王騰飛, 陳 乾, 左 石

(1. 貴州醫(yī)科大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院, 貴州 貴陽, 550000;貴州醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院, 2. 肝膽外科, 3. 器官移植科, 貴州 貴陽, 550000)

惡性腫瘤的重要特點(diǎn)之一是逃逸細(xì)胞死亡,從最初的調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡和意外性細(xì)胞死亡到細(xì)胞凋亡或其他新的細(xì)胞死亡形式均對(duì)惡性腫瘤的發(fā)展起著重要作用,對(duì)于細(xì)胞死亡通路的研究也愈發(fā)變得精細(xì),并逐步揭示這些新型細(xì)胞死亡途徑的分子機(jī)制及生化特點(diǎn),為惡性腫瘤的靶向治療提供了一系列新的希望靶點(diǎn)[1-3]。近段時(shí)間,一種新的依賴于高表達(dá)溶質(zhì)載體家族7成員11(SLC7A11)的惡性腫瘤細(xì)胞在缺乏葡萄糖的條件下的細(xì)胞死亡新形式——雙硫死亡,在腫瘤相關(guān)研究[4]中逐漸成為新的熱點(diǎn),因其在腫瘤的發(fā)展及耐藥等諸多方面發(fā)揮重要作用而備受學(xué)者關(guān)注。本文就腫瘤細(xì)胞死亡方式中的雙硫死亡類型進(jìn)行各方面概述,如其發(fā)現(xiàn)歷程、特點(diǎn)及具體調(diào)控機(jī)制、臨床意義等。

1 雙硫死亡的發(fā)現(xiàn)及特點(diǎn)

受到調(diào)節(jié)的細(xì)胞死亡方式不僅在機(jī)體的發(fā)育和細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮關(guān)鍵作用,其平衡的破壞如異常失調(diào)與包括腫瘤在內(nèi)的多種疾病密切相關(guān)[5-6]。腫瘤細(xì)胞的逃逸是腫瘤的核心標(biāo)志之一[7-8], 許多腫瘤細(xì)胞對(duì)細(xì)胞凋亡誘導(dǎo)療法的對(duì)抗性使許多研究者產(chǎn)生了探尋其他細(xì)胞受調(diào)節(jié)的死亡形式的興趣。

早在上世紀(jì)80年代, THONART P等[9]注意到胱氨酸-谷氨酸逆向轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)是機(jī)體抑制攝取胱氨酸,導(dǎo)致谷胱甘肽(GSH)耗竭的反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,其中胱氨酸是GSH的關(guān)鍵氨基酸類的組成部分。胱氨酸-谷胱甘肽逆向轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)由二硫鍵連接的輕鏈亞基的胱氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體溶質(zhì)載體家族7成員11(SLC7A11)和重鏈亞基溶質(zhì)載體家族3成員2(SLC3A2) 組成[10-11]。研究[12-14]證實(shí), SLC7A11在人體大多數(shù)腫瘤中異常表達(dá),這些異常表達(dá)的腫瘤細(xì)胞通過高表達(dá)SLC7A11來維持機(jī)體的GSH豐度,從而平衡因腫瘤細(xì)胞代謝所致的氧化應(yīng)激。研究[4]發(fā)現(xiàn), SLC7A11高表達(dá)的腫瘤細(xì)胞在低葡萄糖的條件下,腫瘤細(xì)胞內(nèi)的二硫化物異常積累,引發(fā)調(diào)節(jié)細(xì)胞骨架中的二硫鍵的含量增加,使得腫瘤細(xì)胞骨架劇烈收縮,從而使其與細(xì)胞膜分離,并破壞腫瘤細(xì)胞中的骨架結(jié)構(gòu),使得其骨架成分發(fā)生破壞,最終誘發(fā)腫瘤細(xì)胞的死亡。這種新的細(xì)胞死亡形式,有別于程序性死亡、鐵死亡、銅死亡、細(xì)胞凋亡等,被定義為雙硫死亡。

2 雙硫死亡機(jī)制

研究[15-17]提出雙硫應(yīng)激的概念,即硫醇特異性氧化還原體系在抗氧化應(yīng)激、維持機(jī)體細(xì)胞內(nèi)硫醇-二硫化物的穩(wěn)定起著重要作用。硫醇在過氧化物(如過氧化氫)的氧化下變?yōu)閬喕撬峄蛘呋撬?進(jìn)一步影響亞磺和硫醇之間形成二硫化物,這種二硫化物在二酰胺的作用下發(fā)生氧化應(yīng)激反應(yīng)[18]。研究[19]表明,在腫瘤細(xì)胞饑餓的條件下,高表達(dá)SLC7A11的腫瘤細(xì)胞更易死亡。但進(jìn)一步研究表明,這種現(xiàn)象是因饑餓條件下細(xì)胞糖酵解產(chǎn)生的煙酰胺腺嘌呤二核苷磷酸(NADPH)不能滿足供應(yīng)腫瘤細(xì)胞中胱氨酸轉(zhuǎn)變?yōu)榘腚装彼岬倪^程,引起細(xì)胞中二硫化物的應(yīng)激,誘發(fā)肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架蛋白中的二硫鍵收縮,從細(xì)胞膜上分離,并最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡[20]。這種細(xì)胞死亡形式不能被其他的細(xì)胞死亡抑制劑所逆轉(zhuǎn),但可以被硫醇類死亡還原劑(TCEP)所抑制。為了探究這種雙硫死亡細(xì)胞是否受到其他死亡方式的干擾,相關(guān)研究[4]特地在細(xì)胞中分別敲除鐵死亡另一關(guān)鍵通路蛋白酰基輔酶A合成酶長(zhǎng)鏈家族成員4(ACSL4)和凋亡關(guān)鍵誘導(dǎo)蛋白 BAX/BAK, 雖然能夠抑制葡萄糖充足條件下的細(xì)胞死亡,卻依然無法逆轉(zhuǎn)葡萄糖饑餓條件下的死亡。由于葡萄糖與能量代謝有關(guān),研究者還關(guān)注了三磷酸腺苷(ATP)在該死亡方式中的作用。然而結(jié)果卻顯示SLC7A11過表達(dá)的細(xì)胞在葡萄糖饑餓條件下ATP水平高于對(duì)照組,敲除SLC7A11后可逆轉(zhuǎn)葡萄糖饑餓下二酰胺誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡,由此證明這種新型死亡方式與二硫化物應(yīng)激有關(guān),與ATP水平無關(guān)[10]。由此可定義雙硫死亡: 一種新型細(xì)胞死亡方式,獨(dú)立于現(xiàn)存的凋亡、鐵死亡、壞死性凋亡、銅死亡等細(xì)胞程序性死亡,是由細(xì)胞內(nèi)過量胱氨酸積累引起的二硫化物應(yīng)激導(dǎo)致的快速死亡方式。

3 細(xì)胞內(nèi)生化過程對(duì)雙硫死亡的調(diào)控

研究[11]表明, SCL7A11高表達(dá)的細(xì)胞可迅速將胱氨酸還原為半胱氨酸,可有效防止胱氨酸在細(xì)胞內(nèi)的過度積累。在這個(gè)步驟中,一個(gè)胱氨酸通過還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化為2個(gè)無細(xì)胞毒性的半胱氨酸分子,并消耗細(xì)胞內(nèi)的NADPH。通過這種方式,生物體內(nèi)的細(xì)胞可產(chǎn)生葡萄糖和磷酸戊糖, SLC7A11高表達(dá)的細(xì)胞需要正常的NADPH供應(yīng),因此葡萄糖是生物體內(nèi)的細(xì)胞生長(zhǎng)因子,一旦缺乏葡萄糖, NADPH就會(huì)耗盡。在葡萄糖缺乏的SLA7A11的細(xì)胞中,胱氨酸或其他二硫化物的過度積累會(huì)誘發(fā)產(chǎn)生雙硫應(yīng)激,導(dǎo)致細(xì)胞迅速死亡。

4 雙硫死亡與腫瘤的關(guān)系

鑒于雙硫應(yīng)激誘導(dǎo)雙硫死亡的機(jī)制, LIU X G等[4]研究指出了針對(duì)惡性腫瘤中的雙硫死亡的治療靶點(diǎn)。SLC7A11高表達(dá)的細(xì)胞在氧化還原中形成二硫鍵(正常情況下,細(xì)胞漿的蛋白質(zhì)不會(huì)形成二硫鍵),當(dāng)細(xì)胞處于低葡萄糖環(huán)境時(shí), NADPH消耗會(huì)增加,同時(shí)雙硫應(yīng)激也會(huì)增加,從而破壞蛋白質(zhì)的活性或功能,導(dǎo)致細(xì)胞活力受到損害。由于處于低葡萄糖環(huán)境中,細(xì)胞中的肌絲蛋白聚集,肌動(dòng)蛋白的雙硫化過程收縮,而NCK相關(guān)蛋白1基因(NCKAP1)可促進(jìn)肌動(dòng)蛋白的聚合,敲除該基因,則可明顯減緩雙硫死亡的過程[21]。然而SLC7A11和SLC3A2蛋白表達(dá)水平、胱氨酸攝取速度和量以及尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸與煙酰胺腺嘌呤二核苷磷酸的比值(NADP+/NADPH)不受NCKAP1的影響,但葡萄糖缺乏誘導(dǎo)的二硫鍵、肌動(dòng)蛋白的收縮卻有所減弱。NCKAP1可通過RAC1的過表達(dá)被激活,導(dǎo)致與其他的NCKAP1亞基形成波形調(diào)節(jié)復(fù)合物(WRC)[22], 從而引起細(xì)胞形成片狀偽足(片狀偽足中的肌動(dòng)蛋白網(wǎng)絡(luò)分支是雙硫化物的關(guān)鍵靶標(biāo)),從而影響細(xì)胞的雙硫死亡。LIU X G等[4]指出,其他重要的生理蛋白,如RNA結(jié)合蛋白和核苷酸結(jié)合蛋白,也容易受到雙硫化物應(yīng)激的影響。這些蛋白質(zhì)有助于理解亞砜和二甲基亞砜的致死機(jī)制。此外,這些蛋白質(zhì)對(duì)于探索更有效的惡性腫瘤的治療方案也是不可或缺的力量。

5 雙硫死亡的意義

細(xì)胞穩(wěn)態(tài)機(jī)制對(duì)于雙硫死亡相關(guān)研究十分重要。糖酵解起始于葡萄糖,葡萄糖通過葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體轉(zhuǎn)移至細(xì)胞膜。因此,針對(duì)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體治療惡性腫瘤亦是一項(xiàng)療效不錯(cuò)的干預(yù)措施。葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體對(duì)SLC7A11高表達(dá)的腫瘤細(xì)胞效果十分顯著,如KL-11743和Bay-876等葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體抑制劑能有效阻滯葡萄糖攝取,此外,葡萄糖抑制劑會(huì)破壞F-肌動(dòng)蛋白網(wǎng)絡(luò)和與二硫鍵骨架結(jié)合[23]。用Bay876處理可減少SLC7A11高表達(dá)的人肺鱗癌細(xì)胞(NCIH226)異種移植腫瘤的生長(zhǎng),導(dǎo)致細(xì)胞頻繁死亡。在 SLC7A11高表達(dá)的惡性腫瘤中,葡萄糖制劑可能會(huì)通過雙硫化物的狀態(tài)和細(xì)胞死亡產(chǎn)生治療效果。

在這種細(xì)胞調(diào)節(jié)方式中,許多蛋白質(zhì)和信號(hào)通路都參與其中。其中一個(gè)關(guān)鍵的調(diào)節(jié)因素是細(xì)胞氧化還原狀態(tài)以及細(xì)胞內(nèi)的二硫鍵的形成和裂解。當(dāng)然,影響細(xì)胞中氧化還原反應(yīng)的因素多種多樣,如細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境和細(xì)胞的新陳代謝狀態(tài)。二硫鍵的形成和斷裂受到細(xì)胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)的影響。其中硫氧化酶和硫酸酶,這些氧化還原酶會(huì)影響細(xì)胞的氧化還原狀態(tài)[24]。 此外, NF-κB信號(hào)通路和c-Jun 氨基末端激酶(JNK)受體信號(hào)途徑也已被證實(shí)在雙硫化物形成中發(fā)揮著重要作用[25]。為此,有必要對(duì)雙硫死亡的調(diào)控機(jī)制進(jìn)行進(jìn)一步研究。深入開發(fā)新的腫瘤治療方法,首先就必須更好地了解與雙硫死亡相關(guān)的蛋白質(zhì)和信號(hào)通路。研究人員有望開發(fā)抑制葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體或磷酸戊糖途徑代謝的新型腫瘤治療方法。

6 雙硫死亡治療的展望

雙硫死亡的機(jī)制研究[26]是一個(gè)重要的疾病治療領(lǐng)域新方向。在惡性腫瘤方面,細(xì)胞內(nèi)的雙硫死亡與細(xì)胞中的氧化應(yīng)激發(fā)揮作用,侵襲性偽足的形成過程可能會(huì)使轉(zhuǎn)移性的惡性腫瘤細(xì)胞發(fā)生更多雙硫應(yīng)激[27]。在心腦血管疾病方面,依據(jù)雙硫死亡的機(jī)制,通過抑制二氧化硫可減輕細(xì)胞的損傷[28]。除了心血管疾病和神經(jīng)系統(tǒng)疾病,硫誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡也被認(rèn)為是一個(gè)重要的治療靶點(diǎn)。因此,雙硫死亡是一種非常有前景的疾病治療機(jī)制,但需要進(jìn)一步的研究和探索。

為了更好地研究雙硫死亡在細(xì)胞生物學(xué)和疾病治療中的作用,未來還需要進(jìn)一步探索其機(jī)制和調(diào)控方法。此外,開發(fā)和篩選更有效的雙硫死亡誘導(dǎo)劑和抑制劑可提高其在惡性腫瘤中的應(yīng)用。當(dāng)然,雙硫死亡仍需和其他的細(xì)胞死亡形式組合研究,以完善惡性腫瘤細(xì)胞死亡的調(diào)節(jié)體系。

7 小 結(jié)

綜上所述,在腫瘤細(xì)胞的微環(huán)境中,細(xì)胞死亡是一個(gè)生理過程,能維持生物發(fā)展和平衡。而腫瘤疾病的治療重點(diǎn)是通過各種靶向細(xì)胞死亡途徑殺死癌細(xì)胞。細(xì)胞內(nèi)胱氨酸積累過多導(dǎo)致二硫化物破解,肌動(dòng)蛋白崩解。具體而言, SLC7A11的高表達(dá)會(huì)促進(jìn)胱氨酸在細(xì)胞內(nèi)攝取,而在葡萄糖饑餓條件下, NADPH的耗竭會(huì)導(dǎo)致雙硫應(yīng)激、二硫鍵大量積累,引發(fā)肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架蛋白之間的二硫鍵交聯(lián)異常和細(xì)胞骨架收縮,最終導(dǎo)致肌動(dòng)蛋白網(wǎng)絡(luò)破裂和細(xì)胞死亡。雙硫死亡加深了研究者對(duì)腫瘤細(xì)胞死亡模式的理解,將來雙硫死亡的治療勢(shì)必會(huì)成為具有高度侵襲性和異質(zhì)性、預(yù)后不良且發(fā)病率不斷增高的惡性腫瘤患者有效、安全的治療選擇。