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.

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.

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.