胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)體的研究進(jìn)展

唐珍，王含彥，郭冬梅

(川北醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)教研室，四川 南充 637000)

胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)體(cystine/glutamate antiporter，System Xc-)是不依賴Na+的跨細(xì)胞膜胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白體，反向指其攝取胞外胱氨酸進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，交換細(xì)胞內(nèi)谷氨酸到細(xì)胞外，攝入細(xì)胞的胱氨酸被還原為半胱氨酸后，一部分參與胞內(nèi)谷胱甘肽(glutathione，GSH)合成，另一部分則出細(xì)胞轉(zhuǎn)化為胱氨酸，重新參與System Xc-循環(huán)。GSH是一種重要抗氧化劑，所以System Xc-可調(diào)控細(xì)胞氧化應(yīng)激；System Xc-釋放谷氨酸調(diào)節(jié)胞外谷氨酸濃度，當(dāng)細(xì)胞外谷氨酸過多時(shí)，可抑制System Xc-的功能，使胱氨酸進(jìn)入細(xì)胞減少，同時(shí)谷氨酸是興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，具神經(jīng)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(zhuǎn)運(yùn)及GSH的合成，這些物質(zhì)與神經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，細(xì)胞的抗氧化性，腫瘤的發(fā)生發(fā)展及抗藥性密切相關(guān)[1]。本文就System Xc-的結(jié)構(gòu)、功能及與疾病的關(guān)系做一綜述，為進(jìn)一步探討通過System Xc-開發(fā)藥物治療疾病提供指導(dǎo)。

1 System Xc-概述

1.1 結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)運(yùn)亞基，負(fù)責(zé)氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)，對(duì)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(diào)節(jié)亞基，負(fù)責(zé)SLC7A11的胞內(nèi)運(yùn)輸和胞膜表達(dá)。輕鏈SLC7A11由501個(gè)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(xì)胞內(nèi)(圖1)。人的SLC7A11基因位于4號(hào)染色體，含14個(gè)外顯子，SLC7A11在脊椎動(dòng)物中保守。重鏈4F2hc為單跨膜蛋白，N端位于細(xì)胞內(nèi)，C端位于細(xì)胞外，結(jié)構(gòu)域高度糖基化。當(dāng)4F2hc缺乏時(shí)，SLC7A11蛋白水平顯著下降，表明4F2hc在維持SLC7A11蛋白穩(wěn)定性中的重要作用，另外4F2hc也是其他一些大中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體的伴侶蛋白。

1.2 表達(dá)的組織特異性及轉(zhuǎn)運(yùn)特點(diǎn)

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

2 System Xc-的功能特征

2.1 抗氧化應(yīng)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(dòng)物體內(nèi)重要的抗氧化劑，可降低氧化應(yīng)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(dǎo)致氧化應(yīng)激，引起GSH耗竭和細(xì)胞死亡。SLC7A11敲除小鼠血漿內(nèi)半胱氨酸/胱氨酸組合處于氧化狀態(tài)，說明System Xc-在維持胞外半胱氨酸濃度中發(fā)揮重要作用。細(xì)菌脂多糖刺激SLC7A11缺陷型和野生型小鼠腹腔巨噬細(xì)胞，可引起兩種細(xì)胞的氧化應(yīng)激增加，但SLC7A11缺陷型小鼠巨噬細(xì)胞活性氧含量高于野生型巨噬細(xì)胞，說明SLC7A11參與了巨噬細(xì)胞氧化應(yīng)激的降低，SLC7A11在應(yīng)激下的保護(hù)作用被認(rèn)為是由于它導(dǎo)入胱氨酸，促進(jìn)GSH合成。

2.2 活性調(diào)控

System Xc-是高度可誘導(dǎo)氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體。體外System Xc-活性誘導(dǎo)物包括氧和多種親電劑，在某些細(xì)胞類型中，細(xì)菌內(nèi)毒素和炎癥細(xì)胞因子腫瘤壞死因子α也可誘導(dǎo)System Xc-表達(dá)。常規(guī)細(xì)胞培養(yǎng)條件下，環(huán)境O2為21%時(shí)，也能誘導(dǎo)不同類型細(xì)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(dǎo)SLC7A11基因表達(dá)，SLC7A11亞基活性增強(qiáng)。氧化應(yīng)激誘導(dǎo)劑百草枯可引起肺組織System Xc-表達(dá)增強(qiáng)。System Xc-活性受其特異性亞基SLC7A11轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控，核因子紅細(xì)胞2相關(guān)因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2)和激活轉(zhuǎn)錄因子4(artificial transcription factor,ATF 4)調(diào)控SLC7A11表達(dá)，小鼠SLC7A11基因的啟動(dòng)子區(qū)有多種抗氧化劑應(yīng)答元件(Antioxidant Response Element，ARE)基序， Nrf2與ARE結(jié)合并調(diào)控ARE介導(dǎo)的SLC7A11基因表達(dá)，一些致氧化損傷藥物就是通過Nrf2-ARE信號(hào)通路激活System Xc-表達(dá)。

3 System Xc-相關(guān)疾病

3.1 System Xc-與中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病

System Xc-是腦內(nèi)谷氨酸的重要來源，谷氨酸是興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，影響興奮性神經(jīng)傳遞、興奮閾，具興奮性毒性，因此System Xc-參與神經(jīng)細(xì)胞的抗氧化作用及神經(jīng)傳遞行為，中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病與細(xì)胞外谷氨酸增多和細(xì)胞內(nèi)GSH減少的System Xc-功能紊亂密切相關(guān)?；钚匝鹾脱仔约?xì)胞因子增強(qiáng)SLC7A11的轉(zhuǎn)錄，因此System Xc-可能參與了與氧化應(yīng)激和神經(jīng)炎癥相關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病。

System Xc-是中樞神經(jīng)小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞中的一種轉(zhuǎn)運(yùn)體，在神經(jīng)退行性疾病(包括多發(fā)性硬化癥、阿爾茨海默病、帕金森，癲癇和腦缺血)中表達(dá)增加。谷氨酸興奮性毒性在多發(fā)性硬化癥(multiple sclerosis ，MS)病理過程中可引起少突膠質(zhì)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(zhì)瘤中System Xc-的表達(dá)普遍上調(diào)，谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)下調(diào)[3]，導(dǎo)致細(xì)胞外谷氨酸的積累和周圍非腫瘤組織細(xì)胞興奮性毒性的死亡；另外激活的小膠質(zhì)細(xì)胞中System Xc-的上調(diào)參與了谷氨酸過量介導(dǎo)的多種神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病機(jī)制。 因此，System Xc-是治療膠質(zhì)瘤和神經(jīng)炎癥疾病的新藥物靶點(diǎn)，System Xc-抑制劑可用于治療以神經(jīng)炎癥和谷氨酸興奮性毒性為特征的疾病[4]，另外研究發(fā)現(xiàn)System Xc-可抑制自身免疫性炎性脫髓鞘T細(xì)胞浸潤(rùn)，System Xc-介導(dǎo)T細(xì)胞浸潤(rùn)和促進(jìn)髓鞘破壞，疾病過程伴隨中樞神經(jīng)系統(tǒng)谷氨酸調(diào)節(jié)異常。System Xc-抑制劑可減輕慢性和復(fù)發(fā)性自身免疫性腦脊髓炎，抑制疾病發(fā)展[5]。有觀點(diǎn)指出抑制System Xc-雖有助于降低谷氨酸興奮性毒性，但同時(shí)降低了System Xc-的抗氧化應(yīng)激能力，所以最佳方案是同時(shí)上調(diào)System Xc-和谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體表達(dá)[6]。

3.2 System Xc-與腫瘤

3.2.1 癌細(xì)胞SLC7A11表達(dá)上調(diào) 膠質(zhì)瘤研究發(fā)現(xiàn)System Xc-攝入半胱氨酸，合成GSH，癌細(xì)胞抗氧化應(yīng)激能力增強(qiáng)；System Xc-釋放谷氨酸可引起興奮性毒性導(dǎo)致神經(jīng)元死亡，為腫瘤擴(kuò)張?zhí)峁┛臻g，同時(shí)谷氨酸還可激活膠質(zhì)瘤受體增強(qiáng)腫瘤遷徙能力。研究發(fā)現(xiàn)淋巴瘤、膠質(zhì)瘤，胰腺癌，乳腺癌，口腔鱗狀細(xì)胞癌內(nèi)SLC7A11表達(dá)上調(diào)[7-10]。與癌旁組織和正常口腔細(xì)胞系相比，MIR-375在口腔鱗狀細(xì)胞癌細(xì)胞中表達(dá)明顯下調(diào)，而SLC7A11表達(dá)上調(diào)；miR-375能有效抑制口腔鱗癌細(xì)胞中SLC7A11的表達(dá)而達(dá)到抑癌作用[8]。吸煙可誘導(dǎo)口腔癌細(xì)胞中SLC7A11的表達(dá)，提示SLC7A11的過度表達(dá)可能支持肺癌的進(jìn)展。SLC7A11在非小細(xì)胞肺癌(non-small cell lung cancer ，NSCLC)細(xì)胞膜上高表達(dá)， SLC7A11表達(dá)與癌晚期相關(guān)，并預(yù)示5年生存率下降[11]；多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤(glioblaummultiforme，GBM)是成人最具侵襲性的原發(fā)性惡性腦腫瘤。GBM細(xì)胞上調(diào)了SLC7A11 的表達(dá)，System Xc-調(diào)節(jié)GSH的產(chǎn)生和膠質(zhì)瘤的生長(zhǎng)[7]。

3.2.2 System Xc-與腫瘤多重耐藥 多重耐藥性(multidrug resistance，MDR)是癌細(xì)胞對(duì)不同藥物同時(shí)產(chǎn)生耐藥性，MDR是癌癥化療效果不佳的主要原因，SLC7A11表達(dá)上調(diào)與腫瘤細(xì)胞的耐藥有關(guān)。癌癥治療時(shí)癌細(xì)胞處于氧化應(yīng)激狀態(tài)，SLC7A11表達(dá)的增加可增加癌細(xì)胞內(nèi)GSH，導(dǎo)致癌細(xì)胞抵抗放化療的能力增強(qiáng)[12]。SLC7A11的表達(dá)與1400種候選抗癌藥物中的296種呈負(fù)相關(guān)性，如格爾德霉素，南蛇藤醇等。System Xc-抑制劑可降低細(xì)胞內(nèi)GSH，增強(qiáng)格爾德霉素抗癌作用，逆轉(zhuǎn)細(xì)胞對(duì)抗癌藥物[13-15]的多藥耐藥性，且System Xc-特異性地介導(dǎo)對(duì)產(chǎn)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(duì)順鉑的敏感性直接關(guān)系到癌患者的預(yù)后，System Xc-的高表達(dá)水平，促進(jìn)了肺腺癌細(xì)胞對(duì)順鉑的耐藥性[16]。

3.2.3 System Xc-受潛在致癌途徑的調(diào)控 System Xc-受多條潛在致癌途徑的調(diào)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(diào)控。Nrf2/ARE/SLC7A11通路及eIF2α/ATF4/SLC7A11通路調(diào)控 System Xc-活性。在淋巴瘤[7]、膠質(zhì)瘤[8]和胰腺癌[9]SLC7A11在mRNA或蛋白水平上調(diào)，人乳腺癌中microRNA miR-26b可沉默SLC7A11 mRNA，抑制SLC7A11表達(dá)[17]；Nrf2與ARE結(jié)合并調(diào)控ARE介導(dǎo)的靶基因表達(dá)，在小鼠SLC7A11基因的啟動(dòng)子區(qū)域已鑒定出至少有4種ARE基序，在多種癌細(xì)胞系[18]中發(fā)現(xiàn)，Nrf 2的激活可導(dǎo)致SLC7A11上調(diào)；在多種癌癥中ATF4被激活，培養(yǎng)基內(nèi)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(zhuǎn)錄激活因子4(activating transcription factor-4，ATF4)/ SLC7A11通路。eIF2α磷酸化后激活A(yù)TF4生成，生成的ATF4與一些輔助蛋白結(jié)合成活性蛋白體，然后與SLC7A11基因啟動(dòng)子上的氨基酸反應(yīng)元件結(jié)合，激活SLC7A11轉(zhuǎn)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(diǎn)，抑制 System Xc-可減少癌細(xì)胞增殖、侵襲及轉(zhuǎn)移。在體外谷氨酸抑制System Xc-介導(dǎo)的胱氨酸攝取導(dǎo)致的惡性細(xì)胞體外增殖[20]；System Xc-抑制劑磺胺嘧啶可抑制膠質(zhì)瘤，淋巴瘤，乳腺癌、前列腺癌、非小細(xì)胞性肺癌和胰腺癌細(xì)胞的生長(zhǎng)[21-22]，磺胺嘧啶可通過抑制NF-κB激活，進(jìn)而抑制 System Xc-(導(dǎo)致半胱氨酸和GSH缺乏)。

食道癌的體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，特異的siRNA沉默SLC7A11基因可抑制癌細(xì)胞的侵襲，磺胺嘧啶抑制癌向體內(nèi)轉(zhuǎn)移[15]。磺胺嘧啶協(xié)同增強(qiáng)X射線對(duì)黑色素瘤細(xì)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(lián)合使用對(duì)癌細(xì)胞殺傷有協(xié)同作用，SLC7A11在多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤(GBM)中介導(dǎo)GBM對(duì)替莫唑胺的耐藥性。U251膠質(zhì)瘤細(xì)胞SLC7A11基因敲除則癌細(xì)胞GSH生成減少，ROS增加，細(xì)胞的死亡增加。SLC7A11過表達(dá)增強(qiáng)癌細(xì)胞抗氧化應(yīng)激能力，降低對(duì)替莫唑胺的敏感性[24]。

對(duì)小鼠和人乳腺癌細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn)， 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(xì)胞抗氧化應(yīng)激能力。因此，System Xc-介導(dǎo)的TrkA抑制為癌癥疼痛治療提供潛在干預(yù)靶點(diǎn)[25]。

System Xc-抑制劑可優(yōu)先殺死Tp 53突變癌細(xì)胞[26]；可通過抑制Nrf 2/SLC7A11/GSH和APR-246協(xié)同誘導(dǎo)突變型p53腫瘤的凋亡。SLC7A11在乳腺癌中高表達(dá)，其下調(diào)則改變體外乳腺癌干細(xì)胞功能，抑制癌細(xì)胞的體內(nèi)肺轉(zhuǎn)移[9]， SLC7A11受NRF 2的調(diào)控。增加Nrf 2的核內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)或Nrf 2表達(dá)上調(diào)，則SLC7A11 mRNA和蛋白表達(dá)增加； Keap 1過表達(dá)則抑制SLC7A11表達(dá)， keap 1的siRNA敲除則上調(diào)了SLC7A11蛋白水平和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白活性。說明Keap1/Nrf2/SLC7A11通路在System Xc-平衡乳腺癌細(xì)胞氧化應(yīng)激中的重要性[27]，同時(shí)此通路也可作為抑制腫瘤的靶點(diǎn)。在體外異丙酚通過抑制System Xc-活性，進(jìn)而抑制C6膠質(zhì)瘤細(xì)胞的活性、增殖，侵襲性和遷移。人胰腺癌細(xì)胞組織培養(yǎng)物中添加半胱氨酸酶，則癌細(xì)胞死亡。SLC7a11亞基的缺失抑制PDAC的生長(zhǎng)[28]。苯并吡喃衍生物2-imino-6-methoxy-2H-chromene-3-carbothioamide(IMCA)顯著抑制結(jié)直腸癌細(xì)胞的活力[29]。

4 展望

System Xc-可攝取胱氨酸，在細(xì)胞內(nèi)合成GSH，調(diào)控細(xì)胞抗氧化性；同時(shí)釋放谷氨酸，激活谷氨酸受體，介導(dǎo)神經(jīng)信號(hào)傳遞，因此在中樞神經(jīng)系統(tǒng)System Xc-具有抗氧化和興奮性毒性雙重作用，而其在不同神經(jīng)系統(tǒng)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(nèi)正常條件下表現(xiàn)出限制性的表達(dá)模式，如SLC7A11在正常腦組織中主要表達(dá)于腦內(nèi)，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(dá)；但同時(shí)在氧化應(yīng)激狀態(tài)可被誘導(dǎo)，如炎性刺激誘導(dǎo)System Xc-表達(dá)，引起GSH合成增加，從而增強(qiáng)抗氧化防御。所以System Xc-保護(hù)正常細(xì)胞免受致癌物導(dǎo)致的氧化損傷，參與癌腫瘤的發(fā)生，惡性發(fā)展及抗腫瘤藥物的耐藥性，是癌癥治療和預(yù)防的潛在靶點(diǎn)。如SLC7A11可能是治療高表達(dá)SLC7A11的理想靶點(diǎn)，磺胺吡啶或麥角黃素治療可抑制腫瘤的發(fā)展[18]，表明這些藥物對(duì)癌癥的治療作用，開發(fā)高特異性的SLC7A11抑制劑將對(duì)靶向治療癌癥至關(guān)重要。未來開發(fā)更多System Xc-抑制劑和發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)System Xc-的方法可為進(jìn)一步研究其生理功能和相關(guān)疾病治療鋪平道路。System Xc-受多條潛在致癌途徑的調(diào)控，Nrf2/ARE / SLC7A11通路及eIF2α/ATF4/SLC7A11通路調(diào)控System Xc-活性，NGF/ TrkA/ SLC7A11通路則與癌性骨痛有關(guān)，突變型p53蛋白/Nrf 2/SLC7A11/GSH，調(diào)控Tp 53 相關(guān)癌癥的發(fā)生發(fā)展，Keap 1/Nrf2/SLC7A11通路在乳腺癌細(xì)胞氧化應(yīng)激中具重要作用，未來還需進(jìn)一步詳細(xì)研究各通路，發(fā)現(xiàn)新的通路，并可研發(fā)針對(duì)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(fā)現(xiàn)除SLC7A11外還有SLC1A5、SLC7A5和SLC6A14這3種氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在癌癥中高表達(dá)，且這些轉(zhuǎn)運(yùn)體在功能上是耦合的，從而極大提高其促進(jìn)癌癥生長(zhǎng)和抗藥性，因此未來研究中也需考慮不同轉(zhuǎn)運(yùn)體的這種協(xié)同作用[30]。