胱氨酸/谷氨酸反向轉運體的研究進展

唐珍，王含彥，郭冬梅

(川北醫學院生物化學教研室，四川 南充 637000)

胱氨酸/谷氨酸反向轉運體(cystine/glutamate antiporter，System Xc-)是不依賴Na+的跨細胞膜胱氨酸/谷氨酸反向轉運蛋白體，反向指其攝取胞外胱氨酸進入細胞內，交換細胞內谷氨酸到細胞外，攝入細胞的胱氨酸被還原為半胱氨酸后，一部分參與胞內谷胱甘肽(glutathione，GSH)合成，另一部分則出細胞轉化為胱氨酸，重新參與System Xc-循環。GSH是一種重要抗氧化劑，所以System Xc-可調控細胞氧化應激；System Xc-釋放谷氨酸調節胞外谷氨酸濃度，當細胞外谷氨酸過多時，可抑制System Xc-的功能，使胱氨酸進入細胞減少，同時谷氨酸是興奮性神經遞質，具神經毒性和興奮性雙重作用。因此System Xc-參與谷氨酸釋放、胱氨酸轉運及GSH的合成，這些物質與神經信號轉導，細胞的抗氧化性，腫瘤的發生發展及抗藥性密切相關[1]。本文就System Xc-的結構、功能及與疾病的關系做一綜述，為進一步探討通過System Xc-開發藥物治療疾病提供指導。

1 System Xc-概述

1.1 結構特征

System Xc-是異二聚體蛋白，由1條輕鏈和1條重鏈組成，二硫鍵連接兩條鏈。輕鏈為SLC7A11(SLC7A11基因)，又稱轉運亞基，負責氨基酸轉運，對胱氨酸和谷氨酸具有高度特異性，System Xc-活性主要由SLC7A11決定；重鏈4F2hc又稱CD98 (SLC3A2基因)，又稱調節亞基，負責SLC7A11的胞內運輸和胞膜表達。輕鏈SLC7A11由501個氨基酸殘基組成，是一種12通道跨膜蛋白，N端和C端均位于細胞內(圖1)。人的SLC7A11基因位于4號染色體，含14個外顯子，SLC7A11在脊椎動物中保守。重鏈4F2hc為單跨膜蛋白，N端位于細胞內，C端位于細胞外，結構域高度糖基化。當4F2hc缺乏時，SLC7A11蛋白水平顯著下降，表明4F2hc在維持SLC7A11蛋白穩定性中的重要作用，另外4F2hc也是其他一些大中性氨基酸轉運體和葡萄糖轉運體的伴侶蛋白。

1.2 表達的組織特異性及轉運特點

SLC7A11僅在特定的腦區和免疫組織如胸腺和脾臟中表達。SLC7A11mRNA在小鼠腦組織中有顯著表達，在屬于免疫系統的胸腺和脾臟中，SLC7A11的表達水平更高。在肺、心臟、肝、腎中未見SLC7A11表達或極低水平。System Xc-在人的大腦和脊髓中高表達，在胰腺也有表達，但在外周白細胞，脾臟、胸腺及淋巴中SLC7A11表達極低或幾乎不表達。另外，System Xc-在多種腫瘤如乳腺癌、淋巴瘤，膠質瘤中表達增加，提示System Xc-與腫瘤發生密切相關。細胞膜兩側谷氨酸和胱氨酸濃度影響其氨基酸轉運方向，細胞外谷氨酸是通過System Xc-攝取胱氨酸的競爭性抑制劑。

2 System Xc-的功能特征

2.1 抗氧化應激作用

System Xc-攝取的胱氨酸被還原為半胱氨酸后，參與GSH合成，GSH是哺乳類動物體內重要的抗氧化劑，可降低氧化應激。System Xc-缺乏的小鼠氧化還原平衡破壞。體外抑制 System Xc-活性導致氧化應激，引起GSH耗竭和細胞死亡。SLC7A11敲除小鼠血漿內半胱氨酸/胱氨酸組合處于氧化狀態，說明System Xc-在維持胞外半胱氨酸濃度中發揮重要作用。細菌脂多糖刺激SLC7A11缺陷型和野生型小鼠腹腔巨噬細胞，可引起兩種細胞的氧化應激增加，但SLC7A11缺陷型小鼠巨噬細胞活性氧含量高于野生型巨噬細胞，說明SLC7A11參與了巨噬細胞氧化應激的降低，SLC7A11在應激下的保護作用被認為是由于它導入胱氨酸，促進GSH合成。

2.2 活性調控

System Xc-是高度可誘導氨基酸轉運體。體外System Xc-活性誘導物包括氧和多種親電劑，在某些細胞類型中，細菌內毒素和炎癥細胞因子腫瘤壞死因子α也可誘導System Xc-表達。常規細胞培養條件下，環境O2為21%時，也能誘導不同類型細胞的System Xc-活性。氨基酸缺乏(包括胱氨酸缺乏)、氧化損傷及葡萄糖饑餓均可誘導SLC7A11基因表達，SLC7A11亞基活性增強。氧化應激誘導劑百草枯可引起肺組織System Xc-表達增強。System Xc-活性受其特異性亞基SLC7A11轉錄水平的調控，核因子紅細胞2相關因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2)和激活轉錄因子4(artificial transcription factor,ATF 4)調控SLC7A11表達，小鼠SLC7A11基因的啟動子區有多種抗氧化劑應答元件(Antioxidant Response Element，ARE)基序， Nrf2與ARE結合并調控ARE介導的SLC7A11基因表達，一些致氧化損傷藥物就是通過Nrf2-ARE信號通路激活System Xc-表達。

3 System Xc-相關疾病

3.1 System Xc-與中樞神經系統疾病

System Xc-是腦內谷氨酸的重要來源，谷氨酸是興奮性神經遞質，影響興奮性神經傳遞、興奮閾，具興奮性毒性，因此System Xc-參與神經細胞的抗氧化作用及神經傳遞行為，中樞神經系統疾病與細胞外谷氨酸增多和細胞內GSH減少的System Xc-功能紊亂密切相關?；钚匝鹾脱仔约毎蜃釉鰪奡LC7A11的轉錄，因此System Xc-可能參與了與氧化應激和神經炎癥相關的神經系統疾病。

System Xc-是中樞神經小膠質細胞和星形膠質細胞中的一種轉運體，在神經退行性疾病(包括多發性硬化癥、阿爾茨海默病、帕金森，癲癇和腦缺血)中表達增加。谷氨酸興奮性毒性在多發性硬化癥(multiple sclerosis ，MS)病理過程中可引起少突膠質和軸突損傷，胞外谷氨酸在大腦中的濃度由System Xc-控制。MS模型小鼠中System Xc-活性增加[2]。在膠質瘤中System Xc-的表達普遍上調，谷氨酸轉運蛋白的表達下調[3]，導致細胞外谷氨酸的積累和周圍非腫瘤組織細胞興奮性毒性的死亡；另外激活的小膠質細胞中System Xc-的上調參與了谷氨酸過量介導的多種神經退行性疾病的發病機制。 因此，System Xc-是治療膠質瘤和神經炎癥疾病的新藥物靶點，System Xc-抑制劑可用于治療以神經炎癥和谷氨酸興奮性毒性為特征的疾病[4]，另外研究發現System Xc-可抑制自身免疫性炎性脫髓鞘T細胞浸潤，System Xc-介導T細胞浸潤和促進髓鞘破壞，疾病過程伴隨中樞神經系統谷氨酸調節異常。System Xc-抑制劑可減輕慢性和復發性自身免疫性腦脊髓炎，抑制疾病發展[5]。有觀點指出抑制System Xc-雖有助于降低谷氨酸興奮性毒性，但同時降低了System Xc-的抗氧化應激能力，所以最佳方案是同時上調System Xc-和谷氨酸轉運體表達[6]。

3.2 System Xc-與腫瘤

3.2.1 癌細胞SLC7A11表達上調 膠質瘤研究發現System Xc-攝入半胱氨酸，合成GSH，癌細胞抗氧化應激能力增強；System Xc-釋放谷氨酸可引起興奮性毒性導致神經元死亡，為腫瘤擴張提供空間，同時谷氨酸還可激活膠質瘤受體增強腫瘤遷徙能力。研究發現淋巴瘤、膠質瘤，胰腺癌，乳腺癌，口腔鱗狀細胞癌內SLC7A11表達上調[7-10]。與癌旁組織和正?？谇患毎迪啾?，MIR-375在口腔鱗狀細胞癌細胞中表達明顯下調，而SLC7A11表達上調；miR-375能有效抑制口腔鱗癌細胞中SLC7A11的表達而達到抑癌作用[8]。吸煙可誘導口腔癌細胞中SLC7A11的表達，提示SLC7A11的過度表達可能支持肺癌的進展。SLC7A11在非小細胞肺癌(non-small cell lung cancer ，NSCLC)細胞膜上高表達， SLC7A11表達與癌晚期相關，并預示5年生存率下降[11]；多形性膠質母細胞瘤(glioblaummultiforme，GBM)是成人最具侵襲性的原發性惡性腦腫瘤。GBM細胞上調了SLC7A11 的表達，System Xc-調節GSH的產生和膠質瘤的生長[7]。

3.2.2 System Xc-與腫瘤多重耐藥 多重耐藥性(multidrug resistance，MDR)是癌細胞對不同藥物同時產生耐藥性，MDR是癌癥化療效果不佳的主要原因，SLC7A11表達上調與腫瘤細胞的耐藥有關。癌癥治療時癌細胞處于氧化應激狀態，SLC7A11表達的增加可增加癌細胞內GSH，導致癌細胞抵抗放化療的能力增強[12]。SLC7A11的表達與1400種候選抗癌藥物中的296種呈負相關性，如格爾德霉素，南蛇藤醇等。System Xc-抑制劑可降低細胞內GSH，增強格爾德霉素抗癌作用，逆轉細胞對抗癌藥物[13-15]的多藥耐藥性，且System Xc-特異性地介導對產生大量ROS的抗癌藥物的耐藥性，如格爾德那霉素和南蛇藤醇。肺腺癌對順鉑的敏感性直接關系到癌患者的預后，System Xc-的高表達水平，促進了肺腺癌細胞對順鉑的耐藥性[16]。

3.2.3 System Xc-受潛在致癌途徑的調控 System Xc-受多條潛在致癌途徑的調控， System Xc-不僅可以在基因水平，mRNA或蛋白水平被抑制或激活，還可以通過Nrf 2途徑及ATF 4途徑被調控。Nrf2/ARE/SLC7A11通路及eIF2α/ATF4/SLC7A11通路調控 System Xc-活性。在淋巴瘤[7]、膠質瘤[8]和胰腺癌[9]SLC7A11在mRNA或蛋白水平上調，人乳腺癌中microRNA miR-26b可沉默SLC7A11 mRNA，抑制SLC7A11表達[17]；Nrf2與ARE結合并調控ARE介導的靶基因表達，在小鼠SLC7A11基因的啟動子區域已鑒定出至少有4種ARE基序，在多種癌細胞系[18]中發現，Nrf 2的激活可導致SLC7A11上調；在多種癌癥中ATF4被激活，培養基內氨基酸缺乏可激活磷酸化真核翻譯起始因子2α(eukaryotic initiation factor 2α，eIF2α，)/轉錄激活因子4(activating transcription factor-4，ATF4)/ SLC7A11通路。eIF2α磷酸化后激活ATF4生成，生成的ATF4與一些輔助蛋白結合成活性蛋白體，然后與SLC7A11基因啟動子上的氨基酸反應元件結合，激活SLC7A11轉錄[19]。

3.2.4 System Xc-與癌癥治療 System Xc-可做為腫瘤治療的潛在靶點，抑制 System Xc-可減少癌細胞增殖、侵襲及轉移。在體外谷氨酸抑制System Xc-介導的胱氨酸攝取導致的惡性細胞體外增殖[20]；System Xc-抑制劑磺胺嘧啶可抑制膠質瘤，淋巴瘤，乳腺癌、前列腺癌、非小細胞性肺癌和胰腺癌細胞的生長[21-22]，磺胺嘧啶可通過抑制NF-κB激活，進而抑制 System Xc-(導致半胱氨酸和GSH缺乏)。

食道癌的體外實驗發現，特異的siRNA沉默SLC7A11基因可抑制癌細胞的侵襲，磺胺嘧啶抑制癌向體內轉移[15]。磺胺嘧啶協同增強X射線對黑色素瘤細胞的殺傷作用，提高放射治療的敏感性，表明使用磺胺嘧啶治療抗射線癌癥的可能性[23]?；熕幬锾婺虬放c磺胺嘧啶聯合使用對癌細胞殺傷有協同作用，SLC7A11在多形性膠質母細胞瘤(GBM)中介導GBM對替莫唑胺的耐藥性。U251膠質瘤細胞SLC7A11基因敲除則癌細胞GSH生成減少，ROS增加，細胞的死亡增加。SLC7A11過表達增強癌細胞抗氧化應激能力，降低對替莫唑胺的敏感性[24]。

對小鼠和人乳腺癌細胞的研究發現， TrkA抑制劑AG 879可攝取胱氨酸，釋放谷氨酸，引起其下游System Xc-功能亞基SLC7A11的抑制，降低System Xc-活性，減輕小鼠癌痛及降低癌細胞抗氧化應激能力。因此，System Xc-介導的TrkA抑制為癌癥疼痛治療提供潛在干預靶點[25]。

System Xc-抑制劑可優先殺死Tp 53突變癌細胞[26]；可通過抑制Nrf 2/SLC7A11/GSH和APR-246協同誘導突變型p53腫瘤的凋亡。SLC7A11在乳腺癌中高表達，其下調則改變體外乳腺癌干細胞功能，抑制癌細胞的體內肺轉移[9]， SLC7A11受NRF 2的調控。增加Nrf 2的核內轉運或Nrf 2表達上調，則SLC7A11 mRNA和蛋白表達增加； Keap 1過表達則抑制SLC7A11表達， keap 1的siRNA敲除則上調了SLC7A11蛋白水平和轉運蛋白活性。說明Keap1/Nrf2/SLC7A11通路在System Xc-平衡乳腺癌細胞氧化應激中的重要性[27]，同時此通路也可作為抑制腫瘤的靶點。在體外異丙酚通過抑制System Xc-活性，進而抑制C6膠質瘤細胞的活性、增殖，侵襲性和遷移。人胰腺癌細胞組織培養物中添加半胱氨酸酶，則癌細胞死亡。SLC7a11亞基的缺失抑制PDAC的生長[28]。苯并吡喃衍生物2-imino-6-methoxy-2H-chromene-3-carbothioamide(IMCA)顯著抑制結直腸癌細胞的活力[29]。

4 展望

System Xc-可攝取胱氨酸，在細胞內合成GSH，調控細胞抗氧化性；同時釋放谷氨酸，激活谷氨酸受體，介導神經信號傳遞，因此在中樞神經系統System Xc-具有抗氧化和興奮性毒性雙重作用，而其在不同神經系統疾病中的具體作用還需深入研究。

System Xc-特異性亞單位SLC7A11在體內正常條件下表現出限制性的表達模式，如SLC7A11在正常腦組織中主要表達于腦內，雖然SLC7A11基因在人類癌癥中的突變頻率普遍較低，但它在人類各種癌癥中都有高表達；但同時在氧化應激狀態可被誘導，如炎性刺激誘導System Xc-表達，引起GSH合成增加，從而增強抗氧化防御。所以System Xc-保護正常細胞免受致癌物導致的氧化損傷，參與癌腫瘤的發生，惡性發展及抗腫瘤藥物的耐藥性，是癌癥治療和預防的潛在靶點。如SLC7A11可能是治療高表達SLC7A11的理想靶點，磺胺吡啶或麥角黃素治療可抑制腫瘤的發展[18]，表明這些藥物對癌癥的治療作用，開發高特異性的SLC7A11抑制劑將對靶向治療癌癥至關重要。未來開發更多System Xc-抑制劑和發現誘導System Xc-的方法可為進一步研究其生理功能和相關疾病治療鋪平道路。System Xc-受多條潛在致癌途徑的調控，Nrf2/ARE / SLC7A11通路及eIF2α/ATF4/SLC7A11通路調控System Xc-活性，NGF/ TrkA/ SLC7A11通路則與癌性骨痛有關，突變型p53蛋白/Nrf 2/SLC7A11/GSH，調控Tp 53 相關癌癥的發生發展，Keap 1/Nrf2/SLC7A11通路在乳腺癌細胞氧化應激中具重要作用，未來還需進一步詳細研究各通路，發現新的通路，并可研發針對不同通路的藥物以治療疾病或作為研究System Xc-的工具藥物。

研究發現除SLC7A11外還有SLC1A5、SLC7A5和SLC6A14這3種氨基酸轉運蛋白在癌癥中高表達，且這些轉運體在功能上是耦合的，從而極大提高其促進癌癥生長和抗藥性，因此未來研究中也需考慮不同轉運體的這種協同作用[30]。