倪飛飛，徐慶，李建軍

(中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院，沈陽(yáng)110004)

CD98分子是在1981年制備抗白細(xì)胞單克隆抗體時(shí)被首次發(fā)現(xiàn)，開(kāi)始稱其為4F2抗原，也稱為融合調(diào)節(jié)蛋白1(FRP-1)[1]。CD98是一種脊椎動(dòng)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(xì)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(zhì)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(jié)構(gòu)域、短跨膜結(jié)構(gòu)域和胞質(zhì)尾三部分構(gòu)成[2]。CD98輕鏈由溶質(zhì)載體家族7(SLC7)編碼，是一種由501～535個(gè)氨基酸構(gòu)成的12次跨膜蛋白。SLC7A11、SLC7A5同屬于SLC7，是細(xì)胞中兩種重要的必需氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體[3]。SLC7A11、SLC7A5在成骨細(xì)胞中表達(dá)改變可從不同方面影響成骨細(xì)胞增殖及分化，但其具體的成骨機(jī)制并未完全闡明。本研究對(duì)SLC7A11、SLC7A5的生物學(xué)功能及其調(diào)控成骨過(guò)程的相關(guān)機(jī)制作一綜述。

1 SLC7A11、SLC7A5的生物學(xué)功能

1.1 SLC7A11的生物學(xué)功能 SLC7A11基因位于人類4號(hào)染色體上，包含14個(gè)外顯子，是一種由501個(gè)氨基酸構(gòu)成的12次跨膜蛋白，其N端和C端均位于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，分子質(zhì)量為55 kDa。SLC7A11基因在脊椎動(dòng)物中高度保守，但在低級(jí)生物如秀麗隱桿線蟲(chóng)中還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其明顯的同源性。SLC7A11氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)呈電中性，是與Na+無(wú)關(guān)的氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，對(duì)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?xiàng)l件下將胱氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)入細(xì)胞，同時(shí)將谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)出細(xì)胞[4]。SLC7A11轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)對(duì)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(fù)責(zé)主要的轉(zhuǎn)運(yùn)活性，對(duì)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(duì)調(diào)節(jié)SLC7A11向質(zhì)膜的轉(zhuǎn)運(yùn)至關(guān)重要。SLC7A11 mRNA廣泛表達(dá)于哺乳動(dòng)物的大腦、胰腺、腎臟、肝臟等臟器及星形膠質(zhì)細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、視網(wǎng)膜細(xì)胞等細(xì)胞中[3]，是正常哺乳動(dòng)物血漿氧化還原穩(wěn)態(tài)、皮膚色素沉著、免疫系統(tǒng)功能和記憶形成等生理過(guò)程所必需的[5]，SLC7A11基因缺失會(huì)影響細(xì)胞的生長(zhǎng)、代謝甚至可能導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生癌變。

1.2 SLC7A5的生物學(xué)功能 SLC7A5基因位于人類16號(hào)染色體上，共有39 477個(gè)核苷酸和10個(gè)外顯子。人類SLC7A5是一種507個(gè)氨基酸構(gòu)成的12次跨膜蛋白，分子質(zhì)量為55 kDa。SLC7A5是一種不依賴Na+和pH的大型中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體，與糖蛋白SLC3A2通過(guò)二硫鍵相結(jié)合形成異源二聚體復(fù)合物，為細(xì)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(zhuǎn)運(yùn)的功能，而重鏈SLC3A2并沒(méi)有氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)作用。SLC3A2也可作為分子伴侶，使SLC7A5在細(xì)胞膜中達(dá)到其最終定位點(diǎn)[7]。SLC7A5也是一種甲狀腺激素轉(zhuǎn)運(yùn)體，可參與腫瘤、胎盤、脾、腎等多種組織的甲狀腺激素轉(zhuǎn)運(yùn)。SLC7A5在腦、脾、骨髓、胎盤、肝臟、睪丸等組織及C6膠質(zhì)瘤細(xì)胞、上皮細(xì)胞、單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、肝癌細(xì)胞等細(xì)胞中表達(dá)均升高[8,9]。

2 SLC7A11、 SLC7A5調(diào)控成骨過(guò)程的相關(guān)機(jī)制

2.1 SLC7A11調(diào)控成骨過(guò)程的相關(guān)機(jī)制

2.1.1 促進(jìn)GSH生成、抑制成骨細(xì)胞氧化應(yīng)激 研究表明，在未分化的MC3T3成骨細(xì)胞中,存在由SLC7A11和SLC3A2亞單位組成的胱氨酸-谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白mRNA表達(dá)。SLC7A11可使胱氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)入細(xì)胞，在處于生長(zhǎng)期的細(xì)胞中激活SLC7A11，從而增加細(xì)胞內(nèi)胱氨酸含量[10]。而胱氨酸是細(xì)胞內(nèi)抗氧化劑谷胱甘肽(GSH)生物合成的重要前體，也是調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)GSH水平的一個(gè)關(guān)鍵因素。GSH通過(guò)谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶硫酸化多種轉(zhuǎn)錄因子，包括NF-κB、熱休克蛋白和激活蛋白1，在氧化還原調(diào)節(jié)過(guò)程中發(fā)揮重要作用[3]。研究顯示，絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥婦女的氧化應(yīng)激反應(yīng)與骨密度密切相關(guān)[11,12]。GSH作為一種主要的抗氧化劑，在成骨細(xì)胞參與骨重塑和骨氧化還原過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，暴露于GSH可導(dǎo)致成骨細(xì)胞分化和礦化[13]。在SLC7A11轉(zhuǎn)染的成骨細(xì)胞中，SLC7A11過(guò)表達(dá)除了可以促進(jìn)胱氨酸進(jìn)入成骨細(xì)胞內(nèi)，還可以使細(xì)胞內(nèi)GSH水平升高和活性氧(ROS)生成減少，而ROS可以抑制成骨細(xì)胞分化及誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[14]。因此，成骨細(xì)胞內(nèi)激活SLC7A11可促進(jìn)GSH合成，抑制其氧化應(yīng)激反應(yīng)，有利于成骨細(xì)胞的增殖、分化。

影響SLC7A11轉(zhuǎn)運(yùn)的另一種物質(zhì)是谷氨酸(Glu)，Glu在成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞中具有自分泌和旁分泌信號(hào)介質(zhì)的功能[15]。研究顯示，在細(xì)胞外Glu濃度較高的情況下，細(xì)胞外Glu可使SLC7A11轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白發(fā)生逆向轉(zhuǎn)運(yùn)，從而使細(xì)胞內(nèi)胱氨酸大量流出；同時(shí)Glu流入細(xì)胞，胱氨酸流出細(xì)胞，造成細(xì)胞內(nèi)胱氨酸水平降低，導(dǎo)致GSH合成減少及消耗增加，最終引起細(xì)胞凋亡[16]。因此，細(xì)胞表面SLC7A11的活性和運(yùn)轉(zhuǎn)方向可以調(diào)節(jié)內(nèi)源性GSH水平，是成骨細(xì)胞增殖及分化的關(guān)鍵因素。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，GSH水平降低可使成骨細(xì)胞中ROS生成增加，進(jìn)而促進(jìn)Nrf2表達(dá)[17]。

在成骨細(xì)胞中，Nrf2對(duì)許多解毒和抗氧化基因的調(diào)節(jié)至關(guān)重要，其上調(diào)可促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化及礦化[18]。Nrf2為調(diào)節(jié)抗氧化反應(yīng)的主要轉(zhuǎn)錄因子，其通過(guò)調(diào)節(jié)SLC7A11轉(zhuǎn)錄控制GSH合成。在其他細(xì)胞中，如成纖維細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、腎細(xì)胞等，也發(fā)現(xiàn)Nrf2可與SLC7A11啟動(dòng)子中的抗氧化/親電反應(yīng)元件結(jié)合，從而促進(jìn)SLC7A11表達(dá)，增加細(xì)胞內(nèi)胱氨酸水平，使細(xì)胞內(nèi)GSH水平升高，最終促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖[19]。但也有研究認(rèn)為，成骨細(xì)胞中Nrf2過(guò)表達(dá)可使細(xì)胞增殖及分化活性顯著降低[10,20]。因此，在成骨細(xì)胞中Nrf2對(duì)SLC7A11表達(dá)及GSH合成的影響仍需要進(jìn)一步研究。

2.1.2 降低成骨細(xì)胞Runx2表達(dá) Runx2能夠激活骨鈣素、骨橋蛋白等成骨相關(guān)基因的表達(dá)，誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化，在成骨細(xì)胞的成骨分化過(guò)程中發(fā)揮重要作用[21]。在MC3T3成骨細(xì)胞中，SLC7A11過(guò)表達(dá)可下調(diào)Runx2表達(dá)，從而負(fù)性調(diào)控成骨細(xì)胞生成[14]。研究顯示，去卵巢骨質(zhì)疏松癥小鼠模型中Runx2 mRNA和蛋白表達(dá)均顯著下降，SLC7A11 mRNA和蛋白表達(dá)顯著升高[22]。與非骨質(zhì)疏松癥患者比較，絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥患者體外培養(yǎng)的股骨成骨細(xì)胞SLC7A11 mRNA表達(dá)升高，Runx2表達(dá)降低[23]?；?qū)用嫜芯堪l(fā)現(xiàn)，Runx2的DNA結(jié)合域含有兩個(gè)保守的半胱氨酸殘基，負(fù)責(zé)DNA結(jié)合活性的氧化還原調(diào)節(jié)[24]。研究表明，在成骨細(xì)胞中轉(zhuǎn)染Runx2啟動(dòng)子質(zhì)粒后，Runx2活性顯著升高，而成骨細(xì)胞瞬時(shí)和穩(wěn)定轉(zhuǎn)染SLC7A11表達(dá)載體后,可通過(guò)激活蛋白1位點(diǎn)阻止Runx2激活，表明在基因轉(zhuǎn)錄水平上成骨細(xì)胞內(nèi)SLC7A11可負(fù)性調(diào)控Runx2表達(dá)[22]。已有研究顯示，成骨細(xì)胞中的Nrf2可通過(guò)干擾Runx2依賴的轉(zhuǎn)錄激活因子而抑制成骨細(xì)胞分化，通過(guò)引入骨鈣素啟動(dòng)子ARE-like-2序列突變體，可部分抑制Nrf2對(duì)Runx2依賴的骨鈣素啟動(dòng)子的活性[20]。此外一種推測(cè)認(rèn)為，Nrf2可能通過(guò)ROS從細(xì)胞質(zhì)錨定蛋白釋放后，干擾成骨細(xì)胞分化需要的Runx2核易位[25]。因此，成骨細(xì)胞中SLC7A11過(guò)表達(dá)可在分子水平正性調(diào)控GSH生成，在轉(zhuǎn)錄水平負(fù)性調(diào)控Runx2表達(dá)，從而影響成骨過(guò)程。

2.2 SLC7A5調(diào)控成骨過(guò)程的相關(guān)機(jī)制

2.2.1 SLC7A5通過(guò)mTOR促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖、分化 研究顯示，在腫瘤細(xì)胞中SLC7A5可將細(xì)胞內(nèi)谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)出細(xì)胞，以交換亮氨酸和異亮氨酸等必需氨基酸，從而促進(jìn)細(xì)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(xié)調(diào)細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)、調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng)以及新陳代謝過(guò)程中具有核心作用，而且高濃度亮氨酸可通過(guò)mTOR信號(hào)通路誘導(dǎo)細(xì)胞增殖[8]，且mTOR只有在亮氨酸濃度足夠高時(shí)才能進(jìn)行基因水平翻譯[26]。SLC7A5可與SLC1A5協(xié)同調(diào)控亮氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)，激活mTOR信號(hào)通路[6]。谷氨酰胺是一種必需的限速因子，可促進(jìn)必需氨基酸和生長(zhǎng)因子激活mTOR，谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SLC1A5和異源二聚體SLC7A5/SLC3A2組成的雙向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)、mTOR信號(hào)通路活性和細(xì)胞生長(zhǎng)所必需的。研究顯示，通過(guò)SLC7A5的轉(zhuǎn)運(yùn),中性支鏈氨基酸可以刺激mTOR在多個(gè)細(xì)胞系中的表達(dá)[8]。在非洲爪蟾蜍卵母細(xì)胞中，利用氨基酸顯微注射系統(tǒng)結(jié)合SLC7A5過(guò)表達(dá)技術(shù)，可使mTOR通過(guò)SLC7A5表達(dá)上調(diào)，增加必需氨基酸供應(yīng)，以維持細(xì)胞生長(zhǎng)，并有利于調(diào)控細(xì)胞增殖[27]。

在成骨分化過(guò)程中，mTOR通過(guò)調(diào)節(jié)成骨相關(guān)mRNA的翻譯在骨骼發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮重要作用[28]。mTOR/Raptor信號(hào)通路可通過(guò)調(diào)控Runx2表達(dá)，在體內(nèi)對(duì)骨形成發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。在前成骨細(xì)胞中，阻斷mTOR信號(hào)通路可導(dǎo)致成骨細(xì)胞分化受損，最終引起嚴(yán)重骨缺損的發(fā)生。進(jìn)一步的分子機(jī)制研究表明，mTOR/Raptor-S6K1軸可通過(guò)增加Runx2增強(qiáng)子的活性調(diào)節(jié)Runx2表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)成骨細(xì)胞分化[29]。在腫瘤細(xì)胞中，亮氨酸已經(jīng)被證實(shí)可通過(guò)調(diào)節(jié)mTOR靶點(diǎn)來(lái)刺激蛋白質(zhì)合成和加速細(xì)胞增殖，而SLC7A5表達(dá)下調(diào)可抑制mTOR活化，進(jìn)而抑制腫瘤細(xì)胞增殖[26]。研究顯示，在氨基酸饑餓過(guò)程中mTOR的激活受到抑制，通過(guò)改變下游效應(yīng)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(jié)合蛋白1，可導(dǎo)致mRNA生物合成和翻譯減少[8]。

研究報(bào)道，SLC7A5在胚胎成骨細(xì)胞和Saos2人骨肉瘤細(xì)胞中均有表達(dá)，并且中性氨基酸進(jìn)入細(xì)胞的轉(zhuǎn)運(yùn)主要由SLC7A5介導(dǎo)[30]。有研究在胚胎成骨細(xì)胞中應(yīng)用SLC7A5選擇性抑制劑處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)胚胎成骨細(xì)胞對(duì)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(dá)，其中在成骨細(xì)胞瘤組織中的表達(dá)最高[32]。因此，SLC7A5對(duì)亮氨酸的轉(zhuǎn)運(yùn)可通過(guò)改變mTOR活性而影響成骨細(xì)胞生長(zhǎng)。

綜上所述，SLC7A11、SLC7A5是氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)所必需的，在細(xì)胞的生長(zhǎng)代謝方面發(fā)揮重要作用。在成骨細(xì)胞分化過(guò)程中，SLC7A11具有正負(fù)兩方面的調(diào)控作用，主要作用于GSH、Runx2調(diào)控成骨，組成復(fù)雜的調(diào)控關(guān)系；SLC7A5可能通過(guò)mTOR調(diào)控成骨，維持骨代謝平衡。但目前對(duì)SLC7A11、SLC7A5調(diào)控成骨的研究尚處于初步階段，還有很多的調(diào)控機(jī)制有待于進(jìn)一步探索，如SLC7A11、SLC7A5是否對(duì)破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收過(guò)程有調(diào)控作用。SLC7A5、SLC7A11在成骨細(xì)胞內(nèi)均有表達(dá)，可介導(dǎo)成骨細(xì)胞內(nèi)外必須氨基酸的轉(zhuǎn)運(yùn)，有望成為未來(lái)創(chuàng)新藥物研發(fā)的靶向分子，為治療多種與人類成骨細(xì)胞異常發(fā)育相關(guān)的骨科疾病提供一種新的治療方法。