SLC7A11、SLC7A5調控成骨過程作用機制的研究進展

倪飛飛，徐慶，李建軍

(中國醫科大學附屬盛京醫院，沈陽110004)

CD98分子是在1981年制備抗白細胞單克隆抗體時被首次發現，開始稱其為4F2抗原，也稱為融合調節蛋白1(FRP-1)[1]。CD98是一種脊椎動物特有的跨膜糖蛋白，在人體中廣泛分布于除血小板外的組織和細胞中，是由1條重鏈和1條輕鏈組成的異二聚體。CD98重鏈由溶質載體家族3(SLC3)編碼，其分子量比較大，由具有高度糖基化的胞外結構域、短跨膜結構域和胞質尾三部分構成[2]。CD98輕鏈由溶質載體家族7(SLC7)編碼，是一種由501～535個氨基酸構成的12次跨膜蛋白。SLC7A11、SLC7A5同屬于SLC7，是細胞中兩種重要的必需氨基酸轉運體[3]。SLC7A11、SLC7A5在成骨細胞中表達改變可從不同方面影響成骨細胞增殖及分化，但其具體的成骨機制并未完全闡明。本研究對SLC7A11、SLC7A5的生物學功能及其調控成骨過程的相關機制作一綜述。

1 SLC7A11、SLC7A5的生物學功能

1.1 SLC7A11的生物學功能 SLC7A11基因位于人類4號染色體上，包含14個外顯子，是一種由501個氨基酸構成的12次跨膜蛋白，其N端和C端均位于細胞質內，分子質量為55 kDa。SLC7A11基因在脊椎動物中高度保守，但在低級生物如秀麗隱桿線蟲中還沒有發現其明顯的同源性。SLC7A11氨基酸轉運系統呈電中性，是與Na+無關的氨基酸轉運系統，對胱氨酸和谷氨酸具有高度特異性，以1∶1形式使谷氨酸與胱氨酸交換，在生理條件下將胱氨酸轉運入細胞，同時將谷氨酸轉運出細胞[4]。SLC7A11轉運系統對胱氨酸和谷氨酸的有效交換既需要輕鏈也需要重鏈參與，輕鏈負責主要的轉運活性，對胱氨酸和谷氨酸具有高度特異性，而重鏈主要起伴侶蛋白的作用，對調節SLC7A11向質膜的轉運至關重要。SLC7A11 mRNA廣泛表達于哺乳動物的大腦、胰腺、腎臟、肝臟等臟器及星形膠質細胞、巨噬細胞、視網膜細胞等細胞中[3]，是正常哺乳動物血漿氧化還原穩態、皮膚色素沉著、免疫系統功能和記憶形成等生理過程所必需的[5]，SLC7A11基因缺失會影響細胞的生長、代謝甚至可能導致細胞發生癌變。

1.2 SLC7A5的生物學功能 SLC7A5基因位于人類16號染色體上，共有39 477個核苷酸和10個外顯子。人類SLC7A5是一種507個氨基酸構成的12次跨膜蛋白，分子質量為55 kDa。SLC7A5是一種不依賴Na+和pH的大型中性氨基酸轉運體，與糖蛋白SLC3A2通過二硫鍵相結合形成異源二聚體復合物，為細胞提供必需的氨基酸，如亮氨酸、苯丙氨酸等[6]。研究表明，CD98分子中輕鏈SLC7A5具有氨基酸轉運的功能，而重鏈SLC3A2并沒有氨基酸轉運作用。SLC3A2也可作為分子伴侶，使SLC7A5在細胞膜中達到其最終定位點[7]。SLC7A5也是一種甲狀腺激素轉運體，可參與腫瘤、胎盤、脾、腎等多種組織的甲狀腺激素轉運。SLC7A5在腦、脾、骨髓、胎盤、肝臟、睪丸等組織及C6膠質瘤細胞、上皮細胞、單核細胞、巨噬細胞、肝癌細胞等細胞中表達均升高[8,9]。

2 SLC7A11、 SLC7A5調控成骨過程的相關機制

2.1 SLC7A11調控成骨過程的相關機制

2.1.1 促進GSH生成、抑制成骨細胞氧化應激 研究表明，在未分化的MC3T3成骨細胞中,存在由SLC7A11和SLC3A2亞單位組成的胱氨酸-谷氨酸反向轉運蛋白mRNA表達。SLC7A11可使胱氨酸轉運入細胞，在處于生長期的細胞中激活SLC7A11，從而增加細胞內胱氨酸含量[10]。而胱氨酸是細胞內抗氧化劑谷胱甘肽(GSH)生物合成的重要前體，也是調節細胞內GSH水平的一個關鍵因素。GSH通過谷胱甘肽S-轉移酶硫酸化多種轉錄因子，包括NF-κB、熱休克蛋白和激活蛋白1，在氧化還原調節過程中發揮重要作用[3]。研究顯示，絕經后骨質疏松癥婦女的氧化應激反應與骨密度密切相關[11,12]。GSH作為一種主要的抗氧化劑，在成骨細胞參與骨重塑和骨氧化還原過程中發揮關鍵作用，暴露于GSH可導致成骨細胞分化和礦化[13]。在SLC7A11轉染的成骨細胞中，SLC7A11過表達除了可以促進胱氨酸進入成骨細胞內，還可以使細胞內GSH水平升高和活性氧(ROS)生成減少，而ROS可以抑制成骨細胞分化及誘導細胞凋亡[14]。因此，成骨細胞內激活SLC7A11可促進GSH合成，抑制其氧化應激反應，有利于成骨細胞的增殖、分化。

影響SLC7A11轉運的另一種物質是谷氨酸(Glu)，Glu在成骨細胞、破骨細胞中具有自分泌和旁分泌信號介質的功能[15]。研究顯示，在細胞外Glu濃度較高的情況下，細胞外Glu可使SLC7A11轉運蛋白發生逆向轉運，從而使細胞內胱氨酸大量流出；同時Glu流入細胞，胱氨酸流出細胞，造成細胞內胱氨酸水平降低，導致GSH合成減少及消耗增加，最終引起細胞凋亡[16]。因此，細胞表面SLC7A11的活性和運轉方向可以調節內源性GSH水平，是成骨細胞增殖及分化的關鍵因素。進一步研究發現，GSH水平降低可使成骨細胞中ROS生成增加，進而促進Nrf2表達[17]。

在成骨細胞中，Nrf2對許多解毒和抗氧化基因的調節至關重要，其上調可促進成骨細胞的分化及礦化[18]。Nrf2為調節抗氧化反應的主要轉錄因子，其通過調節SLC7A11轉錄控制GSH合成。在其他細胞中，如成纖維細胞、巨噬細胞、腎細胞等，也發現Nrf2可與SLC7A11啟動子中的抗氧化/親電反應元件結合，從而促進SLC7A11表達，增加細胞內胱氨酸水平，使細胞內GSH水平升高，最終促進成骨細胞增殖[19]。但也有研究認為，成骨細胞中Nrf2過表達可使細胞增殖及分化活性顯著降低[10,20]。因此，在成骨細胞中Nrf2對SLC7A11表達及GSH合成的影響仍需要進一步研究。

2.1.2 降低成骨細胞Runx2表達 Runx2能夠激活骨鈣素、骨橋蛋白等成骨相關基因的表達，誘導骨髓間充質干細胞向成骨細胞分化，在成骨細胞的成骨分化過程中發揮重要作用[21]。在MC3T3成骨細胞中，SLC7A11過表達可下調Runx2表達，從而負性調控成骨細胞生成[14]。研究顯示，去卵巢骨質疏松癥小鼠模型中Runx2 mRNA和蛋白表達均顯著下降，SLC7A11 mRNA和蛋白表達顯著升高[22]。與非骨質疏松癥患者比較，絕經后骨質疏松癥患者體外培養的股骨成骨細胞SLC7A11 mRNA表達升高，Runx2表達降低[23]。基因層面研究發現，Runx2的DNA結合域含有兩個保守的半胱氨酸殘基，負責DNA結合活性的氧化還原調節[24]。研究表明，在成骨細胞中轉染Runx2啟動子質粒后，Runx2活性顯著升高，而成骨細胞瞬時和穩定轉染SLC7A11表達載體后,可通過激活蛋白1位點阻止Runx2激活，表明在基因轉錄水平上成骨細胞內SLC7A11可負性調控Runx2表達[22]。已有研究顯示，成骨細胞中的Nrf2可通過干擾Runx2依賴的轉錄激活因子而抑制成骨細胞分化，通過引入骨鈣素啟動子ARE-like-2序列突變體，可部分抑制Nrf2對Runx2依賴的骨鈣素啟動子的活性[20]。此外一種推測認為，Nrf2可能通過ROS從細胞質錨定蛋白釋放后，干擾成骨細胞分化需要的Runx2核易位[25]。因此，成骨細胞中SLC7A11過表達可在分子水平正性調控GSH生成，在轉錄水平負性調控Runx2表達，從而影響成骨過程。

2.2 SLC7A5調控成骨過程的相關機制

2.2.1 SLC7A5通過mTOR促進成骨細胞增殖、分化 研究顯示，在腫瘤細胞中SLC7A5可將細胞內谷氨酰胺轉運出細胞，以交換亮氨酸和異亮氨酸等必需氨基酸，從而促進細胞增殖、分化。雷帕霉素靶蛋白(mTOR)是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，在協調細胞營養、調控細胞生長以及新陳代謝過程中具有核心作用，而且高濃度亮氨酸可通過mTOR信號通路誘導細胞增殖[8]，且mTOR只有在亮氨酸濃度足夠高時才能進行基因水平翻譯[26]。SLC7A5可與SLC1A5協同調控亮氨酸轉運，激活mTOR信號通路[6]。谷氨酰胺是一種必需的限速因子，可促進必需氨基酸和生長因子激活mTOR，谷氨酰胺轉運蛋白SLC1A5和異源二聚體SLC7A5/SLC3A2組成的雙向轉運蛋白是氨基酸轉運、mTOR信號通路活性和細胞生長所必需的。研究顯示，通過SLC7A5的轉運,中性支鏈氨基酸可以刺激mTOR在多個細胞系中的表達[8]。在非洲爪蟾蜍卵母細胞中，利用氨基酸顯微注射系統結合SLC7A5過表達技術，可使mTOR通過SLC7A5表達上調，增加必需氨基酸供應，以維持細胞生長，并有利于調控細胞增殖[27]。

在成骨分化過程中，mTOR通過調節成骨相關mRNA的翻譯在骨骼發育過程中發揮重要作用[28]。mTOR/Raptor信號通路可通過調控Runx2表達，在體內對骨形成發揮重要的調節作用。在前成骨細胞中，阻斷mTOR信號通路可導致成骨細胞分化受損，最終引起嚴重骨缺損的發生。進一步的分子機制研究表明，mTOR/Raptor-S6K1軸可通過增加Runx2增強子的活性調節Runx2表達，進而促進成骨細胞分化[29]。在腫瘤細胞中，亮氨酸已經被證實可通過調節mTOR靶點來刺激蛋白質合成和加速細胞增殖，而SLC7A5表達下調可抑制mTOR活化，進而抑制腫瘤細胞增殖[26]。研究顯示，在氨基酸饑餓過程中mTOR的激活受到抑制，通過改變下游效應物磷酸化，如核糖體蛋白S6激酶1和真核翻譯起始因子4E結合蛋白1，可導致mRNA生物合成和翻譯減少[8]。

研究報道，SLC7A5在胚胎成骨細胞和Saos2人骨肉瘤細胞中均有表達，并且中性氨基酸進入細胞的轉運主要由SLC7A5介導[30]。有研究在胚胎成骨細胞中應用SLC7A5選擇性抑制劑處理，結果發現胚胎成骨細胞對亮氨酸的吸收幾乎完全被抑制[31]。研究顯示，在良性骨腫瘤組織中SLC7A5呈高表達，其中在成骨細胞瘤組織中的表達最高[32]。因此，SLC7A5對亮氨酸的轉運可通過改變mTOR活性而影響成骨細胞生長。

綜上所述，SLC7A11、SLC7A5是氨基酸轉運所必需的，在細胞的生長代謝方面發揮重要作用。在成骨細胞分化過程中，SLC7A11具有正負兩方面的調控作用，主要作用于GSH、Runx2調控成骨，組成復雜的調控關系；SLC7A5可能通過mTOR調控成骨，維持骨代謝平衡。但目前對SLC7A11、SLC7A5調控成骨的研究尚處于初步階段，還有很多的調控機制有待于進一步探索，如SLC7A11、SLC7A5是否對破骨細胞介導的骨吸收過程有調控作用。SLC7A5、SLC7A11在成骨細胞內均有表達，可介導成骨細胞內外必須氨基酸的轉運，有望成為未來創新藥物研發的靶向分子，為治療多種與人類成骨細胞異常發育相關的骨科疾病提供一種新的治療方法。