Macroautophagy/autophagy is an evolutionarily conserved degradation pathway that maintains homeostasis. Ferroptosis, a novel form of regulated cell death, is characterized by a production of reactive oxygen species from accumulated iron and lipid peroxidation. However, the relationship between autophagy and ferroptosis at the genetic level remains unclear. Here, we demonstrated that autophagy contributes to ferroptosis by degradation of ferritin in fibroblasts and cancer cells. Knockout or knockdown of Atg5 (autophagy-related 5) and Atg7 limited erastin-induced ferroptosis with decreased intracellular ferrous iron levels, and lipid peroxidation. Remarkably, NCOA4 (nuclear receptor coactivator 4) was a selective cargo receptor for the selective autophagic turnover of ferritin (namely ferritinophagy) in ferroptosis. Consistently, genetic inhibition of NCOA4 inhibited ferritin degradation and suppressed ferroptosis. In contrast, overexpression of NCOA4 increased ferritin degradation and promoted ferroptosis. These findings provide novel insight into the interplay between autophagy and regulated cell death.

Ferroptosis is a recently recognized form of regulated cell death caused by an iron‐dependent accumulation of lipid reactive oxygen species. However, the molecular mechanisms regulating ferroptosis remain obscure. Here, we report that nuclear factor erythroid 2‐related factor 2 (NRF2) plays a central role in protecting hepatocellular carcinoma (HCC) cells against ferroptosis. Upon exposure to ferroptosis‐inducing compounds (e.g., erastin, sorafenib, and buthionine sulfoximine), p62 expression prevented NRF2 degradation and enhanced subsequent NRF2 nuclear accumulation through inactivation of Kelch‐like ECH‐associated protein 1. Additionally, nuclear NRF2 interacted with transcriptional coactivator small v‐maf avian musculoaponeurotic fibrosarcoma oncogene homolog proteins such as MafG and then activated transcription of quinone oxidoreductase‐1, heme oxygenase‐1, and ferritin heavy chain‐1. Knockdown of p62, quinone oxidoreductase‐1, heme oxygenase‐1, and ferritin heavy chain‐1 by RNA interference in HCC cells promoted ferroptosis in response to erastin and sorafenib. Furthermore, genetic or pharmacologic inhibition of NRF2 expression/activity in HCC cells increased the anticancer activity of erastin and sorafenib in vitro and in tumor xenograft models. Conclusion: These findings demonstrate novel molecular mechanisms and signaling pathways of ferroptosis; the status of NRF2 is a key factor that determines the therapeutic response to ferroptosis‐targeted therapies in HCC cells. (H epatology 2016;63:173–184)

Ferroptosis is a form of regulated cell death that may facilitate the selective elimination of tumor cells. The tumor suppressor p53 (TP53) has been demonstrated to promote ferroptosis via a transcription-dependent mechanism. Here, we show that TP53 limits erastin-induced ferroptosis by blocking dipeptidyl-peptidase-4 (DPP4) activity in a transcription-independent manner. Loss of TP53 prevents nuclear accumulation of DPP4 and thus facilitates plasma-membrane-associated DPP4-dependent lipid peroxidation, which finally results in ferroptosis. These findings reveal a direct molecular link between TP53 and DPP4 in the control of lipid metabolism and may provide a precision medicine strategy for the treatment of colorectal cancer by induction of ferroptosis.

Hepatocellular carcinoma (HCC) is a major cause of cancer-related death worldwide and currently has the fastest rising incidence of all cancers. Sorafenib was originally identified as an inhibitor of multiple oncogenic kinases and remains the only approved systemic therapy for advanced HCC. However, acquired resistance to sorafenib has been found in HCC patients, which results in poor prognosis. Here, we show that metallothionein (MT)-1G is a critical regulator and promising therapeutic target of sorafenib resistance in human HCC cells. The expression of MT-1G messenger RNA and protein is remarkably induced by sorafenib but not other clinically relevant kinase inhibitors (e.g., erlotinib, gefitinib, tivantinib, vemurafenib, selumetinib, imatinib, masitinib, and ponatinib). Activation of the transcription factor nuclear factor erythroid 2-related factor 2, but not p53 and hypoxia-inducible factor 1-alpha, is essential for induction of MT-1G expression following sorafenib treatment. Importantly, genetic and pharmacological inhibition of MT-1G enhances the anticancer activity of sorafenib in vitro and in tumor xenograft models. The molecular mechanisms underlying the action of MT-1G in sorafenib resistance involve the inhibition of ferroptosis, a novel form of regulated cell death. Knockdown of MT-1G by RNA interference increases glutathione depletion and lipid peroxidation, which contributes to sorafenib-induced ferroptosis.These findings demonstrate a novel molecular mechanism of sorafenib resistance and suggest that MT-1G is a new regulator of ferroptosis in HCC cells. (Hepatology 2016;64:488-500).

Ferroptosis is an iron-dependent form of non-apoptotic cell death, but its molecular mechanism remains largely unknown. Here, we demonstrate that heat shock protein beta-1 (HSPB1) is a negative regulator of ferroptotic cancer cell death. Erastin, a specific ferroptosis-inducing compound, stimulates heat shock factor 1 (HSF1)-dependent HSPB1 expression in cancer cells. Knockdown of HSF1 and HSPB1 enhances erastin-induced ferroptosis, whereas heat shock pretreatment and overexpression of HSPB1 inhibits erastin-induced ferroptosis. Protein kinase C-mediated HSPB1 phosphorylation confers protection against ferroptosis by reducing iron-mediated production of lipid reactive oxygen species. Moreover, inhibition of the HSF1–HSPB1 pathway and HSPB1 phosphorylation increases the anticancer activity of erastin in human xenograft mouse tumor models. Our findings reveal an essential role for HSPB1 in iron metabolism with important effects on ferroptosis-mediated cancer therapy.

Sepsis, severe sepsis and septic shock are the main cause of mortality in non-cardiac intensive care units. Immunometabolism has been linked to sepsis; however, the precise mechanism by which metabolic reprogramming regulates the inflammatory response is unclear. Here we show that aerobic glycolysis contributes to sepsis by modulating inflammasome activation in macrophages. PKM2-mediated glycolysis promotes inflammasome activation by modulating EIF2AK2 phosphorylation in macrophages. Pharmacological and genetic inhibition of PKM2 or EIF2AK2 attenuates NLRP3 and AIM2 inflammasomes activation, and consequently suppresses the release of IL-1β, IL-18 and HMGB1 by macrophages. Pharmacological inhibition of the PKM2-EIF2AK2 pathway protects mice from lethal endotoxemia and polymicrobial sepsis. Moreover, conditional knockout of PKM2 in myeloid cells protects mice from septic death induced by NLRP3 and AIM2 inflammasome activation. These findings define an important role of PKM2 in immunometabolism and guide future development of therapeutic strategies to treat sepsis.

Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is a highly lethal tumor with an ill-defined pathogenesis. DExD box (DDX) family genes are widely distributed and involved in various RNA metabolism and cellular biogenesis; their dysregulation is associated with aberrant cellular processes and malignancies. However, the prognostic significance and expression patterns of the DDX family in PDAC are not fully understood. The present study aimed to explore the clinical value of DDX genes in PDAC. Differentially expressed DDX genes were identified. DDX genes related to prognostic signatures were further investigated using LASSO Cox regression analysis. DDX21 protein expression was analyzed using the UALCAN and human protein atlas (HPA) online tools and confirmed in 40 paired PDAC and normal tissues through Tissue Microarrays (TMA). The independent prognostic significance of DDX21 in PDAC was determined through the construction of nomogram models and calibration curves. The functional roles of DDX21 were investigated using gene ontology (GO), Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG), and Gene Set Enrichment Analysis (GSEA). Cell proliferation, invasion, and migration were assessed using Cell Counting Kit-8, colony formation, Transwell, and wound healing assays. Upregulation of genes related to prognostic signatures (DDX10, DDX21, DDX60, and DDX60L) was significantly associated with poor prognosis of patients with PDAC based on survival and recurrence time. Considering the expression profile and prognostic values of the signature-related genes, DDX21 was finally selected for further exploration. DDX21 was overexpressed significantly at both the mRNA and protein levels in PDAC compared to normal pancreatic tissues. DDX21 expression, pathological stage, and residual tumor were significant independent prognostic indicators in PDAC. Moreover, functional enrichment analysis revealed that Genes co-expressed with DDX21 are predominantly involved in RNA metabolism, helicase activity, ribosome biogenesis, cell cycle, and various cancer-related pathways, such as PI3K/Akt signaling pathway and TGF-β signaling pathway. Furthermore, in vitro experiments confirmed that the knockdown of DDX21 significantly reduced MIA PaCa-2 cell viability, proliferation, migration, and invasion. Four signature-related genes could relatively precisely predict the prognosis of patients with PDAC. Specifically, DDX21 upregulation may signal an unfavorable prognosis by negatively affecting the biological properties of PDAC cells. DDX21 may be considered as a candidate therapeutic target in PDAC.