關(guān)于細(xì)胞的程序性死亡的相關(guān)研究一直是生命科學(xué)的熱門(mén)領(lǐng)域，無(wú)論是持續(xù)火熱的"鐵死亡" （推文：鐵死亡是什么，如何檢測(cè)？您要的 “一文通” 來(lái)了）。還是正在生信領(lǐng)域大方異彩的 “銅死亡” （推文：空降 "熱搜" 銅死亡丨解鎖細(xì)胞死亡新方式），都涉及到 "離子轉(zhuǎn)運(yùn)"。在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中，溶質(zhì)載體 （Solute Carriers, SLC） 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族作為重要的膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族，它們對(duì)葡萄糖、氨基酸和金屬離子的轉(zhuǎn)運(yùn)有著重要的影響 （圖 1）

　　圖 1. SLC 蛋白家族對(duì)不同離子以及氨基酸等轉(zhuǎn)運(yùn)

　　SLC7A11----死亡調(diào)控途徑中的雙刃劍

　　SLC 家族成員 SLC7A11 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在維持細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽水平和保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡方面具有重要作用，具有公認(rèn)的促生存作用。但有研究表明，膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞在葡萄糖剝奪條件下，通過(guò) System Xc- （其中 SLC7A11 為催化亞基） 攝取胱氨酸會(huì)迅速誘導(dǎo) NADPH 耗竭、活性氧物質(zhì)積累和細(xì)胞死亡。

　　2020 年甘波誼團(tuán)隊(duì)在 Nature Cell Biology 發(fā)表的文章也表明，葡萄糖饑餓條件下，高 SLC7A11表達(dá)反而促進(jìn)細(xì)胞死亡，SLC7A11 就像是調(diào)節(jié)細(xì)胞氧化還原平衡和細(xì)胞死亡/存活方面的雙刃劍。

　　圖 2. 葡萄糖饑餓條件下，高 SLC7A11 表達(dá)反而促進(jìn)細(xì)胞死亡

　　SLC7A11 和 SLC3A2 組成的胱氨酸/谷氨酸逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 System Xc -，將胞內(nèi)谷氨酸轉(zhuǎn)出以 1:1 的比例來(lái)?yè)Q取胞外的胱氨酸 （Cys2）

　　■ SLC7A11 高表達(dá)為何會(huì) “促” 死亡？

　　這是因?yàn)殡装彼崾欠N不溶性氨基酸，為了防止細(xì)胞內(nèi)高度不溶性胱氨酸的毒性積聚，SLC7A11high細(xì)胞需要迅速將胱氨酸還原為半胱氨酸，而這個(gè)過(guò)程需要從葡萄糖-戊糖磷酸途徑（PPP）獲得大量NADPH，這會(huì)對(duì)細(xì)胞NADPH 庫(kù)會(huì)造成大量消耗，并使此類(lèi)細(xì)胞產(chǎn)生葡萄糖和戊糖磷酸途徑（PPP）依賴(lài)性（如圖 2）。因此， 當(dāng)葡萄糖供應(yīng)限制，氧化還原力不足，SLC7A11high 細(xì)胞內(nèi)的胱氨酸或其他二硫化物分子的異常積累，誘發(fā)二硫化物應(yīng)激觸發(fā)細(xì)胞死亡。

　　今年2月，甘波誼團(tuán)隊(duì)發(fā)表的 Actin cytoskeleton vulnerability to disulfide stress mediates disulfidptosis 一文更加詳細(xì)闡明了這一死亡機(jī)制，研究表明肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架對(duì)二硫化應(yīng)激的敏感性介導(dǎo)了雙硫死亡 （disulfidptosis），并提出了在癌癥治療中靶向二硫化的治療策略。

　　SLC7A11-high 細(xì)胞的獨(dú)特細(xì)胞死亡方式

　　雙硫死亡是一種不同于鐵死亡，凋亡等的新型死亡方式，在 SLC7A11high 細(xì)胞中，鐵死亡，凋亡，細(xì)胞壞死以及自噬抑制劑都不能挽救葡萄糖饑餓誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡 （圖 3a-b）， 但二硫應(yīng)激的還原劑，如二硫蘇糖醇 （DTT）、β-巰基乙醇 （2ME） 和 TCEP 可以完全抑制 SLC7A11high 細(xì)胞中葡萄糖饑餓誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡 （圖 3d）。此外，硫醇氧化劑（二胺和馬來(lái)酸二乙酯）促進(jìn) SLC7A11high細(xì)胞在葡萄糖饑餓下的細(xì)胞死亡，并導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)二硫分子的急劇積累（如胱氨酸和谷氨酰胱氨酸，經(jīng)二胺處理后進(jìn)一步增加） （圖 3c）。透射電鏡分析顯示，在葡萄糖饑餓導(dǎo)致 SLC7A11high 細(xì)胞種胱氨酸在細(xì)胞質(zhì)中積聚 （圖 3e）。以上結(jié)果表明二硫脅迫引起的細(xì)胞死亡，與鐵死亡，細(xì)胞凋亡等都不同，那么其特征到底是什么？

　　圖 3. 葡萄糖饑餓條件下的細(xì)胞死亡方式

　　雙硫死亡---與肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架有關(guān)

　　作者團(tuán)隊(duì)假設(shè)，在葡萄糖饑餓條件下，SLC7A11 高細(xì)胞的 NADPH 消耗和二硫應(yīng)激的增加誘導(dǎo)氧化還原敏感蛋白中二硫鍵的生成 （在正常條件下，細(xì)胞質(zhì)的還原環(huán)境阻止胞質(zhì)蛋白形成二硫鍵），這可能會(huì)破壞相應(yīng)的氧化蛋白的活性或功能，從而損害細(xì)胞活力。

　　為了驗(yàn)證這一假設(shè)，作者團(tuán)隊(duì)對(duì)氨基酸進(jìn)行穩(wěn)定同位素標(biāo)記 ，量化葡萄糖饑餓誘導(dǎo)的SLC7A11high 細(xì)胞中的二硫化物蛋白質(zhì)組改變 （圖 4a）。正向和反向標(biāo)記分析確定了 90 個(gè)半胱氨酸位點(diǎn)。此外，基因本體分析表明，在葡萄糖饑餓誘導(dǎo)的二硫鍵的蛋白質(zhì)中，肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架和細(xì)胞粘附相關(guān)的生物過(guò)程或途徑顯著富集 （圖 4c），作者團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了至少 17 個(gè)肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架蛋白在葡萄糖饑餓后二硫鍵增加的頂級(jí)蛋白中 （圖 4b） 并且這些蛋白質(zhì)中的大多數(shù)包含二硫鍵的半胱氨酸位點(diǎn) （圖 4d-e）。這表明 SLC7A11high 細(xì)胞中的葡萄糖饑餓可能誘導(dǎo)肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架蛋白中的二硫鍵 （圖 4c）。

　　圖 4. 葡萄糖饑餓條件下肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架蛋白中的二硫鍵形成

　　SLC7A11-high 細(xì)胞的肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架動(dòng)力學(xué)

　　由于二硫鍵的形成會(huì)影響非還原條件下蛋白質(zhì)的電泳遷移率。作者團(tuán)隊(duì)檢測(cè)了肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架蛋白的遷移率，發(fā)現(xiàn) UMRC6 細(xì)胞在葡萄糖饑餓后，多個(gè)肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架蛋白表現(xiàn)出較慢的遷移，這表明這些肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架蛋白在葡萄糖饑餓條件下形成多個(gè)分子間二硫鍵 （圖 5a），

　　作者團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步研究葡萄糖饑餓后 SLC7A11high 細(xì)胞的肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架動(dòng)力學(xué)。在含糖培養(yǎng)基的 SLC7A11high 細(xì)胞中，肌動(dòng)蛋白絲 （F-肌動(dòng)蛋白） 主要在細(xì)胞皮質(zhì)和應(yīng)激纖維中；但葡萄糖饑餓會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞形態(tài)的顯著變化：細(xì)胞收縮和 F-肌動(dòng)蛋白收縮。F-actin 與膜染料 CellMask 共染色顯示，葡萄糖饑餓會(huì)導(dǎo)致 SLC7A11high 細(xì)胞中 F-肌動(dòng)蛋白從質(zhì)膜分離（圖 5b-d），并且葡萄糖饑餓誘導(dǎo)的這些細(xì)胞肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架形態(tài)的變化是 SLC7A11依賴(lài)性的（ 圖 5c） ，胱氨酸饑餓 、2DG 或 2ME （圖 5f） 處理可以消除這種變化。葡萄糖饑餓誘導(dǎo)的 SLC7A11 高細(xì)胞肌動(dòng)蛋白骨架蛋白異常二硫鍵可能導(dǎo)致隨后的 F-肌動(dòng)蛋白收縮和脫離質(zhì)膜。

　　圖 5. 葡萄糖饑餓條件下，異常二硫鍵形成導(dǎo)致的肌動(dòng)蛋白動(dòng)力學(xué)

　　以上結(jié)果表明，SLC7A11high 細(xì)胞中，葡萄糖饑餓誘導(dǎo)肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架蛋白的異常二硫鍵，F(xiàn)-肌動(dòng)蛋白以 SLC7A11 依賴(lài)性的方式崩潰。新的死亡機(jī)制的鑒定促進(jìn)人們對(duì)細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的基本理解，那 “雙硫死亡” 最大的意義何在？

　　雙硫死亡，研究的意義何在？

　　葡萄糖是糖酵解的起始物質(zhì)，由葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 （GLUT） 家族通過(guò)細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)，靶向葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（GLUT） 是是潛在癌癥治療干預(yù)的有趣靶點(diǎn)。

　　甘波誼團(tuán)隊(duì)等人在 2020 年的發(fā)表的文章中就發(fā)現(xiàn)高 SLC7A11 表達(dá)的癌細(xì)胞對(duì)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白GLUT 抑制劑特別敏感。GLUT 抑制劑 KL-11743 或 Bay-876 可有效抑制葡萄糖攝取，與葡萄糖饑餓情況相似。在 SLC7A11 過(guò)表達(dá)細(xì)胞中，GLUT1 抑制劑處理增加 NADP+/NADPH比值 （圖6a,b），并在 UMRC6 細(xì)胞中引發(fā)強(qiáng)烈的細(xì)胞死亡（圖 6c）。此外，GLUT 抑制會(huì)誘導(dǎo)二硫鍵的結(jié)合肌動(dòng)蛋白骨架蛋白和 F-肌動(dòng)蛋白網(wǎng)絡(luò)崩潰。

　　在動(dòng)物模型中，Bay876 治療降低了 SLC7A11high NCI-H226異種移植瘤的生長(zhǎng) （圖 6d），Bay-876 處理的腫瘤表現(xiàn)出頻繁的細(xì)胞死亡 （圖 6e），Bay-876 處理的腫瘤在肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架蛋白中表現(xiàn)出更多的二硫鍵結(jié)合。這些結(jié)果表明：GLUT 抑制劑誘導(dǎo) SLC7A11high 癌細(xì)胞的雙硫狀態(tài)和細(xì)胞死亡，而癌細(xì)胞的雙硫死亡可能是介導(dǎo) GLUT 抑制劑治療 SLC7A11high 腫瘤的治療效果的關(guān)鍵因素。

　　圖 6. GLUT 抑制劑誘導(dǎo) SLC7A11 高表達(dá)細(xì)胞死亡

　　■ 小結(jié)

　　作者團(tuán)隊(duì)研究結(jié)果表明在 SLC7A11 高表達(dá)的情況下，葡萄糖饑餓限制 PPP 產(chǎn)生 NADPH 會(huì)導(dǎo)致小分子二硫化物 （包括胱氨酸） 大量積累、引起一系列氧化還原缺陷和細(xì)胞死亡。

　　圖 7. 雙硫死亡的機(jī)制圖

　　并且基于對(duì)雙硫死亡的機(jī)制理解，還發(fā)現(xiàn) GLUT 抑制誘導(dǎo)的雙硫死亡可能是治療slc7a11 高表達(dá)腫瘤的有效治療策略，這種腫瘤經(jīng)常發(fā)生在人類(lèi)癌癥中。雙硫死亡這種獨(dú)特的細(xì)胞死亡機(jī)制的闡明為靶向治療癌癥提供一個(gè)關(guān)鍵框架。

　　相關(guān)產(chǎn)品

　　Necrostatin-1?（Nec-1）:?http://www.activeinhibitor.com/yzj/503.html

　　一種有效的能透過(guò)血腦屏障的壞死性凋亡 （necroptosis） 抑制劑，Necrostatin-1 （Nec-1） 也是一種 （IDO） 抑制劑。

　　RSL3 （（1S,3R）-RSL3）

　　谷胱甘肽過(guò)氧化物酶 4 （GPX4） 的抑制劑 （ferroptosis 激動(dòng)劑），可降低 GPX4 的表達(dá)

　　Ferrostatin-1?（Fer-1）:?http://www.activeinhibitor.com/yzj/420.html

　　有效的、選擇性的 ferroptosis 抑制劑。Ferrostatin-1 是一種人工合成的抗氧化劑，通過(guò)還原機(jī)制來(lái)防止膜脂的損傷，從而抑制細(xì)胞死亡。具有抗真菌活性。

　　Chloroquine

　　Chloroquine 是自噬 （autophagy） 和 Toll 樣受體 （TLRs） 的抑制劑。Chloroquine 有效抑制 SARS-CoV-2 （COVID-19） 感染 （EC50=1.13 μM）。

　　Deferoxamine （Deferoxamine B）

　　鐵螯合劑 （結(jié)合 Fe（III） 和許多其他金屬陽(yáng)離子），被廣泛用于減少鐵在組織中的積累和沉積。

　　Staurosporine

　　凋亡誘導(dǎo)劑。是一種有效，ATP 競(jìng)爭(zhēng)性的，非選擇性蛋白激酶抑制劑

　　2-Deoxy-D-glucose :?http://www.activeinhibitor.com/yzj/317.html

　　葡萄糖類(lèi)似物，為葡萄糖代謝抑制劑，通過(guò)作用于己糖激酶 （hexokinase） 來(lái)抑制糖酵解 （glycolysis）。

　　BAY-876

　　一種具有口服活性的，選擇性的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 1 （GLUT1） 抑制劑，IC50 為 2 nM。BAY-876 對(duì) GLUT1 的選擇性是 GLUT2，GLUT3 和 GLUT4 的 130 倍以上。

　　KL-11743

　　具有口服活性的葡萄糖競(jìng)爭(zhēng)性 I 類(lèi)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白抑制劑，抑制 GLUT1，GLUT2，GLUT3 和 GLUT4 的 IC50 值分別為 115 nM，137 nM，90 nM 和 68 nM。KL-11743 特異性阻斷葡萄糖代謝。KL-11743 可與電子傳遞抑制劑協(xié)同誘導(dǎo)細(xì)胞死亡。

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