SLC7A11表達與雙硫死亡、鐵死亡及腫瘤關系的研究進展

趙琪琪, 杜雪芹, 劉松華, 劉斌, 王彥澤, 楊曉軍,4,5,6

(1. 寧夏醫科大學臨床醫學院肝膽外科, 寧夏 銀川 750004; 2. 甘肅省人民醫院普外科, 甘肅 蘭州 730000; 3. 甘肅醫學院臨床醫學院, 甘肅 平涼 744000; 4. 蘭州大學第一臨床醫學院普外科, 甘肅 蘭州 730000; 5. 甘肅省外科腫瘤分子診斷與精準治療重點實驗室, 甘肅 蘭州 730000; 6. 甘肅省消化道惡性腫瘤防控工程研究中心, 甘肅 蘭州 730000)

1982年,Shiro Bannai和Emi Kitamura發現胱氨酸-谷氨酸反向轉運體(System Xc-)是攝取胱氨酸的反向轉運蛋白,而胱氨酸是合成谷胱甘肽的重要氨基[1]。研究表明,溶質載體家族7成員11(solute carrier family 7 member 11,SLC7A11)在各種實體瘤中呈高表達,腫瘤細胞可通過上調SLC7A11表達維持高水平的谷胱甘肽,從而抵消自身代謝速率增加所致的氧化應激;同時由于其抗氧化的功能,致SLC7A11表達與各種癌癥的進展趨于正相關[2],并調節腫瘤生長、增殖、轉移、微環境和治療耐藥性等[3]。2023年2月6日,由甘波誼和陳俊杰教授團隊發表的文章鑒定了一種新的細胞死亡類型——雙硫死亡(disulfidptosis)[4],該研究發現,SLC7A11高表達的腫瘤細胞在葡萄糖饑餓條件下,胞內胱氨酸等二硫化物發生異常積累,誘發二硫化物應激,使肌動蛋白調控的細胞骨架中二硫鍵含量升高,造成細胞骨架顯著收縮且與細胞膜分離,并破壞細胞骨架結構,最終造成細胞死亡。本文針對雙硫死亡的發現及近年來SLC7A11表達與腫瘤的相關性作一簡要綜述。

1 SLC7A11與雙硫死亡

研究表明,在葡萄糖饑餓時,SLC7A11基因高表達的腫瘤細胞死亡更迅速[5],這是由于NADPH供應不能滿足細胞將胱氨酸還原成為半胱氨酸所需,造成二硫化物應激,誘導肌動蛋白細胞骨架蛋白二硫鍵交聯和細胞骨架收縮,從細胞質膜上剝離,并最終導致細胞死亡[6]。該細胞死亡形式與目前已知的細胞死亡形式均不相同,且不能被鐵死亡、凋亡、壞死性凋亡和自噬抑制劑等所逆轉,但可以被硫醇類還原性試劑三(2-羧乙基)膦[tris(2-carboxyethyl)phosphine,TCEP]抑制。為進一步明確該死亡是否受到其他細胞死亡方式的干擾,在細胞中分別敲除鐵死亡另一關鍵通路蛋白酰基輔酶A合成酶長鏈家族成員4和凋亡關鍵誘導蛋白BAX/BAK,結果顯示,可抑制葡萄糖充足條件下的細胞死亡,但依然無法逆轉葡萄糖饑餓條件下的細胞死亡。由于葡萄糖與能量代謝有關,研究者還關注了ATP在該死亡方式中的作用,結果顯示,在葡萄糖饑餓條件下,SLC7A11過表達細胞ATP水平顯著高于SLC7A11非過表達細胞,敲除SLC7A11可恢復葡萄糖饑餓下二酰胺誘導的細胞死亡,由此表明這種新型死亡方式與二硫化物應激有關,與ATP水平無關。由此定義雙硫死亡,即一種新型的細胞死亡方式,獨立于現存的凋亡、鐵死亡和銅死亡等細胞程序性死亡,是由細胞內過量胱氨酸積累引起的二硫化物應激導致的快速死亡方式。雙硫死亡通常在葡萄糖饑餓的條件下發生,SLC7A11高表達細胞由于NADPH供應不足致胱氨酸還原成為半胱氨酸受限,進而造成二硫化物應激,最終導致細胞死亡,具體機制見圖1。

System Xc-:胱氨酸-谷氨酸反向轉運體;SLC3A2:溶質載體家族3成員2;SLC7A11:溶質載體家族7成員11;NADPH:還原型輔酶Ⅱ;NADP+:氧化型輔酶Ⅱ圖1 細胞雙硫死亡機制示意圖

2 SLC7A11調控細胞鐵死亡

鐵死亡是一種獨特的細胞死亡方式,是一種由脂質過氧化驅動的,依賴于鐵的、受調控的,活性氧自由基大量累積所致的細胞死亡模式[7]。SLC7A11在細胞中的主要作用是參與胱氨酸的胞外攝取和谷氨酸釋放,促進谷胱甘肽的合成來阻止過氧化氫等氧自由基引發的氧化應激,從而維持細胞氧化還原狀態的平衡,并阻止細胞因脂質過氧化而導致的細胞死亡;SLC7A11生物功能與鐵死亡機制相抗衡。由此表明,SLC7A11過表達可通過抑制鐵死亡促進腫瘤生長[8]。研究發現,System Xc-是細胞鐵死亡的重要調節因子,而SLC7A11是System Xc-的關鍵組成部分[8],抑制此系統的活性將抑制胱氨酸的吸收。SLC7A11作為System Xc-亞基之一,其下調可抑制半胱氨酸代謝通路,影響谷胱甘肽合成,導致膜脂修復酶GPX4活性降低(谷胱甘肽是谷胱甘肽過氧化物酶GPX4的還原性輔因子),繼而細胞抗氧化能力降低,進一步造成脂質過氧化物堆積,最終誘導細胞發生鐵死亡[9]。換言之,SLC7A11可通過介導胱氨酸轉運促進谷胱甘肽合成,從而抑制脂質過氧化產物積累,阻礙鐵死亡程序的啟動。研究認為,SLC7A11參與諸多鐵死亡相關的信號通路[10],例如,p53是一種抑癌因子,近年來許多研究發現其可通過抑制SLC7A11表達驅動癌細胞的鐵死亡[11-13],抑制SLC7A11/谷胱甘肽/GPX4軸可觸發血管平滑肌細胞的鐵死亡,GDF15敲低可通過減弱SLC7A11表達促進Erastin誘導的鐵死亡[14]。

3 腫瘤中SLC7A11的異常表達

多項研究表明,SLC7A11在膠質瘤[15]、乳腺癌[16]和肝癌[17]等多種腫瘤中呈高表達,并影響腫瘤細胞的新陳代謝、腫瘤的發生發展以及患者的治療和預后[18]。為探究SLC7A11基因表達與腫瘤的相關性,檢索腫瘤基因組圖譜(TCGA)數據庫(https://portal.gdc.cancer.gov/)來源的數據集,統計分析發現,SLC7A11mRNA在頭頸部腫瘤、呼吸系統腫瘤、消化系統腫瘤、乳腺腫瘤及泌尿生殖系統腫瘤等大多數腫瘤組織中相對表達水平均明顯高于癌旁組織(P均<0.05)。見圖2和圖3。由此表明,SLC7A11在多種腫瘤中可能發揮重要的作用。

*:P<0.05;**:P<0.01;***:P<0.001;ACC:腎上腺皮質癌;BLCA:膀胱尿路上皮癌;BRCA:乳腺浸潤癌;CESC:宮頸鱗狀細胞癌及宮頸內腺癌;CHOL:膽管癌;COAD:結腸腺癌;DLBC:淋巴樣腫瘤彌漫性大B細胞淋巴瘤;ESCA:食管癌;GBM:多形性膠質母細胞瘤;HNSC:頭頸部鱗狀細胞癌;KICH:腎嫌色細胞癌;KIRC:腎透明細胞癌;KIRP:腎乳頭狀細胞癌;LAML:急性髓系白血病;LGG:低級別膠質瘤;LIHC:肝細胞癌;LUAD:肺腺癌;LUSC:肺鱗狀細胞癌;MESO:惡性間質瘤;OV:卵巢漿液性囊腺癌;PAAD:胰腺癌;PCPG:嗜鉻細胞瘤及副神經節瘤;PRAD:前列腺腺癌;READ:直腸腺癌;SARC:肉瘤;SKCM:皮膚黑色素瘤;STAD:胃腺癌;TGCT:睪丸生殖細胞腫瘤;THCA:甲狀腺癌;THYM:胸腺瘤;UCEC:子宮內膜癌;UCS:子宮癌肉瘤;UVM:葡萄膜黑色素瘤圖2 相關腫瘤組織和配對癌旁組織中SLC7A11 mRNA相對表達水平比較

*:P<0.05;**:P<0.01;***:P<0.001;BLCA:膀胱尿路上皮癌;BRCA:乳腺浸潤癌;CHOL:膽管癌;COAD:結腸腺癌;ESCA:食管癌;HNSC:頭頸部鱗狀細胞癌;KICH:腎嫌色細胞癌;KIRC:腎透明細胞癌;KIRP:腎乳頭狀細胞癌;LIHC:肝細胞癌;LUAD:肺腺癌;LUSC:肺鱗狀細胞癌;PAAD:胰腺癌;PRAD:前列腺腺癌;READ:直腸腺癌;STAD:胃腺癌;THCA:甲狀腺癌;UCEC:子宮內膜癌圖3 相關腫瘤組織和非配對癌旁組織中SLC7A11 mRNA相對表達水平比較

3.1 頭頸部腫瘤

在口腔鱗癌中,miR-375靶向SLC7A11基因調控口腔鱗癌細胞增殖和侵襲,miRNA-375過表達可靶向抑制SLC7A11表達,進而抑制口腔鱗癌細胞生長和浸潤,表明SLC7A11高表達可促進口腔鱗癌的發生發展[19]。

研究表明,在膠質瘤細胞中,SLC7A11過表達與疾病進展和患者不良預后相關,其介導膠質瘤細胞的增殖、侵襲和放療、化療抵抗[20-21]。研究發現,SLC7A11在人腦膠質瘤組織中表達上調,且高級別膠質瘤中SLC7A11表達高于低級別膠質瘤[22]。神經膠質瘤中SLC7A11過表達的腫瘤細胞生長速度更快,且患者總生存期更短;SLC7A11在維持膠質瘤細胞氧化還原穩態方面發揮關鍵作用,抑制SLC7A11表達可增強抗癌藥物的作用[23]。SLC7A11高表達的膠質瘤細胞呈現出葡萄糖依賴性[24]:當葡萄糖缺乏時,SLC7A11過表達促進活性氧積累,致Eph受體酪氨酸激酶A2磷酸化,促進膠質瘤細胞存活;與之相反,mTOR抑制劑處理膠質瘤細胞后,可通過溶酶體降解SLC7A11,進而抑制葡萄糖缺乏引起的細胞死亡。SLC7A11高表達的細胞對放療敏感性降低,例如,膠質瘤中替莫唑胺抵抗與SLC7A11過表達有關[25]。SLC7A11過表達與腫瘤細胞中谷胱甘肽合成增加相關,谷胱甘肽可保護腫瘤細胞免受氧化損傷,進而產生放療、化療抵抗[26]。抑制SLC7A11表達可增強膠質瘤細胞對放療的敏感性[27]。

另有研究表明,SLC7A11參與惡性膠質瘤細胞的增殖和血管生成,例如,SLC7A11可作為轉錄激活因子4的靶標,在人膠質母細胞瘤U87和U251細胞中,過表達轉錄激活因子4致SLC7A11表達增加,進而抑制腫瘤細胞發生鐵死亡,促進血管生成,促進膠質母細胞瘤增殖等[28]。

3.2 呼吸系統腫瘤

研究表明,SLC7A11在多種肺癌亞型中均有表達,SLC7A11通過調節胞內胱氨酸-谷氨酸代謝、免疫細胞浸潤,在肺癌發生、進展和治療中發揮重要作用。與正常肺組織相比,SLC7A11在肺腺癌組織中表達顯著升高,且SLC7A11高表達與患者總體生存期較差相關[29]。研究表明,has-mir-373和has-mir-372通過競爭結合上調SLC7A11表達,從而調節肺腺癌的免疫浸潤[30]。抑制SLC7A11表達可選擇性殺死KRAS突變的肺腺癌細胞和抑制體內腫瘤生長,并且SLC7A11可作為PD-L1低表達、EGFR野生型非小細胞肺癌的潛在藥物靶標,但這也不能排除可能還有其他機制的參與[31]。Iida等[32]研究發現,SLC7A11可作為中醫藥治療肺癌的有效靶點。

3.3 消化系統腫瘤

研究發現,SLC7A11可通過調節β-catenin通路,減弱腫瘤細胞與細胞外基質的黏附,進而促進食管癌細胞轉移[22,33]。SLC7A11過表達可導致腫瘤干細胞樣表型的上調,進而導致腫瘤復發[34]。一般而言,SLC7A11過表達賦予癌細胞生存優勢,而抑制SLC7A11表達則會阻礙腫瘤進展,并為抗癌治療提供替代方案。因此,抑制SLC7A11表達可減弱胃癌細胞中CD44(一種干細胞主要的調節因子)誘導的5-氟尿嘧啶的化療耐藥性[35]。

研究發現,SLC7A11基因在肝癌組織中的表達水平明顯升高,且其高表達與肝細胞癌患者的預后不良相關[36]。由此可見,干預SLC7A11表達可抑制體內外肝癌細胞的生長與增殖。SLC7A11表達下降可致細胞內活性氧水平升高,進而導致肝癌細胞凋亡和自噬死亡[37]。由此表明,SLC7A11可能是肝細胞癌潛在的藥物治療靶點和預后基因之一[17]。

張萌等[38]研究發現,SLC7A11在胰腺癌組織和細胞中的表達分別較癌旁組織和正常細胞顯著升高,且與胰腺癌細胞死亡、增殖、轉移和侵襲等多種生物學過程密切相關[39-40]。SLC7A11高表達可激活PI3K/Akt通路,進而促進胰腺癌細胞的遷移和侵襲[41]。胰腺癌細胞高度依賴SLC7A11介導的胱氨酸攝取,從而維持細胞內的氧化還原穩態,而SLC7A11高表達致細胞內谷胱甘肽維持高水平,進而抵抗細胞因惡性增殖導致的氧化應激[5]。SLC7A11過表達可增強胰腺癌細胞對順鉑、吉西他濱等化療藥物的耐藥性[42]。因此,基于靶向SLC7A11抑制劑的聯合用藥,可有助于逆轉胰腺癌細胞對吉西他濱等的耐藥[43]。

此外,王建國等[44]研究發現,肝內膽管細胞癌組織中SLC7A11表達與患者淋巴結轉移及預后密切相關,SLC7A11可能在肝內膽管細胞癌侵襲、轉移、化療耐藥過程中起重要作用。另有研究表明,SLC7A11蛋白在結直腸癌中表達水平明顯升高,并與結直腸癌的分化程度和脈管侵犯相關,低分化且脈管侵犯的患者SLC7A11蛋白表達水平更高,由此提示SLC7A11蛋白高表達可促進結直腸癌的發生發展及增強癌細胞的侵襲能力[45]。System Xc-的另一種抑制劑柳氮磺胺吡啶可通過消耗細胞內谷胱甘肽進而增強結直腸癌細胞對順鉑的敏感性,從而導致活性氧顯著積累[46],這可能成為結直腸癌的重要分子靶點。

3.4 乳腺腫瘤和泌尿生殖系統腫瘤

研究表明,SLC7A11在乳腺癌組織中的高表達在介導乳腺癌細胞鐵死亡方面起重要作用[47],SLC7A11可促進雌激素受體陽性乳腺癌細胞增殖,并且乳腺癌中SLC7A11高表達預示患者預后不良。Lee等[48]研究發現,GPX4在乳腺癌組織中表達明顯上調且與SLC7A11高表達密切相關。此外,SLC7A11與宮頸癌和卵巢癌的發生發展密切相關[49],在卵巢癌中,奧拉帕利通過p53依賴的方式降低SLC7A11蛋白的表達水平,促進細胞鐵死亡,抑制腫瘤進展。杜紅飛等[50]研究發現,與正常膀胱組織及癌旁組織相比,SLC7A1l在膀胱癌組織中呈高表達,其表達水平與膀胱癌患者的臨床T分期密切相關。在膀胱癌中,下調SLC7A11表達致耐藥細胞對順鉑的敏感性明顯增強[51]。SLC7A11在腎癌中的研究尚淺,部分報道表明SLC7A11在腎癌中呈高表達,而在正常腎組織呈低表達[52],這為SLC7A11作為新的腎癌診斷標志物提供了一定的理論依據。

綜上所述,非凋亡形式的細胞死亡方式可能會促進腫瘤細胞被選擇性清除,也可能使腫瘤細胞在特定的病理狀態下被激活。雙硫死亡的發現不僅讓人們深層次地認識了新型細胞死亡方式,加深了對細胞穩態的基本理解,還為治療腫瘤等多種疾病的研究提供了重要思路。大量研究表明SLC7A11是一種潛在的癌基因,參與腫瘤細胞的增殖、遷移、侵襲和凋亡的調控。總結SLC7A11基因在癌癥藥物治療方面的應用手段,大致可歸納為三種方式:其一,可通過某些靶向藥物阻斷劑的干預以阻斷胱氨酸轉運體的活性,進而減少胱氨酸的補充從而誘導脂質過氧化和細胞死亡,比如細胞鐵死亡機制就包含其中;其二,在葡萄糖抑制劑抑制葡萄糖攝取的前提下造成SLC7A11高表達的細胞葡萄糖缺乏,以此耗竭還原型NADPH并造成二硫化物應激狀態誘導細胞快速死亡,譬如雙硫死亡的發生源自于此;其三,通過使用一些谷氨酰胺酶類抑制劑以減少谷氨酸衍生物的攝取,阻滯細胞生長,有效地提高癌癥患者的治療效果和預后。SLC7A11已成為腫瘤診斷及治療中潛在的生物標志分子和治療靶點,雙硫死亡概念的提出及調控因子的不斷探究,將為高度表達二硫鍵的蛋白質及具有葡萄糖依賴的腫瘤疾病提供新的研究方向。

4 總結與展望

近年來,調節性細胞死亡方式如雙硫死亡、鐵死亡及銅死亡等新型細胞死亡方式接連被發現,其中,SLC7A11作為一種熱點分子,直接介導雙硫死亡、鐵死亡等的發生,且已證實其在多種實體腫瘤中廣泛過表達并影響腫瘤的發生發展過程。然而,SLC7A11表達在腫瘤中選擇性上調涉及多個調控機制,其是否參與特定的細胞死亡方式來調控各腫瘤的發生發展尚未完全明確。此外,多種新型細胞死亡方式的信號通路和主要轉錄調控因子還需要深入探索,各種細胞死亡方式之間是否獨立或是相互聯系,以及有無旁路替代等還需要進一步驗證。