODH inhibitor brequinar selectively suppresses GPX4low tumour growth by inducing ferroptosis, whereas combined treatment with brequinar and sulfasalazine, an FDA-approved drug with ferroptosis-inducing activity, synergistically induces ferroptosis and suppresses GPX4high tumour growth. Our results identify a DHODH-mediated ferroptosis defence mechanism in mitochondria and suggest a therapeutic strategy of targeting ferroptosis in cancer treatment. DHO dehydrogenase regulates ferroptosis by preventing mitochondrial lipid peroxidation and its inhibition suppresses growth in tumours with low levels of GPX4.

Ferroptosis, a form of regulated cell death caused by lipid peroxidation, was recently identified as a natural tumor suppression mechanism. Here, we show that ionizing radiation (IR) induces ferroptosis in cancer cells. Mechanistically, IR induces not only reactive oxygen species (ROS) but also the expression of ACSL4, a lipid metabolism enzyme required for ferroptosis, resulting in elevated lipid peroxidation and ferroptosis. ACSL4 ablation largely abolishes IR-induced ferroptosis and promotes radioresistance. IR also induces the expression of ferroptosis inhibitors, including SLC7A11 and GPX4, as an adaptive response. IR- or KEAP1 deficiency-induced SLC7A11 expression promotes radioresistance through inhibiting ferroptosis. Inactivating SLC7A11 or GPX4 with ferroptosis inducers (FINs) sensitizes radioresistant cancer cells and xenograft tumors to IR. Furthermore, radiotherapy induces ferroptosis in cancer patients, and increased ferroptosis correlates with better response and longer survival to radiotherapy in cancer patients. Our study reveals a previously unrecognized link between IR and ferroptosis and indicates that further exploration of the combination of radiotherapy and FINs in cancer treatment is warranted.

SLC7A11-mediated cystine uptake suppresses ferroptosis yet promotes cell death under glucose starvation; the nature of the latter cell death remains unknown. Here we show that aberrant accumulation of intracellular disulfides in SLC7A11high cells under glucose starvation induces a previously uncharacterized form of cell death distinct from apoptosis and ferroptosis. We term this cell death disulfidptosis. Chemical proteomics and cell biological analyses showed that glucose starvation in SLC7A11high cells induces aberrant disulfide bonds in actin cytoskeleton proteins and F-actin collapse in a SLC7A11-dependent manner. CRISPR screens and functional studies revealed that inactivation of the WAVE regulatory complex (which promotes actin polymerization and lamellipodia formation) suppresses disulfidptosis, whereas constitutive activation of Rac promotes disulfidptosis. We further show that glucose transporter inhibitors induce disulfidptosis in SLC7A11high cancer cells and suppress SLC7A11high tumour growth. Our results reveal that the susceptibility of the actin cytoskeleton to disulfide stress mediates disulfidptosis and suggest a therapeutic strategy to target disulfidptosis in cancer treatment. Liu, Nie et al. identify disulfidptosis as a form of cell death resulting from aberrant accumulation of disulfide bonds in actin cytoskeleton proteins that is induced following glucose starvation and dependent on SLC7A11-mediated cystine uptake.

Abstract Glutathione peroxidase 4 (GPX4) utilizes glutathione (GSH) to detoxify lipid peroxidation and plays an essential role in inhibiting ferroptosis. As a selenoprotein, GPX4 protein synthesis is highly inefficient and energetically costly. How cells coordinate GPX4 synthesis with nutrient availability remains unclear. In this study, we perform integrated proteomic and functional analyses to reveal that SLC7A11-mediated cystine uptake promotes not only GSH synthesis, but also GPX4 protein synthesis. Mechanistically, we find that cyst(e)ine activates mechanistic/mammalian target of rapamycin complex 1 (mTORC1) and promotes GPX4 protein synthesis at least partly through the Rag-mTORC1-4EBP signaling axis. We show that pharmacologic inhibition of mTORC1 decreases GPX4 protein levels, sensitizes cancer cells to ferroptosis, and synergizes with ferroptosis inducers to suppress patient-derived xenograft tumor growth in vivo. Together, our results reveal a regulatory mechanism to coordinate GPX4 protein synthesis with cyst(e)ine availability and suggest using combinatorial therapy of mTORC1 inhibitors and ferroptosis inducers in cancer treatment.

SLC7A11-mediated cystine uptake is critical for maintaining redox balance and cell survival. Here we show that this comes at a significant cost for cancer cells with high levels of SLC7A11. Actively importing cystine is potentially toxic due to its low solubility, forcing cancer cells with high levels of SLC7A11 (SLC7A11high) to constitutively reduce cystine to the more soluble cysteine. This presents a significant drain on the cellular NADPH pool and renders such cells dependent on the pentose phosphate pathway. Limiting glucose supply to SLC7A11high cancer cells results in marked accumulation of intracellular cystine, redox system collapse and rapid cell death, which can be rescued by treatments that prevent disulfide accumulation. We further show that inhibitors of glucose transporters selectively kill SLC7A11high cancer cells and suppress SLC7A11high tumour growth. Our results identify a coupling between SLC7A11-associated cystine metabolism and the pentose phosphate pathway, and uncover an accompanying metabolic vulnerability for therapeutic targeting in SLC7A11high cancers. Liu et al. show that cancer cells with high levels of SLC7A11 have increased dependency on the pentose phosphate pathway and consequently accumulate disulfide, and can be therapeutically targeted by limiting glucose supply.

Targeting ferroptosis, a unique cell death modality triggered by unrestricted lipid peroxidation, in cancer therapy is hindered by our incomplete understanding of ferroptosis mechanisms under specific cancer genetic contexts. KEAP1 (kelch-like ECH associated protein 1) is frequently mutated or inactivated in lung cancers, and KEAP1 mutant lung cancers are refractory to most therapies, including radiotherapy. In this study, we identify ferroptosis suppressor protein 1 (FSP1, also known as AIFM2) as a transcriptional target of nuclear factor erythroid 2-related factor 2 (NRF2) and reveal that the ubiquinone (CoQ)-FSP1 axis mediates ferroptosis- and radiation- resistance in KEAP1 deficient lung cancer cells. We further show that pharmacological inhibition of the CoQ-FSP1 axis sensitizes KEAP1 deficient lung cancer cells or patient-derived xenograft tumors to radiation through inducing ferroptosis. Together, our study identifies CoQ-FSP1 as a key downstream effector of KEAP1-NRF2 pathway and as a potential therapeutic target for treating KEAP1 mutant lung cancers.

Pharmacologic inhibition of PARP is the primary therapeutic strategy for BRCA mutant ovarian cancer. However, most of patients carry wild-type BRCA1/2 with no significant clinical benefits from PARP inhibitors, calling for the needs to further understanding and developing new strategy when employing PARP inhibitors to treat ovarian cancer. Here, we show that ferroptosis, a form of regulated cell death driven by iron-dependent phospholipid peroxidation, is partly responsible for the efficacy of PARP inhibitor olaparib. Mechanistically, pharmacological inhibition or genetic deletion of PARP downregulates the expression of cystine transporter SLC7A11 in a p53-dependent manner. Consequently, decreased glutathione biosynthesis caused by SLC7A11 repression promotes lipid peroxidation and ferroptosis. Furthermore, ferroptosis perturbation results in significant resistance to olaparib without affecting DNA damage response, while boosting ferroptosis by ferroptosis inducers (FINs) synergistically sensitizes BRCA-proficient ovarian cancer cells and xenografts to PARP inhibitor. Together, our results reveal a previously unappreciated mechanism coupling ferroptosis to PARP inhibition and suggest the combination of PARP inhibitor and FINs in the treatment of BRCA-proficient ovarian cancer.

In cancer treatment, the recurrent challenge of inducing apoptosis through conventional therapeutic modalities, often thwarted by therapy resistance, emphasizes the critical need to explore alternative cell death pathways. Ferroptosis, an iron-dependent form of regulated cell death triggered by the lethal accumulation of lipid peroxides on cellular membranes, has emerged as one such promising frontier in oncology. Induction of ferroptosis not only suppresses tumor growth but also holds potential for augmenting immunotherapy responses and surmounting resistance to existing cancer therapies. This review navigates the role of ferroptosis in tumor suppression. Furthermore, we delve into the complex role of ferroptosis within the tumor microenvironment and its interplay with antitumor immunity, offering insights into the prospect of targeting ferroptosis as a strategic approach in cancer therapy.